CN108700799B - 数字成像的变形摄影 - Google Patents

Abstract

一种数码相机，包括数字图像传感器和至少一个校正透镜元件，所述校正透镜元件配置为减少所述数字图像传感器上的水平或垂直尺寸的图像模糊。优选地，所述数字图像传感器是大型数字成像器，例如“Digital 65”成像器。

Description

数字成像的变形摄影

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年1月6日提交的临时申请No.62/275,733和2016年12月29日提交的美国非临时专利申请No.15/394,401的优先权和权益，其内容通过引用并入本文。

背景技术

已经利用变形相机系统来捕获具有较小宽高比的胶片(例如标准35mm胶片)上的宽屏宽高比。例如，在标准Panavision变形系统中，宽高比为2.4:1的宽屏图像在水平方向上被压缩2倍，以1.2:1的宽高比在35mm胶片上被捕获。与在35mm胶片上以2.4:1的宽高比存储时允许的分辨率相比，水平压缩允许更高分辨率的图像被存储在35mm胶片上。变形透镜元件用于压缩要存储在胶片上的原始图像，然后用于再次扩展图像以在电影院等中投影。

随着数码相机系统的扩展使用，需要对变形系统的进一步发展以满足这种数码相机系统的需要。另外，需要对变形压缩比进行修改以解决由数字成像传感器所使用的宽高比。

发明内容

本文公开的系统、装置和方法旨在提供用于数码相机系统的改进的变形系统。另外，对本文公开的变形压缩比的修改解决了由数字成像传感器提供的宽高比。

在一实施例中，本申请公开了一种数码相机，包括数字图像传感器和沿光轴定位的透镜组。透镜组包括至少一个变形透镜元件，其被配置为在水平或垂直尺寸上压缩图像；至少一个焦度透镜元件(powered lens element)，位于至少一个变形透镜元件和数字图像传感器之间；以及至少一个校正透镜元件，位于至少一个焦度透镜元件和数字图像传感器之间，并配置成减少数字图像传感器上水平或垂直尺寸的图像模糊或在水平或垂直尺寸上分解图像，以基本上均衡水平和垂直尺寸上的图像质量。

在一实施例中，本申请公开了一种数码相机系统，包括数字图像传感器，该数字图像传感器包括光学低通滤波器。该系统包括至少一个变形透镜元件，其被配置为在水平或垂直尺寸上压缩图像。该系统包括至少一个校正透镜元件，其被配置为沿着光轴定位在至少一个变形透镜元件和光学低通滤波器之间，并且配置为减少由光学低通滤波器引起的数字图像传感器上的在水平或垂直方向上的图像模糊。

在一个实施例中，本申请公开了一种数码相机系统，其包括至少一个变形透镜元件，该变形透镜元件配置为以大约1.29的挤压比压缩水平或垂直尺寸的图像。该系统包括数字图像传感器，所述数字图像传感器配置为接收由所述至少一个变形透镜元件压缩的图像。

附图说明

通过参考说明书、权利要求和附图，可以更好地理解本文所公开的系统、装置和方法的特征和优点，其中：

图1示出了捕获胶片上物体图像的相机的示意图；

图2示出了使用球面透镜元件的模糊示图；

图3示出了使用变形透镜元件的模糊示图；

图4示出了调制传递函数(MTF)的表示的示图；

图5示出了根据本公开的实施例的捕获胶片上的物体的图像的相机的示意图；

图6示出了根据本公开的实施例的至少一个校正透镜元件的示意图；

图7示出了根据本公开的实施例的数码相机的光学器件的示图；

图8示出了根据本公开的实施例的1.29挤压比的使用的示图。

具体实施例

图1示出了利用变形处理来捕获胶片14上的物体12的图像的相机10的示意图。已经在胶片应用中使用变形处理，即在电影和电视拍摄中，以提供宽屏图像捕捉，还增强了胶片成像区域的使用。变形处理包括在水平尺寸或垂直尺寸上压缩图像，以减小图像存储在胶片上时的宽高比。在稍后成像胶片的投影期间，使用反向处理在水平或垂直尺寸上扩展图像，以再现原始未压缩图像。

