CN103703413A - 使用颜色相关波前编码扩展透镜系统中景深的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于生成具有扩展景深的图像的光学系统。该系统包括：相位掩模和有色波前编码透镜。有色波前编码透镜通过在由透镜创建的图像中生成指定色差来提供光的轴向色分离。相位掩模驱使光学系统的光学传递函数在远离像平面的指定范围内保持基本恒定，并且系统的光学传递函数在至少一个感兴趣的光谱通带内不包含零值。可以在图像上执行数字处理以通过反转由相位掩模生成的调制传递函数的下降来生成最终图像。

Description

使用颜色相关波前编码扩展透镜系统中景深的系统和方法

相关申请

名为“Extended Depth Of Field Optical System（扩展景深光学系统）”的第7,218,448号美国专利通过引用包括在本文中。

背景技术

典型的相机具有有限的景深（焦深）。景深取决于相机的光圈，而较小的光圈获得相对较大的景深（例如，针孔相机提供无穷的景深）。然而，大光圈和大景深是同时所被希望的。对于该问题的一个通用方法是“波前编码”，“波前编码”提供具有扩展景深（EDoF）的图像。在这个基本方法中，所希望的是进一步扩展透镜系统的景深以改善相机性能。

发明内容

本发明使用相位掩模（独立的相位掩模或者整合至现有透镜元件中的相位掩模），以颜色相关方式对图像波前编码，从而使用对于各个颜色通道（R、G和B）独立的不同光学传递函数（OTF）生成轴向分离的图像，并且单独的颜色通道的OTF展现扩展景深并且在有限的空间频率范围内不包含零值。

在一个实施方式中，只有单一的颜色通道与单一的反褶积滤光片进行处理，代替单独的颜色通道的独立处理。在该实施方式中，所用信号处理是RGB颜色空间指YUV颜色空间的图像转换，使用预先测量的点扩散函数或取自模型的点扩散函数的Y通道的反褶积，然后转换回RGB颜色空间。U通道和Y通道未处理。

附图说明

图1A是示出本系统的一个实施方式的示例性部件的视图；

图1B是示出示例性集成掩模/透镜的视图；

图2是示出在一个实施方式中通过本系统执行的示例性步骤的流程图；

图3是示出使用波前编码的图像处理中执行的示例性步骤的视图；

图4是示出示例性色差透镜的结合后的EDoF的视图；

图5A是示出现有技术的拜耳马赛克图案的视图；以及

图5B是示出根据本系统修改的拜耳马赛克图案的视图；以及

图5C是包括单元阵列的彩色滤光片马赛克的示例性视图。

具体实施方式

图1A是示出用于提供扩展景深（EDoF）的本光学系统100的视图。如图1A所示，在示例性实施方式中，本系统100包括：颜色相关波前编码透镜系统104，颜色相关波前编码透镜系统104包括相位掩模101（或内嵌有相位掩模功能的现有透镜元件（例如，透镜103））；以及成像透镜（或复合透镜组件）103，用于将从物体接收到的光107聚焦到像平面127中。光学系统100还包括：图像传感器105（例如，电荷耦合器件“CCD”或者互补金属氧化物半导体器件“CMOS”），图像传感器105的一个表面与像平面127相邻，以捕捉入射在像平面处的光的电表示。系统100还包括：处理器110，具有关联存储器115，存储器115中存储有图像处理算法118和由传感器105捕捉到的数字图像120。

传感器105具有覆盖彩色滤光片马赛克117，覆盖彩色滤光片马赛克117可以具有拜耳图案或其他马赛克图案，如将在下面就图5描述的图案。彩色滤光片马赛克117由此向传感器105的特定群组的像素提供，以便以感兴趣的不同光谱通带操作，其中各个感兴趣的光谱通带由通过滤光片马赛克117的类似元件传递至其相应像素的波长范围构成。传感器105提供有限的空间频率范围内的输出，也就是说，由传感器的像素到像素间距最终限制的空间频率范围，但也可以被定义成比由像素到像素间距限制的范围小的空间频率。

本透镜系统104并入有色波前编码元件或透镜，103，以通过将透镜103设计成提供预定量的色差而实现轴向色分离，而同时，至少一个颜色通道的光学传递函数（OTF）在扩展焦深内的一定范围的空间频率上不包含零值。透镜103由此在下文中称为“有色波前编码透镜”。

