CN101840056A - 扩展景深监视成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扩展景深(EDOF)监视成像系统(8)，该监视成像系统具有透镜系统(10)，该透镜系统具有总透镜光焦度和球差量SA，其中，0.2λ≤SA≤2λ。该透镜系统包含第一透镜组(G1)和第二透镜组(G2)。第一透镜组具有第一和第二相对的弯月形透镜元件(L1，L2)，所述第一和第二相对的弯月形透镜元件具有总光焦度，使得。第二透镜组具有双合透镜(D1)和最像侧的正透镜元件(L5)。孔径光阑(AS)设置在第一透镜组和第二透镜组之间，或者设置在第二透镜组内。图像传感器(30)被设置为接收图像并由该图像形成数字化电子原始图像。图像处理器接收数字化电子原始图像并对该数字化电子原始图像进行数字滤波，以形成数字化对比度增强的图像。

Description

扩展景深监视成像系统

技术领域

本发明总体地涉及监视成像系统，具体地涉及具有扩展景深(extended depth-of-field)的这种成像系统。

背景技术

扩展景深(“EDOF”)成像系统(也称为“扩展焦深”成像系统)在诸如生物测定(biometrics)(例如，虹膜识别)、条形码扫描器、闭路电视(CCTV)系统和其它类型的监视系统的各种成像应用中的使用日益增多。

EDOF成像系统的光学(透镜)系统通常包括设置在入射光瞳中以赋予复杂的波前形状的非圆形对称的“波前编码”板。

由于希望EDOF成像系统用于数量日益增多的成像应用中，所以需要这样一种EDOF成像系统，该EDOF成像系统使用常规的旋转对称的透镜元件，但是仍然可以为包括监视应用的广泛的应用提供EDOF成像能力。

发明内容

本发明的一个方面是用于以成像波长λ在EDOF的范围内形成被摄体(object)的图像的EDOF成像系统。该EDOF成像系统包括具有第一透镜组和第二透镜组的透镜系统。最物侧(most object-wise)的第一透镜组包括两个相对的(confronting)弯月形透镜元件，这两个弯月形透镜元件被配置为使得第一透镜组基本上不具有光焦度(即，总透镜系统光焦度的5％或更少)，但是用来校正像差(即，提供波前校正)。

该透镜系统还包括由三个透镜元件构成的像侧(imagewise)的第二透镜组，其中，这三个透镜元件中的两个形成双合透镜。该第二透镜组被配置为使得它基本上包含该透镜系统的所有的光焦度(即，总透镜系统光焦度的95％或更多)，因此用来形成被摄体的图像。孔径光阑AS位于第一透镜组G1和第二透镜组G2之间，或者位于第二透镜组内。

该透镜系统被配置为具有提供EDOF能力的球差量SA(在下文中，“球差SA”)。在示例实施例中，球差SA被选择为使得0.2λ≤SA≤2λ，或者较优选地，0.5λ≤SA≤1λ，或者更优选地，SA＝0.75λ。

EDOF成像系统还包括提供被摄体的原始数字化图像的图像传感器。该原始图像可被直接用于选择成像应用。对于其它应用，EDOF成像系统包括图像处理器，该图像处理器与图像传感器可操作地耦合，并且被配置为接收该原始数字化图像并使用增强调制传递函数来处理该原始数字化图像，以在比相应的衍射限制DOF大的DOF的范围内形成增强数字化图像，即，具有可接受的图像对比度的图像。

本发明的额外的特征和优点将在下面的详细描述中进行阐明，并且，对于本领域的技术人员来说，根据该描述，这些特征和优点部分地是显而易见的，或者，通过如本文所述的那样实践本发明来得以了解，本发明包括下面的详细描述、权利要求书和附图。

应当理解，前面的概述和下面的详述都呈现了本发明的实施例，并且旨在提供用于理解要求保护的本发明的实质和特点的概览或构架。为了进一步理解本发明而包含附图，并且，附图被合并在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图图示了本发明的各种实施例，并且与说明书一起用来解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1是根据本发明的EDOF成像系统的示例实施例的示意图；