已经使用变形过程来在被称为Ultra Panavision的系统中在65毫米(mm)胶片上捕获图像。Ultra Panavision系统包括相机10，该相机10具有变形透镜组16、焦度透镜组18和用于存储图像的65mm胶片14。变形透镜组16包括多个变形透镜元件22。变形透镜元件22配置为以介于1.19至1.30之间的挤压比(这可以包括比率为1.25或1.255)来压缩图像的尺寸，该尺寸可以是水平或垂直尺寸。挤压比是未压缩图像宽高比与压缩图像宽高比的比率。变形透镜元件22可包括弱负无焦系统(weak negative afocal system)。变形透镜元件22可包括柱面透镜元件和/或棱镜透镜元件，以在水平或垂直尺寸上产生压缩。变形透镜元件22可包括像散镜，其可类似于Wallin的1959年6月16日授权的美国专利No.2,890,622(图像变形系统，Anamorphosing System)中公开的可变像散器，该专利的全部内容通过引用合并于此。可变像散器可以利用弱反向旋转圆柱体(例如，一个正向和一个负向，或者两个正向，或者都是负向)，其在实现焦点时平衡焦度轴和非焦度轴的轴向焦点位置。

焦度透镜组18可包括球面透镜元件24，其会聚和/或发散由变形透镜组16产生的无焦图像。焦度透镜组18可用于实现图像的聚焦。焦度透镜组18可以以类似的方式操作，并且包括与Wallin的美国专利No.2,890,622中公开的聚焦透镜类似的元件。焦度透镜组18可以沿着变形透镜组16和胶片14之间的光轴26定位。

65mm胶片14包括成像区域，该成像区域具有大约48.62mm的水平或垂直尺寸的宽度，以及大约22.10mm的各自的相应垂直或水平尺寸的高度。胶片14的宽高比约为2.20:1。挤压比为1.25或1.255，允许系统在具有宽高比为2.20:1的胶片上捕获宽高比约为2.76:1的图像。在稍后成像胶片的投影期间再现原始宽屏宽高比为2.76:1。65mm胶片的图像质量与2.76:1宽屏幕宽高比相结合，相对于大多数电影院看到的标准宽屏图像，提供了增强的观看体验。

已经发现，与数码相机、特别是大幅面数码相机一起使用的变形过程，产生了通常的胶片感光乳剂捕获所不具备的问题。在数码相机中使用数字图像传感器会产生不希望的图像模糊，特别是在变形压缩的尺寸上。数字图像传感器可以包括具有支持滤光器的光学低通滤波器，主光线和相关束必须穿过该支持滤光器，这导致由相机光学器件提供的正常图像校正的过校正/欠校正。相机内的滤光器组可能过度校正轴向像差和不正确的横向像差。水平尺寸中的模糊可以包括球面像差、彗形像差和像散。

图2示出了使用球面透镜元件28在数码相机中发生的模糊的示图。球面透镜元件28压缩原始图像，然而，当在数字图像传感器上成像时，任何模糊在整个图像中是均匀的。

图3示出了使用变形透镜元件30(即柱面透镜元件)在数码相机中发生的模糊的示图，该变形透镜元件30配置为在水平或垂直尺寸32中压缩图像。数字图像传感器的元件在变形压缩的水平或垂直尺寸上产生了图像的增强的模糊。

数字图像传感器可以包括光学低通滤波器，其可以包括但不限于双折射材料。光学低通滤波器是数码相机所独有的，因为与胶片相机不同，图像被划分成图像传感器上的像素。光学低通滤波器专门防止由传感器上的像素无法解析的任何空间频率，这对于防止常见的数字图像伪像是必不可少的。双折射材料与图像的变形压缩的尺寸中的不成比例的放大率相结合，可以导致与被减小以挤压比系数倍的正交垂直或水平尺寸相比的变形压缩的尺寸的调制传递函数(MTF)。图4示出了在没有变形压缩的尺寸中的示例性MTF，其在变形压缩的尺寸上较小。因此，图像在数字图像传感器上的变形压缩的尺寸上模糊到比相应的正交垂直或水平尺寸中的模糊更大的量。在变形压缩处于水平尺寸的实施例中，所得到的图像不像垂直那样水平地清晰。

