КАМЕРА С ПОВОРОТНЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЯ ЗРЕНИЯ
CAMERA WITH ROTATING OPTICAL ELEMENTS FOR SWITCHING THE FIELD OF VIEW

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится в общем к области оптики, и более конкретно - к оптической системе объектива для захвата изображений, применимого в устройстве формирования изображения (камере) электронного устройства, такого как компактное пользовательское вычислительное устройство.
Уровень техники
С появлением компактных электронных вычислительных устройств, таких как, в качестве неограничивающего примера, мобильные телефоны, смартфоны, планшетные компьютеры, карманные персональные компьютеры (КПК), коммуникаторы, нетбуки, ноутбуки, возникла необходимость в снабжении таких устройств средствами захвата изображения, такими как фото/видеокамеры, для реализации различных функций, связанных с захватом фото- и видеоизображений по команде пользователя, видеосвязью, распознаванием лица пользователя, «компьютерным зрением» и т.п.
Такие устройства в основном обладают высоким разрешением захватываемого изображения. Высокое разрешение изображения оптического устройства складывается из двух параметров: разрешения датчика изображения и разрешения оптической системы. Эти две характеристики должны быть согласованы для наиболее эффективной фиксации изображения датчиком. Для соглавания этих величин обычно используется теорема Котельникова (частота Найквиста) применительно к оптике:
(1)
d
f
pix
spot
sensor
Где  - диаметр пятна рассеяния,  - частота сенсора,  - размер пикселя сенсора.
Для обеспечения компактности устройства необходимо использовать малоразмерные высокоразрешающие датчики. Ввиду их малого габаритного размера и высокого разрешения (большого количества пикселей, >50M) размер одного пикселя не велик - 0,6 ÷ 1,4 мкм. Как видно из соотношения (1), размер пятна рассеяния изображения, построенного оптической системой, должен быть также очень малым. Пятно рассеяния оптической системы имеет геометрическую и дифракционную составляющие.
Геометрическая составляющая зависит от степени коррекции оптических аберраций, которая обеспечивается конструкцией оптической системы - формой оптических элементов, их размещением и оптическими материалами. Конструкция определяется на этапе оптического расчета согласно известным методам синтеза и оптимизации оптических систем.
Дифракционная составляющая зависит от диафрагменного числа оптической системы и выбирается до начала оптического расчета исходя из необходимого минимального размера пятна рассеяния.
(2)
d
F#
spot
Где  - диаметр дифракционного пятна рассеяния, λ - длина волны,  - диафрагменное число.
Таким образом, одним из основных параметров оптической системы для достижения высокого разрешения является диафрагменное число.
При этом возникла потребность в обеспечении возможности изменения поля зрения таких объективов («зумирования»). Традиционные объективы для фотокамер, в которых изменение фокусного расстояния (поля зрения) реализуется за счет подвижных элементов, в частности линз и групп линз, не подходят для использования в компактных электронных вычислительных устройствах ввиду своих больших размеров.
Следует отметить, что, как известно в области объективов с переменным фокусным расстоянием, для реализации изменения поля зрения (далее сокращенно называемого FOV) необходимо либо обеспечить перемещение одного или более компонентов оптической системы для физического изменения фокусного расстояния объектива, либо использовать несколько объективов или камер, каждая из которых имеет свое значение фокусного расстояния, переключаясь между ними по мере необходимости под управлением программного обеспечения, с обеспечением по возможности плавного переключения между объективами (камерами) без заметного для пользователя «скачкообразного» изменения поля зрения объектива (камеры).
В случае объектива с подвижными компонентами оптической системы необходима очень высокая точность сборки оптической системы и высокоточные элементы конструкции, которые могли бы обеспечить необходимые значения допусков в оптической системе для всего диапазона величин переменного фокусного расстояния. Возможен также комбинированный вариант, при котором для покрытия всего требуемого диапазона фокусных расстояний используется несколько переключаемых между собой объективов или камер, в каждом из которых используется группа подвижных элементов оптической системы.
В настоящее время в уровне техники предлагаются решения, в состав которых входит по меньшей мере один оптический элемент, позволяющий «складывать» оптическую систему путем по меньшей мере однократного преломления оптической оси системы. Такие оптические узлы (объективы, линзы) можно охарактеризовать как «сложенные» (по меньшей мере однократно) оптические узлы.
