CN111656761A - 成像设备和成像方法 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及成像设备和成像方法，所述成像设备和成像方法使得可以在不使用昂贵的大直径透镜的情况下捕获明亮图像。在成像元件之前的阶段处形成设置有开口并且收集来自被摄体平面的光的镜面，其中所述开口具有比成像元件的面积大的面积，由直接在成像元件上的光以及镜面所反射的光形成的图像被捕获，并且从所捕获的图像重建最终图像。本公开内容可适用于成像设备。

Description

成像设备和成像方法

技术领域

本公开内容涉及成像设备和成像方法，并且特别地涉及允许在不使用昂贵的大直径透镜的情况下捕获明亮图像的成像设备和成像方法。

背景技术

通过增加透镜尺寸可以提高成像设备的光学效率(光利用效率)。

然而，透镜尺寸越大，透镜成本越高。特别地，红外透镜的成本显著地增加。

为了解决该问题，作为在不增加透镜尺寸的情况下提供改善了的光利用效率的技术，提出了一种通过以下方式生成具有高的光利用效率的图像的技术：利用平面镜对来自被摄体的入射光进行划分，以使得在成像元件上的多个区域上被划分的方式将光投射为多个图像，分别地对各个图像进行滤波处理，并且然后通过使用多个图像重建图像(参见专利文献1)。

[引用列表]

[专利文献]

[专利文献1]

美国专利申请公开第2016/0065938号

发明内容

[技术问题]

然而，专利文献1中描述的技术从作为成像元件的分辨率的一部分的图像生成重建的图像，导致分辨率降低。

考虑到这种情况提出了本公开内容，并且特别地本公开内容的目的是允许在不使用昂贵的大直径透镜的情况下捕获明亮图像。

[问题的解决方案]

本公开内容的一方面的一种成像设备包括：引导部，其被配置成将来自被摄体的入射光引导至成像元件；成像部，其被配置成捕获由引导部引导的入射光作为像素信号；以及信号处理部，其被配置成通过信号处理将像素信号重建为最终图像。

本公开内容的一方面的一种成像方法包括：将来自被摄体的入射光引导至成像元件的引导处理；捕获由引导处理引导的入射光作为像素信号的成像处理；以及通过信号处理将像素信号重建为最终图像的信号处理过程。

在本公开内容的一方面中，入射光从被摄体引导至成像元件，所引导的入射光被捕获作为像素信号，并且像素信号通过信号处理被重建为最终图像。

[发明的有益效果]

根据本公开内容的一方面，特别是可以在不使用昂贵的大直径透镜的情况下捕获明亮图像。

附图说明

[图1]图1是示出普通成像设备的配置示例的图。

[图2]图2是示出由图1中描述的成像设备进行成像的原理的图。

[图3]图3是示出本公开内容的成像设备的第一实施方式的配置示例的外部透视图

[图4]图4是示出本公开内容的成像设备的第一实施方式的配置示例的截面侧视图。

[图5]图5是示出由图3和图4中描述的成像设备进行成像的原理的图。

[图6]图6是示出重建原理的图。

[图7]图7是示出由图3和图4中描述的成像设备进行的成像处理的流程图。

[图8]图8是示出本公开内容的第一实施方式的修改示例的图。

[图9]图9是示出本公开内容的成像设备的第二实施方式的配置示例的外部透视图。

[图10]图10是示出本公开内容的成像设备的第二实施方式的配置示例的截面侧视图。

[图11]图11是示出图9和图10中捕获的被摄体表面、由成像元件捕获的图像以及最终重建的图像的图。

[图12]图12是示出本公开内容的成像设备的第二实施方式的配置示例的截面侧视图。

[图13]图13是示出镜面的开度角与光利用效率之间的关系的图。

[图14]图14是示出镜面的开度角与光利用效率之间的关系的图。

[图15]图15是示出由图9和图10中描述的成像设备进行的成像处理的流程图。

[图16]图16是示出本公开内容的第二实施方式的修改示例的图。

具体实施方式

以下将参照附图给出本公开内容的优选实施方式的详细描述。应当注意的是，在本说明书和附图中具有基本相同功能的组成元件由相同的附图标记表示以省略重复的描述。

下面将描述用于实现本技术的实施方式。将按以下顺序给出描述：

1.普通成像设备

2.第一实施方式

3.第一实施方式的修改示例

4.第二实施方式

5.第二实施方式的修改示例

<<1.普通成像设备>>

<普通成像设备的配置>

在进行本公开内容的配置的描述之前，将首先给出普通成像设备的配置的描述。

图1是普通成像设备的配置的截面侧视图。图1所示的成像设备11包括透镜31、成像元件32和输出部33，并且这些部件以集成的方式包括在壳体21中。

透镜31聚集视场(FOV)内的入射光并且将入射光聚焦至成像元件32的成像表面上。更详细地，透镜31以视角θ聚集视场FOV内的光并且将所聚集的光投射至成像元件32上，以在成像元件32的成像表面上形成图像。

成像元件32包括CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器或CCD(电荷耦合器件)图像传感器，该成像元件32捕获通过透镜31聚集光而获得的图像，并且将该图像作为逐像素信号输出至输出部33。

