TW201606420A - 攝像裝置與光場攝像鏡頭 - Google Patents

Abstract

一種攝像裝置，包括一成像鏡頭、一影像感測器及一多重光圈光學元件。多重光圈光學元件配置於成像鏡頭與影像感測器之間的光路徑上，且包括排成陣列的多個光圈元件。成像鏡頭的像側光圈數除以成像鏡頭的物側光圈數所得到的比值是落在從0.25至 2的範圍內，且攝像裝置符合：□，其中L為這些光 圈元件的節距，D為成像鏡頭的出瞳的直徑，P為成像鏡頭的出瞳至成像鏡頭的像平面的距離，a為成像鏡頭的像平面至多重光圈光學元件的前主平面的距離值，且b為多重光圈光學元件的後主平面至影像感測器的成像面的距離。一種光場攝像鏡頭亦被提出。

Description

攝像裝置與光場攝像鏡頭

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種攝像裝置與光場攝像鏡頭。

一般的相機在取得空間中物體的資訊時，通常是藉由鏡頭對焦在某一物距上，以取得此物距上的物體的清晰影像。至於位於其他物距上的物體，若是在景深所涵蓋的範圍內，則尚能取得物體的清晰影像。然而，若是在景深所涵蓋的範圍之外，則就會取得模糊的物體影像。

此外，對於空間中的各物體分佈與配置，一般的相機只取得從某一視角看過去的二維影像資訊，其缺乏各物體在深度方向上的分佈資訊。因此，從一般的相機所取得的二維影像，並無法充分了解在三維空間中各物體的分佈情形。

有鑑於此，光場相機便被發展出來，其能夠更為充分地取得三維空間中各物體的分佈與配置資訊。然而，現行光場相機 中不論是利用透鏡陣列或鏡頭陣列的方法，其系統的像素利用率均因各子影像趨向串擾(crosstalk)最小化而較低，進而影響最終光場相機的輸出影像的像素數量。舉例來說，光場相機的可輸出像素數量目前約為所使用影像感測器像素數量的10%至65%。

本發明提供一種攝像裝置，其可提升影像感測器的有效使用面積。

本發明提供一種光場攝像鏡頭，其有助於提升其所形成的影像的有效使用面積。

本發明的一實施例提出一種攝像裝置，包括一成像鏡頭、一影像感測器及一多重光圈光學元件。多重光圈光學元件配置於成像鏡頭與影像感測器之間的光路徑上，且包括排成陣列的多個光圈元件。成像鏡頭的像側光圈數(f-number)除以成像鏡頭的物側光圈數所得到的比值是落在從0.25至2的範圍內，且攝像 裝置符合：，其中L為這些光圈元件的節距，D為 成像鏡頭的出瞳的直徑，P為成像鏡頭的出瞳至成像鏡頭的像平面的距離，a為成像鏡頭的像平面至多重光圈光學元件的前主平面(front principal plane)的距離值，且b為多重光圈光學元件的後主平面(back principal plane)至影像感測器的成像面的距離。此外，當成像鏡頭的像平面位於前主平面之遠離影像感測器的一側時，a的值為負值，且當成像鏡頭的像平面位於前主平面之靠近影 像感測器的一側時，a的值為正值。

本發明之一實施例提出一種光場攝像鏡頭，包括一成像鏡頭及一多重光圈光學元件。成像鏡頭配置於光場攝像鏡頭的一物側與一成像面之間。多重光圈光學元件配置於成像鏡頭與光場攝像鏡頭的成像面之間，且包括排成陣列的多個光圈元件。成像鏡頭的像側光圈數除以成像鏡頭的物側光圈數所得到的比值是落 在從0.25至2的範圍內，且光場攝像鏡頭符合： 其中L為這些光圈元件的節距，D為成像鏡頭的出瞳的直徑，P為成像鏡頭的出瞳至成像鏡頭的像平面的距離，a為成像鏡頭的像平面至多重光圈光學元件的前主平面的距離值，且b為多重光圈光學元件的後主平面至光場攝像鏡頭的成像面的距離。此外，當成像鏡頭的像平面位於前主平面之遠離光場攝像鏡頭的成像面的一側時，a的值為負值，且當成像鏡頭的像平面位於前主平面之靠近光場攝像鏡頭的成像面的一側時，a的值為正值。

