一种基于定焦镜头实现大范围连续光学变焦的方法及设备与流程

1.本发明涉及光学摄影领域，具体涉及一种大范围光学变焦方法及设备。


背景技术：

2.手机拍照正日益成为手机的最受重视的功能之一。由于体积的限制，目前手机相机几乎都是定焦镜头，只能数码变焦，不能连续大范围地实现光学变焦，这是手机相机的一个固有的缺陷。数码变焦效果不能和光学变焦相媲美。最近虽然有液态镜头出现，但能实现的变焦范围太小，成像质量也不能保证。现在的手机的相机使用的几乎都是定焦镜头，不能实现光学变焦，尤其是超大范围的光学变焦。相机感光元件的任一像素接收到的光来自景物的一小块有限大小的物点，该物点可以看成若干个更小的互不重叠的子物点的集合，这些子物点发出的光聚焦在一个像素上，不能被分辨开。拍摄时这些子物点的光信号转化为一个总的像素的电信号被记录。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于定焦镜头实现大范围连续光学变焦的方法及设备，以达到使得手机相机的定焦镜头能够实现大范围近似连续的光学变焦的目的。
4.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
5.一种基于定焦镜头实现大范围连续光学变焦的方法，
6.使用具有固定的光学变焦倍数为m的镜头拍摄等效变焦倍数为m
×
n的照片，其过程中进行仿变焦处理的具体方法是：
7.s1：将物点视为发光的点光源；在第一坐标系中，点光源在所述第一坐标系中的坐标为(r,φ,z)，其中z＞＞0；对于任意物点，物点发出的光通过所述镜头后折射形成光锥，光锥的最小光斑所在平面和光锥中心轴垂直，所述最小光斑的形状近似为圆形；
8.根据围绕镜头光轴旋转的圆对称性，镜头光轴为第一坐标系的z轴，只需要考虑φ角固定的大量物点的集合即可；所述大量物点具有不同的r坐标和z坐标；对每一个物点，精确测量出物点发出的光通过镜头后形成光锥的最小光斑的中心坐标和光斑半径；对于这些数据，使用数据拟合的处理方法，可以得到任意物点发出的光通过镜头后形成的光锥的最小光斑中心坐标r
λ
(r,z)、φ
λ
＝φ+π和z
λ
(r,z)以及最小光斑半径a
λ
(r,z)，它们都是物点坐标的函数；在第一坐标系中z
λ
(r,z)＜0；指标λ＝1,2,3分别代表蓝光、绿光和红光；
9.当物点的坐标z＞＞0时，光斑中心坐标r
λ
(r,z)和z
λ
(r,z)以及光斑半径a
λ
(r,z)基本上不再受z的影响；对于同一个物点发出的不同颜色的光，产生的光斑坐标和大小会有一些差异；
10.物点发出的光线经过镜头后聚焦形成光锥，光锥在最小光斑附近的外表面近似为双曲面，双曲面由双曲线围绕光锥中心轴旋转而成；假设所述双曲线的表达式为v＝0表示的平面为第一截面，即该光锥的最小光斑所在的平面；距离第一截面为d的平面为光锥的第二截面，所述第二截面和光锥相交的圆形光斑面积为
11.s2：相机的感光元件包括若干像素，每个像素分别由感应蓝、绿、红光的感光层由外向里依次叠加而成。拍摄放大倍数为m
×
n的照片，这里m是定焦镜头的固定放大倍数，需要将感光元件的像素看成由n个面积近似相等的圆形子像素组成。在对焦的情况下,每个像素和把光照射在该像素上的一个有限大小的物点相对应，每个像素的n个子像素和物点的n个子物点相对应。每个像素感应相应物点发出的光能，并将其转化为输出的电信号；
12.s3：每次拍摄，任一像素输出的某种颜色光的电信号是由对应物点的子物点发出这种颜色的光照射在相应的子像素上产生的电信号的和；改变镜头和感光元件的距离拍摄n次，对每一种颜色的光，任一像素将产生一个关于该像素的子像素电信号的n元一次非齐次线性方程组。对应于感光元件具有蓝、绿和红光的三层感光层，每个像素共产生三个子像素电信号的n元一次非齐次线性方程组；
