CN108132529A - 一种基于波前编码的景深变焦光学方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于波前编码的景深变焦光学方法及系统。该方法在不改变原系统结构的条件下，利用在系统光瞳面添加非球面掩模调制，若该位置为原系统光学元件面，则在该面上叠加非球面掩模；若该位置为系统光阑，则在该位置增加一片非球面掩模板。取得加入非球面掩模后的系统调制传递函数，获得物空间景物模糊图片后，依据传递函数对模糊图片进行滤波图像处理。无论是对大景深内不同物距的目标成像，或者是在理想像面前后的焦深范围内得到的像，经过图像处理都可以获得清晰的图像。加入相位板的方法简单，易操作，较好的实现了对原系统景深或者焦深的拓展，在各焦距位置，稳定各个视场角下的成像质量。

Description

一种基于波前编码的景深变焦光学方法及系统
技术领域
本发明涉及变焦光学方法及其系统，具体涉及一种基于波前编码的景深变焦光学方法及系统。
背景技术
变焦距光学镜头是常见的光学镜头之一，由于其能够改变焦距而保证物像共轭距不变的特点，应用广泛。变焦镜头最大的优点就是光学变焦，但是在光学变焦过程中，随着焦距的减小，系统的景深或焦深减小。同时各焦距位置处的各视场角下的成像质量不一致，以上特征都是几何光学成像系统本身的特点和局限。
镜头在连续变焦时，物象共轭距还是会发生微小的变化，即实际成像面偏离高斯成像面，在变焦过程中出现像面的跳动，从而影响像质。随着变焦距应用的广泛，对系统成像质量的要求越来越高。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于波前编码的景深变焦光学方法及系统，本发明提供的技术方案具有大景深大焦深的特点以及具有像质稳定的优点。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种基于波前编码的景深变焦光学方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
第一步，选定变焦距光学系统；
第二步，选定变焦距光学系统相位掩模作用的位置；
第三步，依据选定的变焦距光学系统进行波前编码非球面光学元件的设计和制作，并将其嵌入完成像差校正的变焦距光学系统中；
第四步，采用成像系统进行成像取图；
第五步，对成像系统进行成像取图后的图片进行图像滤波处理，并对滤波后的图像进行解码；
第六步，经图像处理之后的解码图即为系统最终所得图像。
进一步地，所述第一步中，所述变焦距光学系统为已经通过像差校正、公差分析技术分析后的正常使用的变焦距光学系统，包括电视录像、照相取景所用变焦镜头(像差校正和公差分析方法亦为光学设计过程中的基本方法，即计算机光学设计软件辅助分析，这里采用ZEMAX软件，具体内容不再赘述)；所述变焦距光学系统为可见光波段变焦系统或红外变焦系统。
进一步地，所述第二步中，处在系统相位掩模作用的位置即为系统相位掩模作用面；所述系统相位掩模作用面包括非球面掩模板和作为光瞳面的光学元件面上叠加非球面掩模作用的面；
所述选定系统相位掩模作用的位置包括通过在原光学系统的光阑处加入非球面掩模板，或者在系统中作为光瞳面的光学元件面上叠加非球面掩模作用。
进一步地，所述变焦距光学系统利用非球面掩模在成像光线中引入相位差，从而改变光线在像面上的分布，使得景深范围内不同物距的目标在像面上具有相同的成像特征，或者是同一个目标在不同离焦位置具有相同的成像特征。
进一步地，所述第四步中，启动成像系统对景深范围的目标或场景进行成像拍照，采集的照片数据存为图片文件；所述景深范围至少是原变焦距光学系统景深的两倍以上。
进一步地，所述第五步中，在变焦距光学系统引入相位差，最终在原系统高斯成像面的前后都能得到光学传递函数为一致的模糊图像；利用数字滤波对图像处理，在对图像进行解码之前，还包括：对滤波后的图像进行复原处理。
进一步地，，根据传递函数的特征，对共轭物面前后范围内的景物所成的模糊图像进行复原，得到清晰度一致的图像；高斯像面的共轭物面前后所表示的空间即为系统的景深；
变焦距光学系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取景深范围内不同物距目标所成像的点扩散函数Pi，对其作归一化和平均处理利用成像点的扩散函数对模糊图像进行解码处理；i表示成像的点，n表示总点数。
进一步地，，对高斯成像面前后的模糊图像进行复原，高斯成像面前后所表示的空间即为系统的焦深；变焦距光学系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取同一个物距目标在焦深范围内不同离焦位置所成像的点扩散函数，对其作平均处理，利用该归一化的平均点扩散函数对模糊图像进行解码处理。
