CN102566045A - 光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大光圈大景深光学成像系统，包括：等模糊中间像获取镜头，通过控制并利用镜头的累积像差获取待测景物的非共轭的等模糊中间像，对物空间的光信息进行空不变光学系统处理；图像处理装置，用于对所述等模糊中间像进行处理，获取所述待测景物的最终清晰图像。本发明通过控制并利用累积像差实现等模糊中间像的获取，再对所述成像进行处理，得到清晰的最终图像，扩大光圈的同时提高了成像系统的景深。

Description

光学成像系统

技术领域

本发明涉及利用等模糊成像特性实现光学成像的技术领域(如可见光成像，红外成像等)，尤其涉及一种大光圈大景深成像系统。

背景技术

传统的相机是基于聚焦并消像差原理成像，其设计目标是符合几何光学原理和特征的理想光学成像系统，设计过程中通过对光学镜头各参数配合，达到聚焦并消像差的目的，以获取在景深范围内清晰、景深范围外模糊的图像。在传统的聚焦并消像差成像原理中，景深又受制于镜头光圈、焦距、拍摄距离、分辨率等因素，在焦距、拍摄距离和像面分辨率要求及像面位置固定的情况下：光圈越大，景深越小，光圈越小，景深越大，或者用与景深共轭的焦深来衡量的话，传统的镜头具有光圈孔径乘以焦深为常数的规律；在焦距、拍摄距离和光圈孔径及像面位置固定的情况下：分辨率越大，景深越小。

在传统的聚焦消像差成像原理中，大光圈镜头的设计，需要消除大光圈对应的大孔径所带来的高级像差及初级像差，只能通过增加镜头标准球面透镜或反射镜的片数、非球面的比例、更严密地控制精度等方式得以实现，造成镜头成本高、重量体积大等明显缺点，且受制于景深与光圈的限制关系，大光圈镜头的景深范围也必然缩小，无法满足很多领域的大光圈大景深应用需求。

在遵循聚焦消像差成像原理的其它领域，如红外热成像等，也有类似的无法实现大光圈大景深成像的问题。

近年来，国内外在景深延拓技术的研究和产业化都取得了很多成绩。景深延拓技术的主要原理是在聚焦成像镜头平台上在光阑面上调制波像差，以实现景深延拓。在景深延拓技术的研究上主要的代表有美国的CDM Optics公司和北京泰邦天地科技有限公司。CDMOptics在光阑面上利用三次奇曲面来获得等模糊中间像，再结合先验的点扩散函数通过数字图像处理装置对等模糊中间像进行图像处理最后得到大景深的清晰图像。北京泰邦天地科技有限公司在光阑面上利用偶对称的各类曲面并结合球面设计来获得等模糊中间像，再结合先验的点扩散函数通过数字图像处理装置对等模糊中间像进行图像处理最后得到大景深的清晰图像。采用景深延拓技术的成像系统能够在光圈孔径、像面分辨率、焦距、拍摄距离不变的情况下实现大约10倍的焦深延拓，共轭到物空间就实现了景深延拓。

采用景深延拓技术的成像系统只能延拓景深进行成像，但是无法在实现延拓景深的同时扩大光圈成像，因而无法满足很多领域的大光圈大景深应用需求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种大光圈大景深光学成像系统，包括等模糊中间像获取镜头和图像处理装置，其特征在于，所述等模糊中间像获取镜头控制并利用像差产生等模糊中间像。

其中，等模糊中间像获取镜头存在由于镜头大光圈导致的像差，并且利用所述像差进行等模糊中间像成像。

其中，所述等模糊中间像获取镜头对特定物空间范围内的点光源在像面上的成像为覆盖多个像素的、形状和能量分布近似相等的光斑。

其中，所述等模糊中间像获取镜头对特定物空间范围内的点光源在像面上的空域响应为近似相等的点扩散函数。

其中，所述等模糊中间像获取镜头对特定物空间范围内光学信号在像面上的频域响应为近似相等的调制传递函数，所述调整传递函数对特定物空间范围内光学信号具有近似的空不变传递特性。

其中，所述等模糊中间像获取镜头包括至少一个透镜或者至少一个反射镜，每个透镜或反射镜都具有聚焦功能、消像差功能和为等模糊中间像累积剩余像差的功能。

其中，所述透镜的透射面或者反射镜的反射面的特征为球面、分段球面、非球面、分段非球面、自由曲面或者分段自由曲面。

其中，所述图像处理装置包括包含电子传感器CCD/CMOS及附属线路和执行软件的数码成像单元102；包含计算机平台和图像处理软件及图像输出/显示的图像处理单元104；以及从数码成像单元102到图像处理单元104的数据传输链路103。