输出部33基于从成像元件32输出的逐像素信号执行信号处理，并且输出由此得到的信号作为图像信号。

应当注意，相对于光传输方向的透镜31和成像元件32的中心位置与光学轴AX对准。

<普通成像设备的成像原理>

接下来将参照图2给出由图1所示的成像设备11进行成像的原理的描述。应当注意的是，图2仅描绘了成像设备11的部件中的、为了描述所需的透镜31、成像元件32和输出部33。

将与成像设备11捕获图像的位置间隔开一预定距离并且被摄体所在的表面定义为被摄体表面S，并且将考虑被摄体表面S上的点P和点Q。

在被摄体表面S上的点P是点光源的情况下，从作为点光源的点P发出的漫射光如实线所示穿过透镜31，并且被聚集在成像元件32的成像表面上，以进入成像表面上的点P’。

类似地，从作为点光源的点Q发出的漫射光如虚线所示穿过透镜31，并且被聚集在成像元件32的成像表面上，以进入成像表面上的点Q’。

另外，从其他点发出的漫射光类似地被透镜31聚集并且进入成像元件32的成像表面。

更具体地，透镜31聚集来自被摄体表面S上的各个点光源的漫射光，并且使光聚集在成像元件32的成像表面上的对应的点处，因此形成图像。

这使得被摄体表面S上的图像被投射至成像元件32的成像表面上。因此，被摄体表面的图像被成像元件32捕获。

换句话说，被摄体表面S上的点和成像元件32的成像表面上的点在一对一的基础上彼此对应。这使得需要使从每个点光源发出的更多的漫射光进入透镜31并且聚集在成像表面上，以便实现更高的光利用效率，因此需要增加透镜31的直径。

然而，透镜31的直径的增加不仅导致成本增加，而且由于透镜31的直径的增加还导致设备配置的尺寸扩大，因此导致便携性降低。

<<2.第一实施方式>>

接下来将参照图3和图4给出对本公开内容的成像设备的第一实施方式的配置示例的描述。图3是成像设备41的外部透视图，以及图4是成像设备41的截面侧视图。

图3和图4所示的成像设备41包括圆形截锥体形状的镜面51、随机掩模52、成像元件53、重建部54和输出部55。

圆形截锥体形状的镜面51以内侧具有弯曲的镜面的圆形截锥体的形状形成。设置有大开口部51a和直径比大开口部51a小的小开口部51b，其中，大开口部51a的中心位置和小开口部51b的中心位置与光轴AX对准。

另外，来自被摄体表面G1的入射光进入大开口部51a，以通过设置在小开口部51b处的随机掩模52进入成像元件53。尽管小开口部51b与随机掩模52和成像元件53在尺寸上近似相同，但是小开口部51b的尺寸足够大以在其中容纳整个随机掩模52和成像元件53。

更详细地，存在来自被摄体表面G1上的点P的入射光的两个光学路径；在其中一个光学路径中，如由图5中的实线所示，入射光在穿过大开口部51a之后通过随机掩模52直接地进入成像元件53上的点P’；以及在另一个光学路径中，如图5中的单点划线和虚线所示，入射光在穿过大开口部51a之后首先被镜面51反射然后通过随机掩模52进入成像元件53上的点P’。

更具体地，在图3和图4所示的成像设备41中，在来自点P的漫射光中的、如果没有设置圆形截锥体形状的镜面51则不会进入成像元件53的光被圆形截锥体形状的镜面51反射，因此使得光能够如同来自虚拟点P1的漫射光一样进入成像元件53上的点P’。

因此，圆形截锥体形状的镜面51的设置使得可以提高光利用效率。

具体地，与其中未设置圆形截锥体形状的镜面51的情况相比，设置有圆形截锥体形状的镜面51时的光聚集能力约为不具有圆形截锥体形状的镜面51时的光聚集能力的(大开口部51a的面积)/(小开口部51b的面积)倍。即，在大开口部51a的面积例如是小开口部51b的面积的五倍大的情况下，通过随机掩模52进入成像元件53的光的量约为当未设置圆形截锥体形状的镜面51时的光的量的五倍。即，在这种情况下，成像设备41可以捕获明亮五倍的图像。

随机掩模52调制通过圆形截锥体形状的镜面51来自被摄体表面G1的入射光，使得光进入成像元件53的成像表面。

在这种情况下，如图3的右上处所示，随机掩模52具有掩模图案，该掩模图案被形成为使得开口部和遮光部被设置为在水平方向上和垂直方向上每单位尺寸Δ是随机的。

单位尺寸Δ至少比成像元件53的像素尺寸大。另外，在成像元件53与随机掩模52之间设置有具有非常小的距离‘d’的间隙。

如图6的左上处所示，例如，我们假设来自被摄体表面G1上的点光源PA、PB和PC的具有光强度‘a’、‘b’和‘c’的光束穿过随机掩模52，并且进入成像元件53上的相应位置Pa、Pb和Pc。

如图6的左上处所示，由于通过随机设置的开口部的入射光的调制，每个像素的检测灵敏度被指定响应于入射角的方向性。术语“将入射角方向性指定给每个像素的检测灵敏度”是指确保响应于入射光的入射角的感光灵敏度从成像元件53的一个区域到另一区域发生变化。n