进一步地，，变焦距光学系统对不同物距条件下调制后的系统传递函数或在同一物距下不同像距的离焦调制传递函数(前者是不同物距的调制传递函数，后者是不同像距的离焦调制传递函数)的一致性进行分析，在截止频率处的调制传递函数值不小于0.1；系统传递函数是不同物距的调制传递函数，离焦调制传递函数是不同像距的离焦调制传递函数。
本发明还提供一种基于波前编码的景深变焦光学系统，其改进之处在于，所述系统包括：
系统选定模块，用于选定变焦距光学系统；
位置选定模块，用于选定变焦距光学系统相位掩模作用的位置；
编码模块，依据选定的变焦距光学系统进行波前编码非球面光学元件的设计和制作，并将其嵌入原系统中；
成像取图模块，用于采用成像系统进行成像取图；
图像处理及解码模块，用于对图片进行滤波图像处理，并对滤波后的图像进行解码。
进一步地，所述位置选定模块，还用于：通过在原光学系统的光阑处加入非球面掩模板，或者在系统中作为光瞳面的光学元件面上叠加非球面掩模作用；
所述图像处理及解码模块，还用于：变焦光学系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取景深内不同物距目标所成像的点扩散函数，对其作归一化和平均处理，利用该点扩散函数对模糊图像进行解码处理；或变焦光学系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取同一个物距目标在焦深范围内不同离焦位置所成像的点扩散函数，对其作平均处理，利用该归一化的平均点扩散函数对模糊图像进行解码处理。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
本发明一种基于波前编码技术的大景深变焦光学方法及其系统，在不改变原系统结构的条件下，利用在系统光瞳面添加非球面掩模调制，若该位置为原系统光学元件面，则在该面上叠加非球面掩模；若该位置为系统光阑，则在该位置增加一片非球面掩模板。取得加入非球面掩模后的系统调制传递函数，获得物空间景物模糊图片后，依据传递函数对模糊图片进行滤波图像处理。无论是对大景深内不同物距的目标成像，或者是在理想像面前后的焦深范围内得到的像，经过图像处理都可以获得清晰的图像。同时也能够稳定各视场角下的成像质量。基于波前编码技术的大景深变焦光学方法及其系统，该技术只可依据光学系统的特点合理选择加入相位掩模板或者叠加相位掩模的作用，经计算可以得出相位掩模的相关数据，得到实际相位掩模板或者相位掩模。
为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。
附图说明
图1是本发明提供技术方案的变焦光学系统工作流程原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种利用波前编码技术的方法，在不改变原系统结构参数的条件下扩大原系统的景深或焦深。
实施例一
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于波前编码技术的大景深变焦光学方法，其流程图如图1所示，在不改变原系统结构的条件下，利用在系统光瞳面添加非球面掩模调制，若该位置为原系统光学元件面，则在该面上叠加非球面掩模；若该位置为系统光阑，则在该位置增加一片非球面掩模板。取得加入非球面掩模后的系统调制传递函数，获得物空间景物模糊图片后，依据传递函数对模糊图片进行滤波图像处理。无论是对大景深内不同物距的目标成像，或者是在理想像面前后的焦深范围内得到的像，经过图像处理都可以获得清晰的图像，同时也能够稳定各视场角下的成像质量。具体包括如下步骤：
第一步，选定所要应用该技术的变焦距光学系统，该系统必须是已经通过像差校正、公差分析等各种技术分析后的可以正常使用系统。通过像差校正、公差分析等各种技术分析后的可以正常使用系统包括电视录像、照相取景所用变焦镜头(像差校正和公差分析方法亦为光学设计过程中的基本方法，即计算机光学设计软件辅助分析，这里采用ZEMAX软件，具体内容不再赘述)。
所述的基于波前编码技术的大景深变焦光学系统，既可以是可见光变焦光学系统，也可以是红外变焦系统。该系统利用非球面掩模在成像光线中引入相位差，从而改变光线在像面上的分布，使得不同物距的目标在像面上具有相同的成像特征，或者是同一个目标在不同离焦位置也具有相同的成像特征。
所述的基于波前编码技术的大景深变焦光学方法，其中大景深变焦光学系统只能通过光电成像设备对图像的接收和采集。
