CN114450793A - 使用小型成像系统以高放大倍率高分辨率摄影的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了成像系统和方法，在受限于小物理体积时，用于拍摄高放大倍率照片。在一些实施例中，系统由至少一个透镜、一个或多个部分反射元件和传感器组成。部分反射器在它们之间来回反射部分的光，使透镜到传感器的部分的光得以长路径长度，从而实现了高放大倍率。

Description

使用小型成像系统以高放大倍率高分辨率摄影的系统和方法

技术领域

本申请涉及成像，且更具体地涉及图像拍摄，并具体但不仅限地涉及相机和手机相机。本申请还涉及内置于智能手机、膝上电脑、平板电脑，或任何其他设备中的相机。

背景技术

智能手机和移动设备已经变得紧凑且薄型，从而限制了它们的光学放大倍率。必须要有更大的光学放大倍率来为远离相机或用户的物体拍摄高质量照片。通常，大光学放大倍率需要透镜和相机传感器间的长距离。薄型的手机、智能手机、平板电脑和其他移动设备，限制了透镜和相机传感器间的距离，从而限制了可实现的放大倍率。如智能手机和移动设备的尺寸缩小，相机尺寸越来越成为限制图像质量的关键因素。

更具体地，图2阐释了为什么需要从透镜到传感器的长距离以实现高放大倍率、高分辨率的图像拍摄。透镜(201)从与透镜存在距离(d)的物体(101)收集光，并在与透镜存在距离(f)的相机传感器(501)上形成图像。这种系统的放大倍率可以被表达为M＝f/d。因此，要获得更大的放大倍率，透镜和传感器间需要更长的距离。图2A展示了f＝fA的情况，其中fA为距离。在这种情况下，在传感器阵列上形成的图像(810)大(大小为hA)，并且图像在传感器元件(传感器像素)上被良好地解析。

在智能手机或手机相机中，不增加手机的厚度，就不能使透镜到传感器的距离更大。目前手机使用的距离f只有4-6毫米，这就是为什么手机放大倍率差的原因。现在参考图2B，透镜与传感器间的距离为f＝fB，其中fB因手机厚度限制了透镜与传感器间的距离，为较短的距离。从而，传感器阵列上的结果图像(820)小(大小为hB)，只有少量传感器元件重叠，因此分辨率差。这种差分辨率无法通过在手机上作指触缩放来解决，因为那所做的一切只是向用户显示在少量传感器元件上收集到的图像，图像分辨率仍旧差。典型的手机或平板电脑的焦距短，来自远处物体的高放大倍率高分辨率信息会丢失，且无法用现有技术恢复。

图3进一步阐释了成像设备的厚度(长度或深度)如何影响远距离或长距离物体的摄影。如果图像是使用长焦距透镜拍摄的，例如图3(A2)所示的数码单反相机上的透镜，相应地传感器相对于透镜为长距离，那么远距离物体将被成像于许多像素上，从而显示出图3(A1)中的高度细节。但是，如果图像是在如图3(B2)所示的手机中使用小焦距透镜拍摄的，且相应地传感器接近于透镜，则物体将仅在少量像素上成像，且因此看起来模糊且像素化图3(B1)。

因此，需要改进的成像系统和方法以在诸如手机、平板电脑或其他移动设备的薄型设备中拍摄图像。本申请正是针对于这些需求。

发明内容

本申请包括从成像设备(例如，手机相机)生成远距离物体的高放大倍率图像的方法和系统。一个实施例包括透镜、两个部分反射器，和传感器，该传感器可以是成像相机传感器或其他类型的光传感器。在具体示例中，透镜与传感器之间的距离小于20毫米。光被透镜聚焦，并在两个部分反射器之间经历多次部分反射。直到光线到达传感器前，每次部分反射导致了更长的光学路径长度。两个部分反射器之间的距离可被选择为，使得部分反射器间的特定数量的往返传播在传感器处形成聚焦图像，而其他更少或更多数量的往返传播形成未聚焦的图像或期望的焦点。

另一方面包括处理成像传感器之输出的信号处理单元。信号处理单元可处理传感器信息以从原始传感器数据生成聚焦图像，聚焦图像由传感器上的聚焦图像加上传感器上的失焦图像组成。信号处理单元可以由如计算机、微处理器、或现场可编程逻辑门阵列、或其它任何形式的数字信号处理器组成。在其他实施方式中，它可由模拟信号处理器组成。信号处理单元可以是直接在光学场上进行信号处理的光信号处理器。在这些实施方式中，信号处理单元和传感器的顺序可以互换，如光学信号处理器首先处理光，而传感器测量它。

另一方面包括的方法和系统为，包括放置在两个部分反射器前、后或之间的附加透镜。这些透镜可用作多种功能，包括像差校正。透镜可以是玻璃透镜、模制塑料透镜、波带板、菲涅耳透镜、或其它任何实现光聚焦的光学元件。透镜可以被菲涅耳透镜代替，由于菲涅耳透镜厚度的减小，以实现更薄的形状因素。