由於本發明之實施例之攝像裝置及光場攝像鏡頭符合 ，因此多重光圈光學元件所形成的子影像較大而彼 此適度地部分重疊。如此一來，各子影像未部分重疊的部分便可更有效率地被使用作為所欲取得的影像資訊，進而提升影像的有效使用面積及提升影像感測器的有效使用面積。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、100a、100b、100c、100d‧‧‧攝像裝置

105‧‧‧光場攝像鏡頭

110、110a‧‧‧成像鏡頭

112‧‧‧透鏡

113‧‧‧出瞳

114‧‧‧孔徑光闌

115‧‧‧像平面

1122‧‧‧正彎月形透鏡

1124‧‧‧負彎月形透鏡

1126‧‧‧負彎月形透鏡

120‧‧‧影像感測器

122‧‧‧成像面

124‧‧‧保護玻璃

125、125”’‧‧‧有效利用面積

125’、125”‧‧‧內接正方形

130、130d‧‧‧多重光圈光學元件

132、132a、132d‧‧‧光圈元件

1322‧‧‧前主平面

1324‧‧‧後主平面

134‧‧‧透光片板

135、135’‧‧‧子影像

a‧‧‧距離值

b、b’、P‧‧‧距離

D‧‧‧直徑

L‧‧‧節距

M‧‧‧放大率

R‧‧‧半徑

r、t‧‧‧串擾比值

S‧‧‧邊長

W1、W2‧‧‧長度

圖1為本發明之一實施例之攝像裝置的剖面示意圖。

圖2為圖1之攝像裝置中的成像鏡頭的出瞳、多重光圈光學元件的前主平面與後主平面、影像感測器的成像面及光在這些面之間傳遞方式的示意圖。

圖3繪示了圖1之攝像裝置的一個具體實例。

圖4為圖1之攝像裝置中的光圈元件的節距、子影像與影像感測器對於一個子影像的有效使用面積的比較圖。

圖5為採用子影像不重疊的方式時，光圈元件的節距、子影像與影像感測器對於一個子影像的有效使用面積的比較圖。

圖6與圖7為圖1之攝像裝置中的光圈元件的節距、子影像、影像感測器對於一個子影像的有效使用面積及兩個子影像重疊的程度的兩種情況下的比較圖。

圖8為圖1之光圈元件放大率的絕對值相對於一個子影像中的視野數在不同的串擾比值下的曲線圖。

圖9為繪示圖1之攝像裝置的另一種串擾比值的剖面示意圖。

圖10為圖1之攝像裝置的影像感測器所感測到的子影像的光強度灰階的分佈圖。

圖11為本發明之另一實施例之攝像裝置的剖面示意圖。

圖12為本發明之又一實施例之攝像裝置的剖面示意圖。

圖13為本發明之再一實施例之攝像裝置的剖面示意圖。

圖1為本發明之一實施例之攝像裝置的剖面示意圖，圖2為圖1之攝像裝置中的成像鏡頭的出瞳、多重光圈光學元件的前主平面與後主平面、影像感測器的成像面及光在這些面的傳遞方式的示意圖，而圖3繪示了圖1之攝像裝置的一個具體實例。請先參照圖1與圖2，本實施例之攝像裝置100包括一光場攝像鏡頭105及一影像感測器120，其中光場攝像鏡頭105包括一成像鏡頭110及一多重光圈光學元件130。成像鏡頭110可包括至少一片透鏡112及一孔徑光闌(aperture stop)114。舉例而言，如圖3所繪示的一個實例，成像鏡頭110a可包括正彎月形透鏡(positive meniscus lens)1122、負彎月形透鏡(negative meniscus lens)1124及負彎月形透鏡1126，但本發明不以此為限。此外，若成像鏡頭110不包含遮光元件所形成的孔徑光闌114時，成像鏡頭110的出瞳(exit pupil)與入瞳(entrance pupil)仍可由透鏡的有效徑(clear aperture)來決定。