第二步，选定系统的掩模作用面的位置。既可以在系统光阑处增加一片非球面掩模元件，也可以在起到光瞳作用的球面元件上叠加非球面掩模作用。所述的基于波前编码技术的大景深变焦光学系统，该系统通过在原光学系统的光阑处加入非球面掩模板，或者在系统中作为光瞳面的光学元件面上叠加非球面掩模作用。
引入相位掩模作用既可以通过插入光学非球面元件，也可以在原有元件上附加得到。
第三步，依据选定的系统进行波前编码非球面光学元件的设计和制作，并将其嵌入原系统中。
第四步，启动成像系统对景深范围的目标或场景进行成像拍照，采集的照片数据存为图片文件；所述景深范围至少是原变焦距光学系统景深的两倍以上。
第五步，将采集得到的图片文件输入计算机，依据设计时所得到的调制传递函数以及点扩散函数，对图片进行滤波图像处理。
所述的基于波前编码技术的大景深变焦光学方法，根据该传递函数的特征，利用数字滤波等图像处理方法，对该共轭物面前后范围内的景物所成的一系列模糊图像进行复原，就能得到清晰度也较为一致的图像。高斯像面的共轭物面前后所表示的空间即为系统的景深。该方法体现了系统景深的扩展。变焦距光学系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取景深范围内不同物距目标所成像的点扩散函数Pi，对其作归一化和平均处理利用成像点的扩散函数对模糊图像进行解码处理；i表示成像的点，n表示总点数。
所述的基于波前编码技术的大焦深变焦光学方法，引入相位掩模作用就是引入相位差，在几何光学中即引入光程差。最终在原系统高斯成像面的前后都能得到光学传递函数较为一致的模糊图像。根据该传递函数的特征，利用数字滤波等图像处理方法，对高斯成像面前后的一系列模糊图像进行复原，就能得到清晰度也较为一致的图像。高斯成像面前后所表示的空间即为系统的焦深。该方法体现了焦深的扩展。最终在原系统高斯像面的共轭物面的前后相当大的一段空间内，景物通过光学系统在高斯像面上都能得到光学传递函数较为一致的模糊图像。
该系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取同一个物距目标在焦深范围内不同离焦位置所成像的点扩散函数，对其作平均处理，利用该归一化的平均点扩散函数对模糊图像进行解码处理。根据设计需要，对各景深(或焦深)位置成像的光学传递函数进行几何平均处理，用处理后的几何平均光学传递函数作为解码的标准。
所述的基于波前编码技术的大景深变焦光学方法，变焦距光学系统对不同物距条件下调制后的系统传递函数或在同一物距下不同像距的离焦调制传递函数(前者是不同物距的调制传递函数，后者是不同像距的离焦调制传递函数)的一致性进行分析，在截止频率处的调制传递函数值不小于0.1。
第六步，经图像处理之后的解码图即为系统最终所得图像。
所述的基于波前编码技术的大景深变焦光学系统，该技术只可依据光学系统的特点合理选择加入相位掩模板或者叠加相位掩模的作用，经计算可以得出相位掩模的相关数据，得到实际相位掩模板或者相位掩模。
实施例二
基于同样的构思，本发明还提供一种基于波前编码技术的大景深变焦光学系统，包括：
系统选定模块，用于选定变焦距光学系统；
位置选定模块，用于选定变焦距光学系统相位掩模作用的位置；
编码模块，依据选定的变焦距光学系统进行波前编码非球面光学元件的设计和制作，并将其嵌入原系统中；
成像取图模块，用于成像系统进行成像取图；
图像处理及解码模块，用于对图片进行滤波图像处理，并对滤波后的图像进行解码。
位置选定模块，还用于：通过在原光学系统的光阑处加入非球面掩模板，或者在系统中作为光瞳面的光学元件面上叠加非球面掩模作用；
图像处理及解码模块，还用于：变焦光学系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取景深内不同物距目标所成像的点扩散函数，对其作归一化和平均处理，利用该点扩散函数对模糊图像进行解码处理；或变焦光学系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取同一个物距目标在焦深范围内不同离焦位置所成像的点扩散函数，对其作平均处理，利用该归一化的平均点扩散函数对模糊图像进行解码处理。
本发明技术方案应用波前编码技术的方式，在原有的变焦距系统的光瞳或者光阑处加入非球面相位掩模板，使得在原有聚焦位置得到的清晰像变得模糊，然后通过后期图像处理的方式还原清晰图像。加入相位板的方法简单，易操作，较好的实现了对原系统景深或者焦深的拓展，同时，在各焦距位置，稳定各个视场角下的成像质量。该技术方案设计合理，能很好的扩展了系统的景深或焦深，稳定成像质量，方便实用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于波前编码的景深变焦光学方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