图2A是图1的EDOF成像系统的透镜系统的第一透镜组的示意图，并且图示由于第一透镜组的基本上远焦的性质和弱光焦度而导致的从其通过的光线的路径的最小变化；

图2B示出仅通过示例的第一透镜组的第一透镜元件(透镜L1)的光线，并且图示该最物侧的透镜元件的相对较弱的正光焦度；

图2C示出仅通过示例的第一透镜组的第二透镜元件(透镜L2)的光线，并且图示该透镜元件的相对较弱的负光焦度；

图3是由示例透镜系统的每一个表面所贡献的球差量SA以及由∑表示的总量(“和”)的示意图；

图4是由示例透镜系统的每一个表面所贡献的彗差量以及由∑表示的总量(“和”)的示意图；

图5是彗差随着孔径光阑位置的演变的示意图，该示意图示出了零彗差位置；

图6是由示例透镜系统的每一个表面所贡献的像散量以及由∑表示的总量(“和”)的示意图；

图7是由示例透镜系统的每一个表面所贡献的场曲量以及由∑表示的总量(“和”)的示意图；

图8是对于透镜系统、对场中的任何点、在整个光瞳上光程差(OPD)作为归一化光瞳坐标ρ的函数的示意图；

图9是与最佳聚焦相距各种距离的原始光学MTF的绘图，其中，散焦距离步长是δ_F＝1.33·Z_F，其中，Z_F是定义为

的菲涅耳距离；

图10A是根据已知的散焦距离的空间频率的增益函数的绘图；

图10B是在散焦距离未知时在原始MTF上应用的空间频率的平均(即，随着聚焦而恒定不变的)增益函数的绘图；

图11A是对于各种散焦距离将图9上的原始MTF乘以图10A上的增益函数而产生的增强MTF的绘图；

图11B是将图9的原始MTF乘以图10B上的平均增益函数而产生的增强MTF的绘图；

图12是强度I相对于边缘图像的位置的绘图，示出由于图像中的振荡(ringing)而导致的过冲(overshoot)Δos；

图13绘出处于最佳聚焦状态的输出MTF’和原始MTF，以图示通过图像处理的图像分辨率(对比度)的恢复；

图14A是如曲线a至g所示的改变散焦量的理想成像系统的衍射限制MTF的绘图；

图14B是理想化的成像光学系统的离焦(through focus)(水平轴)的MTF分布的灰度级图，其中，虚椭圆表示近似的焦深，垂直轴表示空间频率；

图15A是如曲线a至h所示的对于具有球差量SA＝0.75λ的成像光学系统改变散焦量的MTF以及用于比较的零聚焦衍射限制MTF的绘图；

图15B是与图14B相同的类型的灰度级离焦MTF绘图，但是，对于图15A的MTF，图示了由于存在球差而导致与图14B的衍射限制情况相比焦深(虚线)如何轴向地扩展；

图15C绘出对于原始MTF、MTF’和衍射限制MTF、对于NA＝0.0063、在物空间中3线对每毫米(lp/mm)情况下的离焦的MTF；以及

图16A至16D是具有SA＝0.7λ的透镜系统对于各种图像高度(分别为0mm、20mm、30mm和60mm)的OPD的绘图。

附图中绘出的各种元件仅仅是代表性的，而并不一定是按比例绘制的。其某些部分可能被夸大，而其它部分可能被最小化。附图旨在图示本领域的技术人员可以理解并适当地执行的本发明的示例实施例。

具体实施方式

本发明总体地涉及监视成像系统，具体地涉及具有扩展景深的这种成像系统。本文描述的EDOF成像系统的示例应用包括闭路有线电视(CCTV)、诸如远程图像识别的普通监视(例如，牌照读取)、以及远摄静物照相机。

由于根据DOF’＝(M_A)DOF＝(M_L)²DOF的关系，透镜系统10的轴向放大率M_A和横向放大率M_L(在下面介绍和讨论)使景深DOF和焦深DOF’相关联，所以，为了方便起见，该透镜系统10被称为具有“扩展景深”(EDOF)。本领域的技术人员将会认识到，该表达式还隐含了，透镜系统10也具有相应的“扩展焦深”。因此，在下面根据讨论的情况提及扩展景深EDOF或扩展焦深EDOF’。

图1是本发明的EDOF成像系统8的示例实施例的示意图。EDOF成像系统8包括用于在像平面IP中形成物平面OP中的被摄体OB的图像IM的透镜系统10。透镜系统10具有光轴A1，其中，沿着该光轴设置最物侧的第一透镜组G1和最像侧的第二透镜组G2。第一透镜组G1包含分别具有表面S1、S2和S3、S4的第一弯月形透镜元件L1和第二弯月形透镜元件L2。最物侧的第一弯月形透镜元件L1具有相对于像平面凹入的表面S1和S2，然而，最像侧的第二弯月形透镜元件L2具有相对于物平面凹入的表面S3和S4。因此，这两个弯月形透镜以相对的结构配置。

与第二(后)透镜组G2的光焦度

相比，第一(前)透镜组G1的光焦度

小。因此，第一透镜组G1差不多是远焦系统。第一透镜组G1的主要功能是控制像场上的波前质量，而不是贡献用于对被摄体OB进行成像的基本光焦度。

在下面描述的示例中，由两个弯月形透镜元件L1和L2产生的透镜组G1的焦距F1是F1＝-57米(m)，并且仅表示为第二透镜组G2的光焦度的0.15％，该第二透镜组G2具有焦距F2＝86mm。因此，在示例实施例中，第一透镜组G1的光焦度的范围仅表示出不到EDOF透镜系统10的总光焦度的5％-即，

在图2A至2C中图示弯月形透镜L1和L2之间的光焦度的分配。图2A是示例透镜组G1的示意图，并且图示从该透镜组通过的光线R的路径的最小变化。图2B单独图示透镜L1，并且图示该最物侧的透镜元件的相对较弱的正光焦度，在该示例中，该透镜元件具有f₁＝478mm的焦距。图2C单独图示透镜L2，并且图示该示例透镜元件的相对较弱的负光焦度，该透镜元件具有f₂＝-470mm的焦距(请注意，光焦度

)。

在一些示例实施例中，弯月形透镜L1具有正光焦度，弯月形透镜L2具有负光焦度，然而，在其它示例实施例中，弯月形透镜L1具有负光焦度，弯月形透镜L2具有正光焦度。因此，透镜组G1可以具有小量的光焦度，并且，与透镜系统的总光焦度相比，该小量的光焦度可以是负的或正的。透镜组G1的总光焦度