В источнике US 20200241233 (Corephotonics Ltd., опубл. 30.07.2020) описан оптический модуль объектива для цифровой камеры, причем оптический модуль может содержать систему линз, сканирующий отражательный элемент, датчик изображения и контроллер, управляющий сканирующим отражательным элементом, который осуществляет сканирование области сцены, соответствующей требуемому коэффициенту увеличения («зумирования») и захватывает множество частично накладывающихся друг на друга длиннофокусных изображений. Сканирующий отражательный элемент расположен под углом ~45 градусов, что позволяет размещать линзовую систему не поперек устройства, а вдоль него. К недостаткам данного известного решения можно отнести необходимость сканирования области сцены посредством сканирующего отражательного элемента, что увеличивает время экспозиции, влияя на качество конечного изображения, а также делая неудобным использование камеры, в которой применяется известный оптический модуль. Кроме того, датчик изображения в данном известном решении также размещен поперек устройства, в котором применяется известное решение, что ограничивает возможные размеры датчика изображения и отрицательно влияет на разрешение конечного изображения.
В источнике US 20200341290 (Apple Inc., опубл. 29.10.2020) раскрыто устройство формирования изображений, включающее в себя датчик изображения и узел объектива с переменным фокусным расстоянием, включающий в себя множество подвижных линзовых элементов, выполненных с возможностью перемещения независимо друг от друга для изменения фокусного расстояния («зумирования»). Узел объектива и зеркала включает в себя зеркало для преломления оптической оси системы и исполнительный механизм, выполненный с возможностью поворота зеркала для оптической стабилизации. К недостаткам данного известного решения можно отнести высокое значение диафрагменного числа F, невозможность реализовать высокие величины относительного отверстия, а также низкую разрешающую способность.
В источнике US 20210041765 (Apple Inc., опубл. 11.02.2021) описан оптический узел для устройства формирования изображений, включающий в себя два оптических элемента для преломления оптической оси системы (например, призмы и/или зеркала), применение которых позволяет размещать датчик изображения не поперек устройства, в состав которого входит устройство формирования изображения, а вдоль него. К недостаткам данного известного решения можно отнести невозможность обеспечения высокого разрешения конечного изображения при предъявляемых требованиях к массогабаритным характеристикам оптического узла.
В источнике Double-Folded Catadioptric Lens For Smartphone Portraiture Photography (National Univ. of Ireland, Galway/DOI.ORG/10.1117/12.2310091/2018) раскрыта камера для смартфона, выполненная с обеспечением возможности портретной съемки и содержащая объектив с большим диаметром входного зрачка и низким числом F. В объективе применяется «дважды сложенная» катадиоптрическая линза, обеспечивая общую толщину объектива менее 5 мм и общую длину оптического пути в 13 мм. В качестве одного из отражающих компонентов «дважды сложенной» линзы используется призма свободной формы, обладающая определенной оптической силой для коррекции геометрических аберраций и формирования фокусного расстояния. Для «зумирования» в известном объективе используется подвижный оптический компонент внутри объектива. Однако, поскольку данный подвижный оптический компонент также участвует в коррекции аберраций, диапазон возможного изменения фокусного расстояния является небольшим, а также обеспечивается относительно небольшое поле зрения оптического узла. Кроме того, поддержание достаточно высокого разрешения во всем диапазоне доступных фокусных расстояний/полей зрения в известном оптическом узле является весьма проблематичным.
Раскрытие изобретения
Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведенное подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объем заявляемого изобретения. Объем правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.
Учитывая рассмотренные выше известные решения из уровня техники, объективная техническая проблема, решаемая изобретением, состоит в необходимости создания компактного оптического узла, в котором реализовано размещение оптических элементов таким образом, чтобы достичь малой толщины оптического узла и при этом реализовать функцию изменения поля зрения (фокусного расстояния).
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в создании оптического узла для объектива устройства формирования изображения, выполненного с возможностью изменения поля зрения (FOV) с сохранением высокого разрешения при малой толщине оптического узла.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении широкого диапазона полей зрения оптического узла при высоком разрешении изображения.
В первом аспекте настоящего изобретения предложен оптический узел устройства формирования изображения, содержащий массив объективов с дважды преломленной оптической осью и датчик изображения. При этом каждый объектив с дважды преломленной оптической осью содержит входной элемент преломления оптической оси, по меньшей мере одну линзу с оптической силой и выходной элемент преломления оптической оси. При этом входной элемент преломления оптической оси по меньшей мере одного объектива с дважды преломленной оптической осью выполнен с возможностью изменения угла преломления оптической оси по двум координатам, изменяя поле зрения входного элемента преломления оптической оси. По меньшей мере одна линза образует группу линз, имеющую общую оптическую ось. Датчик изображения расположен в плоскости, по существу параллельной упомянутой общей оптической оси группы линз. Массив объективов с дважды преломленной оптической осью может представлять собой массив 2×2, причем все объективы с дважды преломленной оптической осью обращены своими выходными элементами преломления оптической оси к датчику изображения. Входные и выходные элементы преломления оптической оси могут быть выполнены в виде призм и/или плоских зеркал и могут иметь плоские оптические поверхности и/или криволинейные оптические поверхности. Выходные элементы преломления оптической оси являются неподвижными. Для упомянутого изменения угла преломления оптической оси по двум координатам входные элементы преломления оптической оси имеют исполнительные механизмы, выполненные с возможностью поворота входных оптических элементов преломления оптической оси вокруг оси X и/или оси Z независимо друг от друга. В другом варианте выполнения для упомянутого изменения угла преломления оптической оси по двум координатам входные элементы преломления оптической оси содержат дефлекторы оптического излучения, выполненные в виде электрооптических элементов на основе нематических жидких кристаллов (NLC). Упомянутая по меньшей мере одна линза с оптической силой составляет группу линз, содержащих один или более рефракционных оптических элементов для обеспечения оптической силы. Угол преломления оптической оси системы во входном и/или выходном элементе преломления оптической оси может составлять по существу 90 градусов.