集成掩模/透镜

图1B是示出示例性集成掩模/透镜106的视图。在一个实施方式中，如图1B所示，透镜系统104包括：波前编码相位掩模，与有色波前编码透镜集成，以形成专门设计成提供有色波前编码功能的单一的集成相位掩模/有色波前编码透镜106。本文中描述的各个实施方式将波前编码与色差结合以提供EDoF，并且是在下面描述的波前编码成像技术的实现。

通过波前编码成像

波前编码以这样的方式对基于传感器的光学系统进行修改，即，以便保持将在光学像差（如散焦）的存在下形成的图像的某些方面。当最终（例如，人眼可见）图像是所希望的，则可以采用信号处理以对形成在传感器上的中间图像解码。信号处理是通过相位掩模（如元件101）的使用由系统光学器件压印在波前上的编码所确定的。该信号处理顾及由传感器的像素阵列的宽度、高度和间距提供的空间结合。使用波前编码的系统中的最终图像是对波前编码的光学器件和对中间图像解码以形成最终图像的信号处理的结合的结果。

更具体地，在波前编码中，对于透镜的合适的光学传递函数通过特殊设计的相位掩模（波前编码元件）的使用而创建，以产生具有可操作信息（如景深）的图像的点扩散函数。相位掩模使光学传递函数在远离透镜的在焦位置或像平面的一些范围内保持基本恒定。相位掩模被构建和定位以改变光学系统的光学传递函数，从而使得改变后的光学传递函数在比由未改变的光学传递函数所提供的更大的物距范围上基本不受物体与透镜之间的未知距离的影响。在更大的物距范围上的OTF的不敏感性意味着产生的图像不受这种距离范围的影响，也就是说，系统的景深增加。然而，增加后的景深通常导致调制传递函数（MTF）的下降，数学上定义为OTF的模量，并且与空间频率范围上的图像的对比度对应。MTF更高，则给定空间频率处的对比度更高。

可以使用数字处理以撤销掩模的MTF下降，由此使图像的对比度恢复，而改变后的OTF意味着图像在扩展景深上保持聚焦。在存储图像上执行景深后处理以通过撤销由相位掩模导致的MTF下降使图像恢复，从而除去掩模（除了增加的景深以外）的效果。

用于扩展光学系统的景深的相位掩模101可以通过检查几个候选掩模函数的模糊函数而构建，以确定哪个特定掩模函数具有在物距的预定或指定范围上最接近恒定的光学传递函数，并且制造具有该特定候选的掩模函数的掩模。例如，指定范围可以是正常景深的1.001倍，或者正常景深的2或更多倍。

本方法采用相位掩模（例如，图1A中的相位掩模101）以点扩散函数（PSF）容许离焦的方式对非相干成像系统（例如，波前编码透镜系统104）进行修改，而光学传递函数（OTF）在感兴趣的光谱通带内（例如，光学系统的各个颜色通道内）不具有零值区域，由此允许数字处理被用于使采样的中间图像的对比度恢复。

此外，因为OTF容许离焦，相同的数字处理使图像的对比度恢复以用于更宽范围的离焦。该结合后的光学数字系统产生相当于衍射限的PSF但在焦点的更大得多区域上的PSF。本文中使用术语“波前编码”以描述修改非相干光学系统和接收到的非相干波前的一般处理，该处理是通过相位掩模对非相干光学系统和接收到的非相干波前进行修改，以相比于不具有相位掩模的未修改的OTF使得改变后的OTF不受物距的影响，并且不会将零值引入到OTF中。通过仅修改接收到的波前的相位，具体波前编码技术允许在没有光损失的情况下实现EDoF。

在本文所示的各个实施方式中，透镜系统104包括相位掩模，相位掩模取EDoF表面的形式，例如，立方体。

下面的方程式1，描述立方体相位掩模的形式：

方程式1

z=α(x³+y³)

其中α是用于控制波前调制的上限量的度量常数，x和y是垂直于光学轴线的空间坐标。

如果具有通过方程式1数学描述的形式的光学表面被置于透镜系统（如图1A中所示的波前编码透镜系统104）的孔径光阑中，或者如果该形式是与靠近孔径光阑的透镜结合以生成如图1B中所示的集成掩模/透镜元件106，则可以扩展透镜系统的焦深。相位掩模的各个类型具有操作范围，在该操作范围上具有扩展景深。在描述简单的立方体相位系统的方程式1上，该范围是由α值确定。