也可以等于或近似等于零。

再次参考图1，第二透镜组G2具有三个透镜元件L3、L4和L5，其中，透镜元件L3和L4构成双合透镜D1。第二透镜组G2包含EDOF透镜系统10中的基本上所有的(如果不是所有的话)光焦度，从而在形成被摄体OB的图像IM中起到主要作用。孔径光阑AS位于第一透镜组G1和第二透镜组G1之间，或者位于透镜组G2内。具有透镜L3和L4的双合透镜D1具有表面S5、S6(内表面)和S7，并且，透镜L5具有表面S8和S9。在示例实施例中，透镜L3具有正光焦度，透镜L4具有负光焦度，并且，透镜L5具有正光焦度。

透镜组G1中的透镜L1和L2的表面曲率允许在保持控制由透镜组G2产生的场像差(field aberration)的同时调节球差SA。还可以通过选择双合透镜D1的一个或多个表面曲率来实现对选择球差量SA的设置。在示例实施例中，透镜L1至L5中的一个或多个由玻璃或塑料制成。

在一个实施例中，在400nm至2500nm(即，包含可见和近红外区)的光谱范围内校正透镜系统10。这样允许透镜系统10在不需要改变聚焦设置的情况下支持日光和红外照明。

透镜系统10被设计为具有对诸如彗差和像散的场像差的有效校正。通过适当地选择双合透镜D1中的负透镜元件L4的折射率来控制场曲。透镜系统10具有总焦距FL，并且还被配置为在从无限远距离到大约10·FL的距离的范围中进行成像。

球差的作用

透镜系统10被设计为具有上述的球差量，从而使得与相应的衍射限制透镜的DOF相比，增大了DOF。图3是由示例的EDOF透镜系统10的每一个表面所贡献的球差量SA以及由∑表示的总量(“和”)的示意图。

由双合透镜D1的表面S5和S7提供对球差SA的主要控制，双合透镜产生两个相反值的球差SA。来自透镜L4的最像侧的表面S7的负贡献具有更大的权重，从而部分地补偿来自透镜L3的最物侧的表面S5的正贡献。透镜系统10的球差SA的和∑(基于第一赛德像差项)是大约+0.2λ。

对于诸如透镜系统10预期的成像应用之类的成像应用，彗形像差(“彗差”)可能是最麻烦的、不希望的像差。在DOF中没有提供任何显著的增益的情况下，彗差减少整个场的图像的MTF和清晰度。图4是由示例透镜系统10的每一个透镜表面所贡献的彗差(由第二赛德像差表示)以及彗差和∑的示意图。请注意，该和∑远低于0.01λ且更接近0.001λ，从而这些和被视为可忽略的。

选择使用球差SA使得可以确定彗差为零时的孔径光阑AS的轴向位置。如上所讨论的，在一个示例实施例中，透镜组G1的透镜L1和L2提供小量的球差SA，其足以提供基本上减少或者甚至完全去除(到有意义的测量结果内)残余彗差的孔径光阑位置P₀。

图5是彗差随着孔径光阑位置的演变的示意图，并且示出了零彗差位置P₀。在示例实施例中，孔径光阑AS位于零彗差位置P₀处，或者位于零彗差位置P₀的附近，例如，在几个毫米内。因此，即使总球差为零，这种配置的透镜系统10也使得能够基本上减少且完全有效地去除彗差。然而，希望在孔径光阑AS所处的透镜组G1和G2之间的空间中产生小量的球差SA。主要由双合透镜D1的表面曲率决定球差SA的最终量(即，和∑)。

图6是由示例透镜系统10的每一个透镜表面所贡献的像散像差或“像散”(由第三赛德像差表示)的示意图。由第一透镜组G1减少像散，具体地说，由透镜L2的表面S3减少像散。倒置弯月形透镜对像散作出重大的负贡献，并且补偿来自第二透镜组G2的对像散的净的正贡献。

图7是由示例透镜系统10的每一个透镜表面所贡献的场曲(由第四赛德像差表示)的示意图。通过佩茨瓦尔和来控制场曲。第一透镜组G1中的透镜L2的表面S3对佩茨瓦尔和贡献相对较大的负值。双合透镜D1的负透镜L4对佩茨瓦尔和产生最大的负项，从而减少总场曲和。因此，对于透镜L4，玻璃类型的选择是重要的考虑。

这里，请注意，在轴向色差和场曲的校正之间存在折衷关系。对色差的校正需要双合透镜D1的负透镜L4的小于30的低阿贝数，该负透镜可以采用相对较高折射率的玻璃。另一方面，校正场曲需要相对较低折射率的玻璃，从而排除小于30的非常低的阿贝数。合理的折衷方法是使用由SCHOTT制造的玻璃类型N-SF15(N_d＝1.69892；v_d＝30.2)。也可以使用市售的具有接近这些值的其它玻璃类型。

用于选择透镜特性的透镜系统10的参数范围总结于下面的表1：

示例透镜系统

在表2和3中阐明透镜系统10的示例设计，并且，该示例设计适用于监视应用(尤其非常适用于CCTV照相机)。示例的透镜具有以下的主参数特性：

图8是对于透镜系统10、对场中的任何点，在整个光瞳上以“波长”λ为单位的光程差(OPD)作为归一化光瞳坐标ρ的函数的示意图。图8所示的OPD具有球差的特征。透镜系统10的设计的重要特性是，球差SA是整个场上的主要像差，并且基本上随着场位置而恒定不变。这种特性在整个像场上保持均匀的图像质量和EDOF。这种特性在选择查涅克系数的表4的列表中也是显而易见的，其中，查涅克系数Z₉表示球差，并且基本上大于像散(Z₅和Z₆)和彗差(Z₇和Z₈)的其它查涅克系数。

