一种光圈结构及其镜头和相的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种光圈结构，其通孔至少有一个形态为月牙形通孔。具有这种光圈结构的镜头成对使用，2个月牙形通孔的朝向相反。通过改造光圈通孔的形状，利用一对这种特殊光圈和对应的图像处理方法进行反恢复运算，能够准确地得到景物的距离，并能够得到近中远距离都清晰的图像，即全聚焦的图像。
【专利说明】一种光圈结构及其镜头和相机
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于光学成像和图像处理领域，具体涉及一种光圈结构及其镜头和相 机。
【背景技术】
[0002] 当今数码相机或数码摄像机一般包括镜头透镜和图像传感器以及图像处理单元。 镜头里面包括透镜或透镜组，以及光圈结构。光圈结构最主要的组成部分在于镜头中特定 位置的开孔，以往多数是圆形或者多片挡片构成的近似圆形。以前，光圈的主要作用是用来 控制光线进入镜头的多少。光线明亮的时候，可以用小光圈避免过度曝光；光线暗淡的时 候，可以用大光圈提高图像亮度。同时配合曝光时间的长短，共同达到图像亮度合适。另外， 根据成像理论，光圈的大小会影响景深，就是景物中能够成像清晰的距离范围。一般来说， 小光圈对应的景深范围大，大光圈对应的景深范围小。
[0003] 小型摄像模组，广泛地用于监控、手机、移动设备等等。在这些领域使用的镜头，一 般都是固定大小光圈，其形状都是圆形的或者近似圆形的多边形。中高档的摄像模组，具有 自动聚焦功能，根据拍摄时候需要，聚焦在某个景物距离，在其景深范围内，可以达到图像 清晰。但是超出其景深范围的景物物体，比如近景或者远景，就不能够很好地聚焦，这些图 像区域就不够清晰。中低档的摄像模组，没有自动聚焦功能，出厂的时候设定到一定的聚焦 距离。在使用中，如果景物不在其合适的景深范围内，图像就非常模糊。无论是自动聚焦的 摄像模组，还是固定焦距的镜头，当拍摄时，都无法同时达到近、中、远的景物同时清晰。另 夕卜，目前的成像方案，都根本无法准确得到景物中的各个物体到摄像机的距离信息。
[0004] 下面介绍一下光学成像的基础，并解释传统方法在深度信息提取方面的局限性。
[0005] 对于一般常规镜头成像系统来说，可以用以下公式表示：
[0006] f=f〇?k(s) +η
[0007] 其中，f是该成像系统所得到的图像，&是潜在的理想化的、聚焦准确时应该得到 的图像，n是该成像系统的噪声，k是该镜头系统的点扩散函数，它的函数形状特性是由光 圈形状及镜片系统所决定，其中s代表该点扩散函数k的尺寸大小，点扩散函数k与物体 到镜头的距离紧密相关，也可称之为失焦模糊函数。Θ表示的是卷积操作。简单地来讲，当 物体处于当前聚焦清晰位置的时候，S的尺寸会非常小，k(s)的作用很小，成像应该是清晰 的，现实意义是图像f基本等同于理想图像fo;当物体处于非聚焦位置的时候，S的尺寸就 会变大，k(s)的作用将是一个低通滤波器施加到本应清晰的图像上，得到的图像就是模糊 的。
[0008] 从光学系统的基础知识我们知道，点扩散函数k的形状特性是由光圈形状所决定 的。一般的常见的光圈是圆形的，或者是对称的多边形，如六边形、八边形等近似圆形的形 态。它们的点扩散函数k则是基本对称的，类似于一个高斯低通滤波器。从理论知识可以 得知，当物体位于聚焦位置的时候，k(s)非常小。当物体没有位于聚焦位置的时候，点扩散 函数尺寸就会变大。由于景物与镜头之间的距离d和k(s)的尺寸有着基本的一一对应的 关系，以往有一种方法，期望通过分析图像f，尝试通过计算获得S的大小的估计值，再来获 得景物与镜头之间的距离d。但是该方法有着严重的先天缺陷，就如该例子所显示，若只从 拍摄到的图像分析的话，当图像中的某个区域处于失焦模糊的时候，即使能够大致估算出 了可能的点扩散函数k(s)，由于距离远或近造成的点扩散函数尺寸都是变大，他们两者的 k(s)是基本相同的，因此无法准确地判断这种结果是由于该景物的距离是近了还是远了所 造成的。该问题称为景物距离估计的不确定性，这是以往方法的本质缺陷。 实用新型内容
