利用借助微透鏡拍攝的鹵化銀薄膜成像及光學再現的制作方法

專利名稱：利用借助微透鏡拍攝的鹵化銀薄膜成像及光學再現的制作方法
技術領域：
本發明涉及基于感光元素的攝影術，更具體地說，涉及利用對曝光量級預定范圍內、包括預定范圍以外的光有感光作用的感光元素拍攝圖像的方法和設備。
背景技術：
在傳統的攝影術中，通過使感光元素對來自場景的光進行可控曝光來記錄圖像是眾所周知的。一般說來，這樣的感光元素乃是支持在諸如底片等柔軟的基片和/或諸如玻璃板等非柔軟基片上的一個或多個感光層。所述感光層可以具有一種或多種感光鹵化銀乳劑，帶有適當成像化學的制品，對由來自場景的光所提供的能量作出反應。這種反應的程度隨曝光期間元素單位面積接受的光量而變。在曝光期間暴露于較多的光線下的區域，與曝光較少的區域相比，這種反應的程度較大。于是，當來自場景的光聚焦在感光元素上時，來自場景的光量級上的差異便作為這些層中這種反應程度上的差異而被捕捉。顯影之后，這些層中反應程度的差異便作為具有不同密度的圖像區域呈現出來。這些密度便構成原場景亮度的圖像。
鹵化銀乳劑的特點是，當暴露于場景的環境光時，具有非線性的響應。在這方面，感光元素具有下限響應閾值，它定義相關乳劑和相應化學藥劑開始反應，使得曝光量級的差異得以形成不同密度的最小曝光量。這個下限閾值最終涉及各種鹵化銀乳劑顆粒的量子效率。一般說來，顯影后在低于下限響應閾值的曝光量下曝光的感光元素，所有部分都具有共同的外觀。
另外，感光元素還具有上限響應閾值，它定義了一個曝光量級，在此量級以下乳劑及其相關化學藥劑反應，使不同的曝光量級得以形成不同的密度。一般說來，在上限響應閾值以上的量級下曝光的元素，在感光元素顯影之后所有部分都將具有相同的外觀。
于是，采用鹵化銀乳劑的感光元素可以說既具有下限響應閾值，又具有上響應閾值，它們限定了曝光的有效范圍，在此范圍內感光元素可以通過記錄帶有可分辨對比度差異的對比度圖案對曝光量級的差異作出反應。與這些下限和上限閾值相關的曝光量級定義了感光元素的曝光范圍。因此，為了優化圖像的外觀，一般說來，把曝光安排得使感光元素在曝光期間遇到的曝光量級范圍處在感光元素的曝光范圍或有效范圍內是有用的。
許多消費者和專業攝影師寧可使用允許在寬闊的攝影范圍內拍攝圖像的感光元素、攝像系統和攝像方法。滿足這種所需的一種途徑是提供一種范圍極其寬闊的感光元素，但是，范圍極其寬闊的感光元素基本上受到各種相關鹵化銀顆粒對光響應的性質的限制。因而，一般都提供這樣的攝像系統和攝影方法，亦即通過改變場景亮度特性有效地擴展感光元素響應下限和響應上限。例如，已知通過向暗場景提供補充亮度來有效擴展感光元素的響應下限。
已知的還有，利用設計成在曝光期間把來自場景的相當大量的可用光輸送到感光元素的拍攝透鏡系統來增大作用在感光元素上的光量而不是提供補充亮度。但是，把相當大量的光輸送到透鏡還固有地減少相關攝像系統的場深。因而，這種解決方案并不普遍地適用于固定焦點照相機圖像成像，因為場景可能無法適當聚焦。這種解決方案在變焦照相機中也并非優選，因為這樣的透鏡系統可能很昂貴，并且難以設計、安裝和維護。
在曝光時間和曝光期間照射在感光元素上的來自場景的光量之間存在正比關系。因此，在現有技術中增大曝光期間作用在感光元素上的光量的另一個已知途徑是利用打開時間較長的快門這種權宜之計來延長曝光時間。但這降低了曝光上限。另外，延長快門打開時間可能會使快門在曝光時間長到足以讓場景的合成演變的一段時間里一直打開。其結果是圖像模糊。因而，最好是限制快門打開的時間。
于是，另外還需要不那么復雜和不那么昂貴的攝像系統和攝影方法，它們允許利用傳統快門打開時間，尤其是具有固定快門時間的圖像拍攝。
增大一次曝光過程中作用在感光元素上的光量的另一種途徑是利用傳統的拍攝透鏡系統來收集來自場景的光，并把這些來自場景的光投影在靠近感光元素的諸如線性雙凸透鏡陣列等微透鏡陣列上。一個這樣的例子示于Chretien的美國專利No.1,838,173。每個微透鏡都把來自場景的一部分光集中在感光元素的相關區域上。通過用這種方法集中光線，入射到感光元素每個集中曝光區域的光量增大到膠片的下響應閾值以上的量級。這使得可以由集中曝光區域的密度對比圖案來形成圖像。
用這種方法形成的圖像是分段的感光元素的集中曝光區域形成場景的集中圖像，而其余區域形成與集中圖像混雜的未曝光的失真區。這樣的圖像在傳統處理的照片中，這種圖案具有令人不愉快的低對比度和半色調的外觀，很像報紙上的照片。
但是，在相當特殊的條件下進行投影，從這樣分段的圖像中可以獲得可辨認的圖像。當在投影儀上重現曝光時照相機中照相機有效孔徑、微透鏡陣列和光敏元件之間建立的空間關系時，這些條件就會準確出現。這種系統可能相當笨重，因為要在由原場景對照相機透鏡的配置確定的位置和放大倍數下產生一個應用(functional)實像。若與照相機拍攝透鏡相同的投影透鏡定位成模仿拍攝圖像時存在的照相機透鏡與圖像的關系，則再現的圖像就會以原物大小出現在原來物體的位置上。其他透鏡和空間關系的組合造成不完全的圖像再現，并形成報紙照片的點和線痕跡。于是，先有技術中微透鏡和凸透鏡協助的低光攝影不適宜用于正片的生產或用于諸如那些由消費者和專業攝影師代表的優質市場。
微透鏡陣列和尤其是雙凸透鏡陣列在攝影術上找到其他用途。例如，在早期彩色攝影中，線性雙凸透鏡圖像拍攝用來與彩色濾光鏡結合作為彩色光譜分解手段，使黑白鹵化銀成像系統得以用于彩色攝影。這種技術在早期動畫片拍攝和投影系統中得到商業應用，在共同轉讓的美國專利No.2,191,038中作了描述。在1940年代，在美國專利No.2,922,103中，人們建議利用雙凸透鏡銀幕來在瞬時攝影中利用黑白感光元素協助拍攝彩色圖像。在1970年代中，在美國專利No.4,272,186中公開了雙凸透鏡陣列用于具有增大對比度特性的圖像的建立。通過把未曝光區域最小化，線條圖案變得幾乎無法察覺，因而較少受到非議。也是在1970年代，美國專利No.3,954,334建議通過移動的雙凸透鏡銀幕曝光感光元素。最后，在1990年代，具有三色層和防光暈層的線性雙凸透鏡山脊形光學座用作三維圖像呈現材料。這些線性雙凸透鏡陣列用來形成在多透鏡照相機中拍攝的來自場景的多個視角的交錯印像的圖像。交錯的的圖像提供三維外觀。這種技術的一些實例公開于Lo等人的美國專利No.5,464,128和Ip的美國專利No.5,744,291。人們認識到這些公開涉及適用于形成來自多場景透視拍攝的宜于直接觀看的三維圖像信息的方法、元素和設備。它們無法實現適宜用于手提照相機的快門時間的攝影。
這樣，盡管微透鏡協助的攝影術找到了各種用途，但是它還是要滿足原來關于有效地擴展感光元素下響應閾值的承諾，以便允許生產商業上可以接受的低場景亮度水平下拍攝的圖像正片。因此，需要的是，用于在感光元素上拍攝雙凸透鏡狀圖像、并利用所拍攝的感光元素圖像來形成商業上可以接受的正片或輸出的方法和裝置。
有時在高于感光元素上響應閾值的成像條件下拍攝圖像也是有用的。要在日光、雪景、海灘環境下拍攝明亮的場景，就可能出現這樣的條件。一般說來，照相機采用光闌控制、快門定時控制和濾光系統來減少來自場景的光強度，使得感光元素所面對的光具有感光元素上響應閾值范圍內的強度。但是，這些系統使照相機設計的復雜性和成本明顯增大。另外，，采用較大光闌的透鏡以改善閾值下限的權宜之計，以如前所述，同時讓較多的光通過，并使上響應閾值條件下的曝光惡化。于是，還需要的是，一種用于在超過曝光量級范圍、包括大于感光元素響應上限的曝光量級條件下拍攝圖像的照相系統和攝影方法。

發明內容
按照本發明的特征，提供一種利用對曝光量級預定范圍內的光敏感的感光元素、拍攝包括曝光量級預定范圍以外的曝光量級的圖像的方法。按照本方法，使感光元素對來自場景的光曝光。來自場景的光分成集中部分和剩余部分，其中當來自場景的光處于第一曝光范圍時，集中部分被引導在感光元素上形成集中圖像元素的圖案，而當來自場景的光處于第二曝光范圍時，光的剩余部分被引導形成剩余圖像。還這樣適配來自場景的光、使得所述集中圖像元素的圖案在感光元素上集中圖像區域的預定圖案內形成。
按照本發明的另一特征，提供一種用于從經過光學處理的感光元素形成輸出圖像的方法，所述感光元素具有至少一個位置偏離集中圖像區域預定圖案的集中圖像元素圖案。按照本方法，用經過光學處理的感光元素對光進行調制。對調制后的光進行解壓，以便從被調制的光中提取圖像。這樣適配解壓后的圖像、使得適配和解壓后的圖像具有由位于集中圖像區域預定圖案內的集中圖像元素圖案調制的光形成的圖像外觀。所述適配的解壓后的圖像聚焦在成像平面上。
在本發明的再另一個特征中，提供一種照相機，用以在對在預定曝光量級范圍內的光敏感的感光元素上至少形成一個圖像，以便拍攝包括超出曝光量級預定范圍的曝光量級的圖像。所述照相機具有定位感光元素的片門。拍攝透鏡單元把來自場景的光聚焦在感光元素上。快門使感光元素對來自場景的光可控曝光。微透鏡陣列設置在像場透鏡和感光元素之間。當曝光包括第一曝光范圍內的光時，微透鏡陣列引導來自場景的光的第一部分在感光元素上形成集中圖像圖案，而當來自場景的光處于第二曝光范圍時，微透鏡陣列允許來自場景的光的第二部分傳遞到感光元素，在集中曝光元素周圍形成剩余圖像，其中第一曝光范圍和第二曝光范圍組合并且第二曝光范圍大于預定曝光量級范圍。像場透鏡設置在拍攝透鏡單元和微透鏡陣列之間，所述像場透鏡這樣適配來自場景的光、使得集中圖像元素圖案在感光元素上集中圖像區域的預定圖案內形成。
在本發明的再一方面，提供一種讀出器，用以利用經過光學處理的感光元素形成輸出圖像，所述感光元素具有已記錄的集中圖像元素圖案和剩余圖像中的至少一個。讀出器包括輻射光的光源和定位經過光學處理的感光元素、以便用所述感光元素調制由光源輻射的光的片門。微透鏡陣列對由經過光學處理的感光元素集中圖像元素區域的預定圖案調制的光進行解壓。預定的圖案不同于在經過光學處理的感光元素上實際形成的圖案。透鏡單元接收解壓后的光并在成像平面上形成輸出圖像。像場透鏡設置在微透鏡陣列和透鏡單元之間。像場透鏡這樣適配解壓后的光、使得輸出圖像包含基于在經過光學處理的感光元素上實際形成的集中圖像元素圖案的圖像。