透镜系统10还具有大量的优点，例如，低制造成本(例如，通过使用现成的透镜元件)、由于减少了场像差而导致的相对较大的场。成像系统8还呈现使用频率域中的线性滤波来执行数字图像处理的选择。

取决于第二透镜组中的负透镜的光学材料的阿贝数和用于成像的光谱带宽，透镜系统10中的精确的球差量SA可能会根据存在的轴向色差的量而改变。

图像处理

再次参考图1，EDOF成像系统8包括前述的图像传感器30，该图像传感器30具有设置在像平面IP处的光敏表面32(例如，电荷耦合器件的阵列)，从而该图像传感器接收和检测图像IM。在这种情况中，图像IM在本文中也称为“初始”或“原始”图像。在示例实施例中，图像传感器30是高清晰度CCD照相机或CMOS照相机，或者，包含高清晰度CCD照相机或CMOS照相机。在示例实施例中，光敏表面32由3000×2208个像素构成，其中，像素尺寸为3.5微米。对于这样的小像素尺寸的CMOS照相机，全阱容量(full-wellcapacity)被减少至21000个电子，其转化为在饱和水平下43.2dB的散粒噪声的最小值。示例的图像传感器30是通过IEEE1394火线链接到图像处理器(下面讨论)的具有3000×2208个像素的得自PixelinkPL-A781的照相机，或者包含该照相机，并且该应用调用由DLL中的Pixelink库提供的API，以控制照相机执行图像获取。

在示例实施例中，EDOF成像系统8还包括诸如计算机或类似的机器的控制器50，该控制器适合(例如，通过在计算机可读介质或机器可读介质中实施的诸如软件的指令)控制该系统的各种部件的操作。控制器50被配置为控制EDOF成像系统8的操作，并且包括与图像传感器30电连接的图像处理单元(“图像处理器”)54。如下面更加详细地描述的，图像处理器54适合接收和处理来自图像传感器30的数字化原始图像信号SRI，并且由此形成处理的图像信号SPI。

在示例实施例中，控制器50是具有处理器(例如，图像处理器54)的计算机，或者包含该计算机，并且，控制器50包括诸如MicrosoftWINDOWS或LINUX的操作系统。

在示例实施例中，图像处理器54是能够执行一系列软件指令的任何处理器或装置，或者包含该处理器或装置，并且，图像处理器54包含但不限于通用或专用微处理器、有限状态机、控制器、计算机、中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理器。在示例实施例中，处理器是因特尔XEON或PENTIUM处理器，或者，与由AMD公司、因特尔公司或其他半导体处理器制造商制造的这种处理器相当(in the line)的AMD TURION或其它处理器。

控制器50还优选地包含与图像处理器54可操作地耦合的存储器单元(“存储器”)56。如本文所使用的，术语“存储器”是指可以存储可由图像处理器54执行的一系列指令的任何处理器可读介质或计算机可读介质，这些处理器可读介质或计算机可读介质包括但不限于RAM、ROM、EPROM、PROM、EEPROM、盘、软盘、硬盘、CD-ROM、DVD等。在示例实施例中，控制器50包含适合容纳诸如CD-ROM、DVD、记忆棒(memory stick)或类似的存储介质的可移动的处理器可读介质61的端口或驱动器60。

在各种实施例中，在本发明的EDOF成像系统8中实现的EDOF方法可以在包括用于使得控制器50执行操作系统10的控制操作和该方法的机器可读指令(例如，计算机程序和/或软件模块)的机器可读介质(例如，存储器56)中实现。在示例实施例中，计算机程序在存储器56之外的图像处理器54上运行，并且可以在存储于可移动介质61上时通过盘驱动器或端口60，或者在存储于控制器50的外部时通过网络连接或调制解调器连接，或者通过可以从其读取和利用计算机程序的其它类型的计算机可读介质或机器可读介质，将该计算机程序从永久性存储器传递到主存储器。

计算机程序和/或软件模块可以包括多个模块或对象以执行本发明的各种方法，并且控制EDOF成像系统8中的各种部件的操作和功能。代码所用的计算机编程语言的类型可以在程序代码类型语言或面向对象语言之间改变。取决于程序员的需要，文件或对象不必与本文描述的模块或方法步骤具有一一对应的关系。此外，方法和设备可以包括软件、硬件和固件的组合。固件可以被下载到图像处理器54，以便实现本发明的各种示例实施例。

可选地，控制器50还包含显示器66，该显示器66可以用来使用多种多样的字母数字和图形表示来显示信息。例如，显示器66用于显示扩展的图像。可选地，控制器50还包含诸如键盘的数据输入装置68，该数据输入装置使得系统10的用户能够输入信息(例如，正在成像的被摄体的名称)到控制器50并手动地控制系统10的操作。这里，请注意，可以将控制器50的尺寸调整为便携式的，例如，作为手持装置，或者，可以将控制器50内置于照相机壳体(未示出)中。

可选地，系统10还包含与控制器50可操作地连接的数据库单元90。数据库单元90包含用作计算机可读介质的存储器单元92，该计算机可读介质适合从图像处理器54接收处理的图像信号SPI并存储由处理的图像信号表示的被摄体OB的相关的处理的数字图像。存储器单元(“存储器”)92可以是能够存储数据的任何计算机可读介质，该计算机可读介质包括但不限于RAM、ROM、EPROM、PROM、EEPROM、盘、软盘、硬盘、CD-ROM、DVD等。在示例实施例中，数据库单元90被包含在控制器50内。在示例实施例中，存储器单元92与存储器单元56相同，即，存储器单元56用来存储基于处理的图像信号SPI的处理的数字图像。

