利用借助微透镜拍摄的卤化银薄膜成像及光学再现的制作方法

专利名称：利用借助微透镜拍摄的卤化银薄膜成像及光学再现的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于感光元素的摄影术，更具体地说，涉及利用对曝光量级预定范围内、包括预定范围以外的光有感光作用的感光元素拍摄图像的方法和设备。
背景技术：
在传统的摄影术中，通过使感光元素对来自场景的光进行可控曝光来记录图像是众所周知的。一般说来，这样的感光元素乃是支持在诸如底片等柔软的基片和/或诸如玻璃板等非柔软基片上的一个或多个感光层。所述感光层可以具有一种或多种感光卤化银乳剂，带有适当成像化学的制品，对由来自场景的光所提供的能量作出反应。这种反应的程度随曝光期间元素单位面积接受的光量而变。在曝光期间暴露于较多的光线下的区域，与曝光较少的区域相比，这种反应的程度较大。于是，当来自场景的光聚焦在感光元素上时，来自场景的光量级上的差异便作为这些层中这种反应程度上的差异而被捕捉。显影之后，这些层中反应程度的差异便作为具有不同密度的图像区域呈现出来。这些密度便构成原场景亮度的图像。
卤化银乳剂的特点是，当暴露于场景的环境光时，具有非线性的响应。在这方面，感光元素具有下限响应阈值，它定义相关乳剂和相应化学药剂开始反应，使得曝光量级的差异得以形成不同密度的最小曝光量。这个下限阈值最终涉及各种卤化银乳剂颗粒的量子效率。一般说来，显影后在低于下限响应阈值的曝光量下曝光的感光元素，所有部分都具有共同的外观。
另外，感光元素还具有上限响应阈值，它定义了一个曝光量级，在此量级以下乳剂及其相关化学药剂反应，使不同的曝光量级得以形成不同的密度。一般说来，在上限响应阈值以上的量级下曝光的元素，在感光元素显影之后所有部分都将具有相同的外观。
于是，采用卤化银乳剂的感光元素可以说既具有下限响应阈值，又具有上响应阈值，它们限定了曝光的有效范围，在此范围内感光元素可以通过记录带有可分辨对比度差异的对比度图案对曝光量级的差异作出反应。与这些下限和上限阈值相关的曝光量级定义了感光元素的曝光范围。因此，为了优化图像的外观，一般说来，把曝光安排得使感光元素在曝光期间遇到的曝光量级范围处在感光元素的曝光范围或有效范围内是有用的。
许多消费者和专业摄影师宁可使用允许在宽阔的摄影范围内拍摄图像的感光元素、摄像系统和摄像方法。满足这种所需的一种途径是提供一种范围极其宽阔的感光元素，但是，范围极其宽阔的感光元素基本上受到各种相关卤化银颗粒对光响应的性质的限制。因而，一般都提供这样的摄像系统和摄影方法，亦即通过改变场景亮度特性有效地扩展感光元素响应下限和响应上限。例如，已知通过向暗场景提供补充亮度来有效扩展感光元素的响应下限。
已知的还有，利用设计成在曝光期间把来自场景的相当大量的可用光输送到感光元素的拍摄透镜系统来增大作用在感光元素上的光量而不是提供补充亮度。但是，把相当大量的光输送到透镜还固有地减少相关摄像系统的场深。因而，这种解决方案并不普遍地适用于固定焦点照相机图像成像，因为场景可能无法适当聚焦。这种解决方案在变焦照相机中也并非优选，因为这样的透镜系统可能很昂贵，并且难以设计、安装和维护。
在曝光时间和曝光期间照射在感光元素上的来自场景的光量之间存在正比关系。因此，在现有技术中增大曝光期间作用在感光元素上的光量的另一个已知途径是利用打开时间较长的快门这种权宜之计来延长曝光时间。但这降低了曝光上限。另外，延长快门打开时间可能会使快门在曝光时间长到足以让场景的合成演变的一段时间里一直打开。其结果是图像模糊。因而，最好是限制快门打开的时间。
于是，另外还需要不那么复杂和不那么昂贵的摄像系统和摄影方法，它们允许利用传统快门打开时间，尤其是具有固定快门时间的图像拍摄。
增大一次曝光过程中作用在感光元素上的光量的另一种途径是利用传统的拍摄透镜系统来收集来自场景的光，并把这些来自场景的光投影在靠近感光元素的诸如线性双凸透镜阵列等微透镜阵列上。一个这样的例子示于Chretien的美国专利No.1,838,173。每个微透镜都把来自场景的一部分光集中在感光元素的相关区域上。通过用这种方法集中光线，入射到感光元素每个集中曝光区域的光量增大到胶片的下响应阈值以上的量级。这使得可以由集中曝光区域的密度对比图案来形成图像。
用这种方法形成的图像是分段的感光元素的集中曝光区域形成场景的集中图像，而其余区域形成与集中图像混杂的未曝光的失真区。这样的图像在传统处理的照片中，这种图案具有令人不愉快的低对比度和半色调的外观，很像报纸上的照片。
但是，在相当特殊的条件下进行投影，从这样分段的图像中可以获得可辨认的图像。当在投影仪上重现曝光时照相机中照相机有效孔径、微透镜阵列和光敏元件之间建立的空间关系时，这些条件就会准确出现。这种系统可能相当笨重，因为要在由原场景对照相机透镜的配置确定的位置和放大倍数下产生一个应用(functional)实像。若与照相机拍摄透镜相同的投影透镜定位成模仿拍摄图像时存在的照相机透镜与图像的关系，则再现的图像就会以原物大小出现在原来物体的位置上。其他透镜和空间关系的组合造成不完全的图像再现，并形成报纸照片的点和线痕迹。于是，先有技术中微透镜和凸透镜协助的低光摄影不适宜用于正片的生产或用于诸如那些由消费者和专业摄影师代表的优质市场。
微透镜阵列和尤其是双凸透镜阵列在摄影术上找到其他用途。例如，在早期彩色摄影中，线性双凸透镜图像拍摄用来与彩色滤光镜结合作为彩色光谱分解手段，使黑白卤化银成像系统得以用于彩色摄影。这种技术在早期动画片拍摄和投影系统中得到商业应用，在共同转让的美国专利No.2,191,038中作了描述。在1940年代，在美国专利No.2,922,103中，人们建议利用双凸透镜银幕来在瞬时摄影中利用黑白感光元素协助拍摄彩色图像。在1970年代中，在美国专利No.4,272,186中公开了双凸透镜阵列用于具有增大对比度特性的图像的建立。通过把未曝光区域最小化，线条图案变得几乎无法察觉，因而较少受到非议。也是在1970年代，美国专利No.3,954,334建议通过移动的双凸透镜银幕曝光感光元素。最后，在1990年代，具有三色层和防光晕层的线性双凸透镜山脊形光学座用作三维图像呈现材料。这些线性双凸透镜阵列用来形成在多透镜照相机中拍摄的来自场景的多个视角的交错印像的图像。交错的的图像提供三维外观。这种技术的一些实例公开于Lo等人的美国专利No.5,464,128和Ip的美国专利No.5,744,291。人们认识到这些公开涉及适用于形成来自多场景透视拍摄的宜于直接观看的三维图像信息的方法、元素和设备。它们无法实现适宜用于手提照相机的快门时间的摄影。
这样，尽管微透镜协助的摄影术找到了各种用途，但是它还是要满足原来关于有效地扩展感光元素下响应阈值的承诺，以便允许生产商业上可以接受的低场景亮度水平下拍摄的图像正片。因此，需要的是，用于在感光元素上拍摄双凸透镜状图像、并利用所拍摄的感光元素图像来形成商业上可以接受的正片或输出的方法和装置。
有时在高于感光元素上响应阈值的成像条件下拍摄图像也是有用的。要在日光、雪景、海滩环境下拍摄明亮的场景，就可能出现这样的条件。一般说来，照相机采用光阑控制、快门定时控制和滤光系统来减少来自场景的光强度，使得感光元素所面对的光具有感光元素上响应阈值范围内的强度。但是，这些系统使照相机设计的复杂性和成本明显增大。另外，，采用较大光阑的透镜以改善阈值下限的权宜之计，以如前所述，同时让较多的光通过，并使上响应阈值条件下的曝光恶化。于是，还需要的是，一种用于在超过曝光量级范围、包括大于感光元素响应上限的曝光量级条件下拍摄图像的照相系统和摄影方法。

发明内容
按照本发明的特征，提供一种利用对曝光量级预定范围内的光敏感的感光元素、拍摄包括曝光量级预定范围以外的曝光量级的图像的方法。按照本方法，使感光元素对来自场景的光曝光。来自场景的光分成集中部分和剩余部分，其中当来自场景的光处于第一曝光范围时，集中部分被引导在感光元素上形成集中图像元素的图案，而当来自场景的光处于第二曝光范围时，光的剩余部分被引导形成剩余图像。还这样适配来自场景的光、使得所述集中图像元素的图案在感光元素上集中图像区域的预定图案内形成。
按照本发明的另一特征，提供一种用于从经过光学处理的感光元素形成输出图像的方法，所述感光元素具有至少一个位置偏离集中图像区域预定图案的集中图像元素图案。按照本方法，用经过光学处理的感光元素对光进行调制。对调制后的光进行解压，以便从被调制的光中提取图像。这样适配解压后的图像、使得适配和解压后的图像具有由位于集中图像区域预定图案内的集中图像元素图案调制的光形成的图像外观。所述适配的解压后的图像聚焦在成像平面上。
在本发明的再另一个特征中，提供一种照相机，用以在对在预定曝光量级范围内的光敏感的感光元素上至少形成一个图像，以便拍摄包括超出曝光量级预定范围的曝光量级的图像。所述照相机具有定位感光元素的片门。拍摄透镜单元把来自场景的光聚焦在感光元素上。快门使感光元素对来自场景的光可控曝光。微透镜阵列设置在像场透镜和感光元素之间。当曝光包括第一曝光范围内的光时，微透镜阵列引导来自场景的光的第一部分在感光元素上形成集中图像图案，而当来自场景的光处于第二曝光范围时，微透镜阵列允许来自场景的光的第二部分传递到感光元素，在集中曝光元素周围形成剩余图像，其中第一曝光范围和第二曝光范围组合并且第二曝光范围大于预定曝光量级范围。像场透镜设置在拍摄透镜单元和微透镜阵列之间，所述像场透镜这样适配来自场景的光、使得集中图像元素图案在感光元素上集中图像区域的预定图案内形成。
在本发明的再一方面，提供一种读出器，用以利用经过光学处理的感光元素形成输出图像，所述感光元素具有已记录的集中图像元素图案和剩余图像中的至少一个。读出器包括辐射光的光源和定位经过光学处理的感光元素、以便用所述感光元素调制由光源辐射的光的片门。微透镜阵列对由经过光学处理的感光元素集中图像元素区域的预定图案调制的光进行解压。预定的图案不同于在经过光学处理的感光元素上实际形成的图案。透镜单元接收解压后的光并在成像平面上形成输出图像。像场透镜设置在微透镜阵列和透镜单元之间。像场透镜这样适配解压后的光、使得输出图像包含基于在经过光学处理的感光元素上实际形成的集中图像元素图案的图像。