多重光圈光學元件130配置於成像鏡頭110與影像感測器120之間的光路徑上，且包括排成陣列的多個光圈元件132。在本實施例中，多重光圈光學元件130為一透鏡陣列，且這些光圈元件132為排成陣列的透鏡。在圖3中，是以繪示了透鏡陣列中的一個透鏡(即光圈元件132a為例)，而光圈元件132a可形成於一透光片板134上。此外，攝像裝置100a更包括一保護玻璃(cover glass)124，覆蓋影像感測器120，以保護影像感測器120。

在本實施例中，成像鏡頭110的像側光圈數(f-number)除以成像鏡頭110的物側光圈數所得到的比值是落在從0.25至2的範圍內。像側光圈數的定義是成像鏡頭110的焦距除以成像鏡頭110的出瞳的直徑後所得到的數值，而物側光圈數的定義是成像鏡頭110的焦距除以成像鏡頭110的入瞳的直徑後所得到的數值。

此外，在本實施例中，攝像裝置100符合：

其中，L為這些光圈元件132的節距(pitch)，D為成像鏡頭110的出瞳113的直徑，P為成像鏡頭110的出瞳113至成像鏡頭110的像平面115的距離。a為成像鏡頭110的像平面115至多重光圈光學元件130的前主平面1322的距離值(圖2中以其絕對值表示)，其中當成像鏡頭110的像平面115位於前主平面1322之遠離影像感測器120的一側時(即圖中前主平面1322的左側)，a的值為負值，且當成像鏡頭110的像平面115位於前主平面1322之靠近影像感測器120的一側時(即圖中前主平面1322的右側)，a的值為正值。所以，在本實施例中，請參見圖2，a的值為負值。此外，且b為多重光圈光學元件130的後主平面1324至影像感測器120的成像面122的距離。也就是說，在本實施例中，前主平面1322位於成像鏡頭的像平面115與後主平面1324之間，且後主平面1324位於前主平面1322與影像感測器120的成像面122之間。此外，在本實施例中，影像感測器120的成像面122即為 光場攝像鏡頭105的成像面。

在本實施例中，這些光圈元件132分別將成像鏡頭110的出瞳113成像於影像感測器120的成像面122上，以形成多個子影像135(如圖6所繪示)，其中這些相鄰子影像135彼此部分重疊。

由於本實施例之攝像裝置100及光場攝像鏡頭105符合 ，因此多重光圈光學元件130所形成的子影像135 較大而彼此適度地部分重疊。如此一來，各子影像135未部分重疊的部分便可更有效率地被使用作為所欲取得的影像資訊，進而提升影像的有效使用面積及提升影像感測器120的有效使用面積。以下將舉出一個實例來加以說明。

圖4為圖1之攝像裝置中的光圈元件的節距、子影像與影像感測器對於一個子影像的有效使用面積的比較圖，圖5為採用子影像不重疊的方式時，光圈元件的節距、子影像與影像感測器對於一個子影像的有效使用面積的比較圖，圖6為圖1之攝像裝置中的光圈元件的節距、子影像、影像感測器對於一個子影像的有效使用面積及兩個子影像重疊的程度的比較圖。請先參照圖4，在本實施例中，子影像135的寬度(例如直徑)是大於光圈元件的節距L，而影像感測器120中對於一個子影像135的有效利用面積125是落在子影像135的內接矩形(如正方形)所圍繞的範圍內。假設所取的有效利用面積125的寬度為L(1-r)，其中r為串擾(crosstalk)比值。此外，若光圈元件132的放大率為M，則 L(1-r)≧NML，其中N為光場攝像鏡頭105的視野數(number of views)，而不同的視野(view)137中可含有不同視角的影像資訊。