其中，所述像差为球差、慧差、像散和色差中的一种或几种的组合。

其中，所述像差为初级像差或初级像差和高级像差的组合。

本发明的大光圈大景深光学成像系统在实现大景深的同时扩大光圈成像。

附图说明

图1为大光圈大景深光学成像系统结构示意图；

图2为大光圈大景深光学系统各个物距的调制传递函数mtf；

图3为大光圈大景深光学系统psf；

图4为优选实施例的光路图；

图5为优选实施例系统的psf；

图6为优选实施例系统的mtf；

图7为优选实施例仿真用景物图像；

图8为优选实施例仿真得到的等模糊中间像；

图9为优选实施例仿真得到的清晰图像。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

等模糊中间像：是指镜头对特定物空间范围内的点光源在像面上的成像为模糊成像，并且具有近似相等的模糊度。

等模糊中间像获取镜头：是指能够产生等模糊中间像的镜头。

如图1所示，根据本发明的大光圈大景深光学成像系统包括大景深大光圈等模糊中间像获取镜头101，包含电子传感器CCD/CMOS及附属线路和执行软件的数码成像单元102，包含计算机平台和图像处理软件及图像输出/显示的图像处理单元104，以及从数码成像单元102到图像处理单元104的数据传输链路103。数码成像单元102、数据传输链路103和图像处理单元104组成图像处理装置。

参见图4，示出了实现本发明的大光圈大景深等模糊中间像获取镜头101的优选实施例。在示例的实施例中，镜头101包括第一至第四镜片201-204。但是，本发明不限于由4个镜片构成的镜头101，本发明的镜头101可以包括其它数量的镜片和/或一些反射镜。

在示例的优选实施例中，利用镜头101累积像差来实现大光圈(小F数)大景深光学成像系统，系统参数为：

光学性能	参数
		焦距f：	30mm
光圈F/#：	1.2
		景深：	20-80m
视场角2w：	11.4°
		传感器尺寸：	1/3英寸
后截距：	16.56mm
		镜头总长：	57.80mm
镜头组成：	3片单透镜；1片双胶合透镜

表1

镜头具体参数如下表2：

表2

本发明的优选实施例选用了5种光学材料、4个镜片来构造镜头。其中，对应面305、306、307的镜片203为双胶合镜片。图4中的镜片是从左到右进行编号，编号对应表2的镜片序号201-204。图4中的透镜曲面是从左到右进行编号，编号对应表2的面序号301-309。优选实施例中，镜片202和203的面303、304以及面305、306、307为标准球面，镜片201的面301、302为基于非球面的2段圆对称余弦曲面，镜片204的面308、309为基于非球面的3段圆对称余弦曲面；镜片204的面308为光阑面。其中，面301、302，以及面308、309的曲面方程分别为：

面301：

$z_1\left(r\right)=\frac{{0.008r}^2}{1+\sqrt{1-0.000064r^2}}-0.062\cos (0.045r-0.0000921)+0.062$

$(0\≤r\≤8)$

$z_2\left(r\right)=\frac{0.008r^2}{1+\sqrt{1-0.000064r^2}}+0.039\cos (0.034r-2.808)+0.035$

$(8\≤r\≤16.341)$

面302：

$z_1\left(r\right)=\frac{0.00357r^2}{1+\sqrt{1-0.0000128r^2}}-0.046\cos (0.050r-0.00000325)+0.046$

$(0\≤r\≤8)$

$z_2\left(r\right)=\frac{0.00357r^2}{1+\sqrt{1-0.0000128r^2}}+0.032\cos (0.044r-0.879)+0.0256$

$(8\≤r\≤15.860)$

面308

$z_1\left(r\right)=\frac{{0.0325r}^2}{1+\sqrt{1+0.000091r^2}}+0.0072\cos (0.0804r-0.0000383)-0.0072$

$(0\≤r\≤5)$

$z_2\left(r\right)=\frac{{0.0325r}^2}{1+\sqrt{1+0.000091r^2}}-0.013\cos (0.12r-1.046)-0.000626$

$(5\≤r\≤8)$

$z_3\left(r\right)=\frac{{0.0325r}^2}{1+\sqrt{1+{0.000091r}^2}}-0.016\cos (0.137r-1.030)+0.0024$

$(8\≤r\≤8.408)$

面309

$z_1\left(r\right)=\frac{{0.00962r}^2}{1+\sqrt{1-{0.0066r}^2}}+0.055\cos (0.075r-0.000007)-0.055$

$(0\≤r\≤5)$

$z_2\left(r\right)=\frac{0.00962r^2}{1+\sqrt{1-{0.0066r}^2}}+0.015\cos (0.137r-4.99)-0.0098$

$(5\≤r\≤8)$

$z_3\left(r\right)=\frac{{0.00962r}^2}{1+\sqrt{1-{0.0066r}^2}}-0.021$

$(8\≤r\≤8.736)$

在优选实施例中，镜片201、202、203、204及镜筒结构组合的光路实现了对物距在20-80m，视场角在11.4°范围内的景物在1/3”CCD像面上成等模糊中间像。本发明中，为了实现大光圈和大景深，镜片201、202、203、204在大光圈下都具有聚焦、消像差和累计剩余像差的功能，尤其在镜片201、204的面301、302、308、309分别采用了两段余弦曲面和三段余弦曲面来实现聚焦、消像差和累积剩余像差以获得图4所示镜头的等模糊特性。因此，由镜片201-204构成的等模糊中间像获取镜头能够控制并利用像差来产生等模糊中间像。

