CN107329253A - 一种用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置及方法 - Google Patents

一种用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置及方法 Download PDF

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曹辉
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Abstract

本发明公开了一种用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置，其特征在于，包括至少两个可发出光的物体、与所述物体对应的测试卡、单透镜和图像显示装置；所述两个物体发出的光经过与物体对应的测试卡反射，再经单透镜显示在图像显示装置上；本发明基于光学经典成像理论，在单透镜成像系统中，使用不同波长的物体照射多个物体，以色差补偿像距差同时实现大光圈和大景深成像，极大地缓解了光圈和景深的矛盾，实现大光圈和大景深成像。

Description

一种用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置及方法
技术领域
本发明属于扩大景深的光学成像技术领域，具体涉及一种用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置及方法。
背景技术
在光学成像领域中，景深是指在镜头或其他成像器前沿着成像器轴线所测定的能够取得清晰图像的物体距离范围。在诸多成像领域中，往往会出现在拍摄两个或多个被摄物体的时候会出现不能同时将所有被摄物体(被摄物体在成像系统的景深外)都能拍摄清晰的情况，这是由于成像系统的景深过小，无法同时对焦多个被拍摄物体，导致无法实现同时对多个被拍摄物体的清晰成像。纵观当下，数码成像、医学生物学、机器视觉、生物统计学、安防监控等领域都亟需大景深成像技术，实现对在大景深范围多个物体的高清成像。
目前，国内外在扩大景深成像领域的研究方法主要是EDoF--扩展景深技术(Extend Depth of Field)，一种诞生于数码时代的新技术，运用数字技术模拟光学的对焦系统，对光信息进行编码，再用计算机信息处理技术解码，使得光学成像系统的景深得到扩展，实现在大景深范围内若干个物体的清晰成像，能较好地解决大景深范围内多个物体不能同时成清晰像的离焦问题。因此EDoF被广泛应用在医学成像、生物统计学(如虹膜识别)、安防监控、数码摄像等领域。但EDoF从软件算法上解决光学成像中的离焦问题，通过对光信息的编码、解码，实现扩大景深的目的，并未在光学原理上很好地解决离焦问题、扩大景深，且EDoF的算法编写复杂，开发成本高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置及方法，解决软件算法的编写复杂、开发成本高的技术问题。
为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：
一种用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置，包括至少两个可发出不同波长光的物体、与所述物体对应的测试卡、单透镜和图像显示装置；所述两个物体发出的光经过与物体对应的测试卡反射，再经单透镜显示在图像显示装置上。
更优地，还包括光阑，所述光阑设置于所述图像显示装置与单透镜之间。
更优地，所述图像显示装置包括图像传感器、电路板和显示器，所述图像传感器与所述电路板电连接，电路板与所述显示器电连接。
用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓方法，所述方法包括：
步骤一：使用单透镜对至少两个物体在图像显示装置上进行成像；
步骤二：上述步骤中的至少两个物体距离单透镜具有物距差，形成景深。
更优地，所述步骤一中至少两个物体发出的光均照射至测试卡，经测试卡反射至单透镜，再经光阑落在图像显示装置上。
更优地，所述单透镜与所述图像传感器位于同一光轴上。
更优地，所述单透镜为双凸透镜。
更优地，所述图像传感器为CMOS图像传感器。
本发明基于光学经典成像理论，在单透镜成像系统中，使用不同波长的物体照射多个物体，以色差补偿像距差同时实现大光圈和大景深成像，极大地缓解了光圈和景深的矛盾，实现大光圈和大景深成像。
附图说明
图1为本发明用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置的示意图。
其中：
1为第一物体，2为第一测试卡，3为第二物体，4为第二测试卡，5为单透镜，6为光阑，7为图像传感器，8为电路板，9为显示器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置，包括至少两个可发出不同波长光的物体、与物体对应的测试卡、单透镜5和图像显示装置；两个物体发出的光经过与物体对应的测试卡反射，再经单透镜5显示在图像显示装置上。测试卡可对物体发出的光反射。该种结构可实现利用光学原理进行成像的目的。
用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置还包括光阑，光阑6设置于图像显示装置与单透镜5之间。该种结构的优点为可调节光束的强弱和照明范围。