13.s4：求解一定数量像素的子像素电信号方程组，其中每一像素产生3n个子像素的电信号，这里n是每个像素的子像素的数量，3指的是蓝、绿和红光三种颜色；
14.s5：用图像处理程序处理这组像素的子像素电信号，就可以得到一张放大倍数为m
×
n的照片。
15.s3所述感光元件的像素及像素子像素的电信号生成方式：
16.任一像素接收的光来自于远处具有一定大小的一个物点，对应于把每一个像素的感应不同颜色的感光层看成由n个面积近似相等而且基本上没有重叠的子像素组成，我们把在对焦情况下光照射在该像素上的物点也看成是由n个大小近似相等而且基本上没有重叠的子物点组成，而且该物点的子物点发出的光经过镜头聚焦后得到的光锥和该像素的子像素是一一对应的，因此，要求像素的面积必须远大于远处一个极小的点光源发出的光经过镜头聚焦后得到的光锥最小光斑的面积；任一像素输出的电信号是该像素对应的有限大小的物点的n个子物点发出的光经过镜头聚焦后得到的n个光锥光能的线性叠加。
17.所述s3的任一像素的子像素产生的电信号的计算方法：
18.在第二坐标系，根据感光元件像素的具体排列位置，可以得到感光元件上任一像素的中心坐标以及每一个像素的n个面积近似相等并且互不重叠的子像素的中心的极坐标α是标记像素的指标，i＝1,2,
…
,n标记像素的第i个子像素。
19.改变镜头和感光元件之间的距离连续拍摄n次，感光元件的感光层平面和第一坐标系的xoy平面，即镜头中部和光轴垂直的平面，相互平行且距离为z
λ,j
，指标λ指感应不同颜色光的感光层，j＝1,2,
…
,n标记n个不同的距离；在第一坐标系中子物点发出的光经过镜头聚焦后的光锥最小光斑中心的坐标z
λ
(r,z)＜0，镜头的有效半径为r，感光元件的单个像素的面积为sc；照射在第α个像素的第i个子像素对应的颜色为λ的光锥中心轴和竖直z轴的夹角余弦为：照射在第α像素的第i个子像素的光锥中心点(r
λ
(r,z),z
λ
(r,z))沿光锥轴线到第i个子像素中心的距离：同时满足关系：
照射在第α个像素的第i个子像素的光锥的最小光斑平面颜色为λ的光能：这里的i
λ,α,i
指的是照射在第α个像素的第i个子像素颜色为λ的光锥最小光斑处的平均光强，δt指的是照射的时间间隔。因为照射在像素上的光能被按固定的比例转化为输出的电信号，所以本专利提到的光能等同于产生的电信号。定义：；颜色为λ的光锥照射在第α个像素的第i个子像素在感光时间δt内产生的电信号为：这里指的是改变感光层平面和镜头之间的距离z
λ,j
时，照射在第α个像素的第i个子像素的光照射到该像素外围，以及本来照在该像素外围的光照射进该像素第i个子像素对电信号产生的影响。规定在某个时，相机处于对焦状态，此时所有的另外，当像素子像素n比较大时，不是在像素边缘的子像素的也可以近似认为是1，所以只对处于像素边缘处的子像素需要具体实验或者仿真得到。
20.所述s3的电信号方程组的计算方法和照片的生成方法：
21.感光元件的每一个像素被看成由n个子像素组成时，也就是要拍摄放大倍数为m
×
n的照片，需要改变感光元件的感光层平面和镜头平面的距离z
λ,j
，j＝1,2
…
,n，记录像素输出的电信号t
λ,j,α
；任一像素α的感应λ颜色的感光层的输出电信号t
λ,j,α
等于该像素的子像素输出电信号的和，即：对任意一个像素α，当λ＝1，即对应蓝色感光层，j从1取到n，即改变感光层和镜头平面的距离z
λ,j
拍摄n次，得到n个类似的方程，这n个方程共同组成该像素的子像素蓝光电信号的n阶线性非齐次方程组。当λ取值2,3时，得到该像素的子像素的绿光和红光电信号的n阶线性非齐次方程组。这三种光的方程组是拍摄n次同时得到的，每一个像素都产生三个这样的电信号方程组。求解n个像素(编号为1,2