[0009]本实用新型要解决的技术问题是：提供一种光圈结构及其镜头和相机，在镜头中 只需要改变光圈结构即能够获得全聚焦的图像。
[0010] 本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种光圈结构，包含用于 让光线进入镜头的通孔，其特征在于：所述的通孔至少有一个形态为月牙形通孔。
[0011] 按上述光圈结构，所述的月牙形通孔由外圆弧和内圆弧构成，外圆弧和内圆弧的 两端分别连接成交点，允许通过光线的部分呈月牙形，定义所述的外圆弧的圆心向内圆弧 的圆心的向量为通孔的朝向，其中外圆弧的直径为镜头的最大光圈尺寸的直径，内圆弧的 直径为外圆弧直径的〇. 4-0. 8倍。
[0012] 优选的，所述的通孔为2个且在同一平面内，2个月牙形通孔的朝向沿二者之间的 中点中心对称。通孔的位置可以上下、左右或斜向放置，只需要朝向相对，即沿二者之间的 中点中心对称即可。使用时，并排左右放置两个镜头，各自内部安排一个月牙形光圈通孔， 形成双镜头系统。所述的2个月牙形光圈通孔的朝向相对，即沿二者之间的中点中心对称。 两个镜头的摆放位置，也可以是上下摆放，但内部的2个光圈通孔的朝向，仍然要沿二者之 间的中点中心对称。
[0013] 另一优选的，单镜头系统，其中的光圈结构为可变光圈。该光圈可以在使用中变化 其通孔形状，基本形状是上述月牙形状，朝向可以变化。获取前后两幅图像的时候，各自使 用所述的月牙形通孔的朝向相对，即2种朝向沿外圆弧的圆心中心对称。
[0014] -种镜头，其特征在于：它包含有上述任意一项所述的光圈结构。
[0015] -种相机，其特征在于：它包含有上述镜头。
[0016] 一种相机，其特征在于：它包含2个左右并排放置的镜头，或上下并排放置的镜 头，其中每个镜头的光圈结构中的通孔均为月牙形，月牙形通孔由外圆弧和内圆弧构成，夕卜 圆弧和内圆弧的两端分别连接成交点，允许通过光线的部分呈月牙形，定义所述的外圆弧 的圆心向内圆弧的圆心的向量为通孔的朝向，通孔的朝向为与水平方向成45°，两个镜头 中的光圈通孔朝向相对，即沿二者之间的中点中心对称。
[0017] 本实用新型的有益效果为：
[0018] 1、通过改造了光圈通孔的形状，虽不改变成像原理，但是其成像效果与圆形光圈 的效果具有内在的不同的特性了；获得的原始图像虽然直接看起来显得更加模糊，但根据 光学系统传递原理经过分析，利用这种特殊光圈，最终能够获得到更清晰的图像，能够得到 近中远距离都能够清晰的图像，即全聚焦的图像。
[0019] 2、通过试验和推理，月牙形通孔的光圈需要成对使用，两个月牙形通孔的朝向位 置需要相对，通孔的朝向为与水平方向成45°时效果更佳，比如其中一个朝向左上45°， 另一个朝向右下45° ;或者右上和左下的放置方向。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为本实用新型一实施例中镜头成对使用且2个月牙形通孔的朝向相反的光圈 结构示意图。
[0021] 图2为本实用新型一实施例的成像系统示意图。
[0022] 图3为本实用新型一实施例的最佳估算距离值的获取示意图。