图1显示按照本发明的照相机一个实施例的示意图；图2a是在描述场景实际曝光范围和有效范围之间关系时有用的示意图；图2b是在描述集中光对感光元素的影响时有用的示意图；图2c是在描述剩余光对感光元素的影响时有用的示意图；
图3显示方形堆积微透镜阵列后面的点的图案；图4举例说明透镜系统入射和出射光瞳；图5显示按照本发明的摄影方法的一个实施例；图6显示可以与按照本发明的照相机一个实施例配合使用的读出装置的一个实施例；图7a和7b举例说明用于调整扫描仪中透镜光瞳的像场透镜的使用；图8a和8b举例说明既在照相机中又在带有定位于印相机中的像场透镜的读出器中使用不同微透镜阵列的成像系统；图9a和9b举例说明既在照相机中又在带有定位于照相机中的像场透镜的读出器中使用不同微透镜阵列的成像系统；图10a和10b举例说明在带有不同微透镜阵列的照相机中使用临时胶片整体微透镜阵列、并在读出器中使用像场透镜的成像系统；图11a和11b举例说明在照相机内使用永久性胶片整体微透镜阵列、并在读出器中使用像场透镜的成像系统；图12a和12b举例说明在照相机中使用临时胶片整体微透镜阵列、并且读出器带有微透镜阵列的成像系统；图13a和13b举例说明在照相机内和读出器中使用永久性胶片整体微透镜阵列和像场透镜的成像系统；图14a和14b举例说明使用使照相机拍摄的图像歪斜以便匹配读出器光学系统的成像系统；图15是采用包括按照本发明的像场透镜的启动特性的可畸变微透镜阵列的读出器的示意图；图16是其上录有集中图像元素图案和剩余图像的感光元素实例；图17a表示逆孔径的正面视图；图17b表示设置在投影系统中的逆孔径；图18表示按照本发明的摄影方法的一个实施例；
图19是实施本发明时有用的投影器和图像扫描仪的示意图；图20a-20e举例说明实施本发明时有用的微透镜阵列的一些实施例；图21a-21c举例说明可以有用地结合在单个微透镜阵列中的不同微透镜阵列的不同实施例；图21d-21f举例说明感光元素对分别通过图21a-21c的来自场景的光图像曝光而记录的图案；以及图22a-22c举例说明微透镜阵列、球面和非球面透镜。
具体实施例方式
本发明涉及扩展感光元素有效图像拍摄范围的摄影设备和摄影方法。
图像拍摄图1是描述用以在包括感光层32和基片34的感光元素30上形成图像的照相机20一个实施例的操作时有用的示意图。在图1的实施例中，照相机20包括机体21，所述机体21具有让来自场景24的光进入机体21的光圈23。拍摄透镜系统22把来自场景24的光沿着光轴45引向曝光期间把感光元素30定位在离拍摄透镜系统22一定距离的片门26上。最好，拍摄透镜系统22的焦深是这样的、使得场景图像24’在感光层32的成像区36上形成，整个成像区36具有一致的焦点。
处在拍摄透镜系统22和感光元素30之间的微透镜阵列40具有多个微透镜42。微透镜阵列40中的每一个微透镜42接收一部分通过拍摄透镜系统22的光，并将其分成集中部分44和剩余部分46。每一个集中部分44都集中在感光元素30相关集中图像区域48上，而每一个剩余部分46都传递到感光元素30的相关剩余图像区域50。图1中在概念上说明所述分光作用，并且将参照图1和2a，2b和2c来描述所述分光作用。快门系统27位于光圈23和微透镜阵列40之间。快门系统27可控地允许来自场景的光使感光元素30曝光一段预定的时间。
如图2a所示，来自摄影场景的光扩展在宽阔的场景亮度范围内。在可用光摄影的情况下，这是人观察可见的亮度。这个范围在图2a中指示为场景亮度范围70。但是，感光元素30有一个实际的曝光范围72，在所述范围内，感光元素30可以拍摄下场景亮度的差异，并记录场景的对比度图像。因为化学图像摄影技术的内在限制和感光元素30对来自场景的亮度特有的非线性响应，感光元素30实际的曝光范围由下响应阈值74和上响应阈值76定义。当感光元素30曝光于下响应阈值74以下的光量时，感光元素30对场景亮度的差异不能作出可分辨的反应。如上所述，这是因为这样有限的光量所提供的能量不足以使乳剂和相应的化学药剂发生反应来形成可分辨的曝光记录。因此，当对感光元素30进行光学处理时，曝光于这样光量的感光元素30所有部分都具有一般明亮的外观。
类似地，当感光元素30曝光于比上响应阈值76还高的光量时，感光元素30对场景亮度差异无法作出可分辨的反应。正如上面更详细地指出的，这是因为感光元素30所接受的超过上述上响应阈值76的光量足以驱使乳剂和相关化学药剂的化学反应达到这样的程度，以致于感光元素30对再多的光能不再具有有意义的密度响应。因为如此，当对感光元素30进行光学处理时，曝光于这样的光量的感光元素30的所有部分都具有一般黑暗外观。
应当指出，术语明亮和黑暗是针对诸如准备与负性相纸一起使用的或用于扫描的印制胶片的负性感光元素而言的。对于诸如反转幻灯胶片和直接印相胶片等正性感光元素而言，所指出的区域在特性上分别应为黑暗和明亮。
任何已知的感光元素配方均可用以制备对实施本发明有用的感光元素30。具有优异感光性能的元素最适用于本发明的实施。所述元素应该具有至少大约ISO(国际标准化组织)25的感光度，最好至少具有ISO100的感光度，至少具有ISO400的感光度则更佳。彩色负性感光元素的感光速度或感光度与为处理后达到灰雾以上特定密度所所需的曝光量成反比。每张彩色图像的伽玛约0.65的彩色负性元素的感光速度由美国国家标准协会(ANSI)专门定义为ANSI标准号pH 2.27-1981(ISO(ASA感光速度)并特意与在产生超过最小密度0.15密度所所需的曝光量级的平均值相关每一张对绿光感光的彩色胶片和感光度最小的彩色图像单位。所述定义与国际标准化组织(ISO)的胶片感光度标定一致。为了达到本申请的目的，若彩色单位伽玛不是0.65，则在以其他方法定义确定感光度之前，把伽玛对logE(曝光)曲线线性放大或反放大为数值0.65来计算ASA或ISO的感光度。
尽管标准感光元素可以用于本发明，但是最适用于本发明的元素是为以机器可读方式而不是适合于直接观看方式拍摄图像而设计的。在拍摄后的元素中，感光速度(元素对低光条件下的感光度)对在这样的感光元素中获得充分的图像一般是非常关键的。因此，所述元素在用微透镜增强感光度之后，一般都表现出相当于ISO800或更高的感光度，最好相当于ISO1600或更高的感光度，相当于ISO3200或更高则更好。在每种彩色照片中，所述元素将具有至少3.0logE的曝光范围，最好具有4.0logE的曝光范围，具有5.0logE或更高的曝光范围则更好。这样大的有效曝光范围(亦即光学处理后的密度对logE的斜率)决定了每个彩色图像的伽玛都小于0.70，小于0.60较好，小于0.50更好，小于0.45最好。另外，最好将彩色相互作用或像间效应最小化。这种像间效应最小化可以通过使蒙罩成色剂和DIR化合物数量最小化来达到。像间效应可以量化为分色曝光和光学处理后特定彩色图像的伽玛除以白光曝光后同一彩色图像的伽玛的比率。每一种彩色图像的伽玛比率宜在0.8和1.2之间，较好在0.9和1.1之间，最好在0.95和1.05之间。这种扫描使能的感光元素性能的其他结构细节、特征量化公开于美国专利No.6,021,277和未决的欧洲专利申请No.9 8203141.1。
正如图2a还表明的，照相机20和感光元素30最好在期望的曝光范围80的低于感光元素30响应阈值74的期望下响应阈值下拍摄场景信息。按照本发明的原理，通过使来自场景的光集中使在所述范围内的摄影成为可能。在这一方面，微透镜阵列40中的每一个微透镜42都把来自场景的光分成至少两部分。如图1所示，来自场景24的光的集中部分44被集中，使一次曝光期间落在感光元素30每一个集中图像区域48单位面积上的光量多于没有微透镜42的微透镜阵列40时落在集中图像区域48上的光量。如图2b所示，这入射集中图像区域48的光量增大造成使场景曝光量级的第一曝光范围移动的效果，使得整个曝光范围84处于感光元素的实际曝光范围72内。这种移动使集中图像元素52的图案在感光元素30的集中图像区域48中形成集中图像成为可能。
顺便指出，入射微透镜42的某些光，例如被微透镜42聚焦不良的光或在各微透镜42区域之间通过的光，不会聚集在集中图像区域48。代之以，这些传递到感光元素30的光的剩余部分46便使剩余图像54的形成成为可能。剩余图像54可以进一步通过设计或外来光在感光元素30中的散射和反射形成。这个剩余部分46小于同一曝光期间在微透镜42的微透镜阵列40没有插入场景24和感光元素30之间的情况下入射感光元素30的光量。于是，微透镜42有效。于是，微透镜42便有效地对来自场景的入射剩余图像区域50的光进行滤光，结果为了使剩余图像54能够在感光元素30上形成，曝光期间必须有较多的光量可用。因此，当来自场景的光处在第二范围时，快门系统27让感光元素30曝光的预定时间足以在感光元素30的剩余图像区域50上形成图像。
因此，如图2c所示，当微透镜阵列40的微透镜42对第二曝光范围86内的光曝光时，便在剩余图像部分50的感光元素30上形成适合于在由第二曝光范围86表示的范围内产生图像的二次曝光。这样，感光元素30可以用来拍摄在高于感光元素30上响应阈值76但低于期望曝光范围82的期望上响应阈值的曝光量级上拍摄可分辨的图像。
在第一曝光范围84和第二曝光范围86之间可以定义一个重叠区域。在期望大大地扩大感光元素78所所需的系统范围的地方，可以缩短这个重叠区域。在一个优选的实施例中，通过定义一个相当大的曝光范围，其中第一曝光范围84和第二曝光范围86重叠，便可保证在感光元素78所所需的连续的期望曝光范围内从集中图像元素52或从剩余图像元素54拍摄图像信息的能力。或者，最好提供一种照相机20，其中只有小的重叠，或者在第一曝光范围84和第二曝光范围86之间相隔颇远。具有这样相当大的间隔的照相机20可以有效地工作，以便在诸如日光和室内光线这样差异很大的成像条件下拍摄不同的图像。