另一方面包括的方法和系统为，其中一个或多个部分反射器被单向镜代替。单向镜使光在进入镜的一端时透射，并在从另一端入射时反射。单向镜可被使用以减少丢失出设备以及未到达传感器的光量。

另一方面包括的方法和系统为，其中一些部分反射器和透镜中被部分反射曲面镜代替。部分反射曲面镜作为部分反射器和聚焦元件的组合角色，从而减少了元件的总数并使整个设备更薄。由于光从部分反射器反射多次，因此可以使用具有更长曲率半径的曲面部分反射器，以实现更紧凑的设备及减少像差。在其他示例中，曲面镜中的一个可以由单向曲面镜代替，其使光从一个方向完全反射且从另一个方向完全透射。

另一方面包括的方法和系统是以利用物理长度短于光从透镜传播至成像平面所需的距离的设备或照相机来执行成像。在示例性实施例中，该方法和系统可以包括透镜、两个部分(two-partial)反射器、传感器、和信号处理器，由此光在两个部分反射器间经历多次部分反射，从而传播比透镜与传感器间之物理距离更长的距离。然后传感器对部分反射进行求和，且信号处理单元对信号进行后处理。在一些实施方式中，透镜的焦距及部分反射器间的距离可被选定为，使在期望次数的往返部分反射后，透镜在传感器上形成聚焦图像。在这样的方法中，信号处理单元可以而后获取信号并排除来自非期望往返传播次数的信号的失焦或未聚焦的成分，并实质上仅保留来自期望传播次数的信号。

另一方面包括的方法和系统，其中一个或多个部分反射镜可以由一个或多个单向镜代替，以减少光的往返损耗。其他实施方式可以包括在部分反射器前、之间和/或后的附加透镜，其由于多次行程而透镜间的光行进长度增加，以进行像差校正或实施高放大倍率成像。在该方法的其他实施方式中，一个或多个透镜和/或部分反射器可以由部分反射曲面镜代替。这些部分反射曲面镜可用于实现具有更长曲率半径的聚焦，从而减小整体设备尺寸。

另一方面包括的一种成像系统，包括透镜、第一部分反射器、第二部分反射器、和传感器，其中光透射通过透镜，在部分反射器间经历多次部分反射，并随后由相机成像。透镜与第二部分反射器的距离小于30毫米、小于18毫米、小于10毫米或小于8毫米。信号处理单元可以处理相机的信号以形成改进的图像。透镜的焦距使来自物体或场景的光在部分反射器之间经历期望次数的往返传播时，在时间积分传感器上产生聚焦图像。

另一方面包括的一种成像系统，包括透镜、单向镜、部分反射器、和传感器，其中，光线透射通过透镜，在部分反射器间经历多次部分反射，并随后由相机成像，其中透镜与第二部分反射器的距离小于30毫米，其中单向镜完全透射已通过透镜的光，并完全反射已被部分反射器反射的光。透镜可以是玻璃透镜、模制塑料透镜、波带板或菲涅耳透镜。复数个部分反射器在既定的复数个波长中可具有至少5％的平均光学反射率。

另一方面包括的一种成像系统具有放置在第一部分反射器或第二部分反射器前、后或二者之间的附加透镜。

另一方面包括的一种成像系统具有放置在多个部分反射器前、后和/或之间的附加透镜。

另一方面包括的部分反射器，其中既定的复数个波长为一个或多个连续波长范围。

另一方面包括一种成像系统，其中至少一个透镜被至少一个部分反射曲面镜代替。

另一方面包括一种成像系统，其中透镜具有直径并且直径大于系统的厚度。

另一方面包括的一种成像系统，其中一些或所有透镜或平面部分反射元件被部分反射曲面镜代替。

一种使用透镜、至少两个部分反射器、时间积分传感器和信号处理单元对物体或场景进行光学成像的方法，入射光在击中所述传感器前经历多次部分反射，使所述信号处理单元产生图像，透镜的后焦距长于所述透镜和传感器间的物理距离。一个或多个部分反射元件可以被单向镜代替。附加透镜可以放置在多个部分反射器前、后和/或之间以校正成像像差。附加透镜可以被放置在多个部分反射器前、后和/或之间以校正成像像差。透镜可以由至少一个部分反射曲面镜代替。透镜可以由至少一个部分反射曲面镜代替。一些或全部透镜可以由部分反射曲面镜代替。

另一方面包括的相机或其他智能设备或相关设备具有透镜、第一部分反射器、第二部分反射器和传感器，其中光透射通过透镜，在部分反射器间经历多次部分反射，并随后由相机成像，其中透镜与第二部分反射器的距离小于30毫米。