也就是说，在假设包括在被摄体表面G1中的光源是点光源的情况下，来自相同光源的具有相同光强度的光束进入成像元件53。然而，由于通过随机掩模52调制光束，所以入射角在成像元件53的成像表面上从一个区域到另一区域发生变化。然后，由于光束各自具有由于通过随机掩模52使入射光的入射角从成像元件53的一个区域到另一区域发生变化而引起的感光灵敏度特性、即入射角方向性，所以即使光束具有相同的光强度，由于在成像元件53的成像表面的前一阶段处设置了随机掩模52，因此从成像元件53的一个区域到另一区域以不同的灵敏度检测到光束，使得从一个区域到另一区域具有不同检测信号水平的检测信号被检测到。

更具体地，如图6的右上处所示，分别通过以下公式(1)至(3)来表示在成像元件53上的位置Pa、Pb和Pc处的像素检测信号水平DA、DB和DC：

DA＝α1×a+β1×b+γ1×c ...(1)

DB＝α2×a+β2×b+γ2×c ...(2)

DC＝α3×a+β3×b+γ3×c ...(3)

此处，α1是响应于下述光束的入射角而设置的用于检测信号水平‘a’的系数：该光束在成像元件53上的位置Pa处被恢复并且来自被摄体表面G1上的点光源PA。应当注意的是，来自点光源PA的光束既包括直接地进入成像元件53的光束，也包括由圆形截锥体形状的镜面51反射的光束。

另外，β1是响应于下述光束的入射角而设置的用于检测信号水平‘b’的系数：该光束在成像元件53上的位置Pa处被恢复并且来自被摄体表面G1上的点光源PB。应当注意的是，来自点光源PB的光束既包括直接地进入成像元件53的光束，也包括由圆形截锥体形状的镜面51反射的光束。

此外，γ1是响应于下述光束的入射角而设置的用于检测信号水平‘c’的系数：该光束在成像元件53上的位置Pa处被恢复并且来自被摄体表面G1上的点光源PC。应当注意的是，来自点光源PC的光束既包括直接地进入成像元件53的光束，也包括由圆形截锥体形状的镜面51反射的光束。

因此，检测信号水平DA中的(α1×a)表示在位置Pc处由来自点光源PA的光束引起的检测信号水平。

另外，检测信号水平DA中的(β1×b)表示在位置Pc处由来自点光源PB的光束引起的检测信号水平。

此外，检测信号水平DA中的(γ1×c)表示在位置Pc处由来自点光源PC的光束引起的检测信号水平。

因此，检测信号水平DA被表示为在位置Pa处的点光源PA、PB和PC的各个分量乘以各自的系数α1、β1和γ1的乘积的合成值。在下文中，将系数α1、β1和γ1一起称为系数集。

类似地，针对点光源PB处的检测信号水平DB的系数集α2、β2和γ2分别对应于针对点光源PA处的检测信号水平DA的系数集α1、β1和γ1。另外，针对点光源PC处的检测信号水平DC的系数集α3、β3和γ3分别对应于针对点光源PA处的检测信号水平DA的系数集α1、β1和γ1。

然而，应当注意的是，在位置Pa、Pb和Pc处的像素的检测信号水平是由分别从点光源PA、PB和PC发出的光束的强度‘a’、‘b’、和‘c’与它们的系数的乘积之和所表示的值。为此，这些检测信号水平是分别从点光源PA、PB和PC发出的光束的强度‘a’、‘b’、和‘c’的混合，并且因此与形成的被摄体的图像不同。应当注意的是，包括Pa、Pb和Pc这些位置处的像素的检测信号水平DA、DB和DC的图像对应于图3所示的图像G2。

也就是说，如图6的右下处所示，通过使用α1、β1和γ1、α2、β2和γ2以及α3、β3和γ3这些系数集以及检测信号水平DA、DB和DC建立联立方程并且求解光强度‘a’、‘b’、和‘c’的方程，来获得位置Pa、Pb和Pc处的像素值。因此，恢复后的图像(最终图像)、即像素值集合被重建和恢复了。

另外，在图6的左上处所示的成像元件53与被摄体表面G1之间的距离发生改变的情况下，系数集α1、β1和γ1、α2、β2和γ2以及α3、β3和γ3中的每一个发生改变，并且可以通过改变这些系数集对在各种距离处的被摄体表面的恢复后的图像(最终图像)进行重建。

因此，可以通过改变系数集来将距成像位置各种距离处的被摄体表面的图像进行重建，以便通过单次成像适合于各种距离。

因此，在使用图3和图4所示的成像设备41进行成像期间，无需意识到在利用具有透镜的成像设备11进行成像期间引起失焦成像的所谓的失焦现象。只要以被包括在视场FOV中的方式捕获期望的被摄体，就可以在成像之后通过根据距离改变系数集来将各种距离处的被摄体表面的图像重建。