圖1顯示按照本發明的照相機一個實施例的示意圖；圖2a是在描述場景實際曝光范圍和有效范圍之間關系時有用的示意圖；圖2b是在描述集中光對感光元素的影響時有用的示意圖；圖2c是在描述剩余光對感光元素的影響時有用的示意圖；
圖3顯示方形堆積微透鏡陣列后面的點的圖案；圖4舉例說明透鏡系統入射和出射光瞳；圖5顯示按照本發明的攝影方法的一個實施例；圖6顯示可以與按照本發明的照相機一個實施例配合使用的讀出裝置的一個實施例；圖7a和7b舉例說明用于調整掃描儀中透鏡光瞳的像場透鏡的使用；圖8a和8b舉例說明既在照相機中又在帶有定位于印相機中的像場透鏡的讀出器中使用不同微透鏡陣列的成像系統；圖9a和9b舉例說明既在照相機中又在帶有定位于照相機中的像場透鏡的讀出器中使用不同微透鏡陣列的成像系統；圖10a和10b舉例說明在帶有不同微透鏡陣列的照相機中使用臨時膠片整體微透鏡陣列、并在讀出器中使用像場透鏡的成像系統；圖11a和11b舉例說明在照相機內使用永久性膠片整體微透鏡陣列、并在讀出器中使用像場透鏡的成像系統；圖12a和12b舉例說明在照相機中使用臨時膠片整體微透鏡陣列、并且讀出器帶有微透鏡陣列的成像系統；圖13a和13b舉例說明在照相機內和讀出器中使用永久性膠片整體微透鏡陣列和像場透鏡的成像系統；圖14a和14b舉例說明使用使照相機拍攝的圖像歪斜以便匹配讀出器光學系統的成像系統；圖15是采用包括按照本發明的像場透鏡的啟動特性的可畸變微透鏡陣列的讀出器的示意圖；圖16是其上錄有集中圖像元素圖案和剩余圖像的感光元素實例；圖17a表示逆孔徑的正面視圖；圖17b表示設置在投影系統中的逆孔徑；圖18表示按照本發明的攝影方法的一個實施例；
圖19是實施本發明時有用的投影器和圖像掃描儀的示意圖；圖20a-20e舉例說明實施本發明時有用的微透鏡陣列的一些實施例；圖21a-21c舉例說明可以有用地結合在單個微透鏡陣列中的不同微透鏡陣列的不同實施例；圖21d-21f舉例說明感光元素對分別通過圖21a-21c的來自場景的光圖像曝光而記錄的圖案；以及圖22a-22c舉例說明微透鏡陣列、球面和非球面透鏡。
具體實施例方式
本發明涉及擴展感光元素有效圖像拍攝范圍的攝影設備和攝影方法。
圖像拍攝圖1是描述用以在包括感光層32和基片34的感光元素30上形成圖像的照相機20一個實施例的操作時有用的示意圖。在圖1的實施例中，照相機20包括機體21，所述機體21具有讓來自場景24的光進入機體21的光圈23。拍攝透鏡系統22把來自場景24的光沿著光軸45引向曝光期間把感光元素30定位在離拍攝透鏡系統22一定距離的片門26上。最好，拍攝透鏡系統22的焦深是這樣的、使得場景圖像24’在感光層32的成像區36上形成，整個成像區36具有一致的焦點。
處在拍攝透鏡系統22和感光元素30之間的微透鏡陣列40具有多個微透鏡42。微透鏡陣列40中的每一個微透鏡42接收一部分通過拍攝透鏡系統22的光，并將其分成集中部分44和剩余部分46。每一個集中部分44都集中在感光元素30相關集中圖像區域48上，而每一個剩余部分46都傳遞到感光元素30的相關剩余圖像區域50。圖1中在概念上說明所述分光作用，并且將參照圖1和2a，2b和2c來描述所述分光作用。快門系統27位于光圈23和微透鏡陣列40之間。快門系統27可控地允許來自場景的光使感光元素30曝光一段預定的時間。
如圖2a所示，來自攝影場景的光擴展在寬闊的場景亮度范圍內。在可用光攝影的情況下，這是人觀察可見的亮度。這個范圍在圖2a中指示為場景亮度范圍70。但是，感光元素30有一個實際的曝光范圍72，在所述范圍內，感光元素30可以拍攝下場景亮度的差異，并記錄場景的對比度圖像。因為化學圖像攝影技術的內在限制和感光元素30對來自場景的亮度特有的非線性響應，感光元素30實際的曝光范圍由下響應閾值74和上響應閾值76定義。當感光元素30曝光于下響應閾值74以下的光量時，感光元素30對場景亮度的差異不能作出可分辨的反應。如上所述，這是因為這樣有限的光量所提供的能量不足以使乳劑和相應的化學藥劑發生反應來形成可分辨的曝光記錄。因此，當對感光元素30進行光學處理時，曝光于這樣光量的感光元素30所有部分都具有一般明亮的外觀。
類似地，當感光元素30曝光于比上響應閾值76還高的光量時，感光元素30對場景亮度差異無法作出可分辨的反應。正如上面更詳細地指出的，這是因為感光元素30所接受的超過上述上響應閾值76的光量足以驅使乳劑和相關化學藥劑的化學反應達到這樣的程度，以致于感光元素30對再多的光能不再具有有意義的密度響應。因為如此，當對感光元素30進行光學處理時，曝光于這樣的光量的感光元素30的所有部分都具有一般黑暗外觀。
應當指出，術語明亮和黑暗是針對諸如準備與負性相紙一起使用的或用于掃描的印制膠片的負性感光元素而言的。對于諸如反轉幻燈膠片和直接印相膠片等正性感光元素而言，所指出的區域在特性上分別應為黑暗和明亮。
任何已知的感光元素配方均可用以制備對實施本發明有用的感光元素30。具有優異感光性能的元素最適用于本發明的實施。所述元素應該具有至少大約ISO(國際標準化組織)25的感光度，最好至少具有ISO100的感光度，至少具有ISO400的感光度則更佳。彩色負性感光元素的感光速度或感光度與為處理后達到灰霧以上特定密度所所需的曝光量成反比。每張彩色圖像的伽瑪約0.65的彩色負性元素的感光速度由美國國家標準協會(ANSI)專門定義為ANSI標準號pH 2.27-1981(ISO(ASA感光速度)并特意與在產生超過最小密度0.15密度所所需的曝光量級的平均值相關每一張對綠光感光的彩色膠片和感光度最小的彩色圖像單位。所述定義與國際標準化組織(ISO)的膠片感光度標定一致。為了達到本申請的目的，若彩色單位伽瑪不是0.65，則在以其他方法定義確定感光度之前，把伽瑪對logE(曝光)曲線線性放大或反放大為數值0.65來計算ASA或ISO的感光度。
盡管標準感光元素可以用于本發明，但是最適用于本發明的元素是為以機器可讀方式而不是適合于直接觀看方式拍攝圖像而設計的。在拍攝后的元素中，感光速度(元素對低光條件下的感光度)對在這樣的感光元素中獲得充分的圖像一般是非常關鍵的。因此，所述元素在用微透鏡增強感光度之后，一般都表現出相當于ISO800或更高的感光度，最好相當于ISO1600或更高的感光度，相當于ISO3200或更高則更好。在每種彩色照片中，所述元素將具有至少3.0logE的曝光范圍，最好具有4.0logE的曝光范圍，具有5.0logE或更高的曝光范圍則更好。這樣大的有效曝光范圍(亦即光學處理后的密度對logE的斜率)決定了每個彩色圖像的伽瑪都小于0.70，小于0.60較好，小于0.50更好，小于0.45最好。另外，最好將彩色相互作用或像間效應最小化。這種像間效應最小化可以通過使蒙罩成色劑和DIR化合物數量最小化來達到。像間效應可以量化為分色曝光和光學處理后特定彩色圖像的伽瑪除以白光曝光后同一彩色圖像的伽瑪的比率。每一種彩色圖像的伽瑪比率宜在0.8和1.2之間，較好在0.9和1.1之間，最好在0.95和1.05之間。這種掃描使能的感光元素性能的其他結構細節、特征量化公開于美國專利No.6,021,277和未決的歐洲專利申請No.9 8203141.1。
正如圖2a還表明的，照相機20和感光元素30最好在期望的曝光范圍80的低于感光元素30響應閾值74的期望下響應閾值下拍攝場景信息。按照本發明的原理，通過使來自場景的光集中使在所述范圍內的攝影成為可能。在這一方面，微透鏡陣列40中的每一個微透鏡42都把來自場景的光分成至少兩部分。如圖1所示，來自場景24的光的集中部分44被集中，使一次曝光期間落在感光元素30每一個集中圖像區域48單位面積上的光量多于沒有微透鏡42的微透鏡陣列40時落在集中圖像區域48上的光量。如圖2b所示，這入射集中圖像區域48的光量增大造成使場景曝光量級的第一曝光范圍移動的效果，使得整個曝光范圍84處于感光元素的實際曝光范圍72內。這種移動使集中圖像元素52的圖案在感光元素30的集中圖像區域48中形成集中圖像成為可能。
順便指出，入射微透鏡42的某些光，例如被微透鏡42聚焦不良的光或在各微透鏡42區域之間通過的光，不會聚集在集中圖像區域48。代之以，這些傳遞到感光元素30的光的剩余部分46便使剩余圖像54的形成成為可能。剩余圖像54可以進一步通過設計或外來光在感光元素30中的散射和反射形成。這個剩余部分46小于同一曝光期間在微透鏡42的微透鏡陣列40沒有插入場景24和感光元素30之間的情況下入射感光元素30的光量。于是，微透鏡42有效。于是，微透鏡42便有效地對來自場景的入射剩余圖像區域50的光進行濾光，結果為了使剩余圖像54能夠在感光元素30上形成，曝光期間必須有較多的光量可用。因此，當來自場景的光處在第二范圍時，快門系統27讓感光元素30曝光的預定時間足以在感光元素30的剩余圖像區域50上形成圖像。
因此，如圖2c所示，當微透鏡陣列40的微透鏡42對第二曝光范圍86內的光曝光時，便在剩余圖像部分50的感光元素30上形成適合于在由第二曝光范圍86表示的范圍內產生圖像的二次曝光。這樣，感光元素30可以用來拍攝在高于感光元素30上響應閾值76但低于期望曝光范圍82的期望上響應閾值的曝光量級上拍攝可分辨的圖像。
在第一曝光范圍84和第二曝光范圍86之間可以定義一個重疊區域。在期望大大地擴大感光元素78所所需的系統范圍的地方，可以縮短這個重疊區域。在一個優選的實施例中，通過定義一個相當大的曝光范圍，其中第一曝光范圍84和第二曝光范圍86重疊，便可保證在感光元素78所所需的連續的期望曝光范圍內從集中圖像元素52或從剩余圖像元素54拍攝圖像信息的能力。或者，最好提供一種照相機20，其中只有小的重疊，或者在第一曝光范圍84和第二曝光范圍86之間相隔頗遠。具有這樣相當大的間隔的照相機20可以有效地工作，以便在諸如日光和室內光線這樣差異很大的成像條件下拍攝不同的圖像。