可以理解，当曝光量级处在第二曝光范围86时，在元素30上形成集中图像元素52。在第一曝光范围84和第二曝光范围86至少部分重叠的地方，在第二曝光范围内曝光期间形成的集中图像元素52可以包含有用的图像信息。但是，在曝光超出第一曝光范围时，在剩余图像区域50上形成的剩余图像54中集中图像元素52便表现得像是过分曝光的人为现象。
还应当指出，尽管这个讨论局限于期望获得准备用于人类可见场景的拍摄的卤化银感光元素的特定实施例，但是，本发明很容易应用于拍摄扩展了的场景亮度和人类不可见的特殊区域，而且感光元素20可以采用先有技术已知的成像特性所需的任何感光材料。感光度的实际扩大可以至少达到0.15logE。在某些实施例中，感光度的实际扩展可以在至少0.3logE和0.6logE之间。在另一个实施例中，感光度的实际扩大至少为0.9logE。
在拍摄的图像中集中图像元素的位移图3表示在通过正方形球面微透镜42阵列进行图像方式曝光期间感光元素30上形成的曝光图案。图3还示出光轴45和感光元素30的交点49，它是在感光元素30装在照相机20中并通过拍摄透镜系统22曝光时建立的。预期的图像区域就在各个微透镜42在感光元素30的轴投影上。正如在图3上可以看到的，各预期的图像区域离光轴与感光元素交点49越远，预期图像区域47和实际图像区域48之间的位移就越大。集中图像元素52对预期图像区域47的位移程度受照相机20光学特性、拍摄透镜系统22和微透镜42控制。为了提供一种外观可以接受的输出图像必须对这种位移进行补偿。
现将参照图4描述这种位移的来源。图4表明，光学系统100具有光学部件(L1)103和(L2)105，带有为便于解释而显示的插入光圈(D)107。这个系统提供光学上有效的光圈光瞳。光圈107的实际孔径限制通过光学系统100的光束。光圈107平面与光学系统的光轴相交于A点。在光圈107前面，所述系统的光学部件103在平面111上入射光瞳Pi处形成光阑(stop)的虚像。入射光瞳Pi是这样的，平行图像光线113的延长线(主光线R，和外围光线Ra和Rb)通过向后刚好以光圈107为界的平行图像光线103的延长线，确定了入射光瞳Pi的轮廓。入射光瞳Pi的直径刚好等于光圈的有效孔径。
入射光瞳Pi的平面111与光学系统100的光轴101相交于I点。类似地，光圈107后面所述系统的光学部件105在平面109上出射光瞳Pe处形成光圈107的虚像。出射光瞳Pe是这样的，焦点光线115(主光线R’，外围光线Ra’和Rb’)的延长线通过光学部件L2 105，它向后刚好以光圈107为界确定出射光瞳Pe的轮廓。出射光瞳Pe的平面与光学系统100的光轴相交于E点。出射光瞳Pe的直径和入射光瞳Pi直径的比率称作光瞳放大倍数。对于最普通的透镜系统，出射光瞳Pe的直径和入射光瞳Pi直径的比率在0.85和1.15之间，对于远摄透镜在0.4和0.85之间，而对于广角透镜它可能在1.10和2.0之间。
光瞳放大倍数还可以取决于光学部件105相对于像平面的取向。主光线R-R’表示成最初从场景指向点I，并且好像在像平面处从E点接收的。当正如对称透镜系统经常出现的那样，把光圈107设置成使其中心置于光学系统100的光中心时，光瞳中心便与节点一致，但这种一致并不出现在单透镜、可换透镜、远摄透镜等上。尽管光瞳的定义是针对多透镜光学系统表示的，但显然对于在固定焦距照相机中见到的比较简单的光学系统和在投影仪、光学印片机、扫描仪等中见到的比较复杂的光学系统，光瞳的位置可以用类似方法定义。确实，对于某些透镜系统，入射光瞳Pi和出射光瞳Pe可能是相同的。
下面的定义来源于上面的描述，并且对解释集中图像元素5 2位移的来源是有用的，现描述如下入射光瞳Pi-从物空间看到的光圈图像。
出射光瞳Pe-从像空间看到的光圈图像。
入射和出射光瞳的图形识别。入射光瞳在图形上一般可通过识别一束穿过所述光学系统、来自特定角度的平行光线来定位。所述光线束中心的光线在入射光瞳处与光轴相交。出射光瞳在图形上通过所述同一光线反向从图像向光学系统延伸到所述光线与光轴相交的一点来定位。所述交点定义了出射光瞳的位置。
f值-所述表达式表示透镜的等效焦距与其入射光瞳直径之比。
数值孔径(NA)-可以进入和离开光学系统或元素的子午光线的最大圆锥顶角正弦乘以位于所述圆锥顶点的介质的折射率，一般相对于物点或像点进行测量，并随着所述点移动而变化。同一透镜系统，相对于物点的透镜系统的入射NA可以不同于相对于像点的出射NA。一般说来，根据几何光学，投影或拍摄透镜的数值孔径(NA)由所述透镜工作f值两倍的倒数等效地给出。
显然，只有从透镜系统出来并垂直于像平面(在Ra’-R’-Rb’处)的光线和对称地位于光轴周围的图像才是来自场景的对称地位于同一光轴周围的。因为当前系统中的微透镜42用拍摄透镜系统22的输出作为其场景，所以只有接收对称定位的场景的微透镜42，才是其各自微透镜轴与拍摄透镜系统轴一致的。正如图3举例说明的，微透镜42的轴线越是偏离拍摄透镜系统22的光轴，由微透镜42成像的区域就偏离越远。
因此，改变照相机20中拍摄透镜系统22出射光瞳Pe和感光元素30之间的空间和角度关系，就改变了通过微透镜42曝光的感光元素区域。定性而言，同轴微透镜42产生同轴图像，而所有离轴微透镜42都产生偏离各自微透镜40光轴的集中图像元素52。如上所述，集中图像元素52的离轴偏移量可能出现依据集中图像元素着色得很差的未经修正的输出图像。类似地，改变投影透镜入射光瞳Pe，就会影响由投影透镜系统拍摄的微透镜曝光和光学处理后感光元素30的区域。在这方面，可能定义一种读出装置的光学系统，使得读出器的光学系统和感光元素30的空间和角度关系和场景与感光元素30的空间和角度关系匹配。这种系统可能是笨重的，因为应用(functional)实像是以由原场景对照相机透镜配置决定的位置和放大倍数产生的。如果投影透镜与照相机的拍摄透镜相同并且这样定位、以便模仿拍摄图像时存在的照相透镜与图像的关系，则再现的图像就会以原物尺寸出现在原来物体的位置上。其他透镜和空间关系组合产生不全善的图像再现、图像区域的不恰当去歪斜和/或形成报纸照片的点和线痕迹。这种水平的图像质量一般比摄影材料现代用户预期的差。
因此应当指出，为了获得利用微透镜42的微透镜阵列40来扩展感光元素30的实际曝光范围的好处，必须以另一种方式补偿这种歪斜效应。
以下各段描述补偿歪斜，以便根据集中图像元素52形成可以接受的图像的系统的不同实施例。稍后各段描述补偿歪斜以便从剩余图像区域50形成可以接受的图像的系统的不同实施例。
利用集中图像元素形成图像按照本发明，再现利用微透镜协助的摄影术在感光元素30上形成的图像的集中图像区域48记录的集中图像元素的图案，以便形成具有可以接受的外观的输出图像。再现过程涉及光学图像的解压和适配，以便在成像平面上形成外观可以接受的图像。按照本发明，解压和适配是以光学方式完成的。这有利地使传统的光学照相洗印加工设备可以轻易地适合于具有利用微透镜协助的摄影术在胶片上记录的图像的感光元素的处理。
图5表示利用具有固定曝光范围的感光元素30拍摄曝光范围较低的来自场景的图像信息，并从感光元素30上记录的成像信息恢复可接受的输出图像的方法。所述过程的第一步是使感光元素30曝光于来自场景的光(步骤300)。
来自场景的光分成集中(或压缩)部分和剩余部分的图案。(步骤302)如上所述，光的集中部分使感光元素30上集中图像区域48曝光，并在显影后在感光元素30上形成诸如线和点的集中图像元素52的图案。当来自场景的光处于第一曝光范围84时，在集中图像元素52中形成对比图像。
然后对感光元素30进行光学处理(步骤304)，以便形成光学处理过的元素38。先有技术中任何光学处理方法均可应用。光学处理可以包括显影步骤，带有任选的脱银步骤。光学处理可以通过使感光元素30与光学处理化学药剂、使光学处理成为可能的条件和药剂接触来完成。光学处理可以通过让感光元素30与光学处理药剂或pH调整剂或两者的水溶液接触来完成。或者，可以利用先有技术已知的其他技术对感光元素进行光学处理，诸如光热敏成像，其中感光元素30通过加热或通过把与光学处理使能剂和热结合进行光学处理。
然后对压缩的显影的图像进行处理，以便恢复可用来供扫描仪、印相机使用或观看(未示出)的输出图像。恢复过程涉及通过让光向后通过压缩的图像和微透镜阵列来对图像解压(步骤306)。恢复过程还涉及使解压后的光适合于利用像场透镜对图像进行去歪斜(步骤308)。恢复后的图像可任选地如下所述地进一步处理(步骤310)。然后交付输出图像(步骤312)。
现将参照图1，4，5，6和7更详细地描述解压和适应步骤(步骤306和308)。
如前所述，图1表示照相机20，它具有拍摄透镜22、感光元素30和插在中间的微透镜阵列40。为清晰起见，照相机的其他元件，诸如快门和快线、固定或可变的光圈挡，亦称光阑、片夹、卷片机构、取景框等等从略。在图1照相机20中以图像方式曝光，插在中间的微透镜阵列40起把落在感光元素30特定部分的光集中起来的作用，于是有效地增大了照相机20的系统感光度，而同时在感光元素上产生压缩了的曝光图案。照相机透镜系统22和微透镜阵列40的微透镜42共同在感光元素30上使场景成像。当微透镜阵列40包含圆形微透镜42的阵列时，用微透镜进行的光的集中程度或集中光上的有效摄影感光度增益是拍摄透镜系统22和微透镜42的透镜f值的比率的平方。感光度增益(相对曝光量的log)是拍摄透镜系统22的f值与微透镜42的f值之比的log的两倍。于是微透镜阵列40的微透镜42对光的集中便使系统感光度获得增益。在球面微透镜42呈正方形阵列的情况下，在感光元素30上形成点图案。正如下面还要更详细描述的，其他形式的微透镜也可以采用。
按照本发明，解压(步骤306)和适配(步骤308)都是利用光学图像改变来完成的。举例来说，图6表示先有技术读出装置350的一个实施例，它从感光元素352上的集中图像元素52的曝光图案产生图像。读出装置350具有光学系统351，后者同时完成利用照相机系统、诸如图1照相机20记录在感光元素352上的图像的解压和适配。在这个实施例中，读出装置350具有漫射光源354。用图1所示的照相机20曝光的感光元素352被来自光源354的光照亮。图像调制的光通过微透镜阵列356和投影透镜358在成像平面361上形成原来场景的投影图像360。