应当注意的是，在图6的右上处示出的检测信号水平不是与作为形成被摄体的图像的结果而获得的图像相对应的检测信号水平，并且因此不是像素值。另外，在图6的右下处示出的检测信号水平是与作为形成被摄体的图像的结果而获得的图像相对应的逐像素信号水平，即，恢复后的图像(最终图像)的各个像素值，并且因此是像素值。也就是说，该被摄体表面G1的恢复后的图像(最终图像)对应于图像G3。

这样的配置使得成像设备41可以用作所谓的无透镜成像设备。因此，成像透镜不是必需的，因此使得能够减小成像设备的高度，即，减小用于实现成像功能的组件相对于光入射方向的厚度。另外，通过以各种方式改变系数集可以将各种距离处的被摄体表面的最终图像(恢复后的图像)进行重建和恢复。

应当注意的是，在下面的描述中，将由成像元件53捕获的、尚有待要被重建的图像简称为捕获图像，并且将由于对捕获图像的信号处理而重建和恢复的图像称为最终图像(恢复后的图像)。因此，可以通过以各种方式改变上述系数集来从单个捕获图像中将在各种距离处的被摄体表面G1的图像重建为最终图像。

重建部54包括上述系数集，并且通过使用与从成像设备41的成像位置到被摄体表面G1的距离对应的系数集，在由成像元件53捕获的图像的基础上重建最终图像(恢复后的图像)，将最终图像输出至输出部55。

输出部55对从重建部54提供的最终图像执行信号处理并且将所得到的图像作为图像信号输出。

<由图3和图4所示的成像设备进行的成像处理>

接下来将参照图7所示的流程图给出对由图3和图4所示的成像设备41执行的成像处理的描述。

在步骤S11中，圆形截锥体形状的镜面51聚集来自被摄体表面G1的光，使得所聚集的光穿过随机掩模52。

在步骤S12中，随机掩模52对由圆形截锥体形状的镜面51聚集的来自被摄体表面G1的光进行调制，使得光进入成像元件53。

在步骤S13中，成像元件53捕获包括了由圆形截锥体形状的镜面51聚集并且通过随机掩模52进一步调制的来自被摄体表面G1的光的轮廓，以将图像作为捕获图像输出至重建部54。也就是说，在这种情况下，由于通过圆形截锥体形状的镜面51聚集光以及通过随机掩模52进行调制，成像元件53捕获图3中所示的被摄体表面G1的图像，作为如图像G2所示的捕获图像。也就是说，由于来自被摄体表面G1上的各个点处的点光源的漫射光由圆形截锥体形状的镜面51聚集，随后以漫射在成像元件53的各个像素上的方式接收，并且对于每个像素单元进一步叠加不同的光束，因此使图像G2的每个像素的像素值平滑，使得图像G2整体上被捕获为模糊图像。

在步骤S14中，重建部54在从成像元件53输出的图像G2的基础上通过响应于从成像设备41的成像位置到被摄体表面G1的距离使用预定系数集来重建图像，并且将经重建的图像作为最终图像(恢复后的图像)输出至输出部55，所述图像G2为通过捕获包括经调制的光的图像而获得的捕获图像。也就是说，例如，通过使用参考以上公式(1)至(3)描述的系数集针对图像G2建立和求解联立方程，来获得如图像G3所示的最终图像(恢复后的图像)。

在步骤S15中，输出部55执行信号处理，并且将最终图像作为图像信号输出。

也就是说，上述一系列处理通过使用圆形截锥体形状的镜面51而不使用任何昂贵的透镜提供了提高的光利用效率。另外，在不使用任何透镜的情况下通过在利用随机掩模进行调制之后使用系数集来重建最终图像(恢复后的图像)，因此使得可以减小高度。

由于随机掩模52被用于调制入射光，因此只要其包括能够调制入射光的图案化掩模就可以使用其他部件，并且例如可以使用衍射光栅或漫射器。

<<3.第一实施方式的修改示例>>

上面已经描述了其中成像设备包括具有弯曲镜面的圆形截锥体形状的镜面51的示例。然而，圆形截锥体形状的镜面51可以具有平面镜面来代替弯曲镜面。

图8示出了第一实施方式的成像设备11的修改示例，其中设置了包括四个平面镜面的矩形截锥体形状的镜面71来代替包括弯曲镜面的圆形截锥体形状的镜面51。

图8所示的矩形截锥体形状的镜面71具有四(4)个平面镜71p至71s，并且有入射光从被摄体表面G11进入的大开口部71a被形成得比设置有随机掩模52和成像元件53的小开口部71b大。

图8所示的成像设备41还可以提供增加了的光利用效率，其与由大开口部51a与小开口部51b的面积之比所确定的比例因子相对应。

应当注意的是，在使用矩形截锥体形状的镜面71的情况下，平面镜面的使用使得容易使用上述矩阵较进行限定，因此确保减轻了重建部54上的计算负荷。

<<4.第二实施方式>>

上面已经描述了包括一个或多个镜面并且没有透镜的成像设备的配置示例。然而，可以通过使用透镜来捕获将被摄体表面上的点与成像元件上的预定位置相关联的图像作为捕获图像，以在捕获图像的基础上重建最终图像。

图9和图10示出了设置有透镜101来代替随机掩模52的成像设备41的配置示例。应当注意的是，图9是成像设备41的外部透视图，以及图10是从正面看时图9所示的成像设备41的矩形截锥体形状的镜面71的平面镜面71q的截面侧视图。