如此一來，可得到M≦(1-r)/N的關係，因此，若欲使相鄰的子影像135有部分重疊，則可滿足M≦1/N。

如圖5所繪示，當相鄰的子影像135’互不重疊時，則子影像135’的半徑R滿足0.5L≧R≧0。此時，子影像135’的內接正方形125’的邊長S為2×(0.707R)=1.414R。取R的最大值0.5L代入前式，則可得到此內接正方形125’的邊長S的最大值為1.414×0.5L=0.707L。

另一方面，在本實施例中，當相鄰的子影像135有部分 重疊時，假設子影像135的半徑為R，則 W1與W2分別為圖6中所繪示的兩段長度。

如此一來，子影像135的半徑R滿足(2-1.414)L≧R≧0.5L，則子影像135的內接正方形125”的邊長S=2×(0.707R)=1.414R。因此，子影像135的內接正方形125”的邊長S的最大值為2×(1.414-1)L=0.828L。由此可知，相較於圖5的內接正方形125’，本實施例(即圖6)的內接正方形125”的面積可以較大，也就是本實施例之影像感測器120對於一個子影像135的有效利用面積125可以較大。

另一方面，當L≧R≧(2-1.414)L時，有效利用面積125”’的邊長S=2(L-R)。因此，有效利用面積125”’的邊長S的最大值為 2×(1.414-1)L=0.828L，而最小值為0。最小值時是不會採用的狀況，因為此時有效利用面積125”’為零，見圖7，也就是說，子影像135的部分重疊程度不可大到讓有效利用面積125”’為零。另外，在上述最大值的狀況下，有效利用面積125”’亦較圖5的內接正方形125’的面積大。由以上可證明，適度地使相鄰的子影像135部分重疊，的確可以有效提升影像感測器120對於每個子影像135的有效使用面積125，進而提升影像感測器120整體的有效使用面積。

圖8為圖1之光圈元件(即透鏡陣列)放大率的絕對值相對於一個子影像中的視野數在不同的串擾比值下的曲線圖。由圖8可看出，當要求上述的串擾比值r的誤差容忍度越小時，則表示透鏡陣列於製造上與組裝上的誤差容忍度可以較大，而此時設計出的視野數也較少。

如圖2所繪示，上述的串擾比值r的產生原因，是因為光圈元件132除了會將成像鏡頭110在像面平114所成的影像再次成像於影像感測器120的成像面122之外，亦會將成像鏡頭110的出瞳113成像於成像面125，而形成直徑為L(1+r)的子影像135。根據相似三角形原理，可得到以下(2)式：

此外，會影響相鄰的子影像135的串擾的因素尚有另一個串擾比值t，如圖9所繪示，成像鏡頭110的出瞳113上的任一點經由光圈元件132而在影像感測器120的成像面122上所形成 的影像會略微散開，其散開的寬度為Lt。根據相似三角形原理，可得到以下(3)式：

其中，b’為成像鏡頭110的出瞳113經由光圈元件132的成像之成像面至光圈元件132的後主平面1324的距離。

當綜合考量串擾比值r與串擾比值t時，影像感測器120對一個子影像135的有效利用面積125可設為L(1-r-t)。當r+t大於0時，L(1-r-t)≧NL| b/a |；而當r+t<0時，L(1+r+t)≧NL| b/a |，其中「| |」是指取數值的絕對值。將r與t以上述(2)式與(3)式的關係代入後，即可得到上述(1)式。