Во втором аспекте настоящего изобретения предложен способ формирования изображения, содержащий этапы, на которых вводят падающее оптическое излучение, формирующее изображение, в массив объективов с дважды преломленной оптической осью через входной элемент преломления оптической оси, пропускают оптическое излучение через по меньшей мере одну линзу с оптической силой, и выводят оптическое излучение через выходной элемент преломления оптической оси на датчик изображения, при этом в массиве объективов с дважды преломленной оптической осью оптическая ось оптического излучения преломляется дважды - во входном и выходном элементах преломления оптической оси, соответственно. При этом изменяют направление поля зрения входного элемента преломления оптической оси путем изменения угла преломления оптической оси для формирования соответствующего канала поля зрения на датчике изображения. В одном или более вариантах выполнения способа для упомянутого изменения угла преломления оптической оси независимо поворачивают входной элемент преломления оптической оси одного или более объективов в массиве объективов с дважды преломленной оптической осью вокруг оси X и/или оси Z. В другом варианте выполнения для упомянутого изменения угла преломления оптической оси управляют дефлекторами оптического излучения, выполненными в виде электрооптических элементов на основе нематических жидких кристаллов (NLC).
Способ может дополнительно содержать этап, на котором частично или полностью накладывают друг на друга каналы поля зрения, полученные каждым из объективов в массиве объективов с дважды преломленной оптической осью, на датчике изображения для получения итогового изображения. Угол преломления оптической оси оптического излучения во входном и/или выходном элементе преломления оптической оси может составлять по существу 90 градусов.
Как будет очевидно специалистам в данной области техники, заявляемое изобретение может быть реализовано также в форме других объектов, таких как, в качестве неограничивающего примера, устройство формирования изображения, оптическая система и т.п.
Краткое описание чертежей
Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объема настоящего изобретения.
На Фиг. 1 показана принципиальная схема объектива с дважды преломленной оптической осью.
На Фиг. 2 схематично проиллюстрирован вариант выполнения оптического узла согласно изобретению с массивом объективов с дважды преломленной оптической осью 2×2.
На Фиг. 3 схематично проиллюстрировано формирование общего поля зрения из соответствующих каналов поля зрения объективов, входящих в массив объективов с дважды преломленной оптической осью оптического узла согласно изобретению, в случае накладывающихся друг на друга каналов поля зрения.
На Фиг. 4 схематично проиллюстрировано формирование общего поля зрения из соответствующих каналов поля зрения объективов, входящих в массив объективов с дважды преломленной оптической осью оптического узла согласно изобретению, в случае частично перекрывающихся каналов поля зрения.
На Фиг. 5 схематично проиллюстрировано отображение полей зрения соответствующих объективов массива объективов с дважды преломленной оптической осью на плоскости датчика изображения для первого режима (вид А) и второго режима (вид В).
На Фиг. 6 проиллюстрирован смешанный режим формирования изображения согласно одному или более вариантам выполнения изобретения.
На Фиг. 7 схематично проиллюстрирован вариант выполнения массива объективов с дважды преломленной оптической осью с обозначением точек поворота входных элементов преломления оптической оси вокруг осей X и Z.
На Фиг. 8 схематично проиллюстрирован вариант выполнения изобретения с криволинейными оптическими поверхностями выходного элемента преломления оптической оси.
На Фиг. 9 проиллюстрирован примерный вариант выполнения оптического узла согласно изобретению, в котором используется массив объективов с дважды преломленной оптической осью 3×3.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение основано на использовании оптических элементов с «дважды сложенным» оптическим путем (оптической осью), используемого для формирования изображения. Преломление оптической оси падающего оптического излучения в изобретении реализуется в каждом объективе из упомянутого массива элементами преломления оптической оси, более конкретно - входным элементом преломления оптической оси и выходным элементом преломления оптической оси, соответственно. Это дает «дважды сложенную» оптическую систему.