附图说明

图1示出了具有透镜、两个部分反射器和成像传感器的实施例；

图2示出了现有技术的设备中放大倍率与焦距的一般关系；

图3提供了用现有技术拍摄的纪念碑或物体的图像，使用了长焦距相机和短焦距智能手机；

图4示出了包含透镜、两个部分反射器和成像传感器之手机的实施例；

图5示出了具有传统成像元件的示例性实施例；

图6A示出了光路的示例性重构，及如何在传感器平面上形成聚焦图像；

图6B示出了光在部分反射器中的部分反射；

图7示出了在零次、一次、两次、和三次往返部分反射之后的图像，并且还展示了所得的总图像；

图8是用于在远处拍摄高分辨率图像之示例性方法的流程图；

图9展示了具有透镜、单向镜、部分反射器、和成像传感器的实施例；

图10示出了具有两个面向内的部分反射曲面镜和成像传感器的实施例；

图11示出了手机具有更大直径透镜的另一个实施例；

图12展示了用于图像采集和信号处理的示例性方法的流程图；

图13展示了通过Iphone7和两倍变焦的Iphone11拍摄的Snellen眼科表的实验图像，及图1中所示的实施例的示例；

具体实施方式

具体实施例包括的成像系统或照相机和方法，包括透镜、第一部分反射器、第二部分反射器和传感器；并可以包括附加元件(例如，允许更高的对比度、减少的色差、过滤光、和类似功能)。具体实施例可以提供高放大倍率、具有高对比度、具有减少的成像像差的图像。进一步地，成像系统或相机可以以小体积实施，而仍拍摄聚焦的、高放大倍率的、高分辨率的图像，使相机的实施例适用于小型和/或移动多用途设备，例如手机、智能手机、平面(pad)或平板(tablet)电脑设备、膝上电脑、上网本、笔记本电脑、小型笔记本电脑和超极本电脑等。相机的各方面(例如，透镜系统和成像传感器或光传感器)可比例放大或缩小以提供有更大或更小的包装尺寸的相机。相机系统的实施例可被实施为独立的数码相机。相机系统的实施例可被适用于视频相机应用。

一实施例包括的一种系统，包括透镜、第一部分反射器、第二部分反射器和传感器；这些元件可以在小型成像系统的紧凑厚度、深度或长度内。光线透射通过透镜，在部分反射器间经历多次部分反射，并随后由传感器成像。信号处理单元处理来自成像传感器的信号以形成改进的图像。透镜的焦距可被选择为，使当在部分反射器间经历期望次数的往返反射时，来自(多个)物体或场景的光在传感器上产生聚焦图像。

图1示出了一种示例性实施例。示例性系统具有透镜201、两个部分反射器301和302、以及传感器501。元件的数量可以增加(例如附加透镜或部分反射镜)，并且可包括一个或多个凹透镜替代凸透镜或加于凸透镜，弯曲部分反射镜代替平面部分反射镜等。该元件可被设置在光轴上，以将光线从物体最终透射、聚焦和反射到传感器。这些元件可有相机系统的紧凑深度，其可为小于30毫米、20毫米、18毫米、16毫米、14毫米、12毫米、10毫米、8毫米、6毫米、4毫米、或类似深度。

从透镜到第二部分反射器的距离可根据具体成像系统或智能手机而变化。在一些实施例中，透镜到第二部分反射器间的距离可小于20毫米。在一些实施例中，透镜到第二部分反射器间的距离可小于15毫米。在一些实施例中，透镜到第二部分反射器间的距离可小于10毫米。在一些实施例中，透镜到第二部分反射器间的距离可小于8毫米。在一些实施例中，透镜到第二部分反射器间的距离可小于6毫米。可以缩放或调整焦距和/或其他透镜系统参数以满足其他相机系统应用的光学、成像、和/或包装约束的规格。

回头来参考图2A和3，图1中示出的实施例解决或减少了拍摄高放大倍率图像对长焦距的需求。图2A展示了焦距f＝fA长且在成像传感器(A)上形成大(高放大倍率)图像的现有技术情况。图像(810)与成像传感器上的许多传感器元件重叠，因此被准确地被分辨。相比之下，图2B展示了焦距f＝fB小并且在成像传感器上形成小(低放大倍率)图像的情况。该图像(820)仅与成像传感器上的一些传感器元件重叠，因此不能良好地被分辨。图2中所示的元件是维度h的物体101、从物体尖端发出的光线(611和612)、自物体距离为d的透镜(201)、具有长焦距fA的长相机(110、510)、及具有短焦距fB的薄型手机相机(120、520)、和由长相机在成像传感器(501)上形成的大尺寸hA的所得高放大倍率高分辨率图像(810)，与由手机相机在成像传感器(501)上形成的小尺寸hB的低放大倍率差分辨率图像(820)对比。