[0023] 图4为本实用新型一实施例的图像处理方法流程图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合具体实例对本实用新型做进一步说明。
[0025] 一种光圈结构，包含用于让光线进入镜头的通孔，所述的通孔至少有一个形态为 月牙形通孔。如图1所示，月牙形通孔由外圆弧和内圆弧构成，外圆弧和内圆弧的两端分别 连接成交点，其中外圆弧的直径为镜头的最大光圈尺寸的直径，内圆弧的直径为外圆弧直 径的0· 4-0. 8倍（优选为0· 6倍）。
[0026] 此处将通孔限定为具有至少有一个形态为月牙形通孔，而不是直接将通孔限定只 能为月牙形通孔的目的在于：光圈结构的通孔可以为多种形态，通常为圆形或近似圆形的 多边形，还可以根据拍摄需要，调整通孔的形态，当需要获得全聚焦的图像、或获取距离信 息时（例如在相机应用时，选择全聚焦模式），使得通孔为月牙形通孔即可。具体操作可以 是（1)更换一个月牙形通孔的光圈结构；（2)预先设置好一个遮挡物，具有与内圆弧直径相 等的圆形或扇形结构，当需要使用月牙形通孔时，在圆形或近似圆形的多边形通孔上移入 此遮挡物，使得通孔变成月牙形；（3)更换一个具有月牙形通孔光圈结构的镜头；(4)其它 满足该功能的任何形式。
[0027] 优选的，定义所述的外圆弧的圆心向内圆弧的圆心的向量为通孔的朝向，通孔的 朝向为与水平方向成45°。经过精心优化选择这样一种摆放方式，两个月牙形通孔的朝向， 一个朝向右下45度，一个朝向左上45度。或者朝向右上、左下45度，效果相同。对于通孔 的朝向，也还可以使用其他的朝向方向成对地使用，比如横向相对、纵向相对，以及其他任 意角度相对，可以根据光圈结构的制作工艺而调整。
[0028] 实施例一：单镜头系统，其中光圈结构为可变光圈，使得所述的月牙形通孔有2种 朝向，2种朝向沿外圆弧的圆心中心对称，定义所述的外圆弧的圆心向内圆弧的圆心的向量 为通孔的朝向。这样设置的目的在于：由于获得全聚焦的图像时，需要拍摄2幅图像，分别 来自于2种相对朝向的月牙形通孔的光圈（具体原理见下方图像处理方法），即通孔的朝向 沿外圆弧的圆心中心对称，若该光圈结构为可变光圈，则可以具有这两种朝向，分别在这两 种朝向的情况下拍摄图像（可以通过相机的设置和对应调整达到此目的），即可获得所需 要的2幅图像，无需更换镜头，更加方便。
[0029] 虽然拍摄的时候需要2种朝向的光圈结构成对使用，但是它也是一个具有特定功 能的部件一一用于让光线进入镜头，并且在出售时，仅具有1种朝向的光圈结构也可以单独 出售（例如其中一个坏了需要重新配），因此仅具有1种朝向的光圈结构应该理解为一个完 整的技术方案。
[0030] 实施例二：对静态物体，采用实施例一是没有问题的，但是当物体是动态的，对拍 摄的时间要求非常严格，必须同时拍摄2幅图像才能达到更好的效果。因此，对于动态物 体的拍摄，本实用新型采用的优选的技术方案为：使用两个镜头，并排放置（还可以上下设 置、斜向设置，只需要成像系统的视角、光轴均一致即可）组成双镜头系统。各自内部放置 一个带有月牙形通孔的光圈结构。2个月牙形通孔的朝向相对，即沿二者之间的中点中心对 称，如图1所示。带有此种光圈结构的镜头在每个光圈结构都配有一个镜片系统，构成两组 成像系统，两组成像系统的视角、光轴均一致，由于两个月牙形通孔之间的距离很近，远远 小于景物与镜头之间的距离，因此采用这种结构拍摄的两幅图像近似无视差。