一般的操作方法

参考图1，在EDOF成像系统8的一般操作中，通过透镜系统10在传感器30的光敏表面32上形成被摄体OB的图像IM。控制器50发送控制信号S30以激励图像传感器30持续给定的曝光时间，使得通过光敏表面32捕获图像IM。图像传感器30数字化该“原始”图像IM并产生代表该原始捕获图像的电子原始图像信号SRI。在示例实施例中，原始图像IM是视频图像，并且原始图像信号SRI是包含一个或多个视频帧的视频流。

在此时，在一个示例实施例中，如下面讨论的，直接使用原始图像IM，即，没有经过任何图像处理，或者，仅仅经过不涉及基于MTF的图像增强的少量的图像处理。这种方法可以用于诸如特征识别的某些类型的成像应用和用于对二进制被摄体(例如，条形码被摄体)进行成像，在二进制被摄体的情况下，例如，确定边缘位置比图像对比度更加重要。即使没有经过额外的对比度增强图像处理，在原始图像信号SRI中体现的原始图像IM也与由EDOF透镜系统10提供的EDOF相关联，从而使得在某些示例实施例中EDOF成像系统8不必利用该系统的图像处理部分。在示例实施例中，通过原始图像信号SRI收集N个原始图像IM，并且对这N个原始图像IM进行平均(例如，使用图像处理器54)，以形成(数字化)原始图像IM’(和相应的原始图像信号SRI’)，与这N个原始图像中的任何一个相比，该原始图像IM’的噪声减少。

在不可直接使用原始图像IM的其它示例实施例中，图像处理器54接收电子原始图像信号SRI并对其进行数字处理，以形成在电子处理增强的图像信号SPI中体现的相应的对比度增强的图像，从而直接使用该图像(例如，显示在可以处于远离控制器50的位置处的显示器66上，等等)，或可选地，在数据库单元90中存储该图像。在另一示例实施例中，控制器50相对于透镜系统10处于遥远的位置处。

在本发明的一个方面中，无需对视频流上的所有帧施加图像处理，或者，无需对所有图像施加图像处理。例如，成像系统用户可以选择存储于计算机可读介质上的一些感兴趣的帧并处理它们。这样使得系统用户能够创建高分辨率增强图像并观察需要增强MTF的图像中的小细节。图像处理不需要使用专用的高速数字信号处理器，这是因为对于成像系统用户来说在几秒钟的事件内传送增强图像通常不是问题。通过选择图像中的不覆盖整个图像的感兴趣的区域，还可以使图像处理更快。例如，如果成像系统用户正查看汽车的图片并仅仅希望看见牌照号，则可以仅仅处理图像的牌照部分，并且分析增强的特写图像部分。在示例实施例中，该处理后的图像被显示在显示器66上，并且可选地被存储在存储器单元56中。

图像处理

图像处理器54适合从图像传感器30接收数字化电子原始图像信号SRI，并且处理相应的原始图像，以形成处理后的对比度增强的图像。这通过以以下的方式对原始图像进行滤波来完成：将MTF恢复为平滑函数(smooth function)，该平滑函数随着空间频率连续地降低，并且优选地避免过冲、振荡和其它图像缺陷(artifact)。

在寻求对信号锐化(例如，增强数字光学图像中的对比度)的任何滤波处理中，噪声放大通常是一个问题。因此，在示例实施例中，在对比度增强处理期间，应用优化的增益函数(类似于维纳函数)来减少噪声放大，该增益函数将噪声的功率谱考虑在内。

在示例实施例中，应用到“原始”MTF以形成“输出”或“扩展”MTF(在下文中表示为MTF’)的增益函数取决于物距D_OB。通过校准处理来获取MIF与物距D_OB的关系，在该校准处理中，通过使用散焦步长δ_F≤(1/8)(λ/NA²)进行采样以避免任何欠采样并由此避免丧失MTF的离焦的信息，在期望景深DOF中测量MTF。在该实例中，输出MTF’被称为“聚焦相关的”。

基本上，MTF相应地被恢复到在通过测量已知或者由可从图像中提取的任何信息已知时的散焦距离。图9是与最佳聚焦相距各种距离的原始光学MTF的绘图，其中，散焦距离步长是δ_F＝1.33·Z_F，其中，Z_F是定义为的菲涅尔距离，其中，NA是在测量散焦的空间(即，“像空间”)中的数值孔径。对于不同焦距的原始MTF图图示了由于散焦而发生的MTF色散。对于离焦过程中的每一个步长，根据测量的MTF，使用数字滤波函数来恢复处理图像的最佳MTF。使用这种滤波需要知道散焦量，可以使用本领域已知的大量可用技术中的任何一种技术来测量该散焦量。在散焦步长δ_F之间的使用的滤波是对相邻聚焦步长进行线性插值。

MTF恢复

用于恢复或增强原始MTF的上述MTF增益函数是三维函数G(μ，υ，d)，其中，μ是沿着X轴的空间频率，υ是沿着Y轴的空间频率，d是在允许的扩展景深DOF中的物距(因此，d对应于物距D_OB)。PSF和MTF的旋转对称性使得能够简化增益函数的定义，即：