图4为包括紧凑窄型成像系统之示例性紧凑型智能手机700的截面图，该系统包括透镜201、部分反射器301、302、图像传感器501、及通过连接件702连接于传感器的处理器/PCB板701。这里公开的实施例可以使用紧凑的成像系统以拍摄长焦距照片。所公开的成像系统可以适合于智能手机700的宽度和厚度内。智能手机700可使用在紧凑体积中的成像系统作对物体、多个物体、或场景的聚焦、高放大倍率成像和/或摄影。紧凑的体积，举例而言，足够小且能具有在手机、智能手机、膝上电脑、或平板电脑内使用的形状因素(足够薄)。成像系统使部分的光进入它们之间的体积并返出，且也使部分的光作在它们间(在部分反射器间)的来回反射。成像传感器501而后可感测离开部分反射器301、302间体积的部分的光。在示例性设置中，已经在部分反射器间被部分反射期望次数且而后到达传感器的部分的光可在传感器上产生物体、多个物体或场景的聚焦图像。

图5示出了包括成像系统的紧凑相机700之具体示例，该成像系统包括光圈741、快门731、透镜201、两个部分反射器301、302、滤光器721、光传感器或图像传感器501、及PCB板711。图5示出了被包括在智能手机、膝上电脑、平板电脑或其他设备内的成像系统中可以包括的附加元件。除一个透镜及两个部分反射器和一个成像传感器外，这些还包括一个光圈、一个快门、一个或多个滤光器、一块PCB板，伴有可以包含成像系统或相机之部分的其他组件。

图6A展示了示例性实施例中的光路。它展示了来自物体101上之点102的光线600和601穿过透镜201。部分的光631透射通过第一部分反射器301。然后该透射光的一部分在两个部分反射器301、302间经历期望次数的部分反射(例如，两次往返部分反射，光线631、641、651、661、671)。该光的部分(标签672)而后透射通过第二部分反射器并到达传感器(标签501)。在示例性情况下，来自所述物体的部分的光经历期望次数的一次或多次部分反射，并在成像传感器处产生物体的聚焦图像(此处展示由光线600和672在传感器上的点602相遇，形成物体的点102的对焦图像)。在一个实施例中，部分反射器在期望的或既定的复数个波长中可具有至少5％的平均光学反射率并且在期望的或既定的复数个波长中可具有至少95％的平均光学透射率。在一个实施例中，部分反射器在期望的或既定的复数个波长中可具有至少10％的平均光学反射率并且在期望的或既定的复数个波长中可具有至少90％的平均光学透射率。在一个实施例中，部分反射器在期望的或既定的复数个波长中可具有至少15％的平均光学反射率并且在期望的或既定的复数个波长中可具有至少85％的平均光学透射率。在一个实施例中，部分反射器在期望的或既定的复数个波长中可具有至少25％的平均光学反射率并且在期望的或既定的复数个波长中可具有至少75％的平均光学透射率。所需的反射率取决于在形成聚焦图像前光必须经历多少次部分反射。对于小次数的部分反射，反射率设置可被设置得较低，以使得较大部分的入射光于存在有透镜时透射通过第一部分反射器，或在到达传感器前透射通过第二部分反射器。对于大次数或部分反射，可增加反射率以减少往返损耗。这种往返损耗的减少是以更少透射通过透镜后之第一部分反射器或在到达传感器前之第二部分反射器的光为代价。所用的实际反射率可被选择为，根据各应用，以最佳值来平衡这些相互对立的损耗。在一些实施例中，期望的或既定的复数个波长可为单个连续波长范围(例如，400纳米至700纳米的可见范围)或它可为复数连续波长范围。在一些实施例中，波长范围在紫外范围中。

作为最佳选择之反射率百分比R的示例性情况，聚焦图像在K次往返传播后出现。透射率T＝1-R，且/如击中相机上像素的光的强度被用于此。有所期望次数之往返路程的光的成分具有相对强度为

I_d＝IT²R^2K

而来自所有非期望之成分的强度具有相对强度为

于此公开的，选择的反射率百分比R是为最大化信噪比

尤其是，在本示例性实例中，SBR在

时实现了最佳的最大值。此示例性案例展示了反射率R如何可被最佳选择以给出期望的性能指标，在本情况下即SBR。富有光学和优化领域知识的人员将认识到也可以使用其他指标，且它们的用途是预期中的且公开的，因此上述示例不应被认为是对本发明范围的限制。

所公开系统的厚度或长度可被表述为从透镜201的起点到传感器平面的距离。回头来参考图1在示例性情况下，该长度由自透镜201之起点到第一部分反射器301之起点的长度L1、自第一部分反射器301之起点到第二部分反射镜器302之终点的距离L2、第二部分反射器302之终点到成像传感器501之起点的距离L3组成。因此，图1之示例性系统的长度1约为这3个距离的总和，加上由成像传感器和传感器后的任何背衬材料的厚度产生的少量距离。