可以通过反褶积滤光片的使用来移除相位掩模的效果，反褶积滤光片适用于由波前编码透镜系统104形成的中间图像。通常情况下，反褶积滤光片是通过数字信号处理算法实施的，数字信号处理算法提供光学系统MTF的逆变。例如，可以使用维纳滤光片（Wiener filter）[Fales et.al.,"Wiener restoration of sampled image data:end-to-end analysis（采样图像数据的维纳恢复：端至端分析）"J.Opt.Soc.Am.A,vol.5,no.3,pp.300-314(1988)]。在本系统中，反褶积/过滤是通过一个或多个图像处理算法118执行的。

基于具体应用，相位掩模101的不同形式或集成后的相位掩模/透镜106可以根据本光学系统实施。

图2是示出通过在示例性实施方式中的本系统执行的步骤的流程图。如图2所示，在步骤205处，来自待成像场景的光107通过透镜组件104，在透镜组件104中相位掩模101生成具有波前编码的中间图像212，中间图像212在步骤210处被传感器105记录。

波前编码以这样的方式对基于传感器的光学系统进行修改，即，以便保持将在光学像差（如散焦）的存在下形成的图像的某些方面。可以采用信号处理以对形成在传感器上的中间图像解码。当使用时，信号处理是通过编码确定的，编码通过相位掩模（如图1A中的相位掩模101）的使用而由系统光学器件压印在波前上。具有波前编码的系统中的最终图像是对波前编码的光学器件和对中间图像解码以形成最终图像的信号处理的结合后的结果。

在本系统中，对于透镜的合适的光学传递函数是通过特殊设计的相位掩模101的使用而创建，以产生具有可操作信息（如景深）的图像的点扩散函数。透镜系统104形成具有用于各个对应颜色通道R、G和B的单独的光学传递函数的三个轴向分离的图像（例如，如图4所示，图像401、402和403，将在下面描述）。除了颜色通道之间的轴向色分离以外，各个颜色通道的OTF也示出了波前编码特征。

在步骤215处执行的数字处理可以反转相位掩模101的光学传递函数-修改效果，因而在增加后的景深上导致在焦图像的分辨率以生成EDoF图像222。在一个实施方式中，在R、G和B通道信息上执行景深后处理。在该特定实施方式中，在步骤215处，然后使用由算法118实施的滤光片重建中间图像230中具有波前编码的R、G和B通道。然后，在步骤235处，结合R'、G'和B'通道以生成跨越R、G和B图像的结合景深的、具有EDoF的最终图像。

图3是示出在可选实施方式中图2的步骤215中执行的处理的示例性细节的视图。在该实施方式中，在存储的Y通道信息上执行景深后处理以通过反转由掩模101完成的光学传递变化使图像恢复。如图3所示，在步骤310处，在对图像的处理中，图像先从RGB颜色空间转变至YUV颜色空间。在YUV颜色空间中，亮度被表示为Y，并且U和V是有色（彩色）分量。Y'是Y通道被处理后（过滤或反褶积）的版本。

在具有波前编码的单色透镜中，对于三种颜色（R、G、B）中每个的调制传递函数（MTF）非常接近，然而，通过本有色波前编码透镜103，对于三种颜色的MTF截然不同。白光MTF是类似的这一事实是对本发明的操作有利的。透镜101故意具有一些量的轴向色差，这是每个透镜都展现出的。通常，透镜设计使轴向色最小化，除了没有对零轴向色的优化以外，设计具有轴向色的方法与用于其他透镜的方法相同，对透镜103进行对非零量的轴向色的优化。更具体地，透镜103设计成具有一些预定、或者指定量的色差，一些预定、或者指定量的色差是所需景深扩展的量的函数；例如，指定色差可以是通过指定扩展景深内感兴趣的空间频率处最小MTF的要求而确定的。例如，为了获得最大扩展景深，可以增加相邻颜色通道之间的轴向色分离，直至两个通过焦点的MTF之间的交叉点满足特定成像应用的最小MTF要求。在一些机器视觉应用中，在感兴趣的空间频率处典型的最小MTF要求是约0.2。

在YUV颜色空间中，Y通道（亮度通道）本质上是白光通道，并且是三种颜色通道R、G和B的组合。在步骤315处，Y通道通过设计成将MTF增益回衍射极限（diffraction-limited-like）响应的反褶积滤光片过滤，从而创建Y'通道。在本系统中，在步骤320处，U通道和V通道（有色通道）未处理（步骤317）并且与处理后的Y'通道重组，以产生Y'UV图像。然后，在步骤325处，图像被转换回至RGB颜色空间，以生成具有扩展景深的最终R'G'B'图像222。因为只有Y通道被处理，所以在该实施方式中只有白光MTF被关注。

