(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210265037.1 (22)申请日 2022.03.17 (71)申请人 王国忠 地址 325007 浙江省温州市鹿城区黄龙住 宅区一区6幢3 06 (72)发明人 王国忠　 (74)专利代理 机构 北京睿智保诚专利代理事务 所(普通合伙) 11732 专利代理师 杜娟 (51)Int.Cl. G06T 3/40(2006.01) G06T 7/62(2017.01) G06T 7/90(2017.01) H04N 5/232(2006.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 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 ×n的照 片。 本发明以感光元件的灵敏度和超强的芯片运 算能力为基础， 使得手机相机能够像长焦相机一 样实现大范围近似连续的光学变焦进行拍摄照 片。 权利要求书3页 说明书9页 附图4页 CN 114529458 A 2022.05.24 CN 114529458 A 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Rλ(r,z)、 Φλ＝φ+π和Zλ(r,z)以及最小光斑半径aλ(r,z)， 它们都是物点坐标 的函数； 在第一 坐标系中Zλ(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Rλ(r,z)和Zλ(r,z)以及光斑半径aλ(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 ×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， 我们把在权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114529458 A 2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Zλ,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Zλ(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 ( Rλ( r ,z ) ,Zλ( 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Iλ, 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Zλ,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， 其特征在权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114529458 A 3