图6A和图6B展示了实施例的元件并更详细地描述了光路。在图6A中，光学领域的技术人员将容易地理解到光路的其它元件未被示出仅是为简化阐释之原因。示例性对象101上的示例性点102可以被成像或拍摄，且两个示例性光线600、601从该点发出。展示的是顶部成角度的发出光线(标签601)、该光线的公开路径及启用该光路而因此能够在小体积中实现高放大倍率成像的元件。相比之下，光线600沿着系统的中心线且不成角度，从而该光线的部分反射将覆盖图中未反射的光线600，因此这些部分反射未在图中标出。如所注明的，所公开的光路主要为顶部成角度的光线(光线601)而作描述。底部成角度的光线(601沿中心线的镜像，未示出)的透射和部分反射是等效的，为避免图片上的堆砌之方便起见而未示出。在透镜顶部和底部间成角度的所有其他光线，这些光线将表现相似，且也将实质上全部从点102发出并在两次往返部分反射之后对焦到达点602。可以理解的是这些射线的物理/光学性质遵循示例性射线600、672相同的物理/光学性质。

在图6中，该实施例展示有两个往返部分反射以在传感器处产生对焦图像。最少两次往返反射可以作一个实施例，且是无限制的，还公开了更少或更多数量次数的预期部分反射。在图6A中，光线601透射通过透镜201，被透镜所弯曲，并作光线621而出。光线621击中第一部分反射器(标签301)，部分的光被反射回来(光线622)，而另一部分的光透射通过部分反射器，因反射器是部分性的，既而让部分的光通过。部分光线621因而进入两个部分反射器间的体积(光线631)。标记为光线631的部分的光继续并击中第二部分反射器(标签302)。现在，一部分的该光被透射(光线632)出部分反射器间的体积，但另一部分被反射(光线641)回部分反射器间的体积中。光线631(向前)和光线641(向后)包括光在两个部分反射器间的第一次往返传播。

为了更详细地具体示出部分反射器的功能，图6B展示了所述光线631击中第二部分反射器(或第一部分反射器相同运作)，从而部分的光被反射(例如，百分比R的光被反射回来，光线641)，且部分的光透射通过(例如，百分比T的光被透射，光线632)。仅作说明和示例目的，如果R＝60％且百分之六十的光被反射，则(忽略例如光散射的其它影响)，实质上部分的光T＝(1-R)＝40％或百分之四十的光可被透射。

回头来参考图6A，参照图6A，本示例性系统中的光路继续如下。被第一部分反射器反射的部分的光线641，即光线651继续回到两个部分反射器间的体积中并再次击中第二部分反射器。现在部分的光线651被透射出去(光线652)，且部分再被反射回两个部分反射器间的体积(光线661)。反之，光线661再次击中第一部分反射器，它的部分被透射出去(光线662)而部分被反射回来(光线671)。光线651(向前)和光线661(向后)包括光在两个部分反射器间的第二次往返传播。

光线671再次击中第二部分反射器且它的部分被反射回来，但剩余部分被透射出去(光线672)。该光线672在点602处击中成像传感器。因此，沿着上面公开的优选示例性路径，来自物体101上的点102的部分的光穿过透镜201，进入两个部分反射器(301和302)间的体积，穿行两次往返反射(光线621到631到641到651到661到671)，然后通过第二部分反射器(射线672)离开两个部分反射器间的体积，在位置602处击中传感器501。在该示例性设置中，另一光线600也来自物体101上的点102，该光线的部分也在相同位置602处到达成像传感器501。因此，在部分反射器间两次往返反射后在传感器上形成的图像，在成像传感器501上产生物体101的点102的聚焦图像。本发明的本质在于该对焦图像是由实质上长于成像系统厚度的光路产生，因此能够在小且紧凑的成像系统中作长焦距。通过选择焦距与3、4、5、6……预期部分反射的光路相匹配的透镜，可进一步放大效果，从而更进一步增加成像系统的焦距而仍为小尺寸。

公开的部分的光路径在部分反射器间经历两次往返反射，且所述部分在成像传感器处对焦，该光穿过比图1中公开的示例性成像系统之长度(厚度)更大的距离。具体而言，光穿过部分反射器间的距离五(5)次，一次以穿过它们间的距离，且每次往返部分反射再多两次。因此，在一个示例性实例中，对于K次期望的往返传播，经历期望次数往返传播后，光行进的距离由以下公式给出[公式1.]f＝L₁+(l+2K)L₂+L₃。

从公式且从图1和6A中，明显距离f实质上大于所示出的示例性系统的长度(厚度)。成像系统的长度(厚度)仅为L＝L₁+L₂+L₃，但由于自K次往返部分反射之L₂的放大倍率系数(1+2K)的放大，光行进的长度大于L。因此，因为两个部分反射器间的距离是五倍(5x)计数的(一次为第一次光的通过，两次往返反射再(各)多两次)，距离f比所公开的成像系统的长度长。因此，该成像系统实现的放大倍率为M＝f/d，f根据公式1，且本所述放大倍率比相同尺寸的其被现有技术系统实现的要大得多(更大)。如果期望的部分反射次数K被选择为大于2，例如选择K＝3或4或5或6等，则这种成像系统实现的放大倍率将更是大，而所述成像系统的尺寸将保持不变在L＝L₁+L₂+L₃。