图4是示出示例性透镜系统104的产物EDoF414的视图400。如图4所示，可以通过结合图像的R、G和B通道扩展成像透镜的景深，通过合适的有色波前编码透镜103旋绕。在提供红色、绿色和蓝色图像分量（411+412+413）的连续的在焦图像的最高公共通焦MTF处（由箭头415表示）处，透镜的连续的在焦景深由此扩展至最近在焦蓝色图像分量411处的物距411'与最远在焦红色图像分量413处的物距413'之间的范围414。

如图4所示，通过对通过焦点MTF的R、G和B进行分离，通过焦点MTF的平均（在所有波长或颜色上的平均）在距离411+412+413上几乎恒定。因为平均MTF与图像的亮度通道对应，所以在整体411+412+413范围上可以通过对于落入任意焦点平面上的物体的反褶积，恢复亮度通道中的清晰图像（具有高MTF的图像）。即使是在有色通道相对模糊（即，它们具有低MTF）的情况下，因为人眼对亮度通道中的MTF是最敏感的，所以该图像也将对观众呈现得清晰。

此外，因为平均的MTF在该范围上几乎恒定，所以无论物体落入到哪个焦平面中，用于在亮度通道中恢复清晰图像的反褶积滤光片都相同，因此可以通过单一线性过滤操作完成整体锐化操作。在传统的透镜中，通过焦点MTF的R、G和B将几乎彼此重叠，使得通过焦点MTF的平均基本上只沿着由箭头412表示的距离上扩展。

具有白光像素的传感器滤光片马赛克

图5A是示出具有现有技术的拜耳马赛克图案的单一四像素滤光片单元500的视图。图5B是示出根据本示例性实施方式修改的拜耳马赛克图案中的一个单元501的示例性视图，图5C是包括单元阵列501的彩色滤光片马赛克117（图1）的示例性视图。在本实施方式中，本透镜系统100使用包括具有“白光像素”513的滤光片马赛克501的传感器阵列105，“白光像素”513代替拜耳图案的各个单元中的绿色像素中一个（例如，像素511）。

在本实施方式中，传感器105包括：具有彩色滤光片马赛克117的传感器阵列，彩色滤光片马赛克117包括RGBW滤光片（红色、绿色、蓝色和“白光”或透明）图案，其中每个图案被置于图像传感器105的相应像素（或像素传感器）上以过滤/捕捉颜色信息。如图5A所示，通常，各个单元的拜耳图案包括：两个绿色像素510/511、一个红色像素508和一个蓝色像素509。在本实施方式中，如图5B所示，对应的拜耳马赛克的各个单元501中的绿色像素中一个（510或511）被“白光像素”513（即，不具有彩色滤光片的像素）代替，以提供增加的光收集和增加的信噪比，按照图3的实施方式，如果不对单独的颜色通道进行处理，则这将是可能的。特征的组合

在不背离本发明范围的情况下，上述特征以及下面所声称的特征可以以多种方式组合。下面的示例示出可能的组合：

（a）用于生成具有扩展景深的图像的光学系统可以包括：有色波前编码透镜，通过在经由有色波前编码透镜创建的图像中生成指定色差来提供透射过有色波前编码透镜的光的轴向色分离。在至少一个感兴趣的光谱通带内，光学系统的光学传递函数展现扩展景深并且在有限的空间频率范围内不包含零值。

（b）在表示为（a）的光学系统中，指定色差可以是通过指定扩展焦深内感兴趣的空间频率处的最小调制传递函数（MTF）要求而确定的。

（c）在表示为（a）或（b）的光学系统中，可以存在有三个感兴趣的光谱通带，分别与光学系统的各颜色通道对应。

（d）在表示为（a）至（c）的光学系统中任意一种光学系统中，有限的空间频率范围的最大空间频率可以小于由系统的传感器的像素到像素间距限制的空间频率。

（e）表示为（a）至（d）的光学系统中任意一种光学系统可以包括：相位掩模，相位掩模改变光学系统的光学传递函数，以使得由此改变后的光学传递函数在比由未改变的光学传递函数提供的物距范围更大的物距范围上基本不受物体与透镜之间的距离的影响。可以在图像上执行数字处理以通过反转由相位掩模生成的调制传递函数的下降来生成具有扩展景深的处理后的图像。