图9和图10所示的成像设备41包括矩形截锥体形状的镜面71、透镜101、棱柱形光吸收部91、棱柱形镜面92、成像元件53、重建部54和输出部55。应当注意的是，与图8所示的成像设备41的部件具有相同的功能的、图9和图10所示的成像设备41的部件由相同的附图标记表示，并且将适当地省略其描述。

也就是说，图9和图10所示的成像设备41与图8所示的成像设备41的不同之处在于：设置了透镜101、棱柱形光吸收部91和棱柱形镜面92来代替随机掩模52。

透镜101具有与图1所示的透镜31相同的构造，并且还将从被摄体表面G21进入并且由矩形截锥体形状的镜面71聚集的光进一步聚集，以将光投射至成像元件53的成像表面上。

棱柱形光吸收部91是设置在透镜101的后一阶段处的部分，并且包括棱柱形光吸收构件，该棱柱形光吸收构件包括四个每个均具有与透镜101的直径相同的尺寸的平面光吸收构件91p至91s，并且由于棱柱形光吸收部91利用在棱柱形内侧上的平面光吸收构件91p至91s吸收入射光，因此防止了入射光从视场FOV之外的范围进入成像元件53。稍后将参照图12详细描述防止入射光从视场FOV之外的范围进入成像元件53的原理。

棱柱形镜面92被设置在棱柱形光吸收部91的后一阶段处，并且利用设置在棱柱形(具有矩形的截面开口的柱状形状)内侧上的四个平面镜92p至92s反射已经穿过透镜101的光，从而使得光进入成像元件53的成像表面。

更详细地，如图10所示，在来自作为点光源的被摄体表面G21上的点P的漫射光中，由实线指示的光被透镜101聚集，并且被聚集至成像元件53上的点P’上以被投射。

另外，在来自作为点光源的被摄体表面G21上的点P的漫射光中，由单点划线指示的光被矩形截锥体形状的镜面71的平面镜71p反射，并且如同由虚线指示的来自虚拟点P1的漫射光一样穿过透镜101。此外，在穿过透镜101之后，来自虚拟点P1的漫射光虚拟地聚集在与成像元件53不同的虚拟成像元件53’上的点P1”上以被投射。然而，实际上，在穿过透镜101之后，来自虚拟点P1的漫射光被棱柱形镜面92反射，并且被聚集至成像元件53上的点P1’上以被投射。

因此，当来自被摄体表面G21上的点P的漫射光分布在成像元件53上的多个点上时，漫射光被透镜101聚集以被投射和捕获。

也就是说，通过将来自被摄体表面G21上的点P的漫射光在漫射状态下引导至棱柱形镜面92上(至透镜101上)来实现矩形截锥体形状的镜面71对光的聚集。与之相比，通过根据焦距将来自被摄体表面G21上的点P的漫射光聚集至预定的单个焦点来实现透镜101对光的聚集。

在图9和图10所示的成像设备41中，通过矩形截锥体形状的镜面71的平面镜71p将来自作为点光源的被摄体表面G21上的各个点的漫射光在漫射状态下引导至透镜101，并且漫射光进一步在棱柱形镜面92内部被反射，同时被透镜101聚集至成像元件53上的焦点之一，以被投射至成像元件53上。

另外，此时，如图10所示，在漫射光直接地进入透镜101并被聚集并且所聚集的光被进一步聚集至成像元件53上以被投射的情况与在漫射光首先被矩形截锥体形状的镜面71反射然后进入透镜101并进一步被棱柱形镜面92反射并投射至成像元件53上的情况之间，来自作为点光源的被摄体表面G21上的各个点的漫射光在像素位置上不同。换句话说，被摄体表面G21上的多个光点以叠加的方式投射到成像元件53的每个像素上。

因此，在被摄体表面G21上的图像例如为如图11的左侧所示的被摄体表面(其图像)G21的情况下，如图11中的中心处所描绘的图像G22所示，由成像元件53捕获的(输出)的图像整体上是模糊的。这是与参照图3描述的状态(其中，通过使用随机掩模52调制来自被摄体表面G1的入射光，并将其捕获作为图像G2)类似的状态。即，将要由成像元件53捕获的图像的状态变得与下述状态类似：其中，通过透镜101和棱柱形镜面92引导的来自被摄体表面G21的入射光被调制，并且然后通过成像元件53捕获入射光作为图像G22。

因此，重建部54通过使用上述系数集来重建成像元件53输出的图像，并且输出如图11中的右侧所示的图像G23作为最终图像(恢复后的图像)。

此外，如上所述，被摄体表面G21上的各个点被矩形截锥体形状的镜面71以分布在多个点上的方式反射，并且然后由透镜101聚集以被投射至成像元件53上的各个像素上，因此转变成合计的像素信号。因此，以使成像元件53整体上平滑这样的方式对被摄体表面G21的图像进行成像，使得图像G22在被抑制的动态范围下显得模糊。