图5示出了数码相机36的实施例，其被设计为解决由数字图像传感器38产生的变形压缩的尺寸的模糊。数码相机36可包括数字图像传感器38、变形透镜组16、焦度透镜组18、和矫正透镜组40。

数字图像传感器38可包括主动成像区域42和光学低通滤波器44。在一实施例中，数字图像传感器38可配置为具有大于约2K分辨率的数字传感器，并且在示例性实施例是4K分辨率数字传感器，但是在其他实施例中，可以根据需要使用更小(2k)或更高分辨率(例如，大于4K)。在一实施例中，数字图像传感器38可以具有“Digital 65”格式。数码相机36可以允许胶片相机的光学器件应用于数字图像传感器38。数码相机36的光学器件可以捕获具有尺寸为大约48.62mm×22.1mm的图像，如同65mm胶片一样但是以4k的数字分辨率。

在一个实施例中，数字图像传感器38可以配置为具有主动成像区域42，其大致等于65mm胶片的48.62mm×22.1mm格式，或者面积大于65mm胶片的格式。在一实施例中，数字图像传感器38可以配置为具有主动成像区域，其具有沿水平或垂直尺寸的宽度，该宽度大于35mm。在一实施例中，数字图像传感器38可以配置为具有主动成像区域，其具有沿水平或垂直尺寸的宽度，该宽度大于50mm。在一个实施例中，数字图像传感器38可以配置为具有主动成像区域，该主动成像区域具有沿着水平或垂直尺寸的宽度，该宽度在大约50mm和70mm之间。

在一实施例中，数字图像传感器38可以配置为具有主动成像区域，其具有沿垂直或水平尺寸的高度，该高度大于约20mm。在一实施例中，数字图像传感器38可以配置为具有主动成像区域，其具有沿垂直或水平尺寸的高度，该高度大于约30mm。在一实施例中，数字图像传感器38可以配置为具有主动成像区域，其具有沿着垂直或水平尺寸的高度，该高度在大约25mm和35mm之间。在一实施例中，数字图像传感器38可以配置为具有大约2.2:1的宽高比。在一实施例中，数字图像传感器38的高度和宽度可以根据需要组合或改变为不同的宽高比。优选地，使用大格式数字图像传感器38，然而，在其他实施例中，可以根据需要使用其他格式的数字图像传感器38。光学低通滤波器44可包括单层或单类型的材料，或多层或多种类型的材料。

变形透镜组16可以与图1讨论的变形透镜组16类似地配置。变形透镜组16可以包括多个变形透镜元件，或者可以包括至少一个变形透镜元件22。至少一个变形透镜元件22可以配置为在水平或垂直尺寸上压缩图像。变形透镜组16可以配置为与透镜组的其余部分成一体，或者可以配置为可拆卸的。在透镜组16是可拆卸的实施例中，数码相机36可以配置为在变形捕获模式和非变形捕获模式之间改变。

焦度透镜组18可以与图1讨论的焦度透镜组18类似地配置。焦度透镜组18可以包括多个焦度透镜元件24，或者可以包括至少一个焦度透镜元件24。焦度透镜元件24可包括球面透镜元件。球面透镜元件可以配置为在所有尺寸上改变来自变形透镜组16的图像的放大率。焦度透镜组18可以位于至少一个变形透镜元件22和数字图像传感器38之间。焦度透镜组18可以配置为与透镜组的其余部分成一体，或者可以配置为可拆卸的。

校正透镜组40可以位于焦度透镜组18和数字图像传感器38之间。校正透镜组40可以包括至少一个校正透镜元件48，其配置为减少数字图像传感器38上的变形压缩的尺寸中的图像模糊，或者配置为在相应的正交水平或垂直尺寸上分解图像以使变形压缩的尺寸和相应的正交水平或垂直尺寸的性能达到一致，或者基本上均衡两个正交尺寸的图像质量。模糊的减少可以解释数字图像传感器38的优选大格式。校正透镜组40可以被定位为相对于变形透镜组16的图像侧透镜组，并且可以用作后视光组，其包括数字图像传感器38之前的最后一组光学器件。校正透镜组40可以配置成与透镜组的其余部分成一体，或者可以配置成可拆卸的。在透镜组16和校正透镜组40可拆卸的实施例中，数码相机36可以配置成在变形捕获模式和非变形捕获模式之间改变。