…
,n)的子像素电信号的方程组，得到n组电信号：
[0022][0023]
这组数据共包括3nn个q
λ,α,i
，由这3nn个q
λ,α,i
经过处理后就得到了放大倍数为m
×
n的照片。这n个像素一般在感光元件中心处选取，像素的具体数目由拍摄放大多少倍的照片以及照片的像素决定，即照片总的像素等于nn。
[0024]
一种基于定焦镜头实现大范围连续光学变焦的设备，包括：镜头、感光元件、移动
组件、控制器、信息处理装置；所述感光元件包括叠起来的先后感应蓝、绿、红光的三层感光材料；所述镜头主光轴贯穿所述感光元件感光侧中心；所述移动组件卡接所述镜头边缘；所述移动组件与所述控制器电性连接；所述感光元件与信息处理装置电性连接。
[0025]
由于发明依赖于相机的感光元件的灵敏度和超强的芯片运算能力，还可以得到以下有益效果：
[0026]
与现有技术相比，本发明提供了一种基于定焦镜头实现大范围连续光学变焦的方法及设备：
[0027]
(一)可以实现手机相机近似连续的大范围的光学变焦；
[0028]
(二)可以很好的消除手机镜头的相场弯曲畸变；
[0029]
(三)以感光元件的灵敏度和超强的芯片运算能力为基础，使得手机相机的定焦镜头能够实现大范围近似连续的光学变焦，实现手机的相机像长焦相机一样拍摄照片，解决目前的手机不能实现光学变焦，尤其是大光学变焦的固有问题。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下结合附图对本发明做进一步详细描述，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0031]
图1示出本发明第一坐标系及物点光锥示意图。
[0032]
图2示出本发明物点光锥最小光斑处示意图。
[0033]
图3示出本发明第一坐标轴与第二坐标轴示意图。
[0034]
图4示出本发明单个像素子像素示意图。
[0035]
图中：1-物点，2-最小光斑，3-最小光斑中心，4-像素。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
实施例1：使用具有固定的光学变焦倍数为m的镜头拍摄等效变焦倍数为m
×
n的照片，其过程中进行仿变焦处理的具体方法是：
[0038]
s1：将物点1视为发光的点光源；在第一坐标系中，点光源在所述第一坐标系中的坐标为(r,φ,z)，其中z＞＞0；对于任意物点，物点发出的光通过所述镜头后折射形成光锥，光锥的最小光斑2所在平面和光锥中心轴垂直，所述最小光斑的形状近似为圆形；
[0039]
根据围绕镜头光轴旋转的圆对称性，镜头光轴为第一坐标系的z轴，只需要考虑φ角固定的大量物点的集合即可；所述大量物点具有不同的r坐标和z坐标；对每一个物点，精确测量出物点发出的光通过镜头后形成光锥的最小光斑的中心坐标和光斑半径；对于这些数据，使用数据拟合的处理方法，可以得到任意物点发出的光通过镜头后形成的光锥的最小光斑中心3坐标r
λ
(r,z)、φ
λ
＝φ+π和z
λ
(r,z)以及最小光斑半径a
λ
(r,z)，它们都是物点
坐标的函数；在第一坐标系中z
λ
(r,z)＜0；指标λ＝1,2,3分别代表蓝光、绿光和红光；
[0040]
当物点的坐标z＞＞0时，光斑中心坐标r
λ
(r,z)和z
λ
(r,z)以及光斑半径a
λ
(r,z)基本上不再受z的影响；对于同一个物点发出的不同颜色的光，产生的光斑坐标和大小会有一些差异；
[0041]