В первом аспекте настоящего изобретения предложен оптический узел устройства формирования изображения, основанный на использовании массива объективов с дважды преломленной оптической осью. Для преломления оптической оси каждый объектив в массиве объективов имеет входной элемент преломления оптической оси и выходной элемент преломления оптической оси, которые могут быть реализованы, в качестве неограничивающего примера, в виде призмы или зеркала, и могут иметь плоские или обладающие кривизной оптические поверхности. Каждый из входного и выходного элементов преломления оптической оси реализует преломление (поворот) оптической оси падающего оптического излучения, в качестве неограничивающего примера, на угол по существу в 90 градусов.
Каждый объектив в массиве объективов с дважды преломленной оптической осью формирует свой канал поля зрения на датчике изображения. Каждый канал поля зрения формирует изображение на соответствующей ему части поверхности датчика изображения, который представляет собой по существу камеру с составным полем зрения (камеру CEV).
Как указано выше, каждый объектив в массиве объективов с дважды преломленной оптической осью содержит входной элемент преломления оптической оси. Данный входной элемент выполнен с возможностью поворота по меньшей мере вокруг двух осей, а именно оси X и оси Z. Следует отметить, что каждый объектив в массиве объективов с дважды преломленной оптической осью выполнен с возможностью независимого поворота своего входного элемента вокруг одной или обеих из упомянутых осей, для чего в каждом объективе предусмотрен по меньшей мере один соответствующий исполнительный механизм. Поворот входного элемента преломления оптической оси обеспечивает возможность изменения (поворота) направления поля зрения (FOV) соответствующего канала.
В одном или более вариантах выполнения изобретения оптический узел согласно изобретению обеспечивает по меньшей мере два режима работы:
- первый режим (так называемый «одинаково направленный»), в котором FOV всех каналов, реализуемые каждым из объективов в массиве объективов с дважды преломленной оптической осью, имеют одинаковое (одно общее) направление, что реализуется одинаковым поворотом всех входных элементов преломления оптической оси в массиве объективов вокруг соответствующих осей;
- второй режим (так называемый «разнонаправленный»), в котором входной элемент преломления оптической оси каждого из объективов в массиве объективов поворачивается вокруг соответствующих осей независимо от других объективов, при этом FOV каналов, реализуемые каждым из объективов в массиве объективов, имеют разные направления.
Формирование итогового изображения, объединяющего каналы поля зрения соответствующих объективов в массиве объективов с дважды преломленной оптической осью, на датчике изображения реализуется путем применения соответствующего программного алгоритма объединения изображений, известного из уровня техники.
При этом в первом режиме поле зрения итогового изображения, формируемого на датчике изображения путем наложения каналов поля зрения каждого из объективов в массиве объективов, является более узким и соответствует полю зрения телеобъектива с большим фокусным расстоянием, а во втором режиме поле зрения итогового изображения является более широким и соответствует полю зрения широкоугольного объектива с меньшим фокусным расстоянием.
Это достигается за счет того, что каждый из объективов в массиве объективов с дважды преломленной оптической осью, в зависимости от ориентации входного элемента преломления оптической оси, на который попадает оптическое излучение, формирующее изображение, на входе в оптический узел, формирует либо изображение с одинаковым по отношению к остальным каналам полем зрения, в которое попадает часть наблюдаемой сцены (первый режим), либо изображение своей соответствующей части наблюдаемой сцены отличной от остальных каналов (второй режим). При этом в первом режиме каналы поля зрения каждого из объективов практически полностью накладываются друг на друга, позволяя алгоритму постобработки сформировать итоговое изображение с высоким разрешением и более узким полем зрения, а во втором режиме каналы поля зрения каждого из объективов накладываются друг на друга частично, позволяя соединить соответствующие части наблюдаемой сцены в итоговое изображение с более широким полем зрения.
В настоящем изобретении используется массив объективов с «дважды преломленной» оптической осью. Как проиллюстрировано на Фиг. 1, в основе такого объектива лежит оптическая система, содержащая входной оптический элемент 1 преломления оптической оси, группу 3 линз с оптической силой и выходной элемент 2 преломления оптической оси. Кроме того, позицией 4 на Фиг. 1 схематично показан датчик изображения. Жирными стрелками на Фиг. 1 схематично показан путь оптического излучения через объектив с дважды преломленной оптической осью.