应当指出，图1的照相机画有与拍摄透镜系统22一致的出射光瞳，而图6的读出装置350也画有与投影透镜系统362一致的入射光瞳，图1拍摄系统中的每个微透镜42把通过拍摄透镜系统22的出射光瞳的光的集中部分投影在感光元素30的集中图像区域48。集中的光在各个微透镜组件后面展宽，如上所述地形成集中图像元素52。正如下面将要描述的，集中图像元素52在感光元素30上以每一个微透镜42对照相机光轴45的空间和角度位移决定的方式展宽。在图6中，光学处理元件352具有集中图像元素52的图案，后者向后投影，形成原始场景的光学再现图像。
图6所示的读出装置350适合于从具有与光学处理过的元素352成为整体的微透镜阵列356的光学处理过的元素352读出图像。正如下面将要更加详细地描述的，其他微透镜配置也可以采用。只要在读出图像时建立与曝光时在实际照相机光瞳、微透镜阵列和感光元素352之间建立的相同的空间关系，图6的读出装置即可以光学方式对图像进行解压。之所以如此，是因为当用于读出方式时，微透镜阵列356对在压缩图像元素52的图案形成时建立的孔径位置上，亦即在照相机孔径上编码的图像进行解压。于是，由利用图1的照相机20中的微透镜阵列356引入的歪斜，通过在功能上向后运行照相机进行补偿。但是，往往在图1照相机20中曝光时建立的实际照相机光瞳、微透镜阵列40和感光元素30之间的空间关系无法有效地重复，于是读出装置350将呈现具有质量被歪斜降低的外观的图像。
按照本发明一个实施例，诸如图6所示的读出装置适合于利用像场透镜来校正歪斜引起的集中图像元素52的位移。这种像场透镜调整读出装置中的光路，使之与拍摄系统的光学特性匹配。实际上，所述像场透镜移动透镜孔径或光瞳的空间位置、以便能够以适当的焦点、并以适当的放大倍数把记录的场景投影在使用现场上、例如扫描仪传感器平面或光学印相机的相纸平面。在另一个替代的实施例中，拍摄系统包括像场透镜、使图像适合于将拍摄阶段上的图像去歪斜、以便允许所形成的点和线图像能够在传统的扫描仪或光学印相机头读出。在一个替代实施例中，在拍摄系统和读出系统中都包括像场透镜，并进行匹配，结合着补偿歪斜。
有一些独特的途径用于对照相机20中形成的集中图像进行解压和光学再现。所所需的是，原场景、拍摄光瞳和曝光图像之间的空间关系要再现为显影图像对读出光瞳对再现场景的关系。这种空间关系的一致可以通过在共同优化拍摄-读出系统的两个阶段上都精心选择透镜和透镜对对象/透镜对物体的距离来实现。更一般地说，这种空间关系的一致可以通过在拍摄阶段上、在读出阶段上或在曝光-读出系统的两个阶段上采用像场透镜来实现。
应当指出，尽管在解压和适配步骤的描述中专门提出了在扫描仪中利用像场透镜，但是像场透镜的其他布局和光学印相机的应用或直接观察也都充分考虑在内。在下面描述的不同实施例中，给照相机增加像场透镜，以便相对于微透镜阵列移动照相机出射光瞳来匹配投影系统入射光瞳的位置、以便满足对光学再现图像的要求。在拍摄一侧执行适配的地方，图6的读出器可以不用像场透镜。
下面将要更加详细地描述这种系统的不同实施例。但是，可以用于适配和解压后的光学条件可以用数字方式描述。在这方面，对于这样的系统，下面的定义是有用的设计考虑。
焦点-透镜光轴上入射平行光束会聚的一点。
焦距-有效焦距(EFL)是从主点到相应焦点的距离。前焦距(FFL)是从前透镜面到前(第一)焦点的距离。后焦距(BFL)是从后透镜面到后(第二)焦点的距离。
主平面-在透镜或透镜系统中，入射和出射光线投影相交的表面。亦称等效反射面，主平面往往不是一个平面，而是一个曲面。
主点-主平面与透镜光轴相交的一点。
透镜系统一般都具有前主平面和后主平面。前主平面定义关于在背面入口处平行的并在前焦点处聚焦的光线的前主点。后主平面定义关于在前面入口处平行的并在后焦点处聚焦的光线的后主点。在简单的光学系统中实际上前、后主点可能是相同的。
对于拍摄系统(照相机)fc＝照相机透镜焦距sc＝从场景到照相机光学系统第一主点的距离sc’＝从图像(在柱镜胶片的前表面)到照相机光学系统第二主点的距离pc＝从照相机出射光瞳到柱镜胶片的前表面的距离对于投影透镜(光学印相机或扫描仪)fp＝投影透镜焦距sp＝从物体(在柱镜胶片的前表面处)到投影透镜第一主点的距离sp’＝从图像(例如，在CCD或印相纸处)到投影透镜第二主点的距离pp＝从扫描仪透镜的入射光瞳到柱镜胶片的前表面的距离对于两者M＝放大倍数＝s’/s＝图像尺寸/物体尺寸1/f＝1/s+1/s’对于非常简单系统(薄透镜、在透镜中心处单主点、入射光瞳与主点一致，照相机透镜聚焦于无穷远，亦即sc＝无穷大)1/fc＝1/sc’。由微透镜阵列胶片在这样的照相机中形成的图像再现将在相应透镜系统光瞳一致时出现，因为当sp＝fc和适当的投影器透镜具有由1/fp＝1/fc+1/sp’，而且系统放大倍数＝Mp＝sp’/fc时，亦即系统受约束。
选择像场透镜，以便把至少一个光瞳的位置调整到使方便的光学再现成为可能的要求位置。照相机中的使能(enabling)像场透镜把照相机的出射光瞳移动到投影器的入射光瞳上，两者都相对于胶片和透镜阵列。类似地，投影器中的使能像场透镜把投影器的入射光疃移动到照相机的出射光疃，两者都相对于胶片和透镜阵列。在拍摄阶段和投影阶段上都使用像场透镜可使更加万能的系统成为可能。采用具有自动调整透镜系统来提供如上所述的使能光瞳位置的成像系统使一种更加万能的系统成为可能。
对于其中光瞳大致与主点一致的简单的系统，安装在投影器上的像场透镜的适当的焦距ff由下式给出1/ff＝-1/sf+1/sf式中sf＝从像场透镜到投影器透镜入射光瞳的距离sf’＝从像场透镜到由照相机透镜、微透镜和形成的图像决定的光瞳的距离。
类似地，对于其中光瞳大致与主点一致的简单的系统，安装在照相机上的像场透镜的适当的焦距ff由下式给出1/ff＝1/sf-1/sf式中sf＝从像场透镜到照相机透镜入射光瞳的距离sf’＝从像场透镜到由投影器、微透镜和形成的图像决定的光瞳的距离。
包括像场透镜以便使图像适合于记录在感光元素上的压缩图像元素52图案中的拍摄和读出系统的一个实施例举例示于图7a和7b。图7a示意地描述了利用具有光轴407和透镜405的照相机400拍摄的场景401，所述透镜405把来自场景401的光线聚集具有双凸微透镜阵列410的卤化银胶片403上。照相机透镜405的光学系统形成出射光瞳Pe。卤化银胶片403上的微透镜阵列410形成代表由出射光瞳Pe传递的场景信息的集中图像元素52的图案。在卤化银胶片403上形成的集中图像元素52以由出射光瞳Pe、微透镜阵列410各个微透镜和卤化银胶片403之间的空间和角度关系决定的方式相对于光轴407展宽。
图7b描述扫描仪419，用来扫描曝光和光学处理过的柱镜胶片421，后者在这个实施例中包括卤化银胶片403，在图7a的照相机中曝光和卤化银胶片403曝光至显影步骤之后。这里扫描仪420具有光源423，所述光源423定位成能够照亮成像于曝光和光学处理过的柱镜胶片421上的场景并将它通过微透镜阵列410、扫描仪透镜411和光学元件417投影在固态成像器409上。固态成像器409可以包括电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物(CMOS)成像器、电荷注入器件或其他电子成像器。扫描仪420的光学系统形成入射光瞳Pi。像场透镜415位于曝光和光学处理过的柱镜胶片421和扫描仪透镜411之间。如上所述，选择像场透镜415来以这样的尺寸和位置为扫描仪透镜411产生入射光瞳Pi、使得扫描仪透镜411能够接收在光学处理过的具有集中图像元素52的元素38的照明下产生的所有各个投影图像。因为被像场透镜415改变的扫描仪透镜411的入射光瞳Pi和从显影了的压缩的携带场信息的图像元素52投影的微透镜居间的图像之间的空间和角度关系是这样的，每一个压缩的图像元素52都充分地投影在投影光学系统的入射光疃Pi上，向成像器409提交一个高质量的图像。应当指出，扫描仪透镜411和固态成像器409起着代表本发明特定实施例的作用。用印相机透镜和感光摄像纸可以以同样令人愉快的结果代替它们。或者，其他投影透镜系统和先有技术的其他已知感光材料或器件都可以有效地应用于以光学方式再现的图像的观察和记录。
图8a和8b举例说明按照本发明的另一个实施例。这里带有适合于拍摄场景705的透镜703的照相机701在曝光光路709上具有微透镜阵列707。照相机701不具有像场透镜或者这样而有意地使图像畸变。在照相机701中可以采用传统的胶片711。读出器713可以是扫描仪、看片器或光学印相机。无论如何，读出器713将具有光源714，用来发射通过在图8a的照相机701中场景曝光的处理后的胶片717的光线715。在读出器光路716上，读出器713另外还包括微透镜阵列719。微透镜阵列719与照相机701的微透镜阵列707匹配。在读出器光路716上设置有像场透镜721，后者使光线适合于通过畸变对拍摄时建立的场景/光疃/图像的空间关系和投影透镜823以及读出平面725所遇到的图像/光疃/输出的空间关系之间的不匹配进行补偿，所述读出平面725由例如固态成像器的光敏表面或读出器713中的光敏元件形成。这种组合使集中图像元素52图案能够进行光学再现，以便形成适合于直接光学印相或扫描的图像。尽管打算进行被扫描的图像的数字处理，但是被扫描图像的数字再现不是必须的。
图9a和9b举例说明本发明系统的另一个实施例。这里在曝光光路809上，照相机801具有适合于拍摄场景805的透镜803和微透镜阵列807。照相机801具有像场透镜821，有意地使图像畸变，以便补偿拍摄时建立的场景/光疃/图像的空间关系和投影透镜823以及读出平面825所遇到的图像/光疃/输出的空间关系之间的不匹配，所述读出平面825由例如固态成像器的光敏表面或读出器813中的光敏元件形成。在照相机801中可以采用传统的胶片811来拍摄场景。读出器813可以是一个扫描仪、看片器或光学印相机。无论如何，读出器813都具有光源814，用以发射通过在图9a的照相机801中曝光的经过处理的胶片817场景的光线815。读出器813另外在由例如固态成像器的光敏表面或光敏元件形成的读出器光路816上还包括匹配的微透镜阵列819。这种结合使集中图像元素52的图案可以进行光学再现，以便形成适合于直接光学印相或扫描的图像。尽管打算进行被扫描的图像的数字处理，但是被扫描图像的数字再现不是必须的。