所述至少一个校正透镜元件48可以包括弱补偿器，其用于均衡由数字图像传感器38引起的不对称模糊，这种模糊可以包括由光学低通滤波器44引起的模糊。在一实施例中，至少一个校正透镜元件48可包括柱面透镜元件，其可以是环形透镜元件。至少一个校正透镜元件48可以是自包含的和自消除的，但是提供柱镜度数。柱面透镜元件可以配置成当通过双折射光学低通滤波器44成像时，使变形压缩的尺寸与相应的正交水平或垂直尺寸之间的图像MTF的不成比例的卷积偏移。在一实施例中，柱面透镜元件的度数可以取决于由至少一个变形透镜元件22提供的度数。前后圆柱形组可以相互依赖，以便以所需的大格式进行光学校正。这样，至少一个校正透镜元件48可以与至少一个变形透镜元件22组合操作，并且可以依赖该至少一个变形透镜元件22。后柱面透镜元件可以配置为校正由光学低通滤波器44引起的球面像差、彗形像差、场曲率、和像散。

在一个实施例中，至少一个校正透镜元件48可包括双折射材料。双折射材料可以在校正透镜组40内具有这样的方位：该方位用于减少由数字图像传感器38引起的不对称模糊，所述不对称模糊可以包括由光学低通滤波器44引起的模糊。双折射材料可以配置为通过提供图像分解的计算量来平衡不对称模糊，图像分解可以是挤压比的函数。可根据需要使用单层或单类型的双折射材料，或多层或多类型的双折射材料。双折射材料可以配置为校正由光学低通滤波器44引起的球面像差、彗形像差、像场弯曲和像散。

在一实施例中，至少一个校正透镜元件48可包括柱面透镜元件(例如环形透镜元件)和双折射材料的组合。在一实施例中，校正透镜组40可以被配置为位于变形透镜组16的图像侧上的一组自适应光学器件。在一实施例中，变形透镜组16可以被配置为与校正透镜组40的自适应光学器件组合操作的柱面透镜组。

图6示出了包括双折射材料48a的至少一个校正透镜元件48的实施例。在一实施例中的双折射材料可以包括石英，但是在其他实施例中，可以根据需要使用不同的材料。双折射材料可以与焦度尺寸正交定向。图6示出了包括柱面透镜元件的至少一个校正透镜元件48的实施例，该柱面透镜元件可以是环形透镜元件48b。环形透镜元件可包括面向矫正透镜组40的物侧的弱环形表面。

图7示出了在由至少一个校正透镜元件48校正之前和之后的数码相机36的光学器件的俯视图。变形压缩的尺寸模糊被减小了。

变形透镜组16、焦度透镜组18和矫正透镜组40可以组合地包括沿着光轴26定位的透镜组。变形透镜组16和矫正透镜组40可以在焦度透镜组18的前侧和后侧上操作。

在一实施例中，变形透镜组16的挤压比可以是2，例如在其中(对于捕获的1.2:1宽高比)期望的是标准2.4:1的Panavision宽屏宽高比的实施例中。在一实施例中，变形透镜组16的挤压比可以设定为大约1.34，例如在期望捕获1.78宽高比的实施例中，以Miyagishima等人的2006年12月12日授权的美国专利No.7,148,947的变形三穿孔成像系统(Anamorphic Three-Perforation Imaging)中描述的方式，其全部内容通过引用并入本文。在一实施例中，变形透镜组16的挤压比可以根据需要改变。

如图8所示，在一实施例中，变形透镜组16a的挤压比可以变化约1.25或1.255的3％，以提供具有约1.29的挤压比的变形透镜组16b。在一实施例中，可以通过引入或增强变形透镜组16b的前部元件与像散之间的气隙的尺寸来实现3％的调节。

1.29挤压比可以与“Digital 65”数字图像传感器以及“Super 35”数字图像传感器两者一起使用。在使用“Digital 65”数字图像传感器的实施例中，压缩比的变化可以基本上可忽略不计，因为它在已经存在于变形透镜组16b中的压缩比公差内，例如在像散内。因此，在扩展时仍可能产生2.76:1的宽高比。