G’(ω，d)，其中，ω²＝μ²+v²。

在一般的情况中，旋转对称性还使G’(ω，d)为实函数，而不是复函数。

“扩展”或“恢复”的OTF表示为OTF’，并且被定义为：

OTF′(μ，v，d)＝G(μ，v，d)OTF(μ，v，d)，

其中，OTF是用于非相干光的光学传送函数透镜系统10。OTF’是包含数字处理的成像系统的等效OTF，并且，G是前述的MTF增益函数。基于原始或未恢复的MTF的输出MTF’的关系由下式给出：

MTF′(ω，d)＝G′(ω，d)MTF(ω，d)。

当物距未知时，可以使用优化平均增益函数G’，如图10B所示。在这种情况中，G’在离焦情况下是恒定不变的，并且，输出MTF’是扩展的，但是不是物距的函数。尽管与聚焦相关增益函数情况相比，性能下降，但是得到的输出MTF’提高了图像对比度。这种简化的输出MTF’对于不从图像中提取距离信息的简化图像处理而言是有效的。得到的输出MTF’的形状在图11B中示出并可以随着焦距而改变，并且出现某些过冲和振荡。尽管这些缺陷是不希望的，但是对于大多数的基本CCTV应用而言是可接受的。

优选地，对后数字处理进行优化，以在工作景深DOF范围内的任何距离处传送基本上相同的输出MTF’。这样独立于物距D_OB提供基本上恒定不变的图像质量，只要D_OB在透镜系统10的景深DOF内即可。因为由于如下所述存在球差而导致透镜系统10具有EDOF，所以透镜系统10可以适应物距D_OB的相对较大的变化并且仍能够捕获合适的图像。

图10A绘出使用上述处理获得的离焦情况下输出MTF’中的典型的聚焦相关增益。图11A绘出对于不同焦点位置的典型的输出MTF’。输出MTF’的形状尽可能地接近超高斯函数，即：

${\mathrm{MTF}}^{\′}(\mathrm{\ω},d)=\exp (-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_c}\right)}^{2n})$

其中，n是超高斯阶，ω_c是截止频率，在原始MTF高于扩展景深DOF的整个范围的5％的情况中，该截止频率被设置在最高频率。

如果n＝1，则输出MTF’是高斯型的。这样提供没有任何振荡或过冲的PSF、LSF(线扩展函数)和ESF(边缘扩展函数)。如果n＞1，则输出MTF’是超高斯型的。对于n的较高值，高空间频率的对比度也高，但是振荡和过冲的出现增加。良好的折衷方法是n＝2，其中，输出MTF’在中和低空间频率处很好地扩展，然而，振荡和过冲局限于大约3％，这对于大多数成像应用而言是可接受的。

实输出MTF’尽可能地接近超高斯型的，并且通过涉及优值函数M的优化处理来确定，该优值函数被定义为：

$M=A_0\·\underset{0}{\overset{F_c}{\∫}}({\mathrm{MTF}}^{\′}(\mathrm{\ω},d)-\exp {(-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_c}\right)}^{2n})}^2)\mathrm{d\ω}+A_1\·{\∫G}^{\′}{(\mathrm{\ω},d)}^2\mathrm{d\ω}+A_2\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{os}}^2$

优值函数M是通过使用例如牛顿优化算法来最小化的。具有系数A₀的第一项最小化与超高斯型的输出MTF’的偏差。具有系数A₁的第二项控制功率噪声放大。具有系数A₂的第三项控制过冲放大。

重要的是控制功率噪声放大。在为了实现输出MTF’而使对原始MTF的增益较高的距离处，在控制高空间频率处的输出MTF’的坡度(slope)避免重大的过冲的同时，可以确定图像上的MTF水平与信噪比之间的良好的折衷。优值函数M的第三项是边缘展开的相对过冲的平方，其在图12中图示，其中，过冲由Δos给出。

图13是使用上述处理形成的输出MTF’(实线)与原始MTF(虚线)的绘图。输出MTF’具有避免过冲和其它成像缺陷的平滑形状。所应用的数字滤波的增益被优化或扩展，以在控制增益或噪声的同时获得最大的输出MTF’。

在示例实施例中，通过使用具有在图像捕获期间使用的相同光谱的均匀的非相干背光的倾斜的边缘，在重叠EDOF的不同的采样的距离处，测量原始MTF以进行校准。

如上所述，图10A中的应用在空间频率域中的增益函数产生图10B所示的输出MTF’。图10B的输出MTF’具有连续的相对较浅的坡度，从而提供具有最少过冲或没有过冲、振荡或其它缺陷的良好的图像对比度图像。这样通过EDOF产生几乎恒定不变的输出MTF’。通过菲涅耳距离Z_F对散焦的尺度进行归一化，以得到应用于任何孔径的本发明的通用尺度。此外，由图像传感器的乃奎斯特频率将空间频率(x轴)的尺度归一化为1(2×p)，其中，p是像素间距。在像素尺寸和匹配乃奎斯特频率接近于光学截止频率时获得良好的结果，该光学截止频率取决于像空间中的数值孔径NA和成像波长λ。希望获得在乃奎斯特频率处接近于零的光学MTF，以避免混淆现象。另一方面，具有较高的乃奎斯特频率产生过采样的图像，因为仅仅通过光学MTF限制分辨率。这意味着，对于具有小像素尺寸的图像传感器，需要像空间中的较高数值孔径NA。