图10a和10b举例说明本发明系统的另一个实施例。这里在曝光光路909上，照相机901具有适合于拍摄场景905的透镜903。照相机901不具有微透镜阵列或像场透镜或者这样而有意地使图像畸变。照相机901中使用的胶片911具有临时性微透镜阵列912，并以保证胶片911的感光材料通过微透镜阵列912曝光的方式装入照相机901。所示微透镜阵列912是乳剂侧的阵列，但是微透镜阵列912也可以是基片侧的阵列。在这个实施例中，在曝光后读出前将微透镜阵列912从胶片去除，这在光学上作为光学处理的一部分。读出器913可以是扫描仪、看片器或光学印相机。无论如何，读出器913具有光源914，用于发射通过在图10a照相机中场景曝光过的处理过的胶片917的光线915。读出器913在读出器光路916上另外还包括匹配的微透镜阵列919和像场透镜921，所述像场透镜921使光线适合于通过畸变对拍摄时建立的场景/光疃/图像的空间关系和投影透镜923以及读出平面925所遇到的图像/光疃/输出的空间关系之间的不匹配进行补偿，所述读出平面925由例如固态成像器的光敏表面或光敏元件形成。这种组合使压缩的图像元素52得以实现光学再现，以便形成适合于直接光学印相或扫描的图像。尽管打算对被扫描的图像进行数字处理，但是被扫描图像的数字再现不是必须的。
图11a和11b举例说明本发明的另一个实施例。这里照相机1001是普通的照相机，它在曝光光路1009上具有适合于拍摄场景1005的透镜1003。照相机1001中用的胶片1011具有永久性微透镜阵列1012，并以保证胶片1011的感光材料通过微透镜阵列1012曝光的方式装入照相机1001。图11a所示微透镜阵列1012是乳剂侧的阵列，但也可以是基片侧的阵列。读出器1013可以是扫描仪、看片器或光学印相机。无论如何，读出器1013具有光源1014，用于发射通过在图11a的照相机中场景曝光的处理过的胶片1017的读出器光路1015。读出器1013在读出器光路1015上另外还包括像场透镜1021，后者通过畸变对拍摄时建立的场景/光疃/图像的空间关系和投影透镜1023以及读出平面1025所遇到的图像/光疃/输出的空间关系之间的不匹配进行补偿，所述读出平面1025由例如固态成像器的光敏表面或光敏元件形成。这种结合使压缩的图像元素52的光学再现得以实现，以便形成适合于直接光学印相或扫描的图像。尽管打算对被扫描的图像进行数字处理，但是被扫描图像的数字再现不是必须的。
图12a和12b举例说明本发明的再一个实施例。这里照相机1101在曝光光路1109上具有适合于拍摄场景1105的透镜1103。照相机1101具有像场透镜1121，有意地使图像畸变，以便对拍摄时建立的场景/光疃/图像的空间关系和投影透镜1123以及读出平面1125所遇到的图像/光疃/输出的空间关系之间的不匹配进行补偿，所述读出平面1125由例如读出器1113中的固态成像器的光敏表面或光敏元件形成。照相机1101中用的胶片1111具有临时性微透镜阵列1112，并以保证胶片1111的感光材料通过微透镜阵列1112曝光的方式装入照相机1101。所示微透镜阵列1112是乳剂侧的阵列，但也可以是基片侧的阵列。任选地作为光学处理一部分，在曝光之后和读出之前将微透镜阵列1112从胶片1111去掉。读出器1113可以是扫描仪、看片器或光学印相机。在任何情况下，读出器1113都具有光源1114，用于发射通过在图12a的照相机中场景曝光的处理过的胶片1117的光线1115。读出器1113在读出器光路1116上另外还包括匹配的微透镜阵列1119、投影透镜1123和读出平面1125。这种组合使压缩的图像元素52图案的光学再现得以实现，以便形成适合于直接光学印相或扫描的图像。尽管打算对被扫描的图像进行数字处理，但是被扫描图像的数字再现不是必须的。
图13a和13b举例说明本发明的另一个实施例。这里照相机1201在曝光光路1209上具有适合于在胶片1211上拍摄场景1205的透镜1203。照相机1201具有像场透镜1221，有意地使图像畸变，以便对拍摄时建立的场景/光疃/图像的空间关系和投影透镜1223以及读出平面1225所遇到的图像/光疃/输出的空间关系之间的不匹配进行补偿，所述读出平面1225由例如读出器1213中的固态成像器的光敏表面或光敏元件形成。照相机1201中用的胶片1211具有永久性微透镜阵列1212，并以保证胶片1211的感光材料通过微透镜阵列1212曝光的方式装入照相机1201。所示微透镜阵列1212是乳剂侧的阵列，但也可以是基片侧的阵列。读出器1213可以是扫描仪、看片器或光学印相机。在任何情况下，读出器1213都具有光源1214，用于发射1215通过在图13a的照相机中场景曝光的处理过的胶片1217的光线。被图像调制的光被永久性微透镜阵列1212解压，并通过投影透镜1223，以便在读出平面1225上形成图像。这种组合使压缩的图像元素的光学再现得以实现，以便形成适合于直接光学印相或扫描的图像。尽管打算对被扫描的图像进行数字处理，但是被扫描图像的数字再现不是必须的。
图14a和14b举例说明本发明的另一个实施例。这里照相机1301在曝光光路1309上具有适合于在胶片1311上拍摄场景1305的透镜1303。照相机1301不具有微透镜阵列或像场透镜或者这样而有意地使图像畸变。照相机1301中用的胶片1311具有永久性微透镜阵列1312，并以保证胶片1311的感光材料通过微透镜阵列1312曝光的方式装入照相机1301。所示微透镜阵列1312定位于胶片1311的基片侧，但也可以定位于胶片1311的乳剂侧。永久性微透镜阵列1312产生畸变，以便对拍摄时建立的场景/光疃/图像的空间关系和投影透镜1323以及读出平面1325所遇到的图像/光疃/输出的空间关系之间的不匹配进行补偿，所述读出平面1325由例如读出器1313中的固态成像器的光敏表面或光敏元件形成。微透镜阵列1312中的畸变使形成的图像的位置以照相机1301中装入适当的像场透镜而产生的方式歪斜。所述系统的微透镜阵列1312中所需的畸变程度通过在照相机1301中利用未畸变的微透镜阵列(根据成与读出器1313兼容而选择加上和不加上像场透镜)拍摄场景的而以实践方式确定。或者，微透镜阵列1312中所需的畸变程度可以轻易地通过利用上列标准透镜公式计算各个所需的微透镜位置和特性确定。读出器1313可以是扫描仪、看片器或光学印相机。在任何形式的读出器1313中都具有光源1314，用以发射通过在图14a的照相机中场景曝光的处理过的胶片1317的光线1315。被图像调制的光被永久性微透镜阵列1312解压，并通过投影透镜1323，以便在读出平面1325上形成图像。这种组合使所形成的点-线图案图像以适合于直接光学印相或扫描的形式实现光学再现得以实现。尽管打算对被扫描的图像进行数字处理，但是被扫描图像的数字再现不是必须的。
在图15示意地举例说明的独特的实施例中，胶片和片盒可以带有照相机光学系统的记录，而读出系统诸如，例如读出器1313可以具有能够辨别所记录的照相机光学系统的数据读出器1401和调整可调像场透镜1405的装置，以便使几种微透镜成像照相机和读出器中任何一种之间的自动兼容成为可能。例如，照相机光学系统的记录可以在拍摄时利用众所周知的元数据通信技术编码在胶片或片盒上，或者可以在制造时编码在胶片或片盒上，例如预先装有胶片的照相机。这样的照相机实例是图1的照相机20。照相机20具有控制器62，它设计成可以在拍摄图像时拍摄照相机光学系统的记图像录。例如，照相机20具有控制器62，后者利用透镜位置检测器63来确定拍摄透镜系统的入射光疃和图像拍摄时感光元素30之间的距离，并使通信头66在照相机20上记录所述信息。这种信号可以由数据读出器1601检测，并由读出器用来使所述像场透镜适合于进行所述图像的去歪斜。
在一个替代的独特实施例中，有关光学系统的数据可以由读出器用来确定是否在光路上选择性地去掉或替换像场透镜。在再一个独特的实施例中，像场透镜可以是可变形的透镜，通过变形进行调整，以便提供所需的光疃调整。在另一个实施例中，投影器透镜本身可以是可变形的透镜系统，它变形来提供使能光疃调整。可变形的透镜系统在天文摄影术中是众所周知的，在这里它们往往作为自适应光学系统进行描述。
剩余图像的恢复人们会回想起，当来自场景的光处于第一曝光范围84时，在感光元素的剩余图像区域可以形成剩余图像。图16表示经过光学处理的感光元素1950，其上记录了集中图像元素1952和剩余图像1954的图案。集中图像元素1952的存在使相关的剩余图像1954具有令人不愉快的外观。因此，为了从剩余图像1954中恢复图像，必须从剩余图像1954中去掉集中图像元素1952。按照本发明，利用光学系统，只投影通过不包括压缩图像区域的光，便从剩余图像1954去掉集中图像元素1952。为读出器的光学系统选择适当的孔径即可做到这一点。在定义这样的孔径时须要满足的条件是，这样的光学系统的孔径是通过微透镜数值孔径和倒置的微透镜数值孔径相加获得的复合孔径。
图17a表示对从剩余图像1954选择性提取图像信息有效的逆孔径2002的正面视图。逆孔径2002具有不透明光阑(STOP)2008、透明环形区域2006和周围的不透明光阑2004。图17b表示具有逆孔径2002的读出器2013的侧视图。在所示的实施例中，逆孔径2002定位成能够控制透射过以图像方式曝光并经过光学处理的元素2017的集中图像区域48、微透镜阵列2019和像场透镜2021和投影透镜系统2023的光。这样确定逆孔径2002的中心不透明光阑2008的尺寸、使得能够阻挡由经过光学处理的元素1950的集中图像元素1952调制的并由微透镜阵列2019和像场透镜2021引导的光。这样确定透明的环形区域2006和周围的不透明光阑2004的尺寸、使得投影透镜系统2023的f值与微透镜阵列2019的微透镜的f值匹配。这些f值的匹配保证了被经过光学处理的元素1950的剩余图像区域1954调制的光透射到读出平面2025，而同时中心不透明光阑2008截断被经过光学处理的元素1950的集中图像区域1952调制的光。逆孔径的类似用途可以直接应用，用本发明另一个实施例可以实现类似结果。