Принцип работы объектива с дважды преломленной оптической осью состоит в том, что падающее оптическое излучение, соответствующее наблюдаемой сцене, попадает на входной оптический элемент 1 преломления оптической оси, на котором оно отражается таким образом, что угол распространения оптического излучения изменяется, в неограничивающем варианте выполнения изобретения - по существу под углом 90 градусов (первое преломление оптической оси). Далее оптическое излучение проходит через группу 3 линз с оптической силой, которые, в качестве неограничивающего примера, могут представлять собой одну или более рефракционных линз аналогично оптическим системам известных объективов. Данная группа линз, обладающих оптической силой, позволяет преобразовать падающий на первый отражательный элемент плоский волновой фронт в сходящийся для фокусировки излучения на датчике изображения и, таким образом, формирования изображения. Данная группа линз спроектирована таким образом, что имеет низкое значение диафрагменного числа, что позволяет обеспечить малый размер пятна рассеяния для согласования с компактным высокоразрешающим датчиком изображения. После группы 3 линз с оптической силой оптическое излучение попадает на выходной элемент 2 преломления оптической оси, где оно снова отражается под углом (в неограничивающем варианте выполнения изобретения - по существу под углом 90 градусов; второе преломление оптической оси) и попадает на плоскость датчика 4 изображения, где формируется канал поля зрения, соответствующий данному объективу из массива объективов. При этом в такой конфигурации объектива плоскость датчика 4 изображения по существу параллельна плоскости изображаемого объекта, а не повернута на 90 градусов по отношению к плоскости изображаемого объекта, как в некоторых из рассмотренных выше известных аналогов.
На Фиг. 2 схематично проиллюстрирован вариант выполнения оптического узла согласно изобретению с массивом объективов с дважды преломленной оптической осью 2×2. Этот массив объективов образует составную оптическую систему с составным полем зрения (FOV), в основе которой лежит один общий датчик изображения. Как видно на Фиг. 2, все объективы в массиве объективов с дважды преломленной оптической осью размещены таким образом, что их выходные элементы 2 преломления оптической оси обращены к общему датчику 4 изображения. Каждый из объективов массива объективов с дважды преломленной оптической осью обеспечивает свой канал поля зрения, при этом все каналы поля зрения отображаются на плоскости датчика 4 изображения, представляющего собой камеру с составным полем зрения (камеру CEV), обеспечивающую итоговое составное поле зрения в результате объединения упомянутых каналов поля зрения.
При этом в первом режиме работы оптического узла, охарактеризованном выше, изображения каждого из каналов FOV являются одинаковыми и отображают одну и ту же часть наблюдаемой сцены. На основе объединения изображений путем соответствующей программной обработки (в неограничивающем варианте выполнения изобретения, в качестве примера возможных методов программной обработки для объединения изображения см., например, патент США № US 10366472 B2, Systems and methods for synthesizing high resolution images using images captured by an array of independently controllable imagers, опубл. 30.07.2019 ([1]) или патент США № US 10182216 B2, Extended color processing on pelican array cameras, опубл. 15.01.2019 ([2])) этих каналов может быть получено итоговое изображение с очень высоким разрешением («суперразрешением»), отражающее относительно узкую область наблюдаемой сцены, аналогично использованию телеобъектива с большим фокусным расстоянием.
Во втором режиме работы оптического узла, охарактеризованном выше, изображения каждого из каналов FOV являются отличными друг от друга и соответствуют различным частям наблюдаемой сцены, расположенным близко друг к другу по существу без интервалов между ними, и при объединении изображений путем соответствующей программной обработки по «сшивке» этих каналов FOV (в неограничивающем варианте выполнения изобретения, в качестве примера методов программной обработки по «сшивке» изображений см., например, патент США № US 11064116 B2, Image stitching in a multi-camera array, опубл. 13.07.2021 ([3])) может быть получено итоговое изображение с высоким разрешением, отражающее широкую область наблюдаемой сцены, аналогично использованию широкоугольного объектива с меньшим фокусным расстоянием.
Выше с обращением к Фиг. 2 проиллюстрирован вариант выполнения настоящего изобретения, в котором массив объективов с дважды преломленной оптической осью представляет собой массив 2х2. Однако следует понимать, что объем изобретения не ограничен такой конфигурацией массива объективов, и в других вариантах выполнения изобретения могут быть использованы другие массивы, такие как, в качестве неограничивающего примера, 2×3 (3×2), 3×3 и т.п. Размер массива 2×2 соответствует наименьшему массиву, пригодному для практической реализации настоящего изобретения.
Фиг. 3 и 4 иллюстрируют формирование общего поля 10 зрения из соответствующих каналов 20 поля зрения объективов, входящих в массив объективов с дважды преломленной оптической осью оптического узла согласно изобретению. Кроме того, на Фиг. 4 обозначены оси X и Z, вокруг которых могут поворачиваться входные элементы 1 преломления оптической оси. При этом на Фиг. 3 проиллюстрировано общее FOV 10, формируемое из нескольких каналов 20 FOV соответствующих объективов, которое соответствует FOV телеобъектива с большим фокусным расстоянием (узкое поле зрения, теле-FOV). В данном случае поле обзора каждого из объективов массива обеспечивает по существу одно и то же изображение, и итоговое изображение получается наложением этих изображений, характеризуется узким полем зрения и очень высоким разрешением. Иными словами, в данном случае общее FOV 10 равно каждому из каналов 20 FOV соответствующих объективов.