可以理解，當曝光量級處在第二曝光范圍86時，在元素30上形成集中圖像元素52。在第一曝光范圍84和第二曝光范圍86至少部分重疊的地方，在第二曝光范圍內曝光期間形成的集中圖像元素52可以包含有用的圖像信息。但是，在曝光超出第一曝光范圍時，在剩余圖像區域50上形成的剩余圖像54中集中圖像元素52便表現得像是過分曝光的人為現象。
還應當指出，盡管這個討論局限于期望獲得準備用于人類可見場景的拍攝的鹵化銀感光元素的特定實施例，但是，本發明很容易應用于拍攝擴展了的場景亮度和人類不可見的特殊區域，而且感光元素20可以采用先有技術已知的成像特性所需的任何感光材料。感光度的實際擴大可以至少達到0.15logE。在某些實施例中，感光度的實際擴展可以在至少0.3logE和0.6logE之間。在另一個實施例中，感光度的實際擴大至少為0.9logE。
在拍攝的圖像中集中圖像元素的位移圖3表示在通過正方形球面微透鏡42陣列進行圖像方式曝光期間感光元素30上形成的曝光圖案。圖3還示出光軸45和感光元素30的交點49，它是在感光元素30裝在照相機20中并通過拍攝透鏡系統22曝光時建立的。預期的圖像區域就在各個微透鏡42在感光元素30的軸投影上。正如在圖3上可以看到的，各預期的圖像區域離光軸與感光元素交點49越遠，預期圖像區域47和實際圖像區域48之間的位移就越大。集中圖像元素52對預期圖像區域47的位移程度受照相機20光學特性、拍攝透鏡系統22和微透鏡42控制。為了提供一種外觀可以接受的輸出圖像必須對這種位移進行補償。
現將參照圖4描述這種位移的來源。圖4表明，光學系統100具有光學部件(L1)103和(L2)105，帶有為便于解釋而顯示的插入光圈(D)107。這個系統提供光學上有效的光圈光瞳。光圈107的實際孔徑限制通過光學系統100的光束。光圈107平面與光學系統的光軸相交于A點。在光圈107前面，所述系統的光學部件103在平面111上入射光瞳Pi處形成光闌(stop)的虛像。入射光瞳Pi是這樣的，平行圖像光線113的延長線(主光線R，和外圍光線Ra和Rb)通過向后剛好以光圈107為界的平行圖像光線103的延長線，確定了入射光瞳Pi的輪廓。入射光瞳Pi的直徑剛好等于光圈的有效孔徑。
入射光瞳Pi的平面111與光學系統100的光軸101相交于I點。類似地，光圈107后面所述系統的光學部件105在平面109上出射光瞳Pe處形成光圈107的虛像。出射光瞳Pe是這樣的，焦點光線115(主光線R’，外圍光線Ra’和Rb’)的延長線通過光學部件L2 105，它向后剛好以光圈107為界確定出射光瞳Pe的輪廓。出射光瞳Pe的平面與光學系統100的光軸相交于E點。出射光瞳Pe的直徑和入射光瞳Pi直徑的比率稱作光瞳放大倍數。對于最普通的透鏡系統，出射光瞳Pe的直徑和入射光瞳Pi直徑的比率在0.85和1.15之間，對于遠攝透鏡在0.4和0.85之間，而對于廣角透鏡它可能在1.10和2.0之間。
光瞳放大倍數還可以取決于光學部件105相對于像平面的取向。主光線R-R’表示成最初從場景指向點I，并且好像在像平面處從E點接收的。當正如對稱透鏡系統經常出現的那樣，把光圈107設置成使其中心置于光學系統100的光中心時，光瞳中心便與節點一致，但這種一致并不出現在單透鏡、可換透鏡、遠攝透鏡等上。盡管光瞳的定義是針對多透鏡光學系統表示的，但顯然對于在固定焦距照相機中見到的比較簡單的光學系統和在投影儀、光學印片機、掃描儀等中見到的比較復雜的光學系統，光瞳的位置可以用類似方法定義。確實，對于某些透鏡系統，入射光瞳Pi和出射光瞳Pe可能是相同的。
下面的定義來源于上面的描述，并且對解釋集中圖像元素5 2位移的來源是有用的，現描述如下入射光瞳Pi-從物空間看到的光圈圖像。
出射光瞳Pe-從像空間看到的光圈圖像。
入射和出射光瞳的圖形識別。入射光瞳在圖形上一般可通過識別一束穿過所述光學系統、來自特定角度的平行光線來定位。所述光線束中心的光線在入射光瞳處與光軸相交。出射光瞳在圖形上通過所述同一光線反向從圖像向光學系統延伸到所述光線與光軸相交的一點來定位。所述交點定義了出射光瞳的位置。
f值-所述表達式表示透鏡的等效焦距與其入射光瞳直徑之比。
數值孔徑(NA)-可以進入和離開光學系統或元素的子午光線的最大圓錐頂角正弦乘以位于所述圓錐頂點的介質的折射率，一般相對于物點或像點進行測量，并隨著所述點移動而變化。同一透鏡系統，相對于物點的透鏡系統的入射NA可以不同于相對于像點的出射NA。一般說來，根據幾何光學，投影或拍攝透鏡的數值孔徑(NA)由所述透鏡工作f值兩倍的倒數等效地給出。
顯然，只有從透鏡系統出來并垂直于像平面(在Ra’-R’-Rb’處)的光線和對稱地位于光軸周圍的圖像才是來自場景的對稱地位于同一光軸周圍的。因為當前系統中的微透鏡42用拍攝透鏡系統22的輸出作為其場景，所以只有接收對稱定位的場景的微透鏡42，才是其各自微透鏡軸與拍攝透鏡系統軸一致的。正如圖3舉例說明的，微透鏡42的軸線越是偏離拍攝透鏡系統22的光軸，由微透鏡42成像的區域就偏離越遠。
因此，改變照相機20中拍攝透鏡系統22出射光瞳Pe和感光元素30之間的空間和角度關系，就改變了通過微透鏡42曝光的感光元素區域。定性而言，同軸微透鏡42產生同軸圖像，而所有離軸微透鏡42都產生偏離各自微透鏡40光軸的集中圖像元素52。如上所述，集中圖像元素52的離軸偏移量可能出現依據集中圖像元素著色得很差的未經修正的輸出圖像。類似地，改變投影透鏡入射光瞳Pe，就會影響由投影透鏡系統拍攝的微透鏡曝光和光學處理后感光元素30的區域。在這方面，可能定義一種讀出裝置的光學系統，使得讀出器的光學系統和感光元素30的空間和角度關系和場景與感光元素30的空間和角度關系匹配。這種系統可能是笨重的，因為應用(functional)實像是以由原場景對照相機透鏡配置決定的位置和放大倍數產生的。如果投影透鏡與照相機的拍攝透鏡相同并且這樣定位、以便模仿拍攝圖像時存在的照相透鏡與圖像的關系，則再現的圖像就會以原物尺寸出現在原來物體的位置上。其他透鏡和空間關系組合產生不全善的圖像再現、圖像區域的不恰當去歪斜和/或形成報紙照片的點和線痕跡。這種水平的圖像質量一般比攝影材料現代用戶預期的差。
因此應當指出，為了獲得利用微透鏡42的微透鏡陣列40來擴展感光元素30的實際曝光范圍的好處，必須以另一種方式補償這種歪斜效應。
以下各段描述補償歪斜，以便根據集中圖像元素52形成可以接受的圖像的系統的不同實施例。稍后各段描述補償歪斜以便從剩余圖像區域50形成可以接受的圖像的系統的不同實施例。
利用集中圖像元素形成圖像按照本發明，再現利用微透鏡協助的攝影術在感光元素30上形成的圖像的集中圖像區域48記錄的集中圖像元素的圖案，以便形成具有可以接受的外觀的輸出圖像。再現過程涉及光學圖像的解壓和適配，以便在成像平面上形成外觀可以接受的圖像。按照本發明，解壓和適配是以光學方式完成的。這有利地使傳統的光學照相洗印加工設備可以輕易地適合于具有利用微透鏡協助的攝影術在膠片上記錄的圖像的感光元素的處理。
圖5表示利用具有固定曝光范圍的感光元素30拍攝曝光范圍較低的來自場景的圖像信息，并從感光元素30上記錄的成像信息恢復可接受的輸出圖像的方法。所述過程的第一步是使感光元素30曝光于來自場景的光(步驟300)。
來自場景的光分成集中(或壓縮)部分和剩余部分的圖案。(步驟302)如上所述，光的集中部分使感光元素30上集中圖像區域48曝光，并在顯影后在感光元素30上形成諸如線和點的集中圖像元素52的圖案。當來自場景的光處于第一曝光范圍84時，在集中圖像元素52中形成對比圖像。
然后對感光元素30進行光學處理(步驟304)，以便形成光學處理過的元素38。先有技術中任何光學處理方法均可應用。光學處理可以包括顯影步驟，帶有任選的脫銀步驟。光學處理可以通過使感光元素30與光學處理化學藥劑、使光學處理成為可能的條件和藥劑接觸來完成。光學處理可以通過讓感光元素30與光學處理藥劑或pH調整劑或兩者的水溶液接觸來完成。或者，可以利用先有技術已知的其他技術對感光元素進行光學處理，諸如光熱敏成像，其中感光元素30通過加熱或通過把與光學處理使能劑和熱結合進行光學處理。
然后對壓縮的顯影的圖像進行處理，以便恢復可用來供掃描儀、印相機使用或觀看(未示出)的輸出圖像。恢復過程涉及通過讓光向后通過壓縮的圖像和微透鏡陣列來對圖像解壓(步驟306)。恢復過程還涉及使解壓后的光適合于利用像場透鏡對圖像進行去歪斜(步驟308)。恢復后的圖像可任選地如下所述地進一步處理(步驟310)。然后交付輸出圖像(步驟312)。
現將參照圖1，4，5，6和7更詳細地描述解壓和適應步驟(步驟306和308)。
如前所述，圖1表示照相機20，它具有拍攝透鏡22、感光元素30和插在中間的微透鏡陣列40。為清晰起見，照相機的其他元件，諸如快門和快線、固定或可變的光圈擋，亦稱光闌、片夾、卷片機構、取景框等等從略。在圖1照相機20中以圖像方式曝光，插在中間的微透鏡陣列40起把落在感光元素30特定部分的光集中起來的作用，于是有效地增大了照相機20的系統感光度，而同時在感光元素上產生壓縮了的曝光圖案。照相機透鏡系統22和微透鏡陣列40的微透鏡42共同在感光元素30上使場景成像。當微透鏡陣列40包含圓形微透鏡42的陣列時，用微透鏡進行的光的集中程度或集中光上的有效攝影感光度增益是拍攝透鏡系統22和微透鏡42的透鏡f值的比率的平方。感光度增益(相對曝光量的log)是拍攝透鏡系統22的f值與微透鏡42的f值之比的log的兩倍。于是微透鏡陣列40的微透鏡42對光的集中便使系統感光度獲得增益。在球面微透鏡42呈正方形陣列的情況下，在感光元素30上形成點圖案。正如下面還要更詳細描述的，其他形式的微透鏡也可以采用。
按照本發明，解壓(步驟306)和適配(步驟308)都是利用光學圖像改變來完成的。舉例來說，圖6表示先有技術讀出裝置350的一個實施例，它從感光元素352上的集中圖像元素52的曝光圖案產生圖像。讀出裝置350具有光學系統351，后者同時完成利用照相機系統、諸如圖1照相機20記錄在感光元素352上的圖像的解壓和適配。在這個實施例中，讀出裝置350具有漫射光源354。用圖1所示的照相機20曝光的感光元素352被來自光源354的光照亮。圖像調制的光通過微透鏡陣列356和投影透鏡358在成像平面361上形成原來場景的投影圖像360。