图18表示分别利用图17a和17b的逆孔径2002和读出器2013恢复输出图像的方法。这个方法的第一步是让感光元素，例如感光元素1950曝光于来自场景的光，包括上面参照图2a，2b和2c描述的第二曝光范围内的光(步骤2050)。亦如上所述，所述光分成集中部分和剩余部分(2052)。剩余部分，例如1954记录在感光元素1950上。然后对感光元素进行光学处理(步骤2054)，使感光元素变为图17b所示经过光学处理的元素2017。来自光源2016的光投影通过光学处理后的元素2017、被光学处理后的元素2017调制并沿着光路2015传递(步骤2058)。然后调制的光通过微透镜阵列2019，在这里对包含在调制光中的图像解压(步骤2058)。然后像场透镜2021选择性地使所述解压后的调制光适合于对所述光线进行去歪斜(步骤2060)。然后，借助截断由记录在经过光学处理的元素2017中的集中图像区域调制的光的滤光镜对解压和去歪斜后的光进行滤光(步骤2062)。这种滤光过程的结果是只有由剩余图像区域1950调制的光才用来在读出平面2025上形成图像。在读出平面2025上形成图像包括恢复的图像。然后对所述图像进行处理(步骤2064)。
用于恢复图像的组合装置图像恢复系统可以回想起来，经过光学处理之后，经过光学处理的元素38包含集中图像元素52中的图像和采取剩余图像54形式具有集中图像元素52的图像。为了充分利用由微透镜协助摄影术提供的扩展的范围，提供一种读出装置是有用的，它能够拍摄和从具有以集中图像元素1052的形式和诸如图像1954以剩余图像的形式记录于其上的图像的片带恢复图像。这种装置的一个实例是图19所示的装置。
如图19所示，照相机20用来把已经由微透镜阵列40分开的图像记录在片带上，然后进行光学处理，变为图19所示的经过光学处理的元素38。经过光学处理的元素38上的图像用读出装置2100读出。所述读出装置包括电子扫描仪。如图19所示，扫描仪2100乃是包括像场透镜2120、微透镜阵列2125、逆孔径2130和透镜系统2110的光学系统2105。光学系统2105用来在扫描仪2144上形成有意义的图像。但是，为了实现这一点，必须确定要扫描的图像是作为集中图像元素图案1952记录的图像，还是作为剩余图像图案1954记录的图像。在第一实施例中，设置检测器2140。检测器2140设计成用来检测记录在经过光学处理的元素38上指示所述图像是记录在集中图像元素52的图案中的图像，还是作为剩余图像54记录的图像的信号。在这方面，参照图1，图中示出具有任选的光传感器60、控制器62、感光元素型的传感器64和通信头6的照相机206。这些光学组件可以用来检测图像曝光时场景中光的量级，并作为信号编码在信号感光元素30上，指示感光元素30是包含来自第一曝光范围的图像信息，诸如包含在集中图像元素52中的信息，还是包含在第二曝光范围，诸如记录在剩余图像54的信息，或包含两者。
光传感器60可以包括是产生例如与场景的光量成正比的电压输出的光电池。控制器62检测所述信号并根据此信号决定场景亮度。控制器62可以是数字控制器，诸如微处理器或微控制器或模拟控制器，诸如可编程模拟器件。在控制器62是模拟式时，可以在光传感器60和控制器62之间插入模数转换器(未示出)，用以把电压转换为数字形式。
感光元素型传感器64产生代表装入照相机20的感光元素类型的信号。感光元素型传感器64可以是DX或光学条形码读出装置，用以直接从感光元素30或感光元素小罐(未示出)读出感光元素的类型标记或指示感光元素类型的其他信号。感光元素型传感器64也可以是开关或其他设置装置，使用户可以指出装入照相机20中的感光元素30的类型。在感光元素30上标有感光元素类型标记的地方，可以用通信头66作为感光元素型传感器64。控制器62从光传感器60和感光元素型传感器64接收信号，并确定来自场景的光是具有足以形成以集中图像元素52图案形式记录的图像的强度范围还是形成剩余图像54形式的图像的强度范围。然后控制器62使通信头66把信号编码在感光元素30上，指示编码在感光元素30上的边沿(edge)类型。所述信号可以是光、磁、机械或其他类型。在一个替代的实施例中，感光元素30配有电子存储器，诸如集成电路存储器(未示出)。在这个替代实施例中，有关感光元素30类型的数据在制造时记录在随同集成电路的电子存储器中，由通信头66从感光元素30提取出来。这个通信可以用光、电子无线电频率或任何其他方便的手段进行。指示图像类型的数据还以类似方式记录在电子存储器中。
信号还可以通过机械方法改变感光元素30或感光元素盒(未示出)记录在感光元素30上。在这样的实施例中，通信头66可以剪切、冲孔或用其他方式改变感光元素30或感光元素30盒(未示出)来记录信号，所述通信头66还可以适合于检测这样的信号。先有技术中任何已知的通信方案都可以采用。有用的通信方案包括暗盒DX或IX码、条形码、暗盒上的芯片、感光元素光学字符、感光元素磁等，正如在美国专利No.6,222,607B1(Szajewski等人)公开的。
检测器2140检测这样的记录信号，并产生由扫描仪控制器2145检测的信号。检测器2140还可以检验图像中的光学字符，以便确定特定的感光元素包含以集中图像元素52还是剩余图像54图案形式编码的图像。然后扫描仪控制器2145使像场透镜2120和/或逆孔径2130以这样的方式动作、以便能够如上所述地或者从集中图像元素52的图案或者从剩余图像54恢复图像。
在一个实施例中，当确定记录在经过光学处理的元素38上的图像是剩余图像时，可以把逆孔径2002选择性地插入光路2102内，而当确定经过光学处理的元素38上的图像是以集中图像元素的图案的形式建立时，将其移开。恢复的图像投影在扫描仪2144上。扫描仪2144可以是模拟扫描仪和/或数字式扫描仪。在这方面，扫描仪2144可以是，例如，阵列检测器(未示出)，诸如电荷耦合器件的阵列。或者，扫描仪2144可以是检测器的线性阵列，用以逐行扫描恢复图像。其他类型的传统扫描方法和装置也可以采用。对于图形成像，产生红、绿、兰象素序列，它们可以与从扫描仪2144提供的空间位置信息关联起来。必要时这种信息可以用模数转换器变为数字形式。
扫描仪2144可以以任何多种传统方式产生来自感光元素的成像信息。在一个推荐的实施例中，可以用通过兰、绿、红滤光片分色的兰、绿、红光范围内的单个扫描光束顺序地对记录在经过光学处理的元素38上的图像进行扫描，以便形成用于每一种颜色记录的分开的扫描光束。若其他颜色以图像方式呈现在经过光学处理的元素38上，则可以采用其他适当颜色的光束。或者，当采用单色成形材料时，则可以扫描和处理所述材料。为方便起见，后面的讨论将集中在彩色形成材料处理上。在一个实施例中，用红、绿、兰光来提取以图像形式记录的信息，并对经光学处理的元素38进一步用红外光扫描，以便记录非图像瑕疵的位置。当采用这样的瑕疵或“噪音”扫描时，对应于所述瑕疵的信号可以用来提供软校正，使瑕疵显得不那么显眼，或者在软拷贝或硬拷贝形式中根本察觉不到。达到这种类型的减少瑕疵工作的硬件、软件和技术在美国专利No.5,266,805(Edgar)和世界专利WO98/31142(Edgar等人)，WO98/34397(Edgar等人)，WO99/40729(Edgar等人)和WO99/42954(Edgar等人)中作了描述。
在另一个实施例中，结合透射和反射扫描多次扫描所形成的图像，任选地用红外线，并结合所得到的文件来产生代表初始图像的单个文件。这样的方法在美国专利No.5,466,155、美国专利No.5,519,510，5,790,277和No.5,988,895(均Edgar等人)中作了描述。
扫描后对图像数据进行处理以便在从集中图像区域48或剩余区域50恢复图像信息之前保证彩色数据的保真度。例如，扫描后对携带图像的信号进行变换的专门技术在美国专利No.5,267,030(Giorgianni等人)，美国专利No.5,528,339(Buhr等人)，美国专利No.5,835,627(Higgins等人)，美国专利No.5,694,484(Cottrel等人)，美国专利No.5,962,205(Arakawa等人)和美国专利No.6,271,940 B1(Deschuytere等人)中作了描述。其他对这种方法的举例说明见于Giorganni和Madden’s的Digital ColorManagement(数字彩色管理)，Addison-Wesley，1998一书。所公开的信号转换技术可以进一步修改，以便提供包括外观由用户选择的图像(提供参考资料)。
矩阵和查找表格可以提供有效的图像变换。在一个实施例中，可以采用3个一维查找表格，每一个用于红、绿、兰色彩色记录。由于这种变换的复杂性，应该指出，采用三维查找表格往往能够较好地完成变换。在另一个实施例中，可以采用多维查找表格，在美国专利No.4,941,039(D’Errico)中均有描述。
在一个改型中，来自扫描仪的R，G和B带有图像的信号转为相当于来自基准图像记录器或介质的图像度量(Image Metric)，而且其中所有输入介质的度量值(Metric Value)相当于基准装置或介质在输入介质拍摄所述场景时同样的条件下拍摄原来的场景时基准装置或介质形成的三色值。例如，若基准图像记录介质选为特定彩色的底片，而且中间图像数据度量(Metric)选为基准胶片的实测RGB密度，然后对于输入的彩色底片，来自扫描仪的R，G，B携带图像的信号被变换为对应于基准彩色负性感光元素在实际彩色负性材料曝光的同样条件下曝光时本应形成的图像的R’，G’，B’密度值。