На Фиг. 4 входные элементы 1 преломления оптической оси показаны повернутыми по меньшей мере вокруг оси X по сравнению с элементами 1 преломления оптической оси на Фиг. 3. В конфигурации на Фиг. 4 реализуется общее FOV 10, полученное «сшивкой» изображений, соответствующих каналам 20 FOV каждого из объективов, причем каждый из объективов в данном случае захватывает часть от общей наблюдаемой сцены. В результате получается более широкое поле зрения (широкоугольное поле зрения). В данном случае общее FOV 10 складывается из совокупности каналов 20 FOV всех объективов массива объективов.
На видах А и В на Фиг. 5 схематично проиллюстрировано отображение полей зрения соответствующих каналов массива объективов с дважды преломленной оптической осью на плоскости датчика изображения для первого режима (вид А) и второго режима (вид В), описанных выше. Стрелками отмечена диагональ области итогового изображения, получаемого в результате обработки накладывающихся друг на друга полей зрения различных каналов. Как видно на виде А, в случае, если все объективы в массиве дают одинаковые каналы поля зрения, соответствующие поля зрения полностью накладываются друг на друга. Как видно на виде В, каждый канал поля зрения соответствует одной из областей на плоскости датчика изображения, причем упомянутые области соответствуют разным частям поверхности упомянутой плоскости, расположены под разными углами и по меньшей мере частично перекрываются (пересекаются) друг с другом. Путем применения программного алгоритма «сшивки» изображений из этих каналов поля зрения получается изображение, соответствующее общему полю зрения массива объективов.
Фиг. 6 иллюстрирует так называемый «смешанный» режим формирования изображения, реализуемый в одном или более неограничивающих вариантах выполнения изобретения. Для реализации такого режима входные элементы 1 преломления оптической оси должны быть повернуты вокруг осей X и/или Z на определенные «переходные» углы, так чтобы в центральной части плоскости датчика изображения части изображения соответствующих каналов поля зрения по меньшей мере частично совпадали. При этом для упомянутой центральной части (заштрихованная область на Фиг. 6) может применяться описанный выше алгоритм наложения изображений с получением «суперразрешения», а для остальных частей, где каналы поля зрения соответствующих объективов по меньшей мере частично перекрываются друг с другом, могут использоваться алгоритмы «сшивки» изображений упомянутые выше.
На Фиг. 7 схематично проиллюстрирован вариант выполнения, в котором показаны два объектива из массива объективов с дважды преломленной оптической осью, при этом жирными точками схематично обозначены точки, вокруг которых осуществляется поворот соответствующих входных элементов преломления оптической оси вокруг осей X и Z. Для поворота входных элементов преломления оптической оси вокруг осей X и Z могут использоваться исполнительные механизмы (не показаны). По существу, может быть использован любой вид исполнительного механизма, пригодный для таких целей, как известно специалистам в данной области техники, такой как, например, магнитный исполнительный механизм или электростатический механизм. Исполнительные механизмы реализуют поворот соответствующих входных элементов преломления оптической оси вокруг осей X и/или Z в соответствии с управляющими сигналами от одного или более процессоров, которые осуществляют управление устройством формирования изображения, причем упомянутые управляющие сигналы могут выдаваться, например, в ответ на пользовательский ввод с целью регулирования поля зрения («зумирования») устройства формирования изображения для получения изображения интересующей пользователя части наблюдаемой сцены.
Следует отметить, что в соответствии с настоящим изобретением элементы преломления оптической оси являются частью оптической системы оптического узла согласно изобретению. При этом в различных вариантах выполнения они могут иметь по меньшей мере одну плоскую оптическую поверхность и/или по меньшей мере одну обладающую кривизной (выпуклую или вогнутую) оптическую поверхность и, соответственно, могут обладать оптической силой.
Кроме того, в одном или более вариантах выполнения элементы преломления оптической оси, и прежде всего входные элементы преломления оптической оси, могут быть выполнены в виде плоского зеркала или призмы. В одном или более вариантах выполнения изобретения в элементах преломления оптической оси может дополнительно осуществляться компенсация геометрических аберраций.
Так, например, в одном или более неограничивающих вариантах выполнения изобретения входная поверхность (оптическая поверхность объектива, на которую падает оптическое излучение, формирующее изображение наблюдаемой сцены) входного элемента преломления оптической оси, выполненного в виде призмы, может быть выпуклой с центром кривизны в области апертурной диафрагмы. Это может позволить уменьшить аберрации, такие как кома, на стадии разработки оптической системы.