物点发出的光线经过镜头后聚焦形成光锥，光锥在最小光斑2附近的外表面近似为双曲面，双曲面由双曲线围绕光锥中心轴旋转而成；假设所述双曲线的表达式为v＝0表示的平面为第一截面，即该光锥的最小光斑2所在的平面；距离第一截面为d的平面为光锥的第二截面，所述第二截面和光锥相交的圆形光斑面积为
[0042]
s2：相机的感光元件包括若干像素，每个像素分别由感应蓝、绿、红光的感光层由外向里依次叠加而成。拍摄放大倍数为m
×
n的照片，这里m是定焦镜头的固定放大倍数，需要将感光元件的像素看成由n个面积近似相等的圆形子像素组成,每个像素和在对焦情况下把光照射在该像素上的一个有限大小的物点相对应，每个像素的n个子像素和物点的n个子物点相对应。每个像素感应相应物点发出的光能，并将其转化为输出的电信号；
[0043]
s3：每次拍摄，任一像素输出的某种颜色光的电信号是由对应物点的子物点发出这种颜色的光照射在相应的子像素上产生的电信号的和；改变镜头和感光元件的距离拍摄n次，对每一种颜色的光，任一像素将产生一个关于该像素的子像素电信号的n元一次非齐次线性方程组。对应于感光元件具有蓝、绿和红光的三层感光层，每个像素共产生三个子像素电信号的n元一次非齐次线性方程组；
[0044]
s4：求解一定数量像素的子像素电信号方程组，其中每一像素产生3n个子像素的电信号，这里n是每个像素的子像素的数量，3指的是蓝、绿和红光三种颜色；
[0045]
s5：用图像处理程序处理这组像素的子像素电信号，就可以得到一张放大倍数为m
×
n的照片。
[0046]
s3所述感光元件的像素及子像素的电信号生成方式：
[0047]
任一像素接收的光来自于远处具有一定大小的一个物点，对应于把每一个像素的感应不同颜色的感光层看成由n个面积近似相等而且基本上没有重叠的子像素组成，我们把在对焦情况下光照射在该像素上的物点也看成是由n个大小近似相等而且基本上没有重叠的子物点组成，而且该物点的子物点发出的光经过镜头聚焦后得到的光锥和该像素的子像素是一一对应的，因此，要求像素的面积必须远大于远处一个极小的点光源发出的光经过镜头聚焦后得到的光锥最小光斑的面积；任一像素输出的电信号是该像素对应的有限大小的物点的n个子物点发出的光经过镜头聚焦后得到的n个光锥光能的线性叠加。
[0048]
所述s3的任一像素的子像素产生的电信号的计算方法：
[0049]
在第二坐标系，根据感光元件像素的具体排列位置，可以得到感光元件上任一像素的中心坐标以及每一个像素的n个面积近似相等并且互不重叠的子像素的中心的极坐标α是标记像素的指标，i＝1,2,
…
,n标记像素的第i个子像素。
[0050]
改变镜头和感光元件之间的距离连续拍摄n次，感光元件的感光层平面和第一坐标系的xoy平面，即镜头中部和光轴垂直的平面，相互平行且距离为z
λ,j
，指标λ指感应不同颜色光的感光层，j＝1,2,
…
,n标记n个不同的距离；在第一坐标系中子物点发出的光经过
镜头聚焦后的光锥最小光斑中心的坐标z
λ
(r,z)＜0，镜头的有效半径为r，感光元件的单个像素的表面积为sc；照射在第α个像素的第i个子像素对应的颜色为λ的光锥中心轴和竖直z轴的夹角余弦为：照射在第α像素的第i个子像素的光锥中心点(r
λ
(r,z),z
λ
(r,z))沿光锥轴线到第i个子像素中心的距离：同时满足关系：照射在第α个像素的第i个子像素的光锥的最小光斑平面颜色为λ的光能：这里的i
λ,α,i
指的是照射在第α个像素的第i个子像素颜色为λ的光锥最小光斑处的平均光强，δt指的是照射的时间间隔。因为照射在像素上的光能被按固定的比例转化为输出的电信号，所以本专利提到的光能等同于产生的电信号。定义：；颜色为λ的光锥照射在第α个像素的第i个子像素在感光时间δt内产生的电信号为：这里指的是改变感光层平面和镜头之间的距离z
λ,j