（f）一种用于生成具有扩展景深的图像的光学系统可以包括：有色波前编码透镜和相位掩模，其中透射过光学系统的光聚焦到像平面中。有色波前编码透镜通过在入射在像平面上的中间图像中提供指定色差来提供轴向色分离。相位掩模使光学系统的光学传递函数在远离像平面的指定范围内保持基本恒定。在至少一个感兴趣的光谱通带内，光学系统的光学传递函数展现扩展景深并且在有限的空间频率范围内不包含零值。

（g）在表示为（f）的光学系统中，指定色差可以是通过指定扩展焦深内感兴趣的空间频率处的最小调制传递函数（MTF）要求而确定的。

（h）在表示为（f）或（g）的光学系统中，可以通过图像传感器捕捉中间图像以生成中间图像的电表示。

（i）在表示为（f）至（h）的光学系统中任意一种光学系统中，可以在中间图像的电表示上执行数字处理，以通过反转由相位掩模生成的调制传递函数的下降来生成最终图像。

（j）在表示为（f）至（i）的光学系统中任意一种光学系统中，感兴趣的光谱通带可以是透射过光学系统的光的至少一个带宽。

（k）表示为（f）至（j）的光学系统中任意一种光学系统还可以包括：图像传感器，用于捕捉入射在像平面处的光的电表示。传感器可以覆盖有包括多个单元的彩色滤光片马赛克，多个单元中每个包含一个红色滤光片、一个绿色滤光片、一个蓝色滤光片和一个透明滤光片。滤光片中每个可以被定位在图像传感器的相应像素上。

（l）一种用于展现扩展景深的光学系统可以包括：颜色相关波前编码透镜系统，颜色相关波前编码透镜系统包括有色波前编码透镜和相位掩模，其中透镜系统将透射过透镜系统的光聚焦到像平面中；图像传感器，用于捕捉入射在像平面处的光的电表示；以及处理器，具有存储有图像处理算法的关联存储器。有色波前编码透镜可以设计成在形成在传感器上的中间图像中提供指定色差。中间图像可以通过使用算法由处理器随后处理，以生成具有扩展景深的最终图像。

（m）在表示为（l）的光学系统中，相位掩模可以使光学系统的光学传递函数在远离在焦位置的指定范围内保持基本恒定，并且可以在存储的图像上执行数字处理以通过反转由相位掩模生成的调制传递函数的下降来生成最终图像。

（n）在表示为（l）或（m）的光学系统中，在提供红色图像分量、绿色图像分量和蓝色图像分量的连续的在焦图像的最高公共的通焦调制传递函数处，透镜系统的连续的在焦景深可以被扩展至最近在焦蓝色图像分量处的物距与最远在焦红色图像分量处的物距之间的范围。

（o）在表示为（l）至（n）的光学系统中任意一种光学系统中，颜色相关波前编码透镜系统可以是通过将相位掩模和有色波前编码透镜结合成单一单元而形成的。

（p）在表示为（l）至（o）的光学系统中任意一种光学系统中，图像传感器可以覆盖有包括多个单元的彩色滤光片马赛克，多个单元中每个包含一个红色滤光片、一个绿色滤光片、一个蓝色滤光片和一个透明滤光片。滤光片中每个可以被定位在图像传感器的相应像素上。

（q）一种用于生成具有扩展景深的图像的方法可以包括：光学耦合相位掩模和有色波前编码透镜以形成光学系统，该光学系统将透射过其的光聚焦到图像中。有色波前编码透镜可以通过在图像中生成指定色差来提供透射过有色波前编码透镜的光的轴向色分离。光学系统的光学传递函数可以在感兴趣的光谱通带内不包含零值。