Выходной элемент преломления оптической оси также может иметь по меньшей мере одну оптическую поверхность, обладающую кривизной, чтобы способствовать уменьшению аберраций, таких как астигматизм и дисторсия, на стадии разработки оптической системы. Таким образом, введение в оптический узел согласно изобретению элементов преломления оптических осей с криволинейными оптическими поверхностями может быть предпочтительным в определенных вариантах выполнения изобретения, поскольку это способствует улучшению рабочих характеристик оптической системы, повышению разрешающей способности, а также уменьшает количество необходимых линз в группе 3 линз с оптической силой, поскольку компенсация аберраций по меньшей мере частично реализуется в упомянутых элементах преломления оптической оси. Так, например, в случае выполнения выходного элемента преломления оптической оси в форме призмы в каждом из объективов оптическая поверхность выходного элемента преломления оптической оси, обращенная к группе линз с оптической силой, может быть выпуклой, а оптическая поверхность, обращенная к датчику изображения, может быть вогнутой, как проиллюстрировано на Фиг. 8.
Как указано выше, массив объективов в оптическом узле согласно изобретению имеет минимальное количество объективов, то есть формирует минимальное количество каналов поля зрения, составляющее 2×2. Такое количество объективов в массиве обеспечивает минимальную кратность зумирования и позволяет повысить разрешение итогового изображения за счет вышеупомянутого алгоритма «суперразрешения».
Поскольку элементы преломления оптической оси вращаются вокруг оптической оси линз (более конкретно - вокруг оси X и/или Z, как описано выше), изображение на плоскости датчика изображения, формируемое каждым из каналов FOV, соответственно поворачивается вокруг оптической оси этого канала, делая области переналожения неравномерными, что ограничивает размер поля зрения итогового изображения в вышеописанном втором («широкоугольном») режиме.
Количество объективов в массиве объективов с дважды преломленной оптической осью и, соответственно, количество каналов поля зрения на плоскости датчика изображения может быть различным в разных вариантах выполнения. В общем случае, возможны два варианта:
- сохранение соотношения сторон кадра в первом и во втором вышеописанных режимах; или
- изменение соотношения сторон кадра в зависимости от первого и второго режима.
В первом случае массив объективов может содержать объективы, формирующие, соответственно, 2×2, 2×3 (или 3×2), 3×3 канала поля зрения на плоскости датчика изображения.
Например, в случае 2×3 (или 3×2) каналов на плоскости датчика изображения в общей сложности формируются изображения, соответствующие 6 каналам поля зрения (FOV). Все каналы FOV имеют свои соответствующие величины (углы) поворота входных элементов преломления оптической оси, за счет чего в итоговом изображении на датчике изображения реализуется широкое поле зрения (FOV).
В случае конфигурации массива объективов с дважды преломленной оптической осью 3×3 на плоскости датчика изображения формируется 9 каналов FOV. Все каналы FOV характеризуются своими величинами поворота входных элементов преломления оптической оси и вместе обеспечивают широкое поле зрения итогового изображения. В этом частном варианте выполнения, конфигурация которого проиллюстрирована на Фиг. 9, центральный объектив в массиве объективов не является объективом с дважды преломленной оптической осью, поскольку в массиве отсутствует место для размещения всех элементов такого центрального объектива среди других объективов с дважды преломленной оптической осью, конструкция которых описана выше.
Во втором случае, в котором нет ограничения по соотношению сторон кадра изображения, могут быть предусмотрены варианты выполнения массива объективов с различными конфигурациями каналов FOV.
Возможна конфигурация 1×N (1×3, 1×4 и т.п.). В такой конфигурации N объективов размещают таким образом, что их выходные элементы преломления оптической оси располагаются над плоскостью датчика изображения в один ряд. Все объективы имеют свои соответствующие величины (углы) поворота входных элементов преломления оптической оси, за счет чего в итоговом изображении на датчике изображения реализуется широкое поле зрения (FOV).
Возможна конфигурация 2×N. В данной конфигурации 2N объективов размещены таким образом, что их выходные элементы преломления оптической оси располагаются над плоскостью датчика изображения в два ряда. Все объективы имеют свои соответствующие величины (углы) поворота входных элементов преломления оптической оси, за счет чего в итоговом изображении на датчике изображения реализуется широкое поле зрения (FOV).
В случае использования массива объективов, в котором объективы размещены более чем в две линии, возникает та же ситуация, что описана выше на примере конфигурации массива объективов 3×3, то есть между первой и последней линиями отсутствует место для размещения конструкции объектива с дважды преломленной оптической осью для центрального канала FOV.
В одном или более неограничивающих вариантах выполнения вместо механического изменения положения (поворота вокруг оси X и/или Z) входного элемента преломления оптической оси изменение направления (угла поворота) каждого канала FOV может быть реализовано с использованием дефлектора оптического излучения - электрооптического элемента на основе нематических жидких кристаллов (NLC).