應當指出，圖1的照相機畫有與拍攝透鏡系統22一致的出射光瞳，而圖6的讀出裝置350也畫有與投影透鏡系統362一致的入射光瞳，圖1拍攝系統中的每個微透鏡42把通過拍攝透鏡系統22的出射光瞳的光的集中部分投影在感光元素30的集中圖像區域48。集中的光在各個微透鏡組件后面展寬，如上所述地形成集中圖像元素52。正如下面將要描述的，集中圖像元素52在感光元素30上以每一個微透鏡42對照相機光軸45的空間和角度位移決定的方式展寬。在圖6中，光學處理元件352具有集中圖像元素52的圖案，后者向后投影，形成原始場景的光學再現圖像。
圖6所示的讀出裝置350適合于從具有與光學處理過的元素352成為整體的微透鏡陣列356的光學處理過的元素352讀出圖像。正如下面將要更加詳細地描述的，其他微透鏡配置也可以采用。只要在讀出圖像時建立與曝光時在實際照相機光瞳、微透鏡陣列和感光元素352之間建立的相同的空間關系，圖6的讀出裝置即可以光學方式對圖像進行解壓。之所以如此，是因為當用于讀出方式時，微透鏡陣列356對在壓縮圖像元素52的圖案形成時建立的孔徑位置上，亦即在照相機孔徑上編碼的圖像進行解壓。于是，由利用圖1的照相機20中的微透鏡陣列356引入的歪斜，通過在功能上向后運行照相機進行補償。但是，往往在圖1照相機20中曝光時建立的實際照相機光瞳、微透鏡陣列40和感光元素30之間的空間關系無法有效地重復，于是讀出裝置350將呈現具有質量被歪斜降低的外觀的圖像。
按照本發明一個實施例，諸如圖6所示的讀出裝置適合于利用像場透鏡來校正歪斜引起的集中圖像元素52的位移。這種像場透鏡調整讀出裝置中的光路，使之與拍攝系統的光學特性匹配。實際上，所述像場透鏡移動透鏡孔徑或光瞳的空間位置、以便能夠以適當的焦點、并以適當的放大倍數把記錄的場景投影在使用現場上、例如掃描儀傳感器平面或光學印相機的相紙平面。在另一個替代的實施例中，拍攝系統包括像場透鏡、使圖像適合于將拍攝階段上的圖像去歪斜、以便允許所形成的點和線圖像能夠在傳統的掃描儀或光學印相機頭讀出。在一個替代實施例中，在拍攝系統和讀出系統中都包括像場透鏡，并進行匹配，結合著補償歪斜。
有一些獨特的途徑用于對照相機20中形成的集中圖像進行解壓和光學再現。所所需的是，原場景、拍攝光瞳和曝光圖像之間的空間關系要再現為顯影圖像對讀出光瞳對再現場景的關系。這種空間關系的一致可以通過在共同優化拍攝-讀出系統的兩個階段上都精心選擇透鏡和透鏡對對象/透鏡對物體的距離來實現。更一般地說，這種空間關系的一致可以通過在拍攝階段上、在讀出階段上或在曝光-讀出系統的兩個階段上采用像場透鏡來實現。
應當指出，盡管在解壓和適配步驟的描述中專門提出了在掃描儀中利用像場透鏡，但是像場透鏡的其他布局和光學印相機的應用或直接觀察也都充分考慮在內。在下面描述的不同實施例中，給照相機增加像場透鏡，以便相對于微透鏡陣列移動照相機出射光瞳來匹配投影系統入射光瞳的位置、以便滿足對光學再現圖像的要求。在拍攝一側執行適配的地方，圖6的讀出器可以不用像場透鏡。
下面將要更加詳細地描述這種系統的不同實施例。但是，可以用于適配和解壓后的光學條件可以用數字方式描述。在這方面，對于這樣的系統，下面的定義是有用的設計考慮。
焦點-透鏡光軸上入射平行光束會聚的一點。
焦距-有效焦距(EFL)是從主點到相應焦點的距離。前焦距(FFL)是從前透鏡面到前(第一)焦點的距離。后焦距(BFL)是從后透鏡面到后(第二)焦點的距離。
主平面-在透鏡或透鏡系統中，入射和出射光線投影相交的表面。亦稱等效反射面，主平面往往不是一個平面，而是一個曲面。
主點-主平面與透鏡光軸相交的一點。
透鏡系統一般都具有前主平面和后主平面。前主平面定義關于在背面入口處平行的并在前焦點處聚焦的光線的前主點。后主平面定義關于在前面入口處平行的并在后焦點處聚焦的光線的后主點。在簡單的光學系統中實際上前、后主點可能是相同的。
對于拍攝系統(照相機)fc＝照相機透鏡焦距sc＝從場景到照相機光學系統第一主點的距離sc’＝從圖像(在柱鏡膠片的前表面)到照相機光學系統第二主點的距離pc＝從照相機出射光瞳到柱鏡膠片的前表面的距離對于投影透鏡(光學印相機或掃描儀)fp＝投影透鏡焦距sp＝從物體(在柱鏡膠片的前表面處)到投影透鏡第一主點的距離sp’＝從圖像(例如，在CCD或印相紙處)到投影透鏡第二主點的距離pp＝從掃描儀透鏡的入射光瞳到柱鏡膠片的前表面的距離對于兩者M＝放大倍數＝s’/s＝圖像尺寸/物體尺寸1/f＝1/s+1/s’對于非常簡單系統(薄透鏡、在透鏡中心處單主點、入射光瞳與主點一致，照相機透鏡聚焦于無窮遠，亦即sc＝無窮大)1/fc＝1/sc’。由微透鏡陣列膠片在這樣的照相機中形成的圖像再現將在相應透鏡系統光瞳一致時出現，因為當sp＝fc和適當的投影器透鏡具有由1/fp＝1/fc+1/sp’，而且系統放大倍數＝Mp＝sp’/fc時，亦即系統受約束。
選擇像場透鏡，以便把至少一個光瞳的位置調整到使方便的光學再現成為可能的要求位置。照相機中的使能(enabling)像場透鏡把照相機的出射光瞳移動到投影器的入射光瞳上，兩者都相對于膠片和透鏡陣列。類似地，投影器中的使能像場透鏡把投影器的入射光疃移動到照相機的出射光疃，兩者都相對于膠片和透鏡陣列。在拍攝階段和投影階段上都使用像場透鏡可使更加萬能的系統成為可能。采用具有自動調整透鏡系統來提供如上所述的使能光瞳位置的成像系統使一種更加萬能的系統成為可能。
對于其中光瞳大致與主點一致的簡單的系統，安裝在投影器上的像場透鏡的適當的焦距ff由下式給出1/ff＝-1/sf+1/sf式中sf＝從像場透鏡到投影器透鏡入射光瞳的距離sf’＝從像場透鏡到由照相機透鏡、微透鏡和形成的圖像決定的光瞳的距離。
類似地，對于其中光瞳大致與主點一致的簡單的系統，安裝在照相機上的像場透鏡的適當的焦距ff由下式給出1/ff＝1/sf-1/sf式中sf＝從像場透鏡到照相機透鏡入射光瞳的距離sf’＝從像場透鏡到由投影器、微透鏡和形成的圖像決定的光瞳的距離。
包括像場透鏡以便使圖像適合于記錄在感光元素上的壓縮圖像元素52圖案中的拍攝和讀出系統的一個實施例舉例示于圖7a和7b。圖7a示意地描述了利用具有光軸407和透鏡405的照相機400拍攝的場景401，所述透鏡405把來自場景401的光線聚集具有雙凸微透鏡陣列410的鹵化銀膠片403上。照相機透鏡405的光學系統形成出射光瞳Pe。鹵化銀膠片403上的微透鏡陣列410形成代表由出射光瞳Pe傳遞的場景信息的集中圖像元素52的圖案。在鹵化銀膠片403上形成的集中圖像元素52以由出射光瞳Pe、微透鏡陣列410各個微透鏡和鹵化銀膠片403之間的空間和角度關系決定的方式相對于光軸407展寬。
圖7b描述掃描儀419，用來掃描曝光和光學處理過的柱鏡膠片421，后者在這個實施例中包括鹵化銀膠片403，在圖7a的照相機中曝光和鹵化銀膠片403曝光至顯影步驟之后。這里掃描儀420具有光源423，所述光源423定位成能夠照亮成像于曝光和光學處理過的柱鏡膠片421上的場景并將它通過微透鏡陣列410、掃描儀透鏡411和光學元件417投影在固態成像器409上。固態成像器409可以包括電荷耦合器件(CCD)、互補金屬氧化物(CMOS)成像器、電荷注入器件或其他電子成像器。掃描儀420的光學系統形成入射光瞳Pi。像場透鏡415位于曝光和光學處理過的柱鏡膠片421和掃描儀透鏡411之間。如上所述，選擇像場透鏡415來以這樣的尺寸和位置為掃描儀透鏡411產生入射光瞳Pi、使得掃描儀透鏡411能夠接收在光學處理過的具有集中圖像元素52的元素38的照明下產生的所有各個投影圖像。因為被像場透鏡415改變的掃描儀透鏡411的入射光瞳Pi和從顯影了的壓縮的攜帶場信息的圖像元素52投影的微透鏡居間的圖像之間的空間和角度關系是這樣的，每一個壓縮的圖像元素52都充分地投影在投影光學系統的入射光疃Pi上，向成像器409提交一個高質量的圖像。應當指出，掃描儀透鏡411和固態成像器409起著代表本發明特定實施例的作用。用印相機透鏡和感光攝像紙可以以同樣令人愉快的結果代替它們。或者，其他投影透鏡系統和先有技術的其他已知感光材料或器件都可以有效地應用于以光學方式再現的圖像的觀察和記錄。
圖8a和8b舉例說明按照本發明的另一個實施例。這里帶有適合于拍攝場景705的透鏡703的照相機701在曝光光路709上具有微透鏡陣列707。照相機701不具有像場透鏡或者這樣而有意地使圖像畸變。在照相機701中可以采用傳統的膠片711。讀出器713可以是掃描儀、看片器或光學印相機。無論如何，讀出器713將具有光源714，用來發射通過在圖8a的照相機701中場景曝光的處理后的膠片717的光線715。在讀出器光路716上，讀出器713另外還包括微透鏡陣列719。微透鏡陣列719與照相機701的微透鏡陣列707匹配。在讀出器光路716上設置有像場透鏡721，后者使光線適合于通過畸變對拍攝時建立的場景/光疃/圖像的空間關系和投影透鏡823以及讀出平面725所遇到的圖像/光疃/輸出的空間關系之間的不匹配進行補償，所述讀出平面725由例如固態成像器的光敏表面或讀出器713中的光敏元件形成。這種組合使集中圖像元素52圖案能夠進行光學再現，以便形成適合于直接光學印相或掃描的圖像。盡管打算進行被掃描的圖像的數字處理，但是被掃描圖像的數字再現不是必須的。
圖9a和9b舉例說明本發明系統的另一個實施例。這里在曝光光路809上，照相機801具有適合于拍攝場景805的透鏡803和微透鏡陣列807。照相機801具有像場透鏡821，有意地使圖像畸變，以便補償拍攝時建立的場景/光疃/圖像的空間關系和投影透鏡823以及讀出平面825所遇到的圖像/光疃/輸出的空間關系之間的不匹配，所述讀出平面825由例如固態成像器的光敏表面或讀出器813中的光敏元件形成。在照相機801中可以采用傳統的膠片811來拍攝場景。讀出器813可以是一個掃描儀、看片器或光學印相機。無論如何，讀出器813都具有光源814，用以發射通過在圖9a的照相機801中曝光的經過處理的膠片817場景的光線815。讀出器813另外在由例如固態成像器的光敏表面或光敏元件形成的讀出器光路816上還包括匹配的微透鏡陣列819。這種結合使集中圖像元素52的圖案可以進行光學再現，以便形成適合于直接光學印相或掃描的圖像。盡管打算進行被掃描的圖像的數字處理，但是被掃描圖像的數字再現不是必須的。