例如，在大开口部71a为小开口部71b的2.8倍大的情况下，即，在由成像元件53接收的光的量整体上增加到2.8倍的情况下，被摄体表面(其上的图像)G21上的光的量约为当未设置矩形截锥体形状的镜面71时的量的2.8倍。即，要捕获的图像变亮了2.8倍。

然而，此时的捕获图像G22的动态范围约为当未设置矩形截锥体形状的镜面71时由成像元件53捕获的图像的动态范围的1/2.15倍。

其原因在于，来自被摄体表面G21上的点光源的光在被矩形截锥体形状的镜面71反射之后由透镜101聚集，以被分散至成像元件53上的多个点，并且进一步使来自多个点的光被加在一起。因此，成像元件53的所有像素经过平滑处理，使得检测信号水平在整体上被平均，因此减小了动态范围。

应当注意的是，如果通过使用图像G22以及参考公式(1)至(3)描述的系数集来恢复作为最终图像的图像G23，则图像G23被恢复至与被摄体表面G21的动态范围相当的动态范围。

因此，在由成像元件53捕获的图像的动态范围减小的情况下，与其中未设置矩形截锥体形状的镜面71的情况相比，可以通过延长曝光时间增加要重建的最终图像的动态范围。另外，即使成像元件53具有小的动态范围，也可以重建具有与具有大的动态范围的成像元件53的动态范围相当的动态范围的图像。

应当注意的是，组合的棱柱形光吸收部91和棱柱形镜面92的长度(图10中的水平长度)是与透镜101的焦距对应的长度。因此，重建部54通过使用与透镜101的焦距对应的系数集(与当在成像设备41中使用透镜101时到被摄体表面S21的距离对应的系数集)从图像G22重建作为最终图像(恢复后的图像)的图像G23。

<棱柱形光吸收部的操作>

接下来将参照图12给出棱柱形光吸收部91的操作的描述。

图9和图10所示的成像设备41捕获在视场FOV内的被摄体表面G21的图像。然而，例如，在如图12所示存在包括在视场FOV的外部的点S1的点光源的情况下，来自点S的光通过矩形截锥体形状的镜面71反射，并且反射光如同来自作为点光源的虚拟点S1的漫射光一样穿过透镜101。

此处，在棱柱形光吸收部91具有镜面结构的情况下，如同来自作为光源的虚拟点S1的漫射光一样已经穿过透镜101的光在棱柱形镜面92内反复地被反射，并且作为原本不应被接收的光而被成像元件53接收。

如图12所示，棱柱形光吸收部91吸收来自作为光源的虚拟点S1的已经穿过透镜101的光，因此防止光进入棱柱形镜面92。

因此，由于来自视场FOV之外的范围的入射光被棱柱形光吸收部91吸收，所以入射光不会进入棱柱形镜面92并且不会被成像元件53接收。

因此，棱柱形光吸收部91确保了没有来自视场FOV之外的范围的光被成像元件53接收，因此提供了来自视场FOV内的被摄体表面G21的光的提高了的利用效率，并且防止了不必要的光的进入。

应当注意的是，如图12所示，棱柱形光吸收部91沿轴AX的长度被设置为使得仅来自视场FOV之外的位置的入射光被吸收部91接收。例如，在图12中，来自视场FOV之外的点S的光被光吸收部91的右侧91r吸收。另外，棱柱形光吸收部91仅需要包括防止棱柱形镜面92反射光的材料，并且可以包括例如遮光膜或防止光进入棱柱形镜面92的材料。

<矩形截锥体形状的镜面的开度角>

接下来将给出对矩形截锥体形状的镜面71的开度角的描述。

此处，例如，如图13所示，矩形截锥体形状的镜面71的截面上的相对的镜面之间形成的角度θ11被定义为开度角。另外，当来自作为点光源的虚拟点P1的漫射光穿过透镜101、被棱柱形镜面92反射并且进入图10中成像元件53上的点P1’时，假设漫射光直接地进入点P1’时与小开口部71b对应的虚拟开口部被定义为虚拟开口部71b’。

如上所述，可以被聚集的光的量可以按照大开口部71a与小开口部71b的面积之比增加。

换句话说，如图10所示，通过增加与小开口部71b对应的虚拟开口部71b’的面积，可以认为可以聚集更多的漫射光。

例如，如图13所示，在平面镜71p与平面镜71r之间的开度角为开度角θ11的情况下，图12所示的矩形截锥体形状的镜面71可以通过真实的小开口部51b以及虚拟的开口部71b’-1和71b’-2来聚集来自角度θ1的范围内的点Px的漫射光。

与之相比，如图14所示，在平面镜71p与平面镜71r之间的开度角设置为θ12(＜θ11)的情况下，图14所示的平面镜71p和平面镜71r可以通过真实的小开口部71b以及虚拟的开口部71b’-1至71b’-6来聚集来自角度θ2(>θ1)的范围内的点Px的漫射光。

也就是说，可以认为，即使当开度角小时，也可以通过确保矩形截锥体形状的镜面71在入射光的入射方向上足够长以及增加虚拟开口部的数目来聚集更多的光。换句话说，还可以认为，即使当开度角小时，也可以通过确保矩形截锥体形状的镜面71在入射光的入射方向上足够长来增加大开口部71a与小开口部71b的比例。