[0031] 实施例三：使用多个镜头组合，各自内部放置一个带有月牙形通孔的光圈结构，两 两成对。镜头摆放可以是左右、上下或其他方式排列，成对的一组镜头内部的月牙形通孔的 光圈的朝向需要相对。比如4个镜头形成一个系统，两两成对，两排摆放。第一排左右并列 的两个镜头，内部的月牙形通孔的光圈朝向，一个朝左上45°，一个朝右下45° ;第二排左 右并列的两个镜头，内部的月牙形通孔的光圈，一个朝向右上45°，一个朝向左下45°。当 然还有其他多种排列摆放形式，不一一列举。与下述图像处理方法配合，也能够达到"获得 到更清晰的图像，能够得到近中远距离都能够清晰的图像"的效果。该方案能够一次性获得 更多的图像，经过图像处理的计算，能够获得更精确的深度信息和提高清晰度，但该方案 的成本较高。
[0032] 包含有上述任意一种光圈结构的镜头也应落入本实用新型的保护范围。当镜头采 用实施例二所述的光圈结构时，对每个光圈结构分别配有相同的镜片系统，从而使得每个 光圈结构与其对应的镜片系统构成两个成像系统，两个成像系统的视角、光轴朝向一致。
[0033] 同理，包含有上述镜头的相机也应落入本实用新型的保护范围。
[0034] 另外，相机还可以包含2个镜头，其中每个镜头的光圈结构中的通孔均为月牙形， 月牙形通孔由外圆弧和内圆弧构成，外圆弧和内圆弧的两端分别连接成交点，定义所述的 外圆弧的圆心向内圆弧的圆心的向量为通孔的朝向，通孔的朝向为与水平方向成45 °，两 个镜头的通孔朝向沿外圆弧的圆心中心对称。
[0035] 下面介绍一种图像处理方法，说明该光圈结构的可行性。本图像处理方法如图4 所示，包含以下步骤：
[0036]S1、分别获取2幅图像：2幅图像均通过上述任意一种光圈结构的相机拍摄，并且 获得2幅图像时光圈结构的通孔为月牙形通孔，月牙形通孔的朝向沿外圆弧的圆心中心对 称，月牙形通孔由外圆弧和内圆弧构成，外圆弧和内圆弧的两端分别连接成交点，定义所述 的外圆弧的圆心向内圆弧的圆心的向量为通孔的朝向；2幅图像拍摄时相机的视角、光轴 朝向一致，光学成像系统相同。
[0037] S2、取2幅图像中的相同一点，及该点附近一定数量的像素窗口，计算各自像素窗 口的傅立叶变换。
[0038] S3、用每一个根据需要可选的距离范围中的d值，在频域，逐次计算得到一组该点 的频域恢复值、一组该点的频域误差评价值，与d值对应；d为景物与镜头之间的距离，按实 际需要确定取值范围。
[0039] S4、选取最小的频域误差评价值对应的d值作为该点的最佳估算距离值，对应的 频域恢复值作为该点的频域最佳恢复值。
[0040] S5、对该点的频域最佳恢复值进行反傅立叶变换，得到该点的空间域的清晰图像 值。
[0041] 还可以包括S6、分别取2幅图像中需要处理的每个点，得到每个点的空间域的清 晰图像值，最终获得图像中整个需要处理部分空间域的清晰图像。若整幅图像都需要处理， 那么则遍历整幅图像的点，最终获得整幅空间域的清晰图像。
[0042] 优选的，所述的Sl获得2幅图像的光圈结构，其中一个的通孔的朝向为与水平方 向成45°，S卩：两个通孔的朝向为左上、右下，或左下、右上。
[0043] 上述图像处理方法的原理如下。
[0044] 若改变了光圈通孔的形状，点扩散函数的形态将会有所变化。 申请人:通过大量分 析和实验，发明了这种效果优异的带有月牙形通孔的光圈，并且两个光圈需要成对地使用。 在两个镜头的光圈位置，各内置一个月牙形通孔的光圈，两者的开口角度相对，比如右下45 度和左上45度。这两个镜头的朝向，必须要对着同一个方向，使得这两个镜头的视角一致， 成像重叠，如图2所示。拍照的时候，通过2个开口角度相对的月牙形通孔的光圈以及结构 相同的第一成像系统和第二成像系统，同时得到2幅图像，记为4和f2, 2幅图像中景物与 镜头之间的距离相同，记为d'。使用傅里叶变换之后，对于第一成像系统得到的图像，在频 域写为如下形式：
[0045] F1 =Fo^f'+ζ!