在示例性实施例中，例如，图1和图6A，往返部分反射的预期次数为二(K＝2)，且在两次往返部分反射后从物体到达传感器的光部分在成像传感器处对焦。由小于K次反射到达成像传感器(例如在零或一次往返部分反射后)或由多于K次反射到达成像传感器(例如在三次或更多往返部分反射后)，这些图像将失焦。

图7示出了在零次、一次、两次、和三次往返部分反射后获得的物体的图像，连同在图像传感器上收集到的它们的总和。此处选择的透镜焦距与两次往返部分反射的光路长度相匹配，因此第三幅图像(板块C)是对焦的，而其他部分反射则是失焦的。图7更详细地展示了本发明如何通过利用部分反射来提供高放大倍率图像。长距离(2英里)拍摄了一座建筑物。图7展示了在零次、一次、两次、和三次往返反射后在成像传感器上形成的图像的重构。如前所述，部分反射的预期次数为二(K＝2)，意味着已选择的透镜焦距与K＝2的公式(1)相对应。对于图1和图6的示例性实施例，板块A展示了没有部分反射(k＝0)，由到达传感器的部分的光形成的图像，该图像是失焦的。板块B展示了一次往返部分反射(k＝1)后的图像，该图像也是失焦的。版块C展示了两次往返部分反射(k＝K＝2)后的图像，该图像是对焦的。版块D展示了三次往返部分反射(k＝3)后的图像，该图像再次是失焦的。在成像传感器处形成的总图像是k＝0、1、2、3、4等所有图像的总和。此作为结果的总图像展示在版块E中。因为子图像中只有一个构成了总图像，k＝2＝K部分反射的子图像是对焦的，这是在形成的总图像中最明显的图像成分。为了进一步提高整个图像的质量，部分反射次数中的失焦子图像成分与期望次数的部分反射不匹配(对于k≠K，即为对于k＝0、1、3、和4、5……)这些失焦子图像的影响可以通过于此公开和描述的成像算法来移除。

在操作和使用中，如图8所展示，一种用于信号处理的示例性方法，以在预期次数的往返部分反射后实质上提取对焦图像。公开了通过成像系统的光路。具体地，在一个实施例中，光通过透镜进入。部分的光在部分反射器间被反射预期的次数。该光的一部分离开部分反射器间的体积并到达成像传感器。传感器将光转换为电信号，然后这些信号前往信号处理器。信号处理器产生一高质量图像，例如通过从图像中除去失焦成分，正如于此所公开的。

在另一实施例中(例如，图9)，第一部分反射器可以用单向镜(401)代替，其完全透射已通过透镜的光，且完全反射已从第二部分反射器反射来的光。无论光是从左侧或是右侧入射，部分反射器反射部分R的光并透射部分T的光。相比之下，单向镜(图9中的元件401)，完全透射自一个方向(例如自左侧)的入射光，并完全反射自另一个方向(例如自右侧)入射的光。用(多个)单向镜代替一个或多个部分反射器可带来减少丢失出设备之光量的优点。图9中的标签是重复元件，具体为：物体101，物体上的点102，从该点发出的光线600和601，聚焦透镜201，被单向镜401所代替的第一部分反射器，而302是剩余的部分反射器，这里有成像传感器501，且在预期的两次往返部分反射后点102聚焦于到传感器上的点602。根据公式1，且由于部分反射明显长于设备的厚度L＝L₁+L₂+L₃，系统的焦距为f＝L₁+5L₂+L₃。

光学领域的技术人员将认识到这里存在许多不同类型的透镜。这些镜头可提供许多功能，包括校正像差。所使用的一个或多个透镜可以是以下之一或这些的组合：玻璃透镜、模制塑料透镜、波带板、菲涅耳透镜、或其它任何实现光聚焦的光学元件。例如，一个或多个透镜可由菲涅耳透镜代替，因与传统透镜相比菲涅耳透镜之减少了的厚度，实现更薄的外形因素。

图10展示了另一个实施例，其中透镜和两个部分反射器可以被部分反射曲面镜代替。曲面镜可通过聚焦光线(现在为通过反射替代通过透射)来具有与透镜相同的功能，但可赋予无或更少色差的优势。这种部分反射设置可通过使用部分反射曲面镜来增加有效光路并增加焦距，其可替代或加于一个或多个透镜及平面部分反射器。参考图10，该示例性设备由第一部分反射凹曲面镜(311)、在相反方向设置的第二部分反射凹曲面镜(312)和成像传感器(501)组成。图中的其它元件包括具有示例性点的物体、两条发射光线(600和601)，且它们在一次预期往返部分反射后在成像传感器上的点602处聚焦。如本示例所示出，预测及公开了不同次数的预期部分反射。之前，在图6中，展示了两个预期往返部分反射；这里在图10中，展示了一个预期往返反射，且部分反射镜的曲率被选择为使焦距匹配用于一个预期部分反射的光路长度。可为两个、三个、四个或更多个预期部分反射选择不同的曲率，且这样的选择被预测预期及公开。