<由图9和图10所示的成像设备进行的成像处理>

接下来将参照图15所示的流程图给出由图9和图10所示的成像设备41执行的成像处理的描述。

在步骤S31中，矩形截锥体形状的镜面71聚集来自被摄体表面G21的光，以使光穿过透镜101。

在步骤S32中，透镜101对由矩形截锥体形状的镜面71聚集的来自被摄体表面G21的光进行聚集，以使光进入棱柱形镜面92。此时，来自视场FOV之外的范围的入射光被棱柱形光吸收部91吸收。

在步骤S33中，棱柱形镜面92反射由透镜101聚集的来自被摄体表面G21的光，以使反射光进入成像元件53。

在步骤S34中，成像元件53捕获包括来自被摄体表面G21并且由矩形截锥体形状的镜面71和透镜101聚集的光的图像，以将图像输出至重建部54。也就是说，在这种情况下，被摄体表面G21的图像的光由矩形截锥体形状的镜面71和透镜101聚集，因此使得例如图像G22能够由成像元件53捕获。由于由矩形截锥体形状的镜面71和透镜101聚集的光在漫射状态下被成像元件53的各个像素接收，并且在逐个像素的基础上进一步叠加各种光束，所以每个像素的像素值被平滑，使得图像G22整体上被捕获为模糊图像(具有减小的动态范围的图像)。

在步骤S35中，重建部54基于从成像元件53输出的、通过捕获包括聚集的光的图像而获得的像素信号，通过使用预定的系数集来重建图像，以将重建的图像作为最终图像(恢复后的图像)输出至输出部55。也就是说，例如，通过使用系数集针对图像G22建立和求解联立方程来获得如图像G23所示的最终图像(恢复后的图像)。

在步骤S36中，输出部55执行信号处理并且输出所得到的信号作为像素信号。

也就是说，上述系列处理使得能够通过使用矩形截锥体形状的镜面71和透镜101来捕获明亮图像而无需使用昂贵的大直径透镜。另外，透镜101的使用使得能够捕获由成像元件53捕获的、与不使用透镜101的情况相比更接近于通过使用系数集重建的最终图像(恢复后的图像)G23的图像G22。换句话说，通过使用透镜101可以将图像G22捕获为高稀疏图像，其可以容易地被重建成作为最终图像的图像G23。

<<5.第二实施方式的修改示例>>

另外，只要矩形截锥体形状的镜面具有下述两种开口部：连接至棱柱形镜面部的大开口部和小开口部，并且矩形截锥体形状的镜面具有设置在矩形截锥体形状的镜面内侧的镜面以将来自被摄体表面的入射光引导至筒状镜面，矩形截锥体形状的镜面就可以是其他形状，并且可以是例如如图16所示的圆形截锥体形状的镜面51。然而，应当注意的是，在圆形截锥体形状的镜面51的情况下，需要具有对应的形状(具有圆形截面开口的筒状形状)的筒状光吸收部121和筒状镜面122。另外，只要设置有包括大开口部和小开口部这两种类型的开口部以引导入射光，大开口部和小开口部就可以为非对称形状，并且这两者可以不同。

应当注意的是，在本说明书中，术语“系统”是指多个组成元件(例如，设备、模块(部件))的集合。所有组成元件可以或可以不被容纳在单个壳体中。因此，容纳在不同的壳体中并且经由网络连接的多个设备以及在单个壳体中容纳多个模块的单个设备两者都是系统。