时，照射在第α个像素的第i个子像素的光照射到该像素外围，以及本来照在该像素外围的光照射进该像素第i个子像素对电信号产生的影响。规定在某个时，相机处于对焦状态，此时所有的另外，当像素子像素n比较大时，不是在像素边缘的子像素的也可以近似认为是1，所以只对处于像素边缘处的子像素需要具体实验或者仿真得到。
[0051]
所述s3的电信号方程组的计算方法和照片的生成方法：
[0052]
感光元件的每一个像素被看成由n个子像素组成时，也就是要拍摄放大倍数为m
×
n的照片，需要改变感光元件的感光层平面和镜头平面的距离z
λ,j
，j＝1,2
…
,n，记录像素输出的电信号t
λ,j,α
；任一像素α的感应λ颜色的感光层的输出电信号t
λ,j,α
等于该像素的子像素输出电信号的和，即：对任意一个像素α，当λ＝1，即对应蓝色感光层，j从1取到n，即改变感光层和镜头平面的距离z
λ,j
拍摄n次，得到n个类似的方程，这n个方程共同组成该像素的子像素蓝光电信号的n阶线性非齐次方程组。当λ取值2,3时，得到该像素的子像素的绿光和红光电信号的n阶线性非齐次方程组。这三种光的方程组是拍摄n次同时得到的，每一个像素都产生三个这样的电信号方程组。求解n个像素(编号为1,2
…
,n)的子像素电信号的方程组，得到n组电信号：
[0053][0054]
这组数据共包括3nn个q
λ,α,i
，由这3nn个q
λ,α,i
经过处理后就得到了放大倍数为m
×
n的照片。这n个像素一般在感光元件中心处选取，像素的具体数目由拍摄放大多少倍的照片以及照片的像素决定，照片总的像素等于nn。
[0055]
假如镜头的放大倍数是3，拍摄放大27倍的照片，即n＝9，生成的照片总像素为1.2
×
107，需要选择的像素个数为1.2
×
107/n＝1.3
×
106，需要求解的9元非齐次线性方程组的个数为3.9
×
106。
[0056]
实施例2：如图1，坐标系为第一坐标系，测量远处颜色为λ的点光源发出的光经过相机镜头聚焦后光斑中心坐标和光斑半径，坐标系的x,y轴分别平行矩形感光元件的长和宽，xoy平面通过镜头光心和感光元件平面平行，z轴通过镜头光心和感光元件的中心。
[0057]
实施例3：如图2，远处颜色为λ的点光源经过透镜后的光锥示意图，最小光斑附近的形状可以用双曲线旋转形成的双曲面近似描述，距离光斑为d并且和光锥轴线垂直的光锥截面积为a
λ
(r,z)是光锥的最小光斑半径。
[0058]
实施例4：如图3，将第一坐标系整体沿z轴移动使得xoy平面和感光元件的相应颜色的感光层重合，得到第二坐标系。在第一坐标系中，远处颜色为λ的点光源经过镜头聚焦后光锥的坐标为(r
λ
,φ
λ
,z
λ
)。在第二坐标系中，物点1视为点光源，远处颜色为λ的点光源的光经过透镜形成的光锥中心3坐标为这里的z
λ,j
是坐标系一和坐标系二的xoy平面之间的距离。在坐标系二中，感光层的像素4及其n个子像素中心的坐标都可以建立。
[0059]
实施例5：如图4，单个像素看成由n个子像素组成，n也是在镜头固定的放大倍数的基础上再次放大的倍数。目前手机的相机镜头的放大倍数m最大可以达到3.5，这表明n≥4。
[0060]
实施例6：点光源的光斑面积远小于单个像素4的面积；像素4的感光层平面和镜头平面距离为z
λ,j
，指标j＝1,2,
…
,n表示取n个不同的距离。因为三层感光层之间的距离是固定的，所以改变z
λ,j
，相当于三层感光层和镜头之间的距离同时改变；
[0061]
根据感光层上像素的具体排列位置，得到感光元件上任一像素的中心坐标，以及每一个像素的n个子像素中心的极坐标
[0062]
照射在第α个像素的第i子像素颜色为λ的光锥中心轴线和竖直z轴的夹角余弦为：
[0063]