圖10a和10b舉例說明本發明系統的另一個實施例。這里在曝光光路909上，照相機901具有適合于拍攝場景905的透鏡903。照相機901不具有微透鏡陣列或像場透鏡或者這樣而有意地使圖像畸變。照相機901中使用的膠片911具有臨時性微透鏡陣列912，并以保證膠片911的感光材料通過微透鏡陣列912曝光的方式裝入照相機901。所示微透鏡陣列912是乳劑側的陣列，但是微透鏡陣列912也可以是基片側的陣列。在這個實施例中，在曝光后讀出前將微透鏡陣列912從膠片去除，這在光學上作為光學處理的一部分。讀出器913可以是掃描儀、看片器或光學印相機。無論如何，讀出器913具有光源914，用于發射通過在圖10a照相機中場景曝光過的處理過的膠片917的光線915。讀出器913在讀出器光路916上另外還包括匹配的微透鏡陣列919和像場透鏡921，所述像場透鏡921使光線適合于通過畸變對拍攝時建立的場景/光疃/圖像的空間關系和投影透鏡923以及讀出平面925所遇到的圖像/光疃/輸出的空間關系之間的不匹配進行補償，所述讀出平面925由例如固態成像器的光敏表面或光敏元件形成。這種組合使壓縮的圖像元素52得以實現光學再現，以便形成適合于直接光學印相或掃描的圖像。盡管打算對被掃描的圖像進行數字處理，但是被掃描圖像的數字再現不是必須的。
圖11a和11b舉例說明本發明的另一個實施例。這里照相機1001是普通的照相機，它在曝光光路1009上具有適合于拍攝場景1005的透鏡1003。照相機1001中用的膠片1011具有永久性微透鏡陣列1012，并以保證膠片1011的感光材料通過微透鏡陣列1012曝光的方式裝入照相機1001。圖11a所示微透鏡陣列1012是乳劑側的陣列，但也可以是基片側的陣列。讀出器1013可以是掃描儀、看片器或光學印相機。無論如何，讀出器1013具有光源1014，用于發射通過在圖11a的照相機中場景曝光的處理過的膠片1017的讀出器光路1015。讀出器1013在讀出器光路1015上另外還包括像場透鏡1021，后者通過畸變對拍攝時建立的場景/光疃/圖像的空間關系和投影透鏡1023以及讀出平面1025所遇到的圖像/光疃/輸出的空間關系之間的不匹配進行補償，所述讀出平面1025由例如固態成像器的光敏表面或光敏元件形成。這種結合使壓縮的圖像元素52的光學再現得以實現，以便形成適合于直接光學印相或掃描的圖像。盡管打算對被掃描的圖像進行數字處理，但是被掃描圖像的數字再現不是必須的。
圖12a和12b舉例說明本發明的再一個實施例。這里照相機1101在曝光光路1109上具有適合于拍攝場景1105的透鏡1103。照相機1101具有像場透鏡1121，有意地使圖像畸變，以便對拍攝時建立的場景/光疃/圖像的空間關系和投影透鏡1123以及讀出平面1125所遇到的圖像/光疃/輸出的空間關系之間的不匹配進行補償，所述讀出平面1125由例如讀出器1113中的固態成像器的光敏表面或光敏元件形成。照相機1101中用的膠片1111具有臨時性微透鏡陣列1112，并以保證膠片1111的感光材料通過微透鏡陣列1112曝光的方式裝入照相機1101。所示微透鏡陣列1112是乳劑側的陣列，但也可以是基片側的陣列。任選地作為光學處理一部分，在曝光之后和讀出之前將微透鏡陣列1112從膠片1111去掉。讀出器1113可以是掃描儀、看片器或光學印相機。在任何情況下，讀出器1113都具有光源1114，用于發射通過在圖12a的照相機中場景曝光的處理過的膠片1117的光線1115。讀出器1113在讀出器光路1116上另外還包括匹配的微透鏡陣列1119、投影透鏡1123和讀出平面1125。這種組合使壓縮的圖像元素52圖案的光學再現得以實現，以便形成適合于直接光學印相或掃描的圖像。盡管打算對被掃描的圖像進行數字處理，但是被掃描圖像的數字再現不是必須的。
圖13a和13b舉例說明本發明的另一個實施例。這里照相機1201在曝光光路1209上具有適合于在膠片1211上拍攝場景1205的透鏡1203。照相機1201具有像場透鏡1221，有意地使圖像畸變，以便對拍攝時建立的場景/光疃/圖像的空間關系和投影透鏡1223以及讀出平面1225所遇到的圖像/光疃/輸出的空間關系之間的不匹配進行補償，所述讀出平面1225由例如讀出器1213中的固態成像器的光敏表面或光敏元件形成。照相機1201中用的膠片1211具有永久性微透鏡陣列1212，并以保證膠片1211的感光材料通過微透鏡陣列1212曝光的方式裝入照相機1201。所示微透鏡陣列1212是乳劑側的陣列，但也可以是基片側的陣列。讀出器1213可以是掃描儀、看片器或光學印相機。在任何情況下，讀出器1213都具有光源1214，用于發射1215通過在圖13a的照相機中場景曝光的處理過的膠片1217的光線。被圖像調制的光被永久性微透鏡陣列1212解壓，并通過投影透鏡1223，以便在讀出平面1225上形成圖像。這種組合使壓縮的圖像元素的光學再現得以實現，以便形成適合于直接光學印相或掃描的圖像。盡管打算對被掃描的圖像進行數字處理，但是被掃描圖像的數字再現不是必須的。
圖14a和14b舉例說明本發明的另一個實施例。這里照相機1301在曝光光路1309上具有適合于在膠片1311上拍攝場景1305的透鏡1303。照相機1301不具有微透鏡陣列或像場透鏡或者這樣而有意地使圖像畸變。照相機1301中用的膠片1311具有永久性微透鏡陣列1312，并以保證膠片1311的感光材料通過微透鏡陣列1312曝光的方式裝入照相機1301。所示微透鏡陣列1312定位于膠片1311的基片側，但也可以定位于膠片1311的乳劑側。永久性微透鏡陣列1312產生畸變，以便對拍攝時建立的場景/光疃/圖像的空間關系和投影透鏡1323以及讀出平面1325所遇到的圖像/光疃/輸出的空間關系之間的不匹配進行補償，所述讀出平面1325由例如讀出器1313中的固態成像器的光敏表面或光敏元件形成。微透鏡陣列1312中的畸變使形成的圖像的位置以照相機1301中裝入適當的像場透鏡而產生的方式歪斜。所述系統的微透鏡陣列1312中所需的畸變程度通過在照相機1301中利用未畸變的微透鏡陣列(根據成與讀出器1313兼容而選擇加上和不加上像場透鏡)拍攝場景的而以實踐方式確定。或者，微透鏡陣列1312中所需的畸變程度可以輕易地通過利用上列標準透鏡公式計算各個所需的微透鏡位置和特性確定。讀出器1313可以是掃描儀、看片器或光學印相機。在任何形式的讀出器1313中都具有光源1314，用以發射通過在圖14a的照相機中場景曝光的處理過的膠片1317的光線1315。被圖像調制的光被永久性微透鏡陣列1312解壓，并通過投影透鏡1323，以便在讀出平面1325上形成圖像。這種組合使所形成的點-線圖案圖像以適合于直接光學印相或掃描的形式實現光學再現得以實現。盡管打算對被掃描的圖像進行數字處理，但是被掃描圖像的數字再現不是必須的。
在圖15示意地舉例說明的獨特的實施例中，膠片和片盒可以帶有照相機光學系統的記錄，而讀出系統諸如，例如讀出器1313可以具有能夠辨別所記錄的照相機光學系統的數據讀出器1401和調整可調像場透鏡1405的裝置，以便使幾種微透鏡成像照相機和讀出器中任何一種之間的自動兼容成為可能。例如，照相機光學系統的記錄可以在拍攝時利用眾所周知的元數據通信技術編碼在膠片或片盒上，或者可以在制造時編碼在膠片或片盒上，例如預先裝有膠片的照相機。這樣的照相機實例是圖1的照相機20。照相機20具有控制器62，它設計成可以在拍攝圖像時拍攝照相機光學系統的記圖像錄。例如，照相機20具有控制器62，后者利用透鏡位置檢測器63來確定拍攝透鏡系統的入射光疃和圖像拍攝時感光元素30之間的距離，并使通信頭66在照相機20上記錄所述信息。這種信號可以由數據讀出器1601檢測，并由讀出器用來使所述像場透鏡適合于進行所述圖像的去歪斜。
在一個替代的獨特實施例中，有關光學系統的數據可以由讀出器用來確定是否在光路上選擇性地去掉或替換像場透鏡。在再一個獨特的實施例中，像場透鏡可以是可變形的透鏡，通過變形進行調整，以便提供所需的光疃調整。在另一個實施例中，投影器透鏡本身可以是可變形的透鏡系統，它變形來提供使能光疃調整。可變形的透鏡系統在天文攝影術中是眾所周知的，在這里它們往往作為自適應光學系統進行描述。
剩余圖像的恢復人們會回想起，當來自場景的光處于第一曝光范圍84時，在感光元素的剩余圖像區域可以形成剩余圖像。圖16表示經過光學處理的感光元素1950，其上記錄了集中圖像元素1952和剩余圖像1954的圖案。集中圖像元素1952的存在使相關的剩余圖像1954具有令人不愉快的外觀。因此，為了從剩余圖像1954中恢復圖像，必須從剩余圖像1954中去掉集中圖像元素1952。按照本發明，利用光學系統，只投影通過不包括壓縮圖像區域的光，便從剩余圖像1954去掉集中圖像元素1952。為讀出器的光學系統選擇適當的孔徑即可做到這一點。在定義這樣的孔徑時須要滿足的條件是，這樣的光學系統的孔徑是通過微透鏡數值孔徑和倒置的微透鏡數值孔徑相加獲得的復合孔徑。
圖17a表示對從剩余圖像1954選擇性提取圖像信息有效的逆孔徑2002的正面視圖。逆孔徑2002具有不透明光闌(STOP)2008、透明環形區域2006和周圍的不透明光闌2004。圖17b表示具有逆孔徑2002的讀出器2013的側視圖。在所示的實施例中，逆孔徑2002定位成能夠控制透射過以圖像方式曝光并經過光學處理的元素2017的集中圖像區域48、微透鏡陣列2019和像場透鏡2021和投影透鏡系統2023的光。這樣確定逆孔徑2002的中心不透明光闌2008的尺寸、使得能夠阻擋由經過光學處理的元素1950的集中圖像元素1952調制的并由微透鏡陣列2019和像場透鏡2021引導的光。這樣確定透明的環形區域2006和周圍的不透明光闌2004的尺寸、使得投影透鏡系統2023的f值與微透鏡陣列2019的微透鏡的f值匹配。這些f值的匹配保證了被經過光學處理的元素1950的剩余圖像區域1954調制的光透射到讀出平面2025，而同時中心不透明光闌2008截斷被經過光學處理的元素1950的集中圖像區域1952調制的光。逆孔徑的類似用途可以直接應用，用本發明另一個實施例可以實現類似結果。