（r）在表示为（q）的方法中，指定色差可以是通过指定扩展焦深内感兴趣的空间频率处的最小调制传递函数要求而确定的。

（s）在表示为（q）或（r）的方法中，透射过光学系统的光可以被聚焦到像平面中。相位掩模可以使光学系统的光学传递函数在远离像平面的指定范围内保持基本恒定。

（t）在表示为（q）至（s）的方法中任意一种方法中，光学系统的光学传递函数可以在透射过光学系统的光的至少一个带宽内不包含零值。

（u）在表示为（q）至（s）的方法中任意一种方法中，可以在图像上执行数字处理以通过反转由相位掩模生成的调制传递函数的下降来生成具有扩展景深的处理后的图像。

（v）一种用于增加光学系统的景深以将从物体接收到的光聚焦到像平面中的方法，其中光学系统通过未改变的光学传递函数特征化并且包括用于存储入射在像平面处的光的表示的图像传感器，该方法可以包括：构建光学相位掩模，光学相位掩模包括景深增加特征以生成光学系统的改变后的光学传递函数，以使得改变后的光学传递函数在比由未改变的光学传递函数提供的物距更大的物距的指定范围上基本不受物体与透镜之间的距离的影响。该方法还可以包括：构建有色波前编码透镜，有色波前编码透镜通过在入射在像平面上的中间图像中提供指定色差来提供透射过有色波前编码透镜的光的轴向色分离；将光学掩模和有色波前编码透镜置于物体与传感器之间；以及提供中间图像的景深后处理，以由此反转由光学掩模和有色波前编码透镜生成的调制传递函数的下降。

（w）在表示为（v）的方法中，指定色差可以是通过指定扩展焦深内感兴趣的空间频率处的最小调制传递函数要求而确定的。

（x）在表示为（v）或（w）的方法中，掩模构建步骤可以包括：检查多个候选掩模函数的模糊函数以确定哪个特定掩模函数具有在物距的指定范围上最接近恒定的光学传递函数，并且构建具有特定掩模函数的光学掩模。

已对本发明进行了详细描述并且参照了本发明的具体实施方式，应当注意的是，在不背离在所附权利要求书中限定的本发明的范围的情况下能够进行修改和变形。因此，可以预期的是本发明不受限于本发明的具体公开的方面。

Claims (24)

1.一种用于生成具有扩展景深的图像的光学系统，包括：

有色波前编码透镜，通过在经由所述有色波前编码透镜创建的图像中生成指定色差来提供透射过所述有色波前编码透镜的光的轴向色分离；

其中在至少一个感兴趣的光谱通带内，所述光学系统的光学传递函数展现扩展景深并且在有限的空间频率范围内不包含零值。

2.如权利要求1所述的光学系统，其中所述指定色差是通过指定扩展焦深内所述感兴趣的空间频率处的最小调制传递函数（MTF）要求而确定的。

3.如权利要求1所述的光学系统，其中存在有三个所述感兴趣的光谱通带，分别包括所述光学系统的各颜色通道。

4.如权利要求1所述的光学系统，其中所述有限的空间频率范围的最大空间频率小于由所述系统的传感器的像素到像素间距限制的空间频率。

5.如权利要求1所述的光学系统，包括：

相位掩模，所述相位掩模改变所述光学系统的所述光学传递函数，以使得由此改变后的所述光学传递函数在比由未改变的所述光学传递函数提供的物距范围更大的物距范围上基本不受物体与所述透镜之间的距离的影响；

其中在所述图像上执行数字处理以通过反转由所述相位掩模生成的调制传递函数的下降来生成具有所述扩展景深的处理后的图像。

6.一种用于生成具有扩展景深的图像的光学系统，包括：

有色波前编码透镜和相位掩模，其中透射过所述光学系统的光聚焦到像平面中；

其中所述有色波前编码透镜通过在入射在所述像平面上的中间图像中提供指定色差来提供轴向色分离；

其中所述相位掩模使所述光学系统的光学传递函数在远离所述像平面的指定范围内保持基本恒定；以及

其中在至少一个感兴趣的光谱通带内，所述光学系统的所述光学传递函数展现扩展景深并且在有限的空间频率范围内不包含零值。

7.如权利要求6所述的光学系统，其中所述指定色差是通过指定扩展焦深内感兴趣的空间频率处的最小调制传递函数（MTF）要求而确定的。

8.如权利要求6所述的光学系统，其中通过图像传感器捕捉所述中间图像以生成所述中间图像的电表示。

9.如权利要求8所述的光学系统，其中在所述中间图像的所述电表示上执行数字处理，以通过反转由所述相位掩模生成的调制传递函数的下降来生成所述最终图像。

10.如权利要求6所述的光学系统，其中所述感兴趣的光谱通带是透射过所述光学系统的光的至少一个带宽。

11.如权利要求6所述的光学系统，还包括：

图像传感器，用于捕捉入射在所述像平面处的光的电表示，其中所述传感器覆盖有包括多个单元的彩色滤光片马赛克，所述多个单元中每个包含一个红色滤光片、一个绿色滤光片、一个蓝色滤光片和一个透明滤光片，其中所述滤光片中每个被定位在所述图像传感器的相应像素上。