[0046] 对于第二成像系统得到的图像，在频域写为如下形式：
[0047] F2 =F0* +ζ2
[0048] 式中，&为理想状态下聚焦准确时本应该得到的图像，Ftl为f^的傅里叶变换，F1*F2分别为fJPf2的傅里叶变换，足:和:分别为第一成像系统和第二成像系统的距离为 d'的点扩散函数对应的傅里叶变换，ζ JP ζ2分别为第一和第二成像系统的噪声n JP η2的傅里叶变换。
[0049] 这里要解决的数学问题是，当拍照完成后，仅使用这样两幅图像，如何通过他们， 求解一个最佳估算距离值ei和原有景物到镜头的距离d最为接近，并且计算频域恢复值 使得h与理想图像（频域）匕最为接近。这在数学上其实是一个最大后验概率近似 问题（一种从测量值、观测值，经过计算获取最接近实际值的方法），这类问题都是可以用Tiknonovregularization(正规化）的通用方法求解。在这里我们有了两幅图像，该方法 就变成了可以用一个通用式的Wiener卷积方法来计算，用如下方式计算频域恢复值户0:
[0050]
【权利要求】
1. 一种光圈结构，包含用于让光线进入镜头的通孔，其特征在于：所述的通孔至少有 一个形态为月牙形通孔； 所述的月牙形通孔由外圆弧和内圆弧构成，外圆弧和内圆弧的两端分别连接成交点， 允许通过光线的部分呈月牙形，定义所述的外圆弧的圆心向内圆弧的圆心的向量为通孔 的朝向，其中外圆弧的直径为镜头的最大光圈尺寸的直径，内圆弧的直径为外圆弧直径的 0? 4-0. 8 倍。
2. 根据权利要求1所述的光圈结构，其特征在于：所述的通孔为2个且在同一平面内， 2个月牙形通孔的朝向沿二者之间的中点中心对称。
3. 根据权利要求1所述的光圈结构，其特征在于：光圈结构为可变光圈，使得所述的月 牙形通孔有2种朝向，2种朝向沿外圆弧的圆心中心对称。
4. 一种镜头，其特征在于：它包含有如权利要求1至3中任意一项所述的光圈结构。
5. -种相机，其特征在于：它包含有如权利要求4所述的镜头。
6. -种相机，其特征在于：它包含2个左右或上下并排放置的镜头，其中每个镜头的光 圈结构中的通孔均为月牙形，月牙形通孔由外圆弧和内圆弧构成，外圆弧和内圆弧的两端 分别连接成交点，允许通过光线的部分呈月牙形，定义所述的外圆弧的圆心向内圆弧的圆 心的向量为通孔的朝向，通孔的朝向为与水平方向成45°，两个镜头的通孔朝向沿二者之 间的中点中心对称。
【文档编号】G03B9/02GK204256338SQ201420639962
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】李潇 申请人:启芯瑞华科技（武汉）有限公司