第一步，选定变焦距光学系统；
第二步，选定变焦距光学系统相位掩模作用的位置；
第三步，依据选定的变焦距光学系统进行波前编码非球面光学元件的设计和制作，并将其嵌入完成像差校正的变焦距光学系统中；
第四步，采用成像系统进行成像取图；
第五步，对成像系统进行成像取图后的图片进行图像滤波处理，并对滤波后的图像进行解码；
第六步，经图像处理之后的解码图即为系统最终所得图像。
2.如权利要求1所述的景深变焦光学方法，其特征在于，所述第一步中，所述变焦距光学系统为已经通过像差校正、公差分析技术分析后的正常使用的变焦距光学系统，包括电视录像、照相取景所用变焦镜头；所述变焦距光学系统为可见光波段变焦系统或红外变焦系统。
3.如权利要求1所述的景深变焦光学方法，其特征在于，所述第二步中，处在系统相位掩模作用的位置即为系统相位掩模作用面；所述系统相位掩模作用面包括非球面掩模板和作为光瞳面的光学元件面上叠加非球面掩模作用的面；
所述选定系统相位掩模作用的位置包括通过在原光学系统的光阑处加入非球面掩模板，或者在系统中作为光瞳面的光学元件面上叠加非球面掩模作用。
4.如权利要求3所述的景深变焦光学方法，其特征在于，所述变焦距光学系统利用非球面掩模在成像光线中引入相位差，从而改变光线在像面上的分布，使得景深范围内不同物距的目标在像面上具有相同的成像特征，或者是同一个目标在不同离焦位置具有相同的成像特征。
5.如权利要求1所述的景深变焦光学方法，其特征在于，所述第四步中，启动成像系统对景深范围的目标或场景进行成像拍照，采集的照片数据存为图片文件；所述景深范围至少是原变焦距光学系统景深的两倍以上。
6.如权利要求1所述的景深变焦光学方法，其特征在于，所述第五步中，在变焦距光学系统引入相位差，最终在原系统高斯成像面的前后都能得到光学传递函数为一致的模糊图像；利用数字滤波对图像处理，在对图像进行解码之前，还包括：对滤波后的图像进行复原处理。
7.如权利要求6所述的景深变焦光学方法，其特征在于，根据传递函数的特征，对共轭物面前后范围内的景物所成的模糊图像进行复原，得到清晰度一致的图像；高斯像面的共轭物面前后所表示的空间即为系统的景深；
变焦距光学系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取景深范围内不同物距目标所成像的点扩散函数Pi，对其作归一化和平均处理利用成像点的扩散函数对模糊图像进行解码处理；i表示成像的点，n表示总点数。
8.如权利要求6所述的景深变焦光学方法，其特征在于，对高斯成像面前后的模糊图像进行复原，高斯成像面前后所表示的空间即为系统的焦深；变焦距光学系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取同一个物距目标在焦深范围内不同离焦位置所成像的点扩散函数，对其作平均处理，利用该归一化的平均点扩散函数对模糊图像进行解码处理。
9.如权利要求6至8中任一项所述的景深变焦光学方法，其特征在于，变焦距光学系统对不同物距条件下调制后的系统传递函数或在同一物距下不同像距的离焦调制传递函数的一致性进行分析，在截止频率处的调制传递函数值不小于0.1；系统传递函数是不同物距的调制传递函数，离焦调制传递函数是不同像距的离焦调制传递函数。
10.一种基于波前编码的景深变焦光学系统，其特征在于，所述系统包括：
系统选定模块，用于选定变焦距光学系统；
位置选定模块，用于选定变焦距光学系统相位掩模作用的位置；
编码模块，依据选定的变焦距光学系统进行波前编码非球面光学元件的设计和制作，并将其嵌入原系统中；
成像取图模块，用于采用成像系统进行成像取图；
图像处理及解码模块，用于对图片进行滤波图像处理，并对滤波后的图像进行解码。
11.如权利要求10所述的景深变焦光学系统，其特征在于，所述位置选定模块，还用于：通过在原光学系统的光阑处加入非球面掩模板，或者在系统中作为光瞳面的光学元件面上叠加非球面掩模作用；
所述图像处理及解码模块，还用于：变焦光学系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取景深内不同物距目标所成像的点扩散函数，对其作归一化和平均处理，利用该点扩散函数对模糊图像进行解码处理；或变焦光学系统依据加入相位调制后的系统传递函数，选取同一个物距目标在焦深范围内不同离焦位置所成像的点扩散函数，对其作平均处理，利用该归一化的平均点扩散函数对模糊图像进行解码处理。
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