照射在第α像素的第i子像素的光锥中心点(r
λ
(r,z),z
λ
(r,z))沿光锥轴线到第i子像素中心的距离：同时满足关系
[0064]
颜色为λ的光锥照射在第α像素的第i部分在感光时间δt内产生的电信号为：其中其中在第一坐标系，光锥中心的z
λ
(r,z)＜0，r是透镜的有效半径，sc是单个像素的面积；指的是改变感光层平面和镜头平面的距离z
λ,j
时，照射在第α个像素的第i子像素的光照射到该像素外围，以及本来照在该像素外围的光照射进该像素第i子像素的影响；在对焦情况下规定非对焦情况下，主要对像素的边缘的子像素产生矫正，这种情况下可由实验或者仿真确定
[0065]qλ,α,i
可以理解为颜色为λ的光锥照射在第α个像素的第i子像素在感光时间δt内产生的电信号，是需要求解的量；
[0066]
当感光元件的像素看成由n个子像素组成，且感光元件平面和镜头平面的距离为z
λ,j
时，对任一像素α，λ颜色的光产生的总电信号t
λ,j,α
可以表示为：
[0067]
改变感光元件和透镜的距离z
λ,j
，指标j＝1,
…
,n，即取n个不同的z
λ,j
进行拍摄，记录n个电信号t
λ,j,α
，得到第α个像素的关于λ颜色的光的一组n元一次线性非齐次方程组，求解此方程组，得到n个q
λ,α,i
；蓝、绿、红三种颜色的光都对应一个这样方程组，求解这三个方程组，就可以从一个像素得到该像素对应的n个子物点的蓝绿红光的电信号，经过处理后得到n个子物点的照片像素。选择一组数量适当的像素做类似操作，得到nn个照片像素，即该照片的光学变焦倍数在镜头变焦倍数的基础上增大了n倍。
[0068]
实施例7：手机后置相机配置多颗镜头，比如广角镜头和微距镜头，以及光学变焦分别是1，2，3倍的镜头组合，当n的取值范围在4-10时，光学变焦是1倍的镜头可以实现的光学变焦倍数为：4,5,6,7,9；光学变焦是2倍的镜头可以实现的光学变焦倍数为：8,10,14,16,20；光学变焦是3倍的镜头可以实现的光学变焦倍数为：12,15,18,21,24,27,30；通过实现的光学变焦倍数可以看出，本发明可以实现手机的相机近似连续大范围的光学变焦。
[0069]
实施例8：基于定焦镜头的连续光学变焦的设备，包括镜头、感光元件、移动组件、控制器；所述感光元件包括叠起来的先后感应蓝、绿、红光的三层感光材料；所述镜头设于所述感光元件与物点之间，所述镜头主光轴贯穿所述感光元件感光侧中心；所述移动组件卡接所述镜头边缘；所述移动组件与所述控制器电性连接。
[0070]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置
而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0071]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种基于定焦镜头实现大范围连续光学变焦的方法，其特征在于：使用具有固定的光学变焦倍数为m的镜头拍摄等效变焦倍数为m
×
n的照片，其过程中进行仿变焦处理的具体方法是：s1：将物点视为发光的点光源；在第一坐标系中，点光源在所述第一坐标系中的坐标为(r,φ,z)，其中z＞＞0；对于任意物点，物点发出的光通过所述镜头后折射形成光锥，光锥的最小光斑所在平面和光锥中心轴垂直，所述最小光斑的形状近似为圆形；根据围绕镜头光轴旋转的圆对称性，镜头光轴为第一坐标系的z轴，只需要考虑φ角固定的大量物点的集合即可；所述大量物点具有不同的r坐标和z坐标；对每一个物点，精确测量出物点发出的光通过镜头后形成光锥的最小光斑的中心坐标和光斑半径；对于这些数据，使用数据拟合的处理方法，可以得到任意物点发出的光通过镜头后形成的光锥的最小光斑中心坐标r