在另一个改型中，若基准图像记录介质选为特定的彩色底片，而中间图像数据度量选为所述基准胶片预定的R’，G’，B’中间密度，则对于按照本发明的输入彩色负性感光元素，把来自扫描仪的R，G，B携带图像的信号变换为对应于实际彩色负性记录材料曝光的同样条件下曝光的基准彩色负性感光元素本应形成的图像的R’，G’，B’中间密度值。这样扫描的结果是代表感光元素30上拍摄的图像的数字图像数据。
数字信号处理器2148接收扫描仪2144和/或模数转换器2146输出的信号。数字信号处理器2148设计来以下面描述的方式处理信号，并将信号转变为它想要采用的形式。
后扫描图像处理如上所述，恢复输出图像之后，可能想要对输出图像进行额外的处理，以便进一步改善所述图像并为随后的处理准备图像数据。所进行的后图像处理的类型取决于再现所述图像所用的设备的类型。例如，用以再现输出图像的设备是传统的光学相片洗印系统。传统的光学的化学的手段都可以用来改善图像的外观。这样的技术可以包括有利地以光化学方式改变图像的饱和度或图像的彩色内容和/或改变所述图像的表观对比度。光学技术，诸如裁切、模拟变焦距和其他技术也可以用来在这样的系统中改善图像。
在扫描或以其他方式从光学领域或电子领域传输恢复的图像的地方，可以采用其他图像处理，包括但不限于场平衡算法(用以根据处理的胶片内一个或多个区域的密度确定密度和彩色平衡的修正值)，美国专利No.5,134,573(Goodwin等人)描述的用以放大感光元素无曝光伽玛的色域管理，通过涡流进行非自适应或自适应锐化或晕化蒙罩、减少红眼和非自适应或自适应颗粒抑制。另外，图像可以进行艺术变换、变焦距、裁切和与其他图像结合或先有技术已知的其他处理。欧洲专利EP-A-0 961,482(Buhr等人)，EP-A-0961,483(Buhr等人)，EP-A-0 961,484(Buhr等人)，EP-A-0961,485(Buhr等人)和EP-A-0 961,486(Buhr等人)描述了其他有用的图像处理序列。
如图19所示，一旦对恢复的图像进行处理，而且出现任何其他图像处理和变换，图像便可以用电子方式传输到远方或在本地写入各种输出装置，包括但不限于感光元素记录器2156，图像记录器2158，用印相机2174印到印相介质，诸如印相纸或胶片上，热打印机、电子光学图形打印机、喷墨打印机、显示器2152，用光盘驱动器2170写入CD或DVD光盘2168，用磁盘驱动器写入磁电信号存储盘2164，先有技术已知的其他存储装置2150和显示装置2152。
在这方面，图像可以任选地进行处理，以便使其适应最终用途。例如，携带图像的输出信号可以适应基准输出装置，可以以装置特定的代码值，或者可以要求其他调整，变为装置特有的代码值。这样的调制可以用进一步的矩阵变换或一维查找表格变换或这样的变换的组合来为利用特定的装置的任何传输、贮存、打印或显示步骤作适当准备。然后输出图像用电子方式递送或运送盘、印相的图像或其他输出。
除数字处理外，数字图像可以用来改变图像的物理特性，诸如“开窗口”和“调平”(利用计算机层面扫描)或先有技术已知的其他处理。
微透镜和微透镜阵列的特性在以上的讨论中，对微透镜阵列42的应用已经作了一般的描述。阵列40的各个微透镜42会聚透镜，其形状使光线会聚或聚焦。于是，它们从片基形成会聚投影。各个投影的形状为完美的或不完美的球形的一部分。因此，微透镜可以是球形部分透镜或者它们可以是非球面透镜或者两种微透镜同时使用。球面部分微透镜具有这种球面部分的形状和断面。非球面部分微透镜具有扁球形或长球形的形状和断面。所述透镜之所以称为“微”是因为它们形成直径1至1000微米的圆形或接近圆形的投影。圆柱形部分微透镜具有圆柱部分的形状和断面。非圆柱形部分微透镜具有扁或长圆柱形的形状和断面。具体地说，前面的讨论一般都假定和描述在与球面微透镜42的密堆积的立方体微透镜阵列40相呼应的情况下本发明的应用。将会看出，微透镜42和微透镜阵列40的各种配置均可采用。例如，图20在概念上表示微透镜42的微透镜阵列40在支持体90上排列成均匀的立方体密堆积分布图案。应当指出，也可以采用其他图案。例如，图20表示偏置矩形密堆积阵列图案的一个实施例。在图20所示的另一个实施例中，微透镜阵列40排列成六角形密堆积阵列图案。微透镜阵列40也可以以微透镜42随机分布为特征。具有随机分布的阵列的一个实施例示于图20。图20中还示出再一个实施例，微透镜阵列40可以是微透镜42的圆柱形阵列或非圆柱形阵列。
如图21a，21b和21c所示，微透镜阵列40可以包括具有不同光学特性的微透镜42。在图21a的实施例中，示出圆柱形微透镜42的微透镜阵列40。如图21a所示，微透镜阵列40的第一组微透镜42a比所述微透镜阵列40的第二组微透镜42b截面积大。在这个实施例中，第一组微透镜42a在曝光期间比微透镜42b集中更大部分光线。于是，如图21d所示，当曝光期间的光量处在第一曝光范围84时，第一组微透镜42在感光元素30上在第一组集中图像区域48a内形成线形图像曝光。当来自场景的光处在第二曝光范围86时，第二组微透镜阵列40在感光元素30上在第二组集中图像区域48b内形成线形图像。未由任何一组微透镜42a或42b集中的光可以在图21a的感光元素30上的二次曝光区域50内形成剩余图像(未示出)。类似地，图21b和21c各自表示具有不同尺寸的各组微透镜42a和42b的微透镜阵列40的应用，其中当来自场景24的光处在第一范围时，微透镜阵列40a把光集中形成曝光，并把光引向感光元素30的集中图像区域48a。当来自场景的光处在第二范围时，微透镜40b集中来自场景的光并把光引向感光元素30的集中图像区域48b形成曝光。这里也在感光元素30的剩余曝光区域50记录了光的剩余部分。于是，在图21a-21c的这些实施例中，感光元素30的有效感光度可以得到进一步的扩展。如图21c所示，微透镜40的面积覆盖率不必最大化。尽管微透镜40的任何面积覆盖率均可应用，但是微透镜40的投影面积对感光元素或光敏元件30的投影面积之比至少可以是20％。在一个实施例中，覆盖率可以在50％和85％之间。在另一个实施例中，可以采用85％面积覆盖率直至密堆积极限。可以调节面积覆盖率的精确程度，以便能够改变曝光感光度量级，而同时维持有效的感光颗粒度和清晰度。在任何一个面积覆盖率小于密堆积极限的实施例中，可以这样形成支持体90、使得剩余光线射在感光元素30上。
微透镜阵列40可以包括一组单个的微透镜42，一起形成或联合在一起形成，例如，通过挤压、喷射成型和先有技术已知的其他传统制造技术。也可以通过把用机械的或化学的手段固定在一起的或者装在支持体90上的多个单独的微透镜42组合在一起来形成微透镜阵列40。微透镜阵列40可以包括一组双凸珠或球体(未示出)，所述双凸珠或球体设置成接近感光元素30或覆盖在感光元素30上或与感光元素30结合。可以用微结构工艺中任何已知的方法形成微透镜42。微透镜42对感光元素30可以是单个的，例如，在制造时直接嵌入感光元素30，或者它们做成一个整体作为独特的层贴在感光元素30上。在再一个实施例中，微透镜阵列40可以利用感光涂层形成。
图22a-22c表示装在支持体90上的微透镜42的剖面图，图中呈现各种球形或非球形微透镜42的示例性实施例。图22a和22c表示具有球面微透镜42的微透镜阵列40的实施例。应当指出，上述阵列图案的任何一种都可以与非球面微透镜42结合，以提供扩大的感光度。另外，可以应用任何非密堆积方式的微透镜42图案，使扩大感光度成为可能。
微透镜42用独特的阴影线表示，举例说明实际上构成微透镜的突出部分的球面或非球面特征。图22b和22c所示类型的非球面微透镜42对这种应用场合特别有用，因为透镜的可变的半径为控制透镜焦距作好准备，并且透镜有效孔径几乎与微透镜之间的间隔和感光层无关。尽管这些剖面已经描述为球面或非球面，但是应当指出，这些示意图同样代表剖面圆柱形和非圆柱形微透镜42。
光的集中或由带有圆形投影微透镜42的拍摄透镜系统22聚焦的集中光的有效感光速度增益是照相机20和微透镜42的f值的比率平方。可以按照感光速度增益等于2×log(照相机透镜的f值/微透镜的f值)来确定这样的系统中的感光速度增益(用相对曝光量的log表示)。圆柱形微透镜的光的集中或有效感光速度增益只允许这样的改进量的平方根，因为它们只在一个方向上集中光。微透镜阵列40对光的集中既使系统感光速度获得增益、又在感光材料上形成曝光图案。
照相机20的尺寸和拍摄透镜系统22的详细特性决定了曝光光疃到图像的距离，亦即照相机工作焦距。在感光元素30的感光层上形成微透镜图像。照相机拍摄透镜系统22的f值控制照相机20的焦深和场深，而同时微透镜f值控制照相机20的有效光疃，在获得宽阔的焦深和场深的同时，可以获得优异的清晰度。利用微透镜阵列40的开放的f值，用一般认为的“低速”的乳剂获得了高的系统感光速度。这种极快的感光速度使得可以在没有通常与“高感”乳剂相联系的热和辐射不稳定性的情况下进行现有的光拍摄。
因此，照相机拍摄透镜22和微透镜42的f值的有效结合就可以获得系统感光速度增益。系统感光速度增益大于0.15logE或1/2光圈是有用的，虽然系统感光速度增益最好为0.5logE或更大。虽然可以有益地使用其f值使为了预期的目的而具有适当场深的照相机拍摄透镜22能够获得感光速度增益的任何微透镜42，但是，一般f值为1.5至16的微透镜42是有用的。在某些情况下，f值在f/2至f/7范围内的微透镜42是有用的。在其他实施例中，最好用f值在f/3至f/6范围内的微透镜42。
当通过光学处理来维持各个微透镜和胶片感光层之间的空间关系、例如采用具有微透镜的光学支持体时，微透镜的光疃及其NA均得以维持。但是，当在拍摄和投影中采用独特的双凸透镜阵列时，在获得工作系统方面就会碰到额外的约束。这后一种环境可能在例如装有双凸透镜阵列的照相机与装有双凸透镜阵列的印相机或扫描仪配合使用时可能出现。或者，当其双凸透镜阵列在光学处理期间被改变或破坏的胶片与装有双凸透镜阵列的印相机或扫描仪配合使用时，也可能出现。在这些情况下，只让投影光线通过点而不通过周围区域的条件是，维持微透镜的图案、数目和光学能力，而且投影系统的数值孔径不超过微图像的数值孔径。让投影光线通过点和周围区域的条件是，维持微透镜的图案、数目和光学能力，而且投影系统的数值孔径与微透镜的数值孔径匹配。让投影光线通过周围区域而不通过点的条件是，维持微透镜的图案、数目和光学能力，而且投影系统的孔径是把微图像的数值孔径加在微图像数值孔径倒数上所得的复合孔径。