12.一种用于展现扩展景深的光学系统，包括：

颜色相关波前编码透镜系统，所述颜色相关波前编码透镜系统包括有色波前编码透镜和相位掩模，其中所述透镜系统将透射过所述透镜系统的光聚焦到像平面中；

图像传感器，用于捕捉入射在所述像平面处的光的电表示；以及

处理器，具有存储有图像处理算法的关联存储器；

其中所述有色波前编码透镜设计成在形成在所述传感器上的中间图像中提供指定色差；

并且其中所述中间图像通过使用所述算法由所述处理器随后处理，以生成具有所述扩展景深的最终图像。

13.如权利要求12所述的光学系统，其中所述相位掩模使所述光学系统的光学传递函数在远离在焦位置的指定范围内保持基本恒定，并且在所存储的图像上执行所述数字处理以通过反转由所述相位掩模生成的调制传递函数的下降来生成所述最终图像。

14.如权利要求12所述的光学系统，其中在提供所述红色图像分量、绿色图像分量和蓝色图像分量的连续的在焦图像的最高公共通焦调制传递函数处，所述透镜系统的连续的在焦景深被扩展至最近在焦蓝色图像分量处的物距与最远在焦红色图像分量处的物距之间的范围。

15.如权利要求12所述的光学系统，其中所述颜色相关波前编码透镜系统是通过将所述相位掩模和所述有色波前编码透镜整合成单一单元而形成的。

16.如权利要求12所述的光学系统，其中所述图像传感器覆盖有包括多个单元的彩色滤光片马赛克，所述多个单元中每个包含一个红色滤光片、一个绿色滤光片、一个蓝色滤光片和一个透明滤光片，其中所述滤光片中每个被定位在所述图像传感器的相应像素上。

17.一种用于生成具有扩展景深的图像的方法，包括：

光学耦合相位掩模和有色波前编码透镜以形成光学系统，所述光学系统将从其透射过的光聚焦到所述图像中；

其中所述有色波前编码透镜通过在所述图像中生成指定色差来提供透射过所述有色波前编码透镜的光的轴向色分离；以及

其中所述光学系统的光学传递函数在感兴趣的光谱通带内不包含零值。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述指定色差是通过指定扩展焦深内感兴趣的空间频率处的最小调制传递函数要求而确定的。

19.如权利要求17所述的方法，其中透射过所述光学系统的光被聚焦到像平面中；并且

其中所述相位掩模使所述光学系统的所述光学传递函数在远离所述像平面的指定范围内保持基本恒定。

20.如权利要求17所述的方法，其中所述光学系统的所述光学传递函数在透射过所述光学系统的光的至少一个带宽内不包含零值。

21.如权利要求17所述的方法，其中在所述图像上执行数字处理以通过反转由所述相位掩模生成的调制传递函数的下降来生成具有所述扩展景深的处理后的图像。

22.一种用于增加光学系统的景深以将从物体接收到的光聚焦到像平面中的方法，其中所述光学系统通过未改变的光学传递函数特征化并且包括用于存储入射在所述像平面的光的表示的图像传感器，所述方法包括：

构建光学相位掩模，所述光学相位掩模包括景深-增加特征以生成所述光学系统的改变后的光学传递函数，以使得所述改变后的光学传递函数在比由所述未改变的光学传递函数提供的物距更大的物距的指定范围上基本不受所述物体与所述透镜之间的距离的影响；

构建有色波前编码透镜，所述有色波前编码透镜通过在入射在所述像平面上的中间图像中提供指定色差来提供透射过所述有色波前编码透镜的光的轴向色分离；

将所述光学掩模和所述有色波前编码透镜置于所述物体与所述传感器之间；以及

提供所述中间图像的景深后处理，以由此反转由所述光学掩模和所述有色波前编码透镜生成的调制传递函数的下降。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述指定色差是通过指定扩展焦深内感兴趣的空间频率处的最小调制传递函数要求而确定的。

24.如权利要求22所述的方法，其中所述掩模构建步骤包括：

检查多个候选掩模函数的模糊函数以确定哪个特定掩模函数具有在物距的指定范围上最接近恒定的光学传递函数，以及构建具有所述特定掩模函数的所述光学掩模。

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