圖18表示分別利用圖17a和17b的逆孔徑2002和讀出器2013恢復輸出圖像的方法。這個方法的第一步是讓感光元素，例如感光元素1950曝光于來自場景的光，包括上面參照圖2a，2b和2c描述的第二曝光范圍內的光(步驟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記錄在感光元素1950上。然后對感光元素進行光學處理(步驟2054)，使感光元素變為圖17b所示經過光學處理的元素2017。來自光源2016的光投影通過光學處理后的元素2017、被光學處理后的元素2017調制并沿著光路2015傳遞(步驟2058)。然后調制的光通過微透鏡陣列2019，在這里對包含在調制光中的圖像解壓(步驟2058)。然后像場透鏡2021選擇性地使所述解壓后的調制光適合于對所述光線進行去歪斜(步驟2060)。然后，借助截斷由記錄在經過光學處理的元素2017中的集中圖像區域調制的光的濾光鏡對解壓和去歪斜后的光進行濾光(步驟2062)。這種濾光過程的結果是只有由剩余圖像區域1950調制的光才用來在讀出平面2025上形成圖像。在讀出平面2025上形成圖像包括恢復的圖像。然后對所述圖像進行處理(步驟2064)。
用于恢復圖像的組合裝置圖像恢復系統可以回想起來，經過光學處理之后，經過光學處理的元素38包含集中圖像元素52中的圖像和采取剩余圖像54形式具有集中圖像元素52的圖像。為了充分利用由微透鏡協助攝影術提供的擴展的范圍，提供一種讀出裝置是有用的，它能夠拍攝和從具有以集中圖像元素1052的形式和諸如圖像1954以剩余圖像的形式記錄于其上的圖像的片帶恢復圖像。這種裝置的一個實例是圖19所示的裝置。
如圖19所示，照相機20用來把已經由微透鏡陣列40分開的圖像記錄在片帶上，然后進行光學處理，變為圖19所示的經過光學處理的元素38。經過光學處理的元素38上的圖像用讀出裝置2100讀出。所述讀出裝置包括電子掃描儀。如圖19所示，掃描儀2100乃是包括像場透鏡2120、微透鏡陣列2125、逆孔徑2130和透鏡系統2110的光學系統2105。光學系統2105用來在掃描儀2144上形成有意義的圖像。但是，為了實現這一點，必須確定要掃描的圖像是作為集中圖像元素圖案1952記錄的圖像，還是作為剩余圖像圖案1954記錄的圖像。在第一實施例中，設置檢測器2140。檢測器2140設計成用來檢測記錄在經過光學處理的元素38上指示所述圖像是記錄在集中圖像元素52的圖案中的圖像，還是作為剩余圖像54記錄的圖像的信號。在這方面，參照圖1，圖中示出具有任選的光傳感器60、控制器62、感光元素型的傳感器64和通信頭6的照相機206。這些光學組件可以用來檢測圖像曝光時場景中光的量級，并作為信號編碼在信號感光元素30上，指示感光元素30是包含來自第一曝光范圍的圖像信息，諸如包含在集中圖像元素52中的信息，還是包含在第二曝光范圍，諸如記錄在剩余圖像54的信息，或包含兩者。
光傳感器60可以包括是產生例如與場景的光量成正比的電壓輸出的光電池。控制器62檢測所述信號并根據此信號決定場景亮度。控制器62可以是數字控制器，諸如微處理器或微控制器或模擬控制器，諸如可編程模擬器件。在控制器62是模擬式時，可以在光傳感器60和控制器62之間插入模數轉換器(未示出)，用以把電壓轉換為數字形式。
感光元素型傳感器64產生代表裝入照相機20的感光元素類型的信號。感光元素型傳感器64可以是DX或光學條形碼讀出裝置，用以直接從感光元素30或感光元素小罐(未示出)讀出感光元素的類型標記或指示感光元素類型的其他信號。感光元素型傳感器64也可以是開關或其他設置裝置，使用戶可以指出裝入照相機20中的感光元素30的類型。在感光元素30上標有感光元素類型標記的地方，可以用通信頭66作為感光元素型傳感器64。控制器62從光傳感器60和感光元素型傳感器64接收信號，并確定來自場景的光是具有足以形成以集中圖像元素52圖案形式記錄的圖像的強度范圍還是形成剩余圖像54形式的圖像的強度范圍。然后控制器62使通信頭66把信號編碼在感光元素30上，指示編碼在感光元素30上的邊沿(edge)類型。所述信號可以是光、磁、機械或其他類型。在一個替代的實施例中，感光元素30配有電子存儲器，諸如集成電路存儲器(未示出)。在這個替代實施例中，有關感光元素30類型的數據在制造時記錄在隨同集成電路的電子存儲器中，由通信頭66從感光元素30提取出來。這個通信可以用光、電子無線電頻率或任何其他方便的手段進行。指示圖像類型的數據還以類似方式記錄在電子存儲器中。
信號還可以通過機械方法改變感光元素30或感光元素盒(未示出)記錄在感光元素30上。在這樣的實施例中，通信頭66可以剪切、沖孔或用其他方式改變感光元素30或感光元素30盒(未示出)來記錄信號，所述通信頭66還可以適合于檢測這樣的信號。先有技術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碼、條形碼、暗盒上的芯片、感光元素光學字符、感光元素磁等，正如在美國專利No.6,222,607B1(Szajewski等人)公開的。
檢測器2140檢測這樣的記錄信號，并產生由掃描儀控制器2145檢測的信號。檢測器2140還可以檢驗圖像中的光學字符，以便確定特定的感光元素包含以集中圖像元素52還是剩余圖像54圖案形式編碼的圖像。然后掃描儀控制器2145使像場透鏡2120和/或逆孔徑2130以這樣的方式動作、以便能夠如上所述地或者從集中圖像元素52的圖案或者從剩余圖像54恢復圖像。
在一個實施例中，當確定記錄在經過光學處理的元素38上的圖像是剩余圖像時，可以把逆孔徑2002選擇性地插入光路2102內，而當確定經過光學處理的元素38上的圖像是以集中圖像元素的圖案的形式建立時，將其移開。恢復的圖像投影在掃描儀2144上。掃描儀2144可以是模擬掃描儀和/或數字式掃描儀。在這方面，掃描儀2144可以是，例如，陣列檢測器(未示出)，諸如電荷耦合器件的陣列。或者，掃描儀2144可以是檢測器的線性陣列，用以逐行掃描恢復圖像。其他類型的傳統掃描方法和裝置也可以采用。對于圖形成像，產生紅、綠、蘭象素序列，它們可以與從掃描儀2144提供的空間位置信息關聯起來。必要時這種信息可以用模數轉換器變為數字形式。
掃描儀2144可以以任何多種傳統方式產生來自感光元素的成像信息。在一個推薦的實施例中，可以用通過蘭、綠、紅濾光片分色的蘭、綠、紅光范圍內的單個掃描光束順序地對記錄在經過光學處理的元素38上的圖像進行掃描，以便形成用于每一種顏色記錄的分開的掃描光束。若其他顏色以圖像方式呈現在經過光學處理的元素38上，則可以采用其他適當顏色的光束。或者，當采用單色成形材料時，則可以掃描和處理所述材料。為方便起見，后面的討論將集中在彩色形成材料處理上。在一個實施例中，用紅、綠、蘭光來提取以圖像形式記錄的信息，并對經光學處理的元素38進一步用紅外光掃描，以便記錄非圖像瑕疵的位置。當采用這樣的瑕疵或“噪音”掃描時，對應于所述瑕疵的信號可以用來提供軟校正，使瑕疵顯得不那么顯眼，或者在軟拷貝或硬拷貝形式中根本察覺不到。達到這種類型的減少瑕疵工作的硬件、軟件和技術在美國專利No.5,266,805(Edgar)和世界專利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。
在另一個實施例中，結合透射和反射掃描多次掃描所形成的圖像，任選地用紅外線，并結合所得到的文件來產生代表初始圖像的單個文件。這樣的方法在美國專利No.5,466,155、美國專利No.5,519,510，5,790,277和No.5,988,895(均Edgar等人)中作了描述。
掃描后對圖像數據進行處理以便在從集中圖像區域48或剩余區域50恢復圖像信息之前保證彩色數據的保真度。例如，掃描后對攜帶圖像的信號進行變換的專門技術在美國專利No.5,267,030(Giorgianni等人)，美國專利No.5,528,339(Buhr等人)，美國專利No.5,835,627(Higgins等人)，美國專利No.5,694,484(Cottrel等人)，美國專利No.5,962,205(Arakawa等人)和美國專利No.6,271,940 B1(Deschuytere等人)中作了描述。其他對這種方法的舉例說明見于Giorganni和Madden’s的Digital ColorManagement(數字彩色管理)，Addison-Wesley，1998一書。所公開的信號轉換技術可以進一步修改，以便提供包括外觀由用戶選擇的圖像(提供參考資料)。
矩陣和查找表格可以提供有效的圖像變換。在一個實施例中，可以采用3個一維查找表格，每一個用于紅、綠、蘭色彩色記錄。由于這種變換的復雜性，應該指出，采用三維查找表格往往能夠較好地完成變換。在另一個實施例中，可以采用多維查找表格，在美國專利No.4,941,039(D’Errico)中均有描述。
在一個改型中，來自掃描儀的R，G和B帶有圖像的信號轉為相當于來自基準圖像記錄器或介質的圖像度量(Image Metric)，而且其中所有輸入介質的度量值(Metric Value)相當于基準裝置或介質在輸入介質拍攝所述場景時同樣的條件下拍攝原來的場景時基準裝置或介質形成的三色值。例如，若基準圖像記錄介質選為特定彩色的底片，而且中間圖像數據度量(Metric)選為基準膠片的實測RGB密度，然后對于輸入的彩色底片，來自掃描儀的R，G，B攜帶圖像的信號被變換為對應于基準彩色負性感光元素在實際彩色負性材料曝光的同樣條件下曝光時本應形成的圖像的R’，G’，B’密度值。