对于点图案，特定微透镜的微图像NA是由点的半径和微透镜的焦距推算出来的。平行方程式(parallel equation)可用于线图案微图像NA＝sinθ而式中tanθ＝图像点半径除以相应的微透镜焦距。
微透镜42的最佳设计参数以及它们与感光元素30的感光层的关系遵从以下这些定义微透镜半径是微透镜42半球面突出部分曲率半径。对于非球面微透镜，所述值随着微透镜表面而变化。
微透镜孔径是微透镜形成的断面积，一般描述为直径。对于球面微透镜，所述直径必须小于或等于微透镜半径的两倍，对于非球面微透镜，所述直径可以大于微透镜中所遇到的最小半径的两倍。采用尺寸不同的具有独特孔径的微透镜可在微刻度上能够获得独特的感光速度增益，因而使感光层的曝光敏感度得以扩大。
微透镜数值孔径＝sinθ’式中tanθ’＝微透镜孔径半径(不是曲率半径)除以微透镜的焦距。
微透镜焦距是从微透镜42到感光元素30的感光层的距离。对于在支持体的相对于感光层的反面上的微透镜42，这一般设为大约支持体的厚度。应当指出，微透镜的使用使独特的彩色拍摄优先增强感光度成为可能。在诸如兰光少红光多的阴暗的白炽灯照明的室内等特定的不平衡的照明条件下这个特性可能是特别重要的。例如，对于准备用白炽灯照明进行拍摄的系统，微透镜可以聚焦于胶片兰光敏感层，从而为彩色照片提供优先的感光速度提升，并改善彩色平衡。在其他环境下，可以优先提升其他颜色。
微透镜f值是微透镜42孔径除以微透镜焦距。对于球面微透镜42，所需的微透镜焦距可以用来按照以下的透镜方程式确定适当的微透镜半径微透镜半径＝微透镜焦距×(n2-n1)/n2式中n1是微透镜以外物质(一般为空气，折射率为1)的折射率，而n2是微透镜和任何连续的透明材料(例如，用作阵列支持体90的塑料)的折射率。摄影术上有效的明胶一般具有1.4至1.6的折射率。最高折射率和最低折射率的比率可在0.8和1.2之间。在最佳实施例中，所述比率在0.95和1.05之间。根据典型摄影系统组件已知的折射率，有效的微透镜将具有约为3倍的微透镜半径((n2-n1)/n2≈1/3)的微透镜焦距。非整体微透镜42可以用范围很宽的塑料和玻璃制成。对于整体成型在感光元素30上的微透镜42，当形成微透镜用的材料、摄影支持体和感光层容器的折射率尽可能接近时，提供优秀的光学性能。但是，有意使折射率不匹配可能便于光的漫射和反射，以此影响剩余图像54的形成范围。
因而，在适于用作胶卷形式感光元素30的柔软的摄影胶片上形成并位于支持体的感光层反面的微透镜42具有由胶片34厚度决定的有效半径。优选的柔软衬底34厚度约在60和180微米之间。在这种情况下，应当指出，非球面微透镜42在对感光支持体的其他要求调整微透镜孔径和焦距方面设计上的灵活性比较大。在一个替代的实施例中，焦距较短的微透镜42可以用于支持体乳剂一侧，其中微透镜42与感光层位于同一侧，离支持体比离卤化银层远。这里所需的焦距由任何中间层决定。有中间层时，它们的厚度约为1至50微米或更大。在图1的实施例中，微透镜42的微透镜阵列40与感光元素30分离，单独装在照相机20内照相机拍摄透镜系统22和片门26之间。在这个实施例中，焦距由微透镜材料和周围介质，一般空气之间的折射率差和微透镜曲率半径决定。
尽管为了达到所需的效果每帧图像任何数目的微透镜42均可采用，但是应当指出，任何特定配置下采用的实际数目都取决于配置。例如，当要求微透镜42焦距因微透镜42整体地形成在支持体感光材料一侧，而且微透镜42的f值由组合透镜系统所需的系统感光速度增益固定时，可以碰到10至100微米的微透镜孔径或片孔距(pitches)。于是135格式帧，尺寸约为24×36mm，覆盖整个表面约需8.6万个至860万个微透镜。乳剂侧微透镜，具有较短的焦距，可以具有约在3至30微米之间的有效孔径或pitches，这意味着每个135格式帧，覆盖整个表面约需96万个至9600万个微透镜。焦距有较大自由度时装在照相机中的微透镜42孔径可达500微米甚至更大。
来自场景的光可以通过多于一个微透镜阵列40。例如，来自场景的光可以通过具有沿着水平轴排列的半圆柱形微透镜的第一微透镜阵列，然后通过具有沿着垂直轴排列的半圆柱形微透镜的第二微透镜阵列。这种技术可以有效地用来使来自场景的光进行双轴集中。
描述了几个特定的系统组合。全都是带有像场透镜类型的光学再现。当然，任何扫描的图像都潜在地要进行数字再现，例如当采用胶片而胶片本身曝光时，借助于与微透镜的任何影响无关的数字增强是有好处的。
权利要求
1.一种利用对预定曝光量级范围内的光敏感的感光元素拍摄包括曝光量级预定范围以外的曝光量级的图像的方法，所述方法包括以下步骤使所述感光元素对来自场景的光曝光；把来自所述场景的所述光分成集中部分和剩余部分，当来自所述场景的光处于第一曝光范围时，所述集中部分被引导在所述感光元素上形成集中图像元素的图案，而当来自所述场景的光处于第二曝光范围时，所述光的所述剩余部分被引导形成剩余图像；以及对来自所述场景的光进行适配、以便在所述感光元素上集中图像区域的预定图案内形成所述集中图像元素的图案。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于使所述感光元素对来自场景的光曝光的步骤包括让来自所述场景的光通过具有出射光疃的拍摄透镜系统。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述适配来自所述场景的光的步骤包括在所述拍摄透镜系统和所述感光元素之间设置像场透镜、以便在所述感光元素的集中图像区域的图案内形成集中图像元素的图案。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述像场透镜插在所述场景和微透镜阵列之间，并且适配来自所述场景的所述光的步骤包括调整所述像场透镜的光学特性、以便在所述集中图像元素区域内形成所述集中图像元素的图案。
5.一种用于从经过光学处理的感光元素形成输出图像的方法，所述感光元素具有至少一个位置偏离集中图像区域预定图案的集中图像元素图案，所述方法包括以下步骤用所述经过光学处理的感光元素对光进行调制；对调制的光进行解压，以便从被集中图像元素预定图案调制的光提取图像；对所述解压的图像进行适配、使得所述解压的调制的光形成解压的图像，所述解压的图像具有从位于所述集中图像元素的预定图案内的集中图像元素的图案形成的图像的外观；以及把所述解压的图像聚焦在成像平面上。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于还包括以下步骤适配所述解压后的光、使得读出器透镜系统的入射光疃和在光学处理后的感光元素上形成的集中图像元素图案之间的空间和角度关系在光学上与拍摄透镜系统的出射光疃和在所述感光元素上形成的所述集中图像元素图案之间的空间和角度关系匹配。
7.一种照相机，用以在对预定曝光量级范围内的光敏感的感光元素上形成至少一个图像、以便拍摄包括超出曝光量级预定范围的曝光量级的图像，所述照相机包括片门，它确定所述感光元素的位置；拍摄透镜单元，用于把来自场景的光聚焦在所述感光元素上；快门，使所述感光元素对来自所述场景的光可控曝光；微透镜阵列，它设置在像场透镜和所述感光元素之间，当曝光包括第一曝光量级范围内的光时，所述微透镜阵列引导来自所述场景的光的第一部分在所述感光元素上形成集中图像图案，并且当来自所述场景的光处于第二曝光量级范围时，所述微透镜阵列允许来自所述场景的光的第二部分传递到所述感光元素，在所述集中曝光元素周围形成剩余图像，其中，所述第一曝光量级范围和所述第二曝光量级范围的组合以及所述第二曝光量级范围大于预定曝光量级范围；以及像场透镜，它设置在所述拍摄透镜单元和所述微透镜阵列之间，所述像场透镜适配来自所述场景的光、以便在所述感光元素上集中图像区域的预定图案内形成所述集中图像元素的图案。
8.如权利要求7所述的照相机，其特征在于选择性地确定所述像场透镜的位置，以便适配来自所述场景的光、使得在所述感光元素上形成的所述集中图像元素图案与由带有拍摄透镜系统的照相机形成的集中图像元素图案一致，所述拍摄透镜系统的出射光疃与所述感光元素和微透镜阵列具有预定的空间和角度关系。
9.如权利要求7所述的照相机，其特征在于所述照相机还包括数据记录器，用以记录所述感光元素上表示拍所述拍摄透镜系统的所述出口光疃位置的信号。
10.一种读出设备，用以利用经过光学处理的感光元素形成输出图像，所述经过光学处理的感光元素具有记录在其上的集中图像元素的图案和剩余图像中的至少一个，所述读出器包括光源，用于辐射光；片门，用于确定所述经过光学处理的感光元素的位置、以便调制由所述光源辐射的光；微透镜阵列，它适合于对由所述经过光学处理的感光元素上的集中图像元素区域的预定图案调制的光进行解压，所述预定的图案不同于在所述经过光学处理的感光元素上实际形成的图案；透镜单元，它接收所述解压后的光并且在成像平面上形成输出图像；以及像场透镜，它设置在微透镜阵列和所述透镜单元之间，所述像场透镜适配所述解压后的光、以便使所述输出图像包含基于在所述感光元素上实际形成的所述集中图像元素图案的图像。
全文摘要
提供一些方法和装置，用对在预定曝光量级范围内的光敏感的感光元素拍摄包括超出曝光量级预定范围的曝光量级的图像。使感光元素对来自场景的光曝光。来自场景的光被分成集中部分和剩余部分，当来自场景的光处于第一曝光范围时，来自场景的光的集中部分被引导在感光元素上形成集中图像元素图案，而当来自场景的光处于第二曝光范围时，来光的剩余部分被引导形成剩余图像。还使来自场景的光适合于使集中图像元素图案在感光元素上集中图像区域的预定图案内形成。
文档编号G03B15/00GK1467560SQ0314248
公开日2004年1月14日 申请日期2003年6月12日 优先权日2002年6月12日
发明者L·M·欧文, R·P·沙杰夫斯基, L M 欧文, 沙杰夫斯基 申请人:伊斯曼柯达公司