应当理解，元件的数量可增加(例如附加透镜或反射镜)，它们的形式可改变(例如部分反射器之一可以是平坦的替代弯曲的)，或者可在系统中放置附加元件。增加元件可能有利于进一步提高系统性能，例如增加对比度、减少像差、减少失真等。

图11展示了对比更小版本(图11A左)，有更大透镜直径201(图11B右)的智能手机700。例如，可使用1毫米和30毫米之间的直径。已存的现有技术把成像系统置于薄的形状因素中，因为焦距小而使用大直径透镜不会提供益处，因此使用了小直径透镜。于此公开的本发明和实施例可实现长焦距且可实现更大直径的透镜以提供诸如更清晰的图像和更大的光采集之益处，这对可受益于更大透镜的低光摄影是有用的。

在操作和使用中且如图12中所展示，可使用本领域普通技术人员已知的技术来进行图像处理和提取。为从包括图7(A、B、D)中展示之失焦成分的原始失真图像重构对焦图像，图12中的成像处理方法可被用于形成聚焦图像。在一个示例中，首先通过在传感器上成像远处的小型物体来测量成像系统的点扩展功能。生成的图像由紧密聚焦的物体加上由经历了非期望次数之部分反射的光引起的失焦成分组成。使用本点扩展功能，可使用下面列出的各种公开的方式重构原始图像。

方法1:如果失焦成分大于成像传感器，则它们形成本质上不变的背景水平。在这些情况下，本方法通过图像后期处理中或于硬件中之任一者，调整成像系统的暗度来重构期望的图像。

方法2:在一些情况下，如果失焦图像高度模糊，则可使用高通滤波除去低频背景重构对焦图像。

方法3:使用点扩展功能，可使用信号处理领域的技术人员已知的反褶积数字信号处理技术来重构期望的图像。

示例

图13比较了示例性设备的原型机所实现的放大倍率。左侧的图像(图13(A))来自iPhone7，中间的图像(图13(B))来自有两倍光学放大倍率的iPhone11Pro，而右侧的图像(图13(C))来自示例性设备。在示例性设备中，L₁＝4毫米，L₂＝5毫米，且L₃＝2毫米，如图1中所定义。使用医生办公室的Snellen眼科表得出的对各设备实现之放大倍率的定量比较，如下所述。

在患者设定下使用时，患者从规定的距离(例如，从20英尺)查看Snellen眼科表并尝试阅读连续变小字体的行。各行对应特定等级的视力。如果患者可以阅读的最底行是20/40行，那么这意味着在20英尺的距离处，患者只能阅读普通人即使在40英尺处也能阅读的字母。因此，20/40视力比定义为平均视力的视力差(视力较低)。当一个人的视力为20/20时，这意味着这个人可以在20英尺的距离处清楚地看到在那个距离处平均应该看到的东西。20/15视力意味着患者在离图表20英尺距离处时可阅读的最底行是20/15行，该行对应普通人必须站得更近，离图表15英尺以内，阅读的字母。因此，20/15视力对应于比平均视力更好的视力。

在相机情形中，Snellen表可用于定量测量相机放大倍率和分辨率。每张照片中可读的最低行表示该设备达到的视觉敏锐度(放大倍率和分辨率)。Snellen表的所有照片都是在离表相同的距离处拍摄的。Snellen表读数直接对应于视觉系统(眼睛或相机)可被区分的最小角度，因而直接代表了放大倍率和分辨率。

图13(A)显示iPhone7达到了20/33的视觉敏锐度(iPhone7拍摄的照片中最下方可清晰读取的行是20/33行)，而这个20/33视力对应于视力(放大倍率和分辨率)比20/20视力差。图13(B)，为有2倍光学放大倍率的iPhone 11Pro拍摄的照片，照片中最下方可清晰读取的行是20/16行，而这个20/16视力比20/20视力稍好(1.25倍)。图13(C)，为我们的示例性原型机拍摄的照片，照片中可以清晰读取的最底部的行是20/8行，而这个20/8行明显优于20/20视力(好2.5倍)。我们的示例性原型机的放大倍率比iPhone7相机好4.125倍，比iPhone11相机好2倍(33/8＝4.125倍而16/8＝2倍)。这种视觉敏锐度直接转译为可看到更多图像细节，特别是识别图像中的较小特征，这正是更高放大倍率系统提供的益处。