在另一個改型中，若基準圖像記錄介質選為特定的彩色底片，而中間圖像數據度量選為所述基準膠片預定的R’，G’，B’中間密度，則對于按照本發明的輸入彩色負性感光元素，把來自掃描儀的R，G，B攜帶圖像的信號變換為對應于實際彩色負性記錄材料曝光的同樣條件下曝光的基準彩色負性感光元素本應形成的圖像的R’，G’，B’中間密度值。這樣掃描的結果是代表感光元素30上拍攝的圖像的數字圖像數據。
數字信號處理器2148接收掃描儀2144和/或模數轉換器2146輸出的信號。數字信號處理器2148設計來以下面描述的方式處理信號，并將信號轉變為它想要采用的形式。
后掃描圖像處理如上所述，恢復輸出圖像之后，可能想要對輸出圖像進行額外的處理，以便進一步改善所述圖像并為隨后的處理準備圖像數據。所進行的后圖像處理的類型取決于再現所述圖像所用的設備的類型。例如，用以再現輸出圖像的設備是傳統的光學相片洗印系統。傳統的光學的化學的手段都可以用來改善圖像的外觀。這樣的技術可以包括有利地以光化學方式改變圖像的飽和度或圖像的彩色內容和/或改變所述圖像的表觀對比度。光學技術，諸如裁切、模擬變焦距和其他技術也可以用來在這樣的系統中改善圖像。
在掃描或以其他方式從光學領域或電子領域傳輸恢復的圖像的地方，可以采用其他圖像處理，包括但不限于場平衡算法(用以根據處理的膠片內一個或多個區域的密度確定密度和彩色平衡的修正值)，美國專利No.5,134,573(Goodwin等人)描述的用以放大感光元素無曝光伽瑪的色域管理，通過渦流進行非自適應或自適應銳化或暈化蒙罩、減少紅眼和非自適應或自適應顆粒抑制。另外，圖像可以進行藝術變換、變焦距、裁切和與其他圖像結合或先有技術已知的其他處理。歐洲專利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)描述了其他有用的圖像處理序列。
如圖19所示，一旦對恢復的圖像進行處理，而且出現任何其他圖像處理和變換，圖像便可以用電子方式傳輸到遠方或在本地寫入各種輸出裝置，包括但不限于感光元素記錄器2156，圖像記錄器2158，用印相機2174印到印相介質，諸如印相紙或膠片上，熱打印機、電子光學圖形打印機、噴墨打印機、顯示器2152，用光盤驅動器2170寫入CD或DVD光盤2168，用磁盤驅動器寫入磁電信號存儲盤2164，先有技術已知的其他存儲裝置2150和顯示裝置2152。
在這方面，圖像可以任選地進行處理，以便使其適應最終用途。例如，攜帶圖像的輸出信號可以適應基準輸出裝置，可以以裝置特定的代碼值，或者可以要求其他調整，變為裝置特有的代碼值。這樣的調制可以用進一步的矩陣變換或一維查找表格變換或這樣的變換的組合來為利用特定的裝置的任何傳輸、貯存、打印或顯示步驟作適當準備。然后輸出圖像用電子方式遞送或運送盤、印相的圖像或其他輸出。
除數字處理外，數字圖像可以用來改變圖像的物理特性，諸如“開窗口”和“調平”(利用計算機層面掃描)或先有技術已知的其他處理。
微透鏡和微透鏡陣列的特性在以上的討論中，對微透鏡陣列42的應用已經作了一般的描述。陣列40的各個微透鏡42會聚透鏡，其形狀使光線會聚或聚焦。于是，它們從片基形成會聚投影。各個投影的形狀為完美的或不完美的球形的一部分。因此，微透鏡可以是球形部分透鏡或者它們可以是非球面透鏡或者兩種微透鏡同時使用。球面部分微透鏡具有這種球面部分的形狀和斷面。非球面部分微透鏡具有扁球形或長球形的形狀和斷面。所述透鏡之所以稱為“微”是因為它們形成直徑1至1000微米的圓形或接近圓形的投影。圓柱形部分微透鏡具有圓柱部分的形狀和斷面。非圓柱形部分微透鏡具有扁或長圓柱形的形狀和斷面。具體地說，前面的討論一般都假定和描述在與球面微透鏡42的密堆積的立方體微透鏡陣列40相呼應的情況下本發明的應用。將會看出，微透鏡42和微透鏡陣列40的各種配置均可采用。例如，圖20在概念上表示微透鏡42的微透鏡陣列40在支持體90上排列成均勻的立方體密堆積分布圖案。應當指出，也可以采用其他圖案。例如，圖20表示偏置矩形密堆積陣列圖案的一個實施例。在圖20所示的另一個實施例中，微透鏡陣列40排列成六角形密堆積陣列圖案。微透鏡陣列40也可以以微透鏡42隨機分布為特征。具有隨機分布的陣列的一個實施例示于圖20。圖20中還示出再一個實施例，微透鏡陣列40可以是微透鏡42的圓柱形陣列或非圓柱形陣列。
如圖21a，21b和21c所示，微透鏡陣列40可以包括具有不同光學特性的微透鏡42。在圖21a的實施例中，示出圓柱形微透鏡42的微透鏡陣列40。如圖21a所示，微透鏡陣列40的第一組微透鏡42a比所述微透鏡陣列40的第二組微透鏡42b截面積大。在這個實施例中，第一組微透鏡42a在曝光期間比微透鏡42b集中更大部分光線。于是，如圖21d所示，當曝光期間的光量處在第一曝光范圍84時，第一組微透鏡42在感光元素30上在第一組集中圖像區域48a內形成線形圖像曝光。當來自場景的光處在第二曝光范圍86時，第二組微透鏡陣列40在感光元素30上在第二組集中圖像區域48b內形成線形圖像。未由任何一組微透鏡42a或42b集中的光可以在圖21a的感光元素30上的二次曝光區域50內形成剩余圖像(未示出)。類似地，圖21b和21c各自表示具有不同尺寸的各組微透鏡42a和42b的微透鏡陣列40的應用，其中當來自場景24的光處在第一范圍時，微透鏡陣列40a把光集中形成曝光，并把光引向感光元素30的集中圖像區域48a。當來自場景的光處在第二范圍時，微透鏡40b集中來自場景的光并把光引向感光元素30的集中圖像區域48b形成曝光。這里也在感光元素30的剩余曝光區域50記錄了光的剩余部分。于是，在圖21a-21c的這些實施例中，感光元素30的有效感光度可以得到進一步的擴展。如圖21c所示，微透鏡40的面積覆蓋率不必最大化。盡管微透鏡40的任何面積覆蓋率均可應用，但是微透鏡40的投影面積對感光元素或光敏元件30的投影面積之比至少可以是20％。在一個實施例中，覆蓋率可以在50％和85％之間。在另一個實施例中，可以采用85％面積覆蓋率直至密堆積極限。可以調節面積覆蓋率的精確程度，以便能夠改變曝光感光度量級，而同時維持有效的感光顆粒度和清晰度。在任何一個面積覆蓋率小于密堆積極限的實施例中，可以這樣形成支持體90、使得剩余光線射在感光元素30上。
微透鏡陣列40可以包括一組單個的微透鏡42，一起形成或聯合在一起形成，例如，通過擠壓、噴射成型和先有技術已知的其他傳統制造技術。也可以通過把用機械的或化學的手段固定在一起的或者裝在支持體90上的多個單獨的微透鏡42組合在一起來形成微透鏡陣列40。微透鏡陣列40可以包括一組雙凸珠或球體(未示出)，所述雙凸珠或球體設置成接近感光元素30或覆蓋在感光元素30上或與感光元素30結合。可以用微結構工藝中任何已知的方法形成微透鏡42。微透鏡42對感光元素30可以是單個的，例如，在制造時直接嵌入感光元素30，或者它們做成一個整體作為獨特的層貼在感光元素30上。在再一個實施例中，微透鏡陣列40可以利用感光涂層形成。
圖22a-22c表示裝在支持體90上的微透鏡42的剖面圖，圖中呈現各種球形或非球形微透鏡42的示例性實施例。圖22a和22c表示具有球面微透鏡42的微透鏡陣列40的實施例。應當指出，上述陣列圖案的任何一種都可以與非球面微透鏡42結合，以提供擴大的感光度。另外，可以應用任何非密堆積方式的微透鏡42圖案，使擴大感光度成為可能。
微透鏡42用獨特的陰影線表示，舉例說明實際上構成微透鏡的突出部分的球面或非球面特征。圖22b和22c所示類型的非球面微透鏡42對這種應用場合特別有用，因為透鏡的可變的半徑為控制透鏡焦距作好準備，并且透鏡有效孔徑幾乎與微透鏡之間的間隔和感光層無關。盡管這些剖面已經描述為球面或非球面，但是應當指出，這些示意圖同樣代表剖面圓柱形和非圓柱形微透鏡42。
光的集中或由帶有圓形投影微透鏡42的拍攝透鏡系統22聚焦的集中光的有效感光速度增益是照相機20和微透鏡42的f值的比率平方。可以按照感光速度增益等于2×log(照相機透鏡的f值/微透鏡的f值)來確定這樣的系統中的感光速度增益(用相對曝光量的log表示)。圓柱形微透鏡的光的集中或有效感光速度增益只允許這樣的改進量的平方根，因為它們只在一個方向上集中光。微透鏡陣列40對光的集中既使系統感光速度獲得增益、又在感光材料上形成曝光圖案。
照相機20的尺寸和拍攝透鏡系統22的詳細特性決定了曝光光疃到圖像的距離，亦即照相機工作焦距。在感光元素30的感光層上形成微透鏡圖像。照相機拍攝透鏡系統22的f值控制照相機20的焦深和場深，而同時微透鏡f值控制照相機20的有效光疃，在獲得寬闊的焦深和場深的同時，可以獲得優異的清晰度。利用微透鏡陣列40的開放的f值，用一般認為的“低速”的乳劑獲得了高的系統感光速度。這種極快的感光速度使得可以在沒有通常與“高感”乳劑相聯系的熱和輻射不穩定性的情況下進行現有的光拍攝。
因此，照相機拍攝透鏡22和微透鏡42的f值的有效結合就可以獲得系統感光速度增益。系統感光速度增益大于0.15logE或1/2光圈是有用的，雖然系統感光速度增益最好為0.5logE或更大。雖然可以有益地使用其f值使為了預期的目的而具有適當場深的照相機拍攝透鏡22能夠獲得感光速度增益的任何微透鏡42，但是，一般f值為1.5至16的微透鏡42是有用的。在某些情況下，f值在f/2至f/7范圍內的微透鏡42是有用的。在其他實施例中，最好用f值在f/3至f/6范圍內的微透鏡42。
當通過光學處理來維持各個微透鏡和膠片感光層之間的空間關系、例如采用具有微透鏡的光學支持體時，微透鏡的光疃及其NA均得以維持。但是，當在拍攝和投影中采用獨特的雙凸透鏡陣列時，在獲得工作系統方面就會碰到額外的約束。這后一種環境可能在例如裝有雙凸透鏡陣列的照相機與裝有雙凸透鏡陣列的印相機或掃描儀配合使用時可能出現。或者，當其雙凸透鏡陣列在光學處理期間被改變或破壞的膠片與裝有雙凸透鏡陣列的印相機或掃描儀配合使用時，也可能出現。在這些情況下，只讓投影光線通過點而不通過周圍區域的條件是，維持微透鏡的圖案、數目和光學能力，而且投影系統的數值孔徑不超過微圖像的數值孔徑。讓投影光線通過點和周圍區域的條件是，維持微透鏡的圖案、數目和光學能力，而且投影系統的數值孔徑與微透鏡的數值孔徑匹配。讓投影光線通過周圍區域而不通過點的條件是，維持微透鏡的圖案、數目和光學能力，而且投影系統的孔徑是把微圖像的數值孔徑加在微圖像數值孔徑倒數上所得的復合孔徑。