Материал NLC может использоваться в сочетании с оптическим полимером, обладающим показателем преломления, близким к показателю преломления NLC. Изменение углов поворота соответствующих каналов FOV в данном случае реализуется за счет изменения пространственного положения (ориентации) молекул NLC в дефлекторе оптического излучения. Когда продольные оси молекул NLC параллельны нижней поверхности элемента (на дефлектор оптического излучения не подается ток), может быть реализован максимальный угол отклонения оптического излучения, и в таком случае может быть реализовано «широкоугольное» итоговое FOV. При подаче тока на дефлектор оптического излучения продольные оси молекул NLC ориентируются перпендикулярно нижней поверхности дефлектора оптического излучения, и пучок оптического излучения с той же поляризацией пропускается через входной элемент преломления оптической оси по существу без преломления.
Ввиду того, что кристаллы NLC работают с поляризованным оптическим излучением, в таких вариантах выполнения перед входным элементом преломления оптической оси должен быть установлен поляризатор для исключения попадания в оптическую систему нежелательного паразитного оптического излучения.
Во втором аспекте настоящего изобретения предусмотрен способ формирования изображения, который по существу представляет собой способ работы оптического узла по вышеописанному первому аспекту настоящего изобретения. Предлагаемый способ содержит следующие этапы.
На этапе S1 вводят падающее оптическое излучение, формирующее изображение наблюдаемой сцены, в массив объективов с дважды преломленной оптической осью через входной элемент преломления оптической оси.
Далее, после прохождения оптическим излучением входного элемента преломления оптической оси, в котором выполняется преломление (поворот) оптической оси, на этапе S2 пропускают оптическое излучение через по меньшей мере одну линзу с оптической силой. Упомянутая по меньшей мере одна линза с оптической силой может представлять собой группу линз, которые могут быть выполнены с возможностью компенсации аберраций и т.п.
Далее, на этапе S3 выводят оптическое излучение через выходной элемент преломления оптической оси на датчик изображения. В выходном элементе преломления оптической оси, который в одном или более вариантах выполнения изобретения является неподвижным, выполняется второе преломление (поворот) оптической оси оптического излучения, после чего оптическое излучение, формирующее соответствующий канал FOV, попадает на плоскость датчика изображения.
В предлагаемом способе направление поля зрения входного элемента преломления оптической оси изменяется путем его поворота вокруг оси X и/или оси Z для формирования соответствующего канала поля зрения на датчике изображения.
Вышеописанное изобретение обеспечивает достижение по меньшей мере следующих технических эффектов.
За счет размещения массива объективов, формирующих узкие каналы поля зрения по существу параллельно плоскости датчика изображения, а также за счет использования объективов с дважды преломленной («дважды сложенной») оптической осью обеспечивается малая толщина оптического узла согласно изобретению. Это, в свою очередь, позволяет применять оптический узел согласно изобретению в миниатюрных устройствах формирования изображения, встраиваемых в различные портативные пользовательские устройства и т.п.
За счет объединения каналов FOV, формируемых объективами массива объективов с дважды преломленной оптической осью, а также за счет того, что каждый канал FOV имеет низкое значение числа F, достигается высокое разрешение итогового изображения.
Благодаря тому, что входные элементы преломления оптической оси выполнены с возможностью поворота вокруг оси X и/или оси Z таким образом, что каждый входной элемент преломления оптической оси занимает свое уникальное положение и формирует свой канал FOV с соответствующим углом поворота и/или с полем зрения, захватывающим соответствующую часть наблюдаемой сцены, обеспечивается возможность изменения поля зрения итогового изображения от узкого поля зрения, соответствующего изображению, захватываемому телеобъективом, до широкого поля зрения, соответствующего изображению, захватываемому широкоугольным объективом.
Кроме того, при внимательном прочтении вышеприведенного описания специалистам в данной области техники будут очевидны и другие полезные технические эффекты, которые могут быть достигнуты при использовании конкретных вариантов выполнения настоящего изобретения.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технических приемов и материально-технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Приведенное выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объема правовой охраны настоящего изобретения.
Предлагаемое изобретение может быть использовано в конструкции камеры с высоким разрешением и возможностью изменения поля зрения (фокусного расстояния) для портативных пользовательских устройств, таких как смартфон, планшетный компьютер, портативный компьютер, ноутбук и т.п. Кроме того, изобретение может быть использовано в любых других устройствах, содержащих миниатюрную камеру с высоким разрешением и возможностью изменения поля зрения (фокусного расстояния).
Другие варианты выполнения, которые могут входить в объем настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объем настоящего изобретения. При том, что различные признаки изобретения, характеризующие частные варианты его выполнения, изложены в зависимых пунктах формулы изобретения, не исключается объединение признаков различных зависимых пунктов в других сочетаниях, не описанных в явном виде в настоящем документе.
Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем ссылки, насколько это применимо.
При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нем могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.