通过对连续图像进行平均来减少图像噪声

存在与图像获取和图像处理步骤相关的两个不同的噪声源。第一个噪声源称为“固定模式噪声”或简称为FP噪声。FP噪声通过在给定工作条件下对图像传感器30的特定校准来减少。在示例实施例中，通过对固定模式噪声的多级映射来减少FP噪声，其中，通过校准表(例如，具有校准值的查找表)来校正每一个像素。这需要对每一个图像传感器和校准文件中的校准数据存储器的独立校准。例如，通过对(例如，来自积分球的)纯白色图像进行成像并测量获取的原始数字图像中的变化，执行对给定图像传感器的固定模式噪声的映射。

另一个噪声源是散粒噪声，其为随机噪声。通过与电子运动相关的泊松统计而导致在电子装置中产生散粒噪声。在通过光电效应将光子转换为电子时，也出现散粒噪声。

诸如高分辨率安全成像的某些成像应用需要高清晰度图像传感器30。为此，在示例实施例中，图像传感器30是具有大量像素(例如，具有3.5μm的像素尺寸的3000×2208个像素的阵列)的CMOS或CCD照相机，或者包含该CMOS或CCD照相机。对于具有此小像素尺寸的CMOS照相机，这种图像传感器中的全阱容量被减少至21000个电子，并且，相关的散粒噪声的最小值在饱和水平是大约43.2dB。

EDOF成像系统8的示例实施例具有减少的噪声，使得提高了MTF质量，从而导致改进的处理图像。散粒噪声的随机性使得对N个捕获图像进行平均是减少噪声(即，提高SNR)的唯一可用方法。噪声与N^1/2成比例地降低(即，SNR增大)。如上面所讨论的，可以对原始图像以及处理后的(即，对比度增强的)图像应用该平均处理。

对N个捕获图像进行平均是合适的噪声减少方法，只要对其进行平均的图像具有固定被摄体或风景，这通常是用于监视应用的情况。然而，这种平均在被摄体运动时产生问题。在示例实施例中，跟踪并精确地测量被摄体OB的运动，并且，通过在对原始图像进行平均之前考虑和补偿被摄体运动来使用减少噪声的平均处理。

在示例实施例中，本发明的图像平均处理使用感兴趣的共同区域处的连续图像之间的相关函数。通过相关峰值的位置来确定相对的二维图像偏移(shift)。在傅里叶域中处理相关函数，以通过快速傅里叶变换(FFT)算法来加快计算。以与初始图像相同的采样间隔来对提供的相关函数进行采样。对相关最大值的检测精确到一个像素的尺寸。

对该测量技术的改进是使用居中于与最大相关峰值关联的像素的3×3像素核(kernel)。通过进行二维抛物线函数拟合以建立最大值来确定子像素位置。然后，确定(X，Y)图像偏移。在图像的偏移位置处，对这些图像重新进行采样。如果测量的(X，Y)偏移的小数部分不等于零，则执行双线性插值。因为在高于乃奎斯特频率的频率处在图像中没有信号，所以也可以使用香农插值。然后，在重新采样之后，对所有的图像求和，在测量的相关性中将(X，Y)偏移考虑在内。

通过对离焦的图像的分辨率R和图像对比度CI进行检查，还可以与PSF结合使用MTF，以表征EDOF’。这里，图像对比度由下式给出：

CI＝(I_MAX-I_MIN)/(I_MAX+I_MIN)

并且，对于具有特定空间频率的一组正弦线空间对的图像，测量图像对比度，其中，I_MAX和I_MIN分别是最大图像强度和最小图像强度。“最佳聚焦”被定义为在MTF最大化且PSF最窄化时的图像位置。当透镜系统无像差(即，是衍射限制的)时，基于MTF的最佳聚焦与基于PSF的最佳聚焦一致。然而，当在透镜系统中存在像差时，基于MTF和PSF的最佳聚焦位置可以不同。

常规的透镜设计原理要求以以下的方式设计透镜系统：寻求消除所有的像差，或者至少使这些像差平衡，以使它们的影响最少化，从而整个透镜系统基本上无像差。

然而，在本发明中，将透镜系统10有意地设计为具有上述量的作为主导像差的球差，并且可选地，也能够具有小量的色差。图14A是无像差的F/8透镜的MTF的绘图(曲线a至g)，然而，图15A是具有SA＝0.75λ的F/5.6透镜的MTF的绘图(曲线a至h)。图14B是图8A的F/8透镜的衍射限制的情况的离焦的MTF的灰度级图，并且，图15B是图15A的具有球差SA的F/5.6透镜的离焦的MTF的类似的灰度级图。

通过减少从基本频率f₀＝0至截止频率f_C的MTF的总水平，球差减少图像的对比度。与理想的(即，衍射限制的)MTF相比，截止频率f_C不会明显地降低，所以近似所有的原始空间频率谱都是可用的。因此，尽管具有较低对比度，但是空间频率信息仍在图像中可用。然后，如上所述，通过由图像处理单元54执行的数字滤波处理来恢复减少的对比度。

从对于较大的散焦范围仍可利用高空间频率的意义上来说，球差量SA导致EDOF。数字滤波恢复整个EDOF上的对比度，从而与其衍射限制的相应部分相比有效地增强透镜系统10的成像性能。