對于點圖案，特定微透鏡的微圖像NA是由點的半徑和微透鏡的焦距推算出來的。平行方程式(parallel equation)可用于線圖案微圖像NA＝sinθ而式中tanθ＝圖像點半徑除以相應的微透鏡焦距。
微透鏡42的最佳設計參數以及它們與感光元素30的感光層的關系遵從以下這些定義微透鏡半徑是微透鏡42半球面突出部分曲率半徑。對于非球面微透鏡，所述值隨著微透鏡表面而變化。
微透鏡孔徑是微透鏡形成的斷面積，一般描述為直徑。對于球面微透鏡，所述直徑必須小于或等于微透鏡半徑的兩倍，對于非球面微透鏡，所述直徑可以大于微透鏡中所遇到的最小半徑的兩倍。采用尺寸不同的具有獨特孔徑的微透鏡可在微刻度上能夠獲得獨特的感光速度增益，因而使感光層的曝光敏感度得以擴大。
微透鏡數值孔徑＝sinθ’式中tanθ’＝微透鏡孔徑半徑(不是曲率半徑)除以微透鏡的焦距。
微透鏡焦距是從微透鏡42到感光元素30的感光層的距離。對于在支持體的相對于感光層的反面上的微透鏡42，這一般設為大約支持體的厚度。應當指出，微透鏡的使用使獨特的彩色拍攝優先增強感光度成為可能。在諸如蘭光少紅光多的陰暗的白熾燈照明的室內等特定的不平衡的照明條件下這個特性可能是特別重要的。例如，對于準備用白熾燈照明進行拍攝的系統，微透鏡可以聚焦于膠片蘭光敏感層，從而為彩色照片提供優先的感光速度提升，并改善彩色平衡。在其他環境下，可以優先提升其他顏色。
微透鏡f值是微透鏡42孔徑除以微透鏡焦距。對于球面微透鏡42，所需的微透鏡焦距可以用來按照以下的透鏡方程式確定適當的微透鏡半徑微透鏡半徑＝微透鏡焦距×(n2-n1)/n2式中n1是微透鏡以外物質(一般為空氣，折射率為1)的折射率，而n2是微透鏡和任何連續的透明材料(例如，用作陣列支持體90的塑料)的折射率。攝影術上有效的明膠一般具有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之間。在最佳實施例中，所述比率在0.95和1.05之間。根據典型攝影系統組件已知的折射率，有效的微透鏡將具有約為3倍的微透鏡半徑((n2-n1)/n2≈1/3)的微透鏡焦距。非整體微透鏡42可以用范圍很寬的塑料和玻璃制成。對于整體成型在感光元素30上的微透鏡42，當形成微透鏡用的材料、攝影支持體和感光層容器的折射率盡可能接近時，提供優秀的光學性能。但是，有意使折射率不匹配可能便于光的漫射和反射，以此影響剩余圖像54的形成范圍。
因而，在適于用作膠卷形式感光元素30的柔軟的攝影膠片上形成并位于支持體的感光層反面的微透鏡42具有由膠片34厚度決定的有效半徑。優選的柔軟襯底34厚度約在60和180微米之間。在這種情況下，應當指出，非球面微透鏡42在對感光支持體的其他要求調整微透鏡孔徑和焦距方面設計上的靈活性比較大。在一個替代的實施例中，焦距較短的微透鏡42可以用于支持體乳劑一側，其中微透鏡42與感光層位于同一側，離支持體比離鹵化銀層遠。這里所需的焦距由任何中間層決定。有中間層時，它們的厚度約為1至50微米或更大。在圖1的實施例中，微透鏡42的微透鏡陣列40與感光元素30分離，單獨裝在照相機20內照相機拍攝透鏡系統22和片門26之間。在這個實施例中，焦距由微透鏡材料和周圍介質，一般空氣之間的折射率差和微透鏡曲率半徑決定。
盡管為了達到所需的效果每幀圖像任何數目的微透鏡42均可采用，但是應當指出，任何特定配置下采用的實際數目都取決于配置。例如，當要求微透鏡42焦距因微透鏡42整體地形成在支持體感光材料一側，而且微透鏡42的f值由組合透鏡系統所需的系統感光速度增益固定時，可以碰到10至100微米的微透鏡孔徑或片孔距(pitches)。于是135格式幀，尺寸約為24×36mm，覆蓋整個表面約需8.6萬個至860萬個微透鏡。乳劑側微透鏡，具有較短的焦距，可以具有約在3至30微米之間的有效孔徑或pitches，這意味著每個135格式幀，覆蓋整個表面約需96萬個至9600萬個微透鏡。焦距有較大自由度時裝在照相機中的微透鏡42孔徑可達500微米甚至更大。
來自場景的光可以通過多于一個微透鏡陣列40。例如，來自場景的光可以通過具有沿著水平軸排列的半圓柱形微透鏡的第一微透鏡陣列，然后通過具有沿著垂直軸排列的半圓柱形微透鏡的第二微透鏡陣列。這種技術可以有效地用來使來自場景的光進行雙軸集中。
描述了幾個特定的系統組合。全都是帶有像場透鏡類型的光學再現。當然，任何掃描的圖像都潛在地要進行數字再現，例如當采用膠片而膠片本身曝光時，借助于與微透鏡的任何影響無關的數字增強是有好處的。
權利要求
1.一種利用對預定曝光量級范圍內的光敏感的感光元素拍攝包括曝光量級預定范圍以外的曝光量級的圖像的方法，所述方法包括以下步驟使所述感光元素對來自場景的光曝光；把來自所述場景的所述光分成集中部分和剩余部分，當來自所述場景的光處于第一曝光范圍時，所述集中部分被引導在所述感光元素上形成集中圖像元素的圖案，而當來自所述場景的光處于第二曝光范圍時，所述光的所述剩余部分被引導形成剩余圖像；以及對來自所述場景的光進行適配、以便在所述感光元素上集中圖像區域的預定圖案內形成所述集中圖像元素的圖案。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于使所述感光元素對來自場景的光曝光的步驟包括讓來自所述場景的光通過具有出射光疃的拍攝透鏡系統。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述適配來自所述場景的光的步驟包括在所述拍攝透鏡系統和所述感光元素之間設置像場透鏡、以便在所述感光元素的集中圖像區域的圖案內形成集中圖像元素的圖案。
4.如權利要求2所述的方法，其特征在于所述像場透鏡插在所述場景和微透鏡陣列之間，并且適配來自所述場景的所述光的步驟包括調整所述像場透鏡的光學特性、以便在所述集中圖像元素區域內形成所述集中圖像元素的圖案。
5.一種用于從經過光學處理的感光元素形成輸出圖像的方法，所述感光元素具有至少一個位置偏離集中圖像區域預定圖案的集中圖像元素圖案，所述方法包括以下步驟用所述經過光學處理的感光元素對光進行調制；對調制的光進行解壓，以便從被集中圖像元素預定圖案調制的光提取圖像；對所述解壓的圖像進行適配、使得所述解壓的調制的光形成解壓的圖像，所述解壓的圖像具有從位于所述集中圖像元素的預定圖案內的集中圖像元素的圖案形成的圖像的外觀；以及把所述解壓的圖像聚焦在成像平面上。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于還包括以下步驟適配所述解壓后的光、使得讀出器透鏡系統的入射光疃和在光學處理后的感光元素上形成的集中圖像元素圖案之間的空間和角度關系在光學上與拍攝透鏡系統的出射光疃和在所述感光元素上形成的所述集中圖像元素圖案之間的空間和角度關系匹配。
7.一種照相機，用以在對預定曝光量級范圍內的光敏感的感光元素上形成至少一個圖像、以便拍攝包括超出曝光量級預定范圍的曝光量級的圖像，所述照相機包括片門，它確定所述感光元素的位置；拍攝透鏡單元，用于把來自場景的光聚焦在所述感光元素上；快門，使所述感光元素對來自所述場景的光可控曝光；微透鏡陣列，它設置在像場透鏡和所述感光元素之間，當曝光包括第一曝光量級范圍內的光時，所述微透鏡陣列引導來自所述場景的光的第一部分在所述感光元素上形成集中圖像圖案，并且當來自所述場景的光處于第二曝光量級范圍時，所述微透鏡陣列允許來自所述場景的光的第二部分傳遞到所述感光元素，在所述集中曝光元素周圍形成剩余圖像，其中，所述第一曝光量級范圍和所述第二曝光量級范圍的組合以及所述第二曝光量級范圍大于預定曝光量級范圍；以及像場透鏡，它設置在所述拍攝透鏡單元和所述微透鏡陣列之間，所述像場透鏡適配來自所述場景的光、以便在所述感光元素上集中圖像區域的預定圖案內形成所述集中圖像元素的圖案。
8.如權利要求7所述的照相機，其特征在于選擇性地確定所述像場透鏡的位置，以便適配來自所述場景的光、使得在所述感光元素上形成的所述集中圖像元素圖案與由帶有拍攝透鏡系統的照相機形成的集中圖像元素圖案一致，所述拍攝透鏡系統的出射光疃與所述感光元素和微透鏡陣列具有預定的空間和角度關系。
9.如權利要求7所述的照相機，其特征在于所述照相機還包括數據記錄器，用以記錄所述感光元素上表示拍所述拍攝透鏡系統的所述出口光疃位置的信號。
10.一種讀出設備，用以利用經過光學處理的感光元素形成輸出圖像，所述經過光學處理的感光元素具有記錄在其上的集中圖像元素的圖案和剩余圖像中的至少一個，所述讀出器包括光源，用于輻射光；片門，用于確定所述經過光學處理的感光元素的位置、以便調制由所述光源輻射的光；微透鏡陣列，它適合于對由所述經過光學處理的感光元素上的集中圖像元素區域的預定圖案調制的光進行解壓，所述預定的圖案不同于在所述經過光學處理的感光元素上實際形成的圖案；透鏡單元，它接收所述解壓后的光并且在成像平面上形成輸出圖像；以及像場透鏡，它設置在微透鏡陣列和所述透鏡單元之間，所述像場透鏡適配所述解壓后的光、以便使所述輸出圖像包含基于在所述感光元素上實際形成的所述集中圖像元素圖案的圖像。
全文摘要
提供一些方法和裝置，用對在預定曝光量級范圍內的光敏感的感光元素拍攝包括超出曝光量級預定范圍的曝光量級的圖像。使感光元素對來自場景的光曝光。來自場景的光被分成集中部分和剩余部分，當來自場景的光處于第一曝光范圍時，來自場景的光的集中部分被引導在感光元素上形成集中圖像元素圖案，而當來自場景的光處于第二曝光范圍時，來光的剩余部分被引導形成剩余圖像。還使來自場景的光適合于使集中圖像元素圖案在感光元素上集中圖像區域的預定圖案內形成。
文檔編號G03B15/00GK1467560SQ0314248
公開日2004年1月14日 申請日期2003年6月12日 優先權日2002年6月12日
發明者L·M·歐文, R·P·沙杰夫斯基, L M 歐文, 沙杰夫斯基 申請人:伊斯曼柯達公司