在使用“Super 35”数字图像传感器的实施例中，1.29挤压比允许以1.78:1的宽高比捕获2.4:1图像，仅有约4％的有效图像区域的使用损失。可以使用传感器的整个宽度，这允许真正的4k分辨率混合2.4:1宽高比变形扫描。这可能是对挤压比为2的传统变形捕获的改进，其目前限于2k分辨率。

可以以Miyagishima等人的美国专利No.7,148,947中描述的方式将捕获的1.78宽高比(“Super 35”)或捕获的2.20宽高比(“Digital 65”)转换成可选的所需宽高比。

本文公开的以挤压比捕获图像的过程可以作为本申请范围内的方法来实施。另外，可以将本文公开的至少一个校正透镜元件48的使用作为本申请范围内的方法来实施。本文公开的其他方法可以在本申请的范围内实施。另外，与本文公开的其他光学器件分离或组合的至少一个校正透镜元件48可包括本申请范围内的独立特征。

最后，应当理解，尽管通过参考具体实施例突出了本说明书的实施例，但本领域技术人员容易理解的是，这些公开的实施例仅仅是本文公开的主题的原理的说明。因此，应当理解，所公开的主题决不限于本文所述的特定的方法、方案和/或试剂等。因此，在不脱离本说明书的精神的情况下，可能根据本文的教导而进行所公开主题的各种修改、改变或替代配置。最后，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意图限制仅由权利要求书限定的本文所公开的系统、装置和方法的范围。因此，上述系统、装置和方法并不限于本文中精确示出和描述的系统、装置和方法。

本文描述了系统、装置和方法的某些实施例，包括发明人已知的用于执行文本所述系统、装置和方法的最佳模式。当然，对于本领域普通技术人员来说，在阅读前文的描述之后，这些所描述的实施例的变体将是显而易见的。发明人期望本领域技术人员酌情地使用这些变体，并且发明人意图以不同于本文具体描述的方式实施上述系统、装置和方法。因此，根据适用法律的允许，上述系统、装置和方法包括所附权利要求中陈述的主题的所有修改和等同物。并且，除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾，则上述实施例的所有可能变体的任意组合均包含在上述系统、装置和方法中。

上述系统、装置和方法的替代实施例、元件或步骤的分组不应被解释为限制。每组的各个组成部分可能被单独地或与本文公开的其他各组的每个组成部分任意组合地进行参考和要求保护。出于方便和/或可专利性，期望某一组中可能包含入某一组中的一个或多个组成部分，或者可能将某一组中的一个或多个组成部分从某一组中删除。当发生任何此类包含或删除时，认为该说明书包含该经过修改的组，从而满足所附权利要求中使用的所有马库什组的书面描述。

除非另有说明，本说明书和权利要求书中使用的表示特征、项目、数量、参数、性质、术语等等的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。如本文所使用的，术语“约”意味着上述特征、项目、数量、参数、性质或者术语包含可能变化的近似值。术语“约”和“大致”表示不同于所述的量、但仍然能够执行本文所述的期望的操作或过程的量。

在描述系统、装置和方法的上下文中(特别是在以下的权利要求的上下文中)所使用的术语“a”、“an”、“the”以及类似的指示对象，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，都应解释为涵盖单数和复数。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，本文所述的所有方法均可能以任意适宜的顺序进行。除非另有说明，本文提供的任意及所有示例或示例性语言(例如“例如”)仅旨在更好地阐明所述系统、装置和方法，而不对所述系统、装置和方法的范围构成限制。本说明书中的任何语言不应被解释为表示对于所述系统、装置和方法的实践所必需的任何未要求保护的元件。

本说明书中所引用和鉴定的所有专利、专利出版物和其他出版物是通过引用而将其全部内容单独且明确地并入本文的，其目的在于，例如，描述和公开这些公开中所描述的可能与所述系统、装置和方法相关联地使用的组合物或方法。这些出版物的提供仅仅是由于其先于本申请的申请日的公开。有关此方面的任何内容都不应被解释为承认发明人无权凭借先前的发明或出于任何其他原因而提前公开这些内容。对于这些文件的日期或表述的所有陈述都基于申请人可获取的信息，并不构成对于这些文件的日期或内容的正确性的任何承认。