以下表(一)及表(二)舉出本實施例之攝像裝置100的一些實例的參數。

在表一中，Fr是指像側光圈數除以物側光圈數後所得到 的比值，上表中的「(1)式中間式的值」是指的計算結果的數 值。此外，上表中其他參數的物理意義均於上文中解釋過了，請參照上文，在此不再重述。由表一與表二可知，在所有實例中，總串擾比值r+t都小於0.5。此外，從表一可看出，本實施例之攝 像裝置100適用於各種透鏡總長(從數毫米至數百毫米都適用)。另外，從表一可看出，Fr值遠離1的鏡頭也適用。再者，表二特舉出透鏡總長短的實例5的各種變形。當透鏡總長短時，可將攝像裝置100應用於可攜式電子裝置中。

在一實施例中，為了達到足夠的有效利用面積125，成像鏡頭的像側光圈數除以成像鏡頭的物側光圈數所得到的比值是落在從0.4至1.5的範圍內。此外，在一實施例中，為了達到足夠的 有效利用面積125，攝像裝置符合：

圖10為圖1之攝像裝置的影像感測器所感測到的子影像的光強度灰階的分佈圖。請參照圖10，當光圈元件132的節距L為260微米時，在一實施例中，歸一化後的串擾比值於為30%。

圖11為本發明之另一實施例之攝像裝置的剖面示意圖。請參照圖11，本實施例之攝像裝置100b與圖1的攝像裝置100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例之攝像裝置100b中，成像鏡頭110的成像面是落在多重光圈光學元件130的前主平面1322(如圖2所繪示)之靠近影像感測器120的一側(也就是前主平面1322的右側)，此時，a值為正值，但仍可符合上述(1)式或(4)式。圖1之攝像裝置100與本實施例之攝像裝置100b均屬於光場相機2.0版的架構。

圖12為本發明之又一實施例之攝像裝置的剖面示意圖。請參照圖12，本實施例之攝像裝置100c與圖1的攝像裝置100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例之攝像裝置100c中，成 像鏡頭110的成像面是落在多重光圈光學元件130的位置，此架構為光場相機1.0版的架構，但仍可符合上述(1)式或(4)式。

圖13為本發明之再一實施例之攝像裝置的剖面示意圖。請參照圖13，本實施例之攝像裝置100d與圖1的攝像裝置100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例之攝條裝置100d中，多重光圈光學元件130d為一遮光片，而這些光圈元件132d為多個排成陣列的透光開孔(例如針孔)，且遮光片的前主平面與後主平面實質上重合。換言之，對於多重光圈光學元件130d而言，其前主平面與後主平面均落在透光開孔所在的平面上。此時，攝像裝置100d仍可符合上述(1)式或(4)式。

綜上所述，由於本發明之實施例之攝像裝置及光場攝像 鏡頭符合，因此多重光圈光學元件所形成的子影像 較大而彼此適度地部分重疊。如此一來，各子影像未部分重疊的部分便可更有效率地被使用作為所欲取得的影像資訊，進而提升影像的有效使用面積及提升影像感測器的有效使用面積。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧攝像裝置

105‧‧‧光場攝像鏡頭

110‧‧‧成像鏡頭

112‧‧‧透鏡

114‧‧‧孔徑光闌

115‧‧‧像平面

120‧‧‧影像感測器

122‧‧‧成像面

130‧‧‧多重光圈光學元件

132‧‧‧光圈元件

L‧‧‧節距

Claims (14)