在优选实施例中，Seidel像差系数如下表3所示。

表3

本发明的优选实施例突破利用光阑面调制来获得景深延拓的技术，在扩大景深的同时扩大光圈，控制并利用因扩大光圈而带来的光学镜头内的各个镜片的高级像差和初级像差实现聚焦、消除部分像差、累积剩余像差，最后得到等模糊中间像，使来自特定的各个视场、各个物距的点光源光线能够互相补偿，在像面上形成等模糊中间像，该等模糊中间像为形状、能量分布近似相等的光斑。所述等模糊中间像的psf近似相等于图5示出的psf。图5示出的psf转换到频域即为图6示出的调制传递函数mtf。

在优选实施例中，图像处理装置包括在面309后沿z轴16.56mm处的1/3”分辨率为1024X768CCD数码成像单元，该数码成像单元包含传感器及其附属线路和执行软件的CCD相机；数码成像单元通过基于USB数据传输链路103连接到图像处理单元104，图像处理单元104包含电脑及电脑平台软件和用维纳逆滤波图像恢复算法及先验的psf进行图像恢复而得到清晰图像的图像处理软件，还包含清晰图像显示部件。

先验的psf数据为如下表4：

表4

本发明中，图像处理算法为维纳逆滤波，信噪比取值为0.01。在优选实施例中，使用图7所示的图为仿真用景物的情况下，得到大光圈条件下的大景深的等模糊中间像的仿真图为图8，最后得到大光圈条件下的大景深的清晰图像的仿真图为图9。

根据本发明，等模糊中间像获取镜头可以用透射式镜头、反射式镜头和折返式镜头来实现，其中的透射式镜片也可以用变折射率透镜来实现。这些镜头除了具有聚焦功能和消像差功能外，还具有累积剩余像差、对来自特定的物空间各点的光信号成等模糊中间像的功能。

总之，传统的光学系统是纯光学成像系统，像面介质不限，不需要借助于数字图像处理实现成像，传统的光学成像系统是聚焦消像差成像系统。而景深延拓光学成像系统则是通过调制光阑面像差来实现等模糊中间像成像，像面介质为电子传感器，需要进行数字图像处理才能得到景深延拓的清晰图像，焦深延拓倍数为10倍左右，景深延拓光学成像系统是控制并利用光阑面像差实现大景深的成像系统。而本发明的大光圈大景深光学成像系统则是要控制并利用镜头的像差获得等模糊成像，像面介质为电子传感器，需要数字图像处理才能得到光圈和景深同时延拓的清晰图像，焦深和光圈孔径之积的延拓倍数为10倍左右，大光圈大景深光学成像系统是控制并利用累积像差实现大光圈大景深的光学成像系统。

以上具体结合了一个优选实施例来示出和说明本发明，但本领域技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下，可以对上述实施例作出各种改变和变化。

Claims (10)

1.一种大光圈大景深光学成像系统，包括等模糊中间像获取镜头和图像处理装置，其特征在于，

所述等模糊中间像获取镜头控制并利用像差产生等模糊中间像；和

所述图像处理装置对所述等模糊中间像进行处理，获取待测景物的最终清晰图像。

2.如权利要求1所述的大光圈大景深光学成像系统，其中所述等模糊中间像获取镜头存在由于镜头大光圈导致的像差，并且利用所述像差进行等模糊中间像成像。

3.如权利要求2所述的大光圈大景深光学成像系统，所述等模糊中间像获取镜头对特定物空间范围内的点光源在像面上的成像为覆盖多个像素的、形状和能量分布近似相等的光斑。

4.如权利要求3所述的大光圈大景深光学成像系统，所述等模糊中间像获取镜头对特定物空间范围内的点光源在像面上的空域响应为近似相等的点扩散函数。

5.如权利要求3所述的大光圈大景深光学成像系统，所述等模糊中间像获取镜头对特定物空间范围内光学信号在像面上的频域响应为近似相等的调制传递函数，所述调整传递函数对特定物空间范围内光学信号具有近似的空不变传递特性。

6.如权利要求3所述的大光圈大景深光学成像系统，所述等模糊中间像获取镜头包括至少一个透镜或者至少一个反射镜，每个透镜或反射镜都具有聚焦功能、消像差功能和为获得等模糊中间像累积剩余像差的功能。

7.如权利要求6所述的大光圈大景深光学成像系统，所述透镜的透射面或者反射镜的反射面的特征为球面、分段球面、非球面、分段非球面、自由曲面或者分段自由曲面。

8.如权利要求1所述的大光圈大景深光学成像系统，所述图像处理装置包括：

包含电子传感器CCD/CMOS及附属线路和执行软件的数码成像单元102；

包含计算机平台和图像处理软件及图像输出/显示的图像处理单元104；以及

从数码成像单元102到图像处理单元104的数据传输链路103。

9.如权利要求2所述的大光圈大景深光学成像系统，所述像差为球差、慧差、像散和色差中的一种或几种的组合。

10.如权利要求2所述的大光圈大景深光学成像系统，所述像差为初级像差或初级像差和高级像差的组合。

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