在不同的实施例中，于此描述的方法可以软件、硬件或其组合来实施。此外，可改变方法的模块的顺序，且可添加、重新排序、组合、省略、改装各种元件等。对于受益于本公开的本领域技术人员，可作各种改装和改变是显而易见的。于此描述的各种实施例旨在阐释而非限制。许多变体、改装、添加和改进都是可能的。因而，对于此描述的组件可提供复数实例以作单个实例。各种组件、操作和数据存储间的界限在一定程度上是任意的，并在特定阐释性设置的文中阐释了特定操作。功能的其他分配被设想且可落入随后的权利要求的范围内。最后，在示例配置中作为分离组件表现的结构和功能可被实施为组合结构或组件。这些和其他变体、修改、增加和改进可落入随后的权利要求中限定的实施例的范围内。

Claims (28)

1.一种成像系统，包括透镜、第一部分反射器、第二部分反射器、和传感器，其特征在于，光线透射通过所述透镜，在所述部分反射器间经历多次部分反射，其中所述透镜与所述第二部分反射器的距离小于30毫米；所述透镜、所述第一部分反射器、所述第二部分反射器被设置在光轴上，以将来自物体的光最终透射、聚焦、和反射到所述传感器。

2.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述距离小于18毫米。

3.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述距离小于10毫米。

4.如权利要求1所述的成像系统，进一步包括信号处理单元，以处理所述信号来形成图像。

5.如权利要求1所述的成像系统，其特征在于，当在所述部分反射器间经历期望次数的往返路程时，所述透镜的焦距使来自所述物体的光在时间积分传感器上产生聚焦图像。

6.一种成像系统，包括透镜、单向镜、部分反射器、和传感器，其特征在于，光线透射通过所述透镜，在所述部分反射器间经历多次部分反射，并随后由所述相机成像，其中所述透镜与所述第二部分反射器的距离小于30毫米，其中所述单向镜完全透射已通过所述透镜的光，并完全反射已被自所述部分反射器反射的光。

7.如权利要求1或6所述的成像系统，进一步包括放置在所述第一部分反射器或所述第二部分反射器前、后或之间的附加透镜。

8.如权利要求1或6所述的成像系统，进一步包括放置在所述部分反射器前、后和/或之间的附加透镜。

9.如权利要求1或6所述的成像系统，其特征在于，既定的复数个波长包括一个或多个连续波长范围。

10.如权利要求1或6所述的成像系统，其特征在于，至少一个透镜被至少一个部分反射曲面镜代替。

11.如权利要求1或6所述的成像系统，其特征在于，所述透镜具有直径并且所述直径大于所述设备的所述厚度。

12.如权利要求1或6所述的成像系统，其特征在于，它被放置在移动设备中以保持薄的形状系数。

13.一种成像系统，包括至少两个部分反射曲面镜，其特征在于，光透射通过所述镜，在所述镜间经历多次部分反射，并随后由所述相机成像，其中所述镜反射器间的距离小于10毫米。

14.一种使用透镜、至少两个部分反射器、时间积分传感器和信号处理单元对物体或场景进行光学成像的方法，入射光在击中所述传感器前经历多次部分反射，使所述信号处理单元产生图像，透镜的后焦距长于所述透镜和传感器间的物理距离。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述部分反射元件之一被单向镜代替。

16.如权利要求14所述的方法，其中附加透镜被放置在所述部分反射器前、后和/或之间以校正成像像差。

17.如权利要求14所述的方法，其中附加透镜被放置在所述部分反射器前、后和/或间以校正成像像差。

18.如权利要求14所述的方法，其中所述透镜由至少一个部分反射曲面镜代替。

19.如权利要求14所述的方法，其中所述透镜由至少一个部分反射曲面镜代替。

20.如权利要求14所述的方法，其中一些或所有所述透镜被部分反射曲面镜代替。

21.如权利要求14所述的方法，其中一些或所有所述透镜被部分反射曲面镜代替。

22.如权利要求14所述的方法，其特征在于，软件和硬件处理输入，图像为同一图像的对焦图像和多个失焦副本的总和，并且在其输出处产生对焦图像。

23.一种包括权利要求1或6所述的成像系统的相机。

24.如权利要求1所述的照相机，其特征在于，所述复数个部分反射器在既定的复数个波长中具有至少10％的平均光学反射率。

25.如权利要求1或6所述的成像系统，其中，所述透镜是玻璃透镜、模制塑料透镜、波带板、或菲涅耳透镜。

26.一种相机或智能手机，包括透镜、第一部分反射器、第二部分反射器和传感器，其中光线透射通过所述透镜，在部分反射器间经历多次部分反射，并随后由所述相机成像，其中所述透镜与所述第二部分反射器的距离小于30毫米；且所述透镜、所述第一部分反射器、所述第二部分反射器被设置在光轴上，以将来自物体的光最终透射、聚焦、和反射到所述传感器。

27.如权利要求26所述的相机或智能手机，其特征在于，所述距离小于18毫米。

28.如权利要求26所述的相机或智能手机，其特征在于，所述距离小于10毫米。

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