1. 一種攝像裝置，包括：一成像鏡頭；一影像感測器；以及一多重光圈光學元件，配置於所述成像鏡頭與所述影像感測器之間的光路徑上，且包括排成陣列的多個光圈元件，其中所述成像鏡頭的像側光圈數除以所述成像鏡頭的物側光圈數所得到的比值是落在從0.25至2的範圍內，且所述攝像裝置符合： 其中，L為所述多個光圈元件的節距，D為所述成像鏡頭的出瞳的直徑，P為所述成像鏡頭的出瞳至所述成像鏡頭的像平面的距離，a為所述成像鏡頭的像平面至所述多重光圈光學元件的前主平面的距離值，且b為所述多重光圈光學元件的後主平面至所述影像感測器的成像面的距離，其中當所述成像鏡頭的所述像平面位於所述前主平面之遠離所述影像感測器的一側時，a的值為負值，且當所述成像鏡頭的所述像平面位於所述前主平面之靠近所述影像感測器的一側時，a的值為正值。
2. 如申請專利範圍第1項所述的攝像裝置，其中所述多重光圈光學元件為一透鏡陣列，且所述多個光圈元件為排成陣列的透鏡。
3. 如申請專利範圍第1項所述的攝像裝置，其中所述多重光圈光學元件為一遮光片，而所述多個光圈元件為多個排成陣列 的透光開孔，且所述遮光片的所述前主平面與所述後主平面實質上重合。
4. 如申請專利範圍第1項所述的攝像裝置，其中所述多個光圈元件分別將所述成像鏡頭的出瞳成像於所述影像感測器的所述成像面上，以形成多個子影像，其中所述多個子影像彼此部分重疊。
5. 如申請專利範圍第1項所述的攝像裝置，其中所述前主平面位於所述成像鏡頭的所述像平面與所述後主平面之間，且所述後主平面位於所述前主平面與所述影像感測器的所述成像面之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述的攝像裝置，其中所述成像鏡頭的所述像側光圈數除以所述成像鏡頭的所述物側光圈數所得到的比值是落在從0.4至1.5的範圍內。
7. 如申請專利範圍第1項所述的攝像裝置，其中所述攝像裝置符合：
8. 一種光場攝像鏡頭，包括：一成像鏡頭，配置於所述光場攝像鏡頭的一物側與一成像面之間；以及一多重光圈光學元件，配置於所述成像鏡頭與所述光場攝像鏡頭的所述成像面之間，且包括排成陣列的多個光圈元件，其中所述成像鏡頭的像側光圈數除以所述成像鏡頭的物側光圈數所得 到的比值是落在從0.25至2的範圍內，且所述光場攝像鏡頭符合： 其中，L為所述多個光圈元件的節距，D為所述成像鏡頭的出瞳的直徑，P為所述成像鏡頭的出瞳至所述成像鏡頭的像平面的距離，a為所述成像鏡頭的像平面至所述多重光圈光學元件的前主平面的距離值，且b為所述多重光圈光學元件的後主平面至所述光場攝像鏡頭的所述成像面的距離，其中當所述成像鏡頭的所述像平面位於所述前主平面之遠離所述光場攝像鏡頭的所述成像面的一側時，a的值為負值，且當所述成像鏡頭的所述像平面位於所述前主平面之靠近所述光場攝像鏡頭的所述成像面的一側時，a的值為正值。
9. 如申請專利範圍第8項所述的光場攝像鏡頭，其中所述多重光圈光學元件為一透鏡陣列，且所述多個光圈元件為排成陣列的透鏡。
10. 如申請專利範圍第8項所述的光場攝像鏡頭，其中所述多重光圈光學元件為一遮光片，而所述多個光圈元件為多個排成陣列的透光開孔，且所述遮光片的所述前主平面與所述後主平面實質上重合。
11. 如申請專利範圍第8項所述的光場攝像鏡頭，其中所述多個光圈元件分別將所述成像鏡頭的出瞳成像於所述光場攝像鏡頭的所述成像面上，以形成多個子影像，其中所述多個子影像彼此部分重疊。
12. 如申請專利範圍第8項所述的光場攝像鏡頭，其中所述前主平面位於所述成像鏡頭的所述像平面與所述後主平面之間，且所述後主平面位於所述前主平面與所述光場攝像鏡頭的所述成像面之間。
13. 如申請專利範圍第8項所述的光場攝像鏡頭，其中所述成像鏡頭的所述像側光圈數除以所述成像鏡頭的所述物側光圈數所得到的比值是落在從0.4至1.5的範圍內。
14. 如申請專利範圍第8項所述的光場攝像鏡頭，其中所述攝像裝置符合：