Claims (16)

1.一种数码相机，包括：

数字图像传感器，包括光学低通滤波器；

沿光轴定位的透镜组，且包括：

至少一个变形透镜元件，配置为在水平或垂直方向上压缩图像；

至少一个焦度透镜元件，位于所述至少一个变形透镜元件和所述数字图像传感器之间；以及

至少一个校正透镜元件，位于所述至少一个焦度透镜元件和所述数字图像传感器之间，并配置成减少由所述光学低通滤波器引起的所述数字图像传感器上的水平或垂直尺寸的所述图像的模糊或在水平或垂直尺寸上分解图像，以基本上均衡所述水平或垂直尺寸上的图像质量，其中，所述至少一个校正透镜元件包括至少一个环形透镜元件和至少一种双折射材料中的一者或多者。

2.根据权利要求1所述的数码相机，其特征在于，所述数字图像传感器具有主动成像区域，所述主动成像区域具有沿水平或垂直尺寸的宽度，所述宽度大于35毫米。

3.根据权利要求2所述的数码相机，其特征在于，所述数字图像传感器具有高度大于20毫米的主动成像区域。

4.根据权利要求1所述的数码相机，其特征在于，所述数字图像传感器包括光学低通滤波器，所述至少一个校正透镜元件被配置为减少由光学低通滤波器引起的所述数字图像传感器上的水平或垂直尺寸上的图像模糊。

5.根据权利要求1所述的数码相机，其特征在于，所述至少一个变形透镜元件配置为以1.29的挤压比在水平或垂直尺寸上压缩所述图像。

6.根据权利要求1所述的数码相机，其特征在于，所述至少一个校正透镜元件包括所述至少一个环形透镜元件和所述至少一种双折射材料的组合。

7.根据权利要求1所述的数码相机，其特征在于，所述至少一个变形透镜元件配置为与所述至少一个焦度透镜元件分离。

8.根据权利要求1所述的数码相机，其特征在于，所述数码相机配置为在变形捕获模式和非变形捕获模式之间改变。

9.一种数码相机系统，包括：

数字图像传感器，包括光学低通滤波器；

至少一个变形透镜元件，配置为在水平或垂直尺寸上压缩图像；以及

至少一个校正透镜元件，配置为沿着光轴定位在所述至少一个变形透镜元件和光学低通滤波器之间，并且配置为减少由所述光学低通滤波器引起的所述数字图像传感器上的水平或垂直尺寸上的图像模糊，其中，所述至少一个校正透镜元件包括环形透镜元件和双折射材料中的一者或多者。

10.根据权利要求9所述的数码相机系统，其特征在于，所述至少一个校正透镜元件配置为校正由所述光学低通滤波器引起的球面像差、彗形像差、像场弯曲或像散中的一个或多个。

11.根据权利要求9所述的数码相机系统，其特征在于，所述至少一个变形透镜元件配置为以介于1.19至1.30之间的挤压比在水平或垂直尺寸上压缩所述图像。

12.一种数码相机系统，包括：

至少一个变形透镜元件，配置为在水平或垂直尺寸上压缩图像；

数字图像传感器，包括光学低通滤波器并且配置为接收由所述至少一个变形透镜元件压缩的图像；和

校正透镜元件，包括环形透镜元件或双折射材料中的一者或多者，并且配置为沿着光轴定位在所述至少一个变形透镜元件和所述数字图像传感器之间，其中，所述校正透镜元件被配置成减少由所述光学低通滤波器引起的所述数字图像传感器上的水平或垂直尺寸的所述图像的模糊，以基本上均衡所述水平或垂直尺寸上的图像质量。

13.根据权利要求12所述的数码相机系统，其特征在于，所述数字图像传感器配置为以1.78:1的宽高比接收所述图像。

14.根据权利要求12所述的数码相机系统，其特征在于，所述数字图像传感器配置为以2.2:1的宽高比接收所述图像。

15.根据权利要求12所述的数码相机系统，其特征在于，所述数字图像传感器具有至少4K分辨率。

16.根据权利要求12所述的数码相机系统，其特征在于，所述数字图像传感器具有主动成像区域，所述主动成像区域具有沿水平或垂直尺寸的宽度，所述宽度大于35毫米。

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