从波前“误差”由W(ρ)＝ρ⁴给出的意义上来说，球差是“均匀的”像差，其中，ρ是归一化的光瞳坐标。因此，球差表示旋转对称的波前使得相位为零。这意味着，得到的OTF(即，PSF的傅里叶变换)是旋转对称的实函数。在由于考虑在倾斜边缘上进行的一维MTF测量而导致球差是主导像差的情况中，可以获得作为OTF的幅值的MTF。这种测量提供所有的需要的信息，以通过数字信号处理来恢复二维图像。此外，在任何散焦位置处相位为零，从而使得数字图像处理能够增强MTF，而无需考虑傅里叶(即，空间频率)空间中的OTF的相位成分(即，相位传递函数，或者PFT)。

由图15A可知，因为在存在球差时散焦(从“最佳聚焦”平面测量)的像方侧(image-wise side)在MTF中不具有零，所以没有对比度反转(contrast inversion)。这样使得能够在EDOF’(参见图15B中的虚椭圆)中形成和检测图像、以及恢复该图像，而不必考虑有害的振荡、过冲或其它图像缺陷。

大约0.75λ的球差量SA给出明显的DOF增强，而无需在一个散焦侧在MTF中形成零。除了大约SA＝0.75λ以外，在从最佳聚焦位置散焦的两侧上出现零。对于衍射限制的光学系统，焦深DOF’由关系DOF’＝±λ/(NA²)给出，其中，NA是光学系统的数值孔径。在示例实施例中，透镜系统10具有大约0.033和0.125之间的NA(即，大约F/15至F/4，其中，假设小角度近似，F/#＝1/(2NA))。

举例来说，对于F/6.6、中心成像波长λ＝800nm、带宽Δλ，衍射限制的焦深DOF’是大约20mm，其中横向放大率是1/1.4。引入球差SA＝0.75λ将焦深DOF’增大至大约100mm，即，增大大约5倍。

图15C绘出对于原始MTF、输出MTF’和衍射限制MTF，对于NA＝0.0063，在物空间中，3lp/mm情况下的离焦的MTF。

图16A至16D是具有球差量SA＝0.7λ的示例透镜系统10对于各种图像高度(分别为0mm、20mm、30mm和60mm)的光程差(OPD)的绘图。OPD的绘图示出球差的特性，该球差随着场位置(图像高度)而基本上恒定不变。

对于本领域的技术人员来说，显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种变形和改变。因此，假若本发明的各种变形和改变落入在所附权利要求及其等同形式的范围内，则本发明应当涵盖这些变形和改变。

Claims (15)

1.一种用于以成像波长λ在扩展景深(EDOF)内对被摄体进行成像的成像系统，该成像系统沿着光轴包括：

透镜系统(10)，该透镜系统具有总透镜光焦度

和球差量SA，其中，0.2λ≤SA≤2λ，该透镜系统包括：

a)最物侧的第一透镜组(G1)，该透镜组包括第一和第二相对的弯月形透镜元件(L1，L2)，所述第一和第二相对的弯月形透镜元件具有总光焦度

使得

b)最像侧的第二透镜组(G2)，该透镜组包括三个透镜元件(L3，L4，L5)，其中，这三个透镜元件中的两个(L3，L4)形成双合透镜(D1)，该双合透镜包含一个负透镜元件(L4)；

c)孔径光阑(AS)，该孔径光阑被设置在第一透镜组和第二透镜组(G1，G2)之间，或者被设置在第二透镜组(G2)内；以及

图像传感器(30)，该图像传感器被设置为接收图像并由该图像形成数字化电子原始图像。

2.根据权利要求1所述的成像系统，还包括：

图像处理器(54)，该图像处理器与图像传感器(30)电连接，并且适合接收数字化电子原始图像并对该数字化电子原始图像进行数字滤波，以形成数字化对比度增强的图像。

3.根据权利要求2所述的成像系统，其中，图像处理器(54)被配置为使用增强调制传递函数来执行频率空间滤波。

4.根据权利要求1所述的成像系统，还包括图像处理器(54)，该图像处理器与图像传感器(30)电连接，并且适合接收N个数字化电子原始图像并对这N个数字化电子原始图像进行数字平均，以形成噪声减少的电子原始图像。

5.根据权利要求1所述的成像系统，其中，0.5λ≤SA≤1λ。

6.根据权利要求1所述的成像系统，其中，孔径光阑(AS)位于基本上最少化彗形像差的轴向位置处。

7.根据权利要求1所述的成像系统，其中，至少一个所述透镜由玻璃或塑料制成。

8.根据权利要求1所述的成像系统，其中，第二透镜组(G2)中的负透镜元件(L4)具有被选择为基本上减少或消除色差的阿贝数。

9.根据权利要求1所述的成像系统，其中，第一透镜组(G1)和第二透镜组(G2)都贡献球差量。

10.根据权利要求9所述的成像系统，其中，第二透镜组(G2)比第一透镜组(G1)贡献更大的球差量。

11.根据权利要求1所述的成像系统，其中，光学系统具有F/#，使得F/1.4≤F/#≤F/16。

12.根据权利要求1所述的成像系统，其中，第一透镜组(G1)中的弯月形透镜元件被配置为基本上补偿第二透镜组(G2)中的场像差。

13.根据权利要求1所述的成像系统，其中，第二透镜组(G2)包括所述双合透镜(D1)和最像侧的正透镜元件(L5)。

14.根据权利要求13所述的成像系统，其中，构成双合透镜(D1)的透镜元件(L3，L4)包含在双合透镜(D1)内部的相邻的平表面。

15.根据权利要求1所述的成像系统，其中，最物侧的弯月形透镜元件具有相对于被摄体凸起的表面，并且，最像侧的弯月形透镜元件具有相对于被摄体凹入的表面。

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