另外，本公开内容的实施方式不限于上述那些实施方式，并且可以在不脱离本公开内容的主旨的情况下以各种方式进行修改。

此外，以上流程图中描述的步骤中的每一步骤不仅可以由单个设备执行，而且可以由多个设备以共享的方式执行。

另外，在单个步骤包括多个处理的情况下，包括在该单个步骤中的多个处理不仅可以由单个设备执行，而且可以由多个设备以共享的方式来执行。

应当注意的是，本公开内容还可以具有以下配置：

<1>一种成像设备，包括：

引导部，其被配置成将来自被摄体的入射光引导至成像元件；

成像部，其被配置成捕获由所述引导部引导的入射光作为像素信号；以及

信号处理部，其被配置成通过信号处理将所述像素信号重建为最终图像。

<2>根据特征<1>所述的成像设备，其中，

所述引导部具有含有大开口部和小开口部的截锥体形状，所述引导部的内侧设置有镜面，并且所述引导部将从所述大开口部进入的入射光穿过所述小开口部引导至所述成像元件。

<3>根据特征<2>所述的成像设备，其中，

所述引导部具有含有所述大开口部和所述小开口部的圆形截锥体形状，所述引导部的内侧设置有弯曲的镜面。

<4>根据特征<2>所述的成像设备，其中，

所述引导部具有含有所述大开口部和所述小开口部的矩形截锥体形状，所述引导部的内侧设置有平面镜面。

<5>根据特征<2>所述的成像设备，其中，

所述成像元件具有要被容纳在所述小开口部中的尺寸，并且

所述引导部通过引导来自所述被摄体的入射光、按照由所述大开口部与所述小开口部的面积之比确定的比例因子来增大进入所述成像部的入射光的量。

<6>根据特征<1>至<5>中任一项所述的成像设备，还包括：

调制部，其被配置成在所述成像元件的前一阶段处调制入射光，其中，

所述成像部捕获由所述引导部引导并且由所述调制部调制了的入射光作为所述像素信号。

<7>根据特征<6>所述的成像设备，其中，

所述调制部包括伪随机掩模或衍射光学元件(DOE)。

<8>根据特征<6>所述的成像设备，其中，

所述调制部还包括：

透镜，其被配置成聚集由所述引导部引导的入射光。

<9>根据特征<8>所述的成像设备，其中，

所述调制部还包括：

筒状镜面，其将由所述透镜聚集的入射光反射并且将入射光引导至所述成像部。

<10>根据特征<9>所述的成像设备，其中，

所述筒状镜面包括圆形的截面开口。

<11>根据特征<9>所述的成像设备，其中，

所述筒状镜面包括矩形的截面开口。

<12>根据特征<9>所述的成像设备，还包括：

与筒状镜面具有相同的截面开口的筒状光吸收部，所述筒状光吸收部被配置成在所述透镜的后一阶段处以及在所述筒状镜面的前一阶段处吸收入射光。

<13>根据特征<12>所述的成像设备，其中，

所述筒状光吸收部被设置在来自所述透镜的视场之外的范围的入射光所入射的位置处。

<14>根据特征<13>所述的成像设备，其中，

所述筒状光吸收部的筒长度和所述筒状镜面的筒长度之和是所述透镜的焦距。

<15>一种成像方法，包括：

将来自被摄体的入射光引导至成像元件的引导处理；

捕获由所述引导处理引导的入射光作为像素信号的成像处理；以及

通过信号处理将所述像素信号重建为最终图像的信号处理过程。

附图标记列表

11成像设备，31透镜，32成像元件，33输出部，41成像设备，51圆形截锥体形状的镜面，51a大开口部，51b小开口部，52随机掩模，53成像元件，54重建部，55输出部，71矩形截锥体形状的镜面，71a大开口部，71b小开口部，71p至71s平面镜，71b’、71b’-1、71b’-2、71b’-11至71b’-16虚拟开口部，91棱柱形光吸收部，92棱柱形镜面，101透镜，121筒状光吸收部，122筒状镜面。

Claims (15)

1.一种成像设备，包括：

引导部，其被配置成将来自被摄体的入射光引导至成像元件；

成像部，其被配置成捕获由所述引导部引导的入射光作为像素信号；以及

信号处理部，其被配置成通过信号处理将所述像素信号重建为最终图像。

2.根据权利要求1所述的成像设备，其中，

所述引导部具有含有大开口部和小开口部的截锥体形状，所述引导部的内侧设置有镜面，并且所述引导部将从所述大开口部进入的入射光穿过所述小开口部引导至所述成像元件。

3.根据权利要求2所述的成像设备，其中，

所述引导部具有含有所述大开口部和所述小开口部的圆形截锥体形状，所述引导部的内侧设置有弯曲的镜面。

4.根据权利要求2所述的成像设备，其中，

所述引导部具有含有所述大开口部和所述小开口部的矩形截锥体形状，所述引导部的内侧设置有平面镜面。

5.根据权利要求2所述的成像设备，其中，

所述成像元件具有要被容纳在所述小开口部中的尺寸，并且

所述引导部通过引导来自所述被摄体的入射光、按照由所述大开口部与所述小开口部的面积之比确定的比例因子来增大进入所述成像部的入射光的量。

6.根据权利要求1所述的成像设备，还包括：

调制部，其被配置成在所述成像元件的前一阶段处调制所述入射光，其中，

所述成像部捕获由所述引导部引导并且由所述调制部调制了的入射光作为所述像素信号。

7.根据权利要求6所述的成像设备，其中，

所述调制部包括图案化的掩模、衍射光栅或漫射器。

8.根据权利要求6所述的成像设备，其中，

所述调制部还包括：

透镜，其被配置成聚集由所述引导部引导的入射光。

9.根据权利要求8所述的成像设备，其中，

所述调制部还包括：

筒状镜面，其包括将由所述透镜聚集的入射光反射并且将入射光引导至所述成像部的呈筒状的镜面。

10.根据权利要求9所述的成像设备，其中，

所述筒状镜面包括圆形的截面开口。

11.根据权利要求9所述的成像设备，其中，

所述筒状镜面包括矩形的截面开口。

12.根据权利要求9所述的成像设备，还包括：

呈筒状形状的筒状光吸收部，其被配置成在所述透镜的后一阶段处以及在所述筒状镜面的前一阶段处吸收入射光。

13.根据权利要求12所述的成像设备，其中，

所述筒状光吸收部被设置在来自所述透镜的视场之外的范围的入射光所入射的位置处。

14.根据权利要求13所述的成像设备，其中，

所述筒状光吸收部的筒长度和所述筒状镜面的筒长度之和是所述透镜的焦距。

15.一种成像方法，包括：

将来自被摄体的入射光引导至成像元件的引导处理；

捕获由所述引导处理引导的入射光作为像素信号的成像处理；以及

通过信号处理将所述像素信号重建为最终图像的信号处理过程。

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