λ
(r,z)、φ
λ
＝φ+π和z
λ
(r,z)以及最小光斑半径a
λ
(r,z)，它们都是物点坐标的函数；在第一坐标系中z
λ
(r,z)＜0；指标λ＝1,2,3分别代表蓝光、绿光和红光；当物点的坐标z＞＞0时，光斑中心坐标r
λ
(r,z)和z
λ
(r,z)以及光斑半径a
λ
(r,z)基本上不再受z的影响；对于同一个物点发出的不同颜色的光，产生的光斑坐标和大小会有一些差异；物点发出的光线经过镜头后聚焦形成光锥，光锥在最小光斑附近的外表面近似为双曲面，双曲面由双曲线围绕光锥中心轴旋转而成；假设所述双曲线的表达式为v＝0表示的平面为第一截面，即该光锥的最小光斑所在的平面；距离第一截面为d的平面为光锥的第二截面，所述第二截面和光锥相交的圆形光斑面积为s2：相机的感光元件包括若干像素，每个像素分别由感应蓝、绿、红光的感光层由外向里依次叠加而成；拍摄放大倍数为m
×
n的照片，这里m是定焦镜头的固定放大倍数，需要将感光元件的像素看成由n个面积近似相等的圆形子像素组成，每个像素和把光照射在该像素上的一个有限大小的物点相对应，每个像素的n个子像素和物点的n个子物点相对应；每个像素感应相应物点发出的光能，并将其转化为输出的电信号；s3：每次拍摄，任一像素输出的某种颜色光的电信号是由对应物点的子物点发出这种颜色的光照射在相应的子像素上产生的电信号的和；改变镜头和感光元件的距离拍摄n次，对每一种颜色的光，任一像素将产生一个关于该像素的子像素电信号的n元一次非齐次线性方程组；对应于感光元件具有蓝、绿和红光的三层感光层，每个像素共产生三个子像素电信号的n元一次非齐次线性方程组；s4：求解一定数量像素的子像素电信号方程组，其中每一像素产生3n个子像素的电信号，这里n是每个像素的子像素的数量，3指的是蓝、绿和红光三种颜色；s5：用图像处理程序处理这组像素的子像素电信号，就可以得到一张放大倍数为m
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n的照片。2.根据权利要求1所述一种基于定焦镜头实现大范围连续光学变焦的方法，其特征在于，s3所述感光元件的像素和子像素电信号生成方式：任一像素接收的光来自于远处具有一定大小的一个物点，对应于把每一个像素的感应不同颜色的感光层看成由n个面积近似相等而且基本上没有重叠的子像素组成，我们把在
对焦情况下光照射在该像素上的物点也看成是由n个大小近似相等而且基本上没有重叠的子物点组成，而且该物点的子物点发出的光经过镜头聚焦后得到的光锥和该像素的子像素是一一对应的，因此，要求像素的面积必须远大于远处一个极小的点光源发出的光经过镜头聚焦后得到的光锥最小光斑的面积；任一像素输出的电信号是该像素对应的有限大小的物点的n个子物点发出的光经过镜头聚焦后得到的n个光锥光能的线性叠加。3.根据权利要求2所述一种基于定焦镜头实现大范围连续光学变焦的方法，其特征在于，所述s3的任一像素的子像素产生的电信号的计算方法：在第二坐标系，根据感光元件像素的具体排列位置，可以得到感光元件上任一像素的中心坐标以及每一个像素的n个面积近似相等并且互不重叠的子像素的中心的极坐标α是标记像素的指标，i＝1,2,
…
,n标记像素的第i个子像素；改变镜头和感光元件之间的距离连续拍摄n次，感光元件的感光层平面和第一坐标系的x-y平面，即镜头中部和光轴垂直的平面，相互平行且距离为z
λ,j
，指标λ指感应不同颜色光的感光层，j＝1,2,
…
,n标记n个不同的距离；在第一坐标系中子物点发出的光经过镜头聚焦后的光锥最小光斑中心的坐标z
λ
(r,z)＜0，镜头的有效半径为r，感光元件的单个像素的面积为s
c