图像显示装置包括图像传感器7、电路板8和显示器9，图像传感器7与电路板8电连接，电路板8与显示器9电连接。该种结构的优点为可将图像显示在显示器上。
用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓方法，所述方法包括：
步骤一：使用单透镜5对至少两个物体在图像显示装置上进行成像；
步骤二：上述步骤中的至少两个物体距离单透镜5具有物距差，形成景深。
步骤一中至少两个物体发出的光均照射至测试卡，经测试卡反射至单透镜5，再经光阑6落在图像显示装置上。
单透镜5与图像传感器7位于同一光轴上；该种结构的优点为保证物体的像呈现在显示屏中央。单透镜5为双凸透镜。图像传感器7为CMOS图像传感器。
使用焦距为35mm的单个双凸透镜和CMOS图像传感器对两个物体成像，光路中不可再添加具有聚焦或发散功能的透镜，其中两个物体距离图像传感器7的物距前后相差300mm，形成一定景深。
根据景深计算公式
根据高斯物像公式:
式中：u为物距，即被摄物到镜头的距离；
v为像距，即镜头到感光器件的距离；
f为镜头焦距；
F为光圈值；
L为对焦面到透镜的距离；
δ为弥散斑直径大小，
ΔL为景深大小，
D为镜头最大有效口径大小。
可根据成像系统的参数：
D＝12mm，f＝34.9mm,δ＝0.168mm，L＝380mm，δ＝0.168mm，L＝380mm，光圈为F2.9，光圈值F＝1/2.9，ΔL＝28.24mm。
根据给出的参数可得单透镜的焦距为34.9mm。分别求出500mm处的测试卡的对焦面为37.634mm，800mm处的测试卡的对焦面为36.601mm，两张测试卡的像距之差为1.033mm(即是v′＝1.033mm)
利用MATLAB软件分析得出，波长为λ1＝396nm的光在K9玻璃中的折射率n1＝1.531，再根据:
得出
(其中n为波长在玻璃中的折射率；d为单透镜的厚度；r1、r2为单透镜的曲率半径，其中n＝n1＝1.531，r1＝-r2，d＝6.8mm)
求得f1＝30.828mm。
因为v′＝1.033mm，对应波长λ2的焦距f2为31.861mm，然后求出对应波长在单透镜5(K9玻璃)中的折射率。再根据n2＝1.514，从波长与折射率的关系图中分析得出λ2＝612nm。
由以上计算可得，在单透镜成像系统中，第一物体1为紫灯时，第二物体3为橙灯，采用396nm的紫灯照射第一测试卡2，612nm的橙灯照射第二测试卡4，可将两个物体成像在同一个像方焦平面上，两个前后具有一定距离的物体能同时成清晰像。即在同等条件下，未运用该技术时，该款单透镜成像的景深为28.24mm，而运用此技术后，景深可扩大到300mm，提高了10倍以上。
本发明从光学原理上解决了离焦问题，逆向设计色差，以补偿像距差，实现了对大景深范围内多个拍摄物体(被摄物体在成像系统的景深外)的同时对焦、清晰成像。
本发明基于光学经典成像理论，在单透镜成像系统中，使用不同波长的物体照射多个物体，以色差补偿像距差同时实现大光圈和大景深成像，极大地缓解了光圈和景深的矛盾，实现大光圈和大景深成像。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置，其特征在于，包括至少两个可发出不同波长光的物体、与所述物体对应的测试卡、单透镜和图像显示装置；所述两个物体发出的光经过与物体对应的测试卡反射，再经单透镜显示在图像显示装置上。
2.根据权利要求1所述的用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置，其特征在于，还包括光阑，所述光阑设置于所述图像显示装置与单透镜之间。
3.根据权利要求2所述的用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓装置，其特征在于，所述图像显示装置包括图像传感器、电路板和显示器，所述图像传感器与所述电路板电连接，电路板与所述显示器电连接。
4.根据权利要求1至3任意一项权利要求所述装置的用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：使用单透镜对至少两个物体在图像显示装置上进行成像；
步骤二：上述步骤中的至少两个物体距离单透镜具有物距差，形成景深。
5.根据权利要求4所述的用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓方法，其特征在于，所述步骤一中至少两个物体发出的光均照射至测试卡，经测试卡反射至单透镜，再经光阑落在图像显示装置上。
6.根据权利要求5所述的用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓方法，其特征在于，所述单透镜与所述图像传感器位于同一光轴上。
7.根据权利要求6所述的用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓方法，其特征在于，所述单透镜为双凸透镜。
8.根据权利要求7所述的用于单透镜扩大景深成像的光学景深延拓方法，其特征在于，所述图像传感器为CMOS图像传感器。
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