；照射在第α个像素的第i个子像素对应的颜色为λ的光锥中心轴和竖直z轴的夹角余弦为：照射在第α像素的第i个子像素的光锥中心点(r
λ
(r,z),z
λ
(r,z))沿光锥轴线到第i个子像素中心的距离：同时满足关系：照射在第α个像素的第i个子像素的光锥的最小光斑平面颜色为λ的光能：这里的i
λ,α,i
指的是照射在第α个像素的第i个子像素颜色为λ的光锥最小光斑处的平均光强，δt指的是照射的时间间隔；因为照射在像素上的光能被按固定的比例转化为输出的电信号，所以本专利提到的光能等同于产生的电信号；定义：；颜色为λ的光锥照射在第α个像素的第i个子像素在感光时间δt内产生的电信号为：这里指的是改变感光层平面和镜头之间的距离z
λ,j
时，照射在第α个像素的第i个子像素的光照射到该像素外围，以及本来照在该像素外围的光照射进该像素第i个子像素对电信号产生的影响；规定在某个时，相机处于对焦状态，此时所有的另外，当像素子像素n比较大时，不是在像素边缘的子像素的也可以近似认为是1，所以只对处于像素边缘的子像素需要具体实验或仿真得到。4.根据权利要求3所述一种基于定焦镜头实现大范围连续光学变焦的方法，其特征在
于，所述s3的电信号方程组的计算方法以及生成照片的方法：感光元件的每一个像素被看成由n个子像素组成时，也就是要拍摄放大倍数为m
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n的照片，需要改变感光元件的感光层平面和镜头平面的距离z
λ,j
，j＝1,2
…
,n，记录像素输出的电信号t
λ,j,α
；任一像素α的感应λ颜色的感光层的输出电信号t
λ,j,α
等于该像素的子像素输出电信号的和，即：对任意一个像素α，当λ＝1，即对应蓝色感光层，j从1取到n，即改变感光层和镜头平面的距离z
λ,j
拍摄n次，得到n个类似的方程，这n个方程共同组成该像素的子像素蓝光电信号的n阶线性非齐次方程组；当λ取值2,3时，得到该像素的子像素的绿光和红光电信号的n阶线性非齐次方程组；这三种光的方程组是拍摄n次同时得到的，每一个像素都产生三个这样的电信号方程组；求解n个像素的子像素电信号的方程组，所述n个像素编号为1,2
…
,n，得到n组电信号：这组数据共包括3nn个q
λ,α,i
，由这3nn个q
λ,α,i
经过处理后就得到了放大倍数为m
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n的照片；这n个像素一般在感光元件中心处选取，像素的具体数目由拍摄放大多少倍的照片以及照片的像素决定，即照片总的像素等于nn。5.一种基于定焦镜头的连续光学变焦的设备，其特征在于，包括：镜头、感光元件、移动组件、控制器、信息处理装置；所述感光元件包括叠起来的先后感应蓝、绿、红光的三层感光材料；所述镜头主光轴贯穿所述感光元件感光侧中心；所述移动组件卡接所述镜头边缘；所述移动组件与所述控制器电性连接；所述感光元件与信息处理装置电性连接。

技术总结
本发明公开了一种基于定焦镜头实现大范围连续光学变焦的方法及设备，涉及光学摄影领域，S1：确定远处物点发出的光经过定焦镜头聚焦形成的最小光斑的中心坐标、半径和面积；S2：任一像素产生的某种颜色光的电信号是由对应物点的子物点发出该颜色的光照射在相应的子像素产生；S3：任一像素将产生三个关于该像素子像素电信号的方程组；S4：求解一组像素的电信号方程组，得到这组像素的子像素输出的三色光的电信号；S5：用图像处理程序处理这组像素的子像素电信号得到一张放大倍数为m


技术研发人员：王国忠
受保护的技术使用者：王国忠
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2022/5/25