CN108132530B - 一种基于像差平衡和控制的大景深光学方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于像差平衡和控制的大景深光学方法及其系统。本发明在未经像差校正和优化的初始光学系统上，通过像差优化和控制的手段，使得大景深范围内的不同物距的景物，经过光学系统后，在像面上得到具有一定像质退化特征的模糊图像，依据系统的传递函数的特征，利用数字滤波原理可以恢复出对应景深范围内的清晰图像，从而达到扩大景深的目的。本发明提供的光学系统相比于目前传统的光学系统，该系统具有大景深和大焦深的特点，而且通过对光学初始的系统进行像差平衡和控制就可得到该系统。系统操作简单，更加方便在显示屏上观察，适合用于安防、监控和观测应用，军民兼容。

Description

一种基于像差平衡和控制的大景深光学方法及其系统

技术领域

本发明涉及光学方法及其系统，具体涉及一种基于像差平衡和控制的大景深光学方法及其系统。

背景技术

光学系统有一个显著的特点，就是大相对孔径的同时景深(焦深)小，反之景深(焦深)大。对于大景深系统，我们可以能够更多的获得物空间的信息，可是由于其相对孔径小的限制，导致进入光学系统的通光量不足，从而导致成像面照度不够，某些重要信息可能会丢失，从而进一步影响信息获取。

基于像差平衡和控制的大景深光学系统是利用几何光学和光线追迹理论，以及传统波前编码成像光束的几何特点以及光学传递函数的特性，将光学系统中所有参与对光线折射(或反射)的光学元件的面型进行优化，使系统成像光线在聚焦位置及其前后具有一定的弥散效果。这个过程也是各种像差的分配、校正、控制的设计过程。这个过程本身就是一个新系统的设计过程，可以根据需要的参数直接设计所要的系统。

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像差平衡和控制的大景深光学方法及其系统，该光学系统相比于目前传统的光学系统，该系统具有大景深和大焦深的特点，而且通过对光学初始的系统进行像差平衡和控制就可得到该系统。系统操作简单，更加方便在显示屏上观察，适合用于安防、监控和观测应用，军民兼容。

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像差平衡和控制的大景深光学方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

第一步，计算并选择初始的光学系统；

第二步，选定参与优化计算的面及其面型；

第三步，对初始的光学系统进行优化；

第四步，对图片进行滤波图像处理，并对滤波后的图像进行解码；

第五步，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，所述初始的光学系统为未经像差校正和优化的可见光波段光学系统或红外光学系统。

进一步地，所述第二步中，依据系统成像要求，将初始的光学系统所有元件的所有面的面型作为参与优化的变量；或选定其中元件的面作为变量。

进一步地，所述第三步中，依据成像光线焦前焦后的弥散特征、等模糊成像特征以及像差分配、像差平衡原则对初始的光学系统进行优化。

进一步地，所述第四步中，利用光学元件所有面对光线的调制作用引入相位差，在几何光学中即引入光程差；最终在初始的光学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。

进一步地，，根据光学传递函数曲线一致的特征，利用数字滤波对图像进行滤波处理，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；通过电子显示屏观看模糊成像能够看到经过图像处理后的清晰画面。

进一步地，，对高斯成像面前后的一系列模糊图像进行复原，就能得到清晰度一致的图像；高斯成像面前后所表示的空间即为光学系统的焦深；

光学元件所有面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P_i，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；

为归一化和平均处理后的点扩散函数。

进一步地，，在初始的光学系统高斯像面的共轭物面的前后即景深内，所述景深的范围至少是原景深的两倍；景物通过光学系统在高斯像面上都能得到光学传递函数为一致的模糊图像；对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，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初始的光学系统的景深。

进一步地，，光学系统的点扩散函数为圆对称形式，即光学系统具有共轴旋转对称的结构；在景深范围或者焦深前后，光学系统的点扩散函数一致性，根据点扩散函数(点扩散函数不是光学传递函数；根据光学传递函数设计系统；根据点扩散函数对图像解码)以及系统的光学传递函数，作为图像解码的标准。

本发明还提供一种基于像差平衡和控制的大景深光学系统，其改进之处在于，所述系统包括依次进行数据传递的系统选定模块、面及面型选定模块、优化模块和图像处理及解码模块；其中：

系统选定模块，用于计算并选择初始的光学系统；

面及面型选定模块，用于选定初始的光学系统参与优化计算的面及其面型；

优化模块，对初始的光学系统进行优化；

图像处理及解码模块，对图片进行滤波图像处理，并对滤波后的图像进行解码。

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：

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种光学设计的方法，直接利用光学系统各光学元件对光线的调制作用以及各种像差分配和平衡，使得成像光束在焦点前后具有相同的弥散程度，得到大景深或焦深光学系统。

本发明提供的一种基于像差平衡和控制的大景深光学系统，相比于目前传统的光学系统，该系统具有大景深和大焦深的特点，而且通过对光学初始的系统进行像差平衡和控制就可得到该系统。系统操作简单，更加方便在显示屏上观察，适合用于安防、监控和观测应用，军民兼容。

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是本发明提供的基于像差平衡和控制的大景深光学方法的流程图；

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。

实施例一

为解决上述技术问题，一种基于像差平衡和控制的大景深光学系统，在未经像差校正和优化的初始的光学系统上，通过像差优化和控制的手段，使得大景深范围内的不同物距的景物，经过光学系统后，在像面上得到具有一定像质退化特征的模糊图像，依据系统的传递函数的特征，利用数字滤波原理可以恢复出对应景深范围内的清晰图像，从而达到扩大景深的目的。

本发明提供的基于像差平衡和控制的大景深光学方法的流程图如图1所示，包括下述步骤：

第一步，根据所设计光学系统的参数要求，通过文献资料以及计算，得到初始的光学系统。

基于像差平衡和控制的大景深光学系统，该系统既可以应用在可见光波段，也可以应用在红外波段。该光学系统，是在未经像差校正和优化的初始光学系统上进行优化处理。

第二步，依据系统成像要求，将光学系统所有元件的所有面的面型作为参与优化的变量；也可以选定其中一部分元件的面作为变量。

第三步，依据成像光线焦前焦后等弥散特征以及等模糊成像特征，对光学系统进行优化。系统在优化过程中，控制像差的大小及其分配，利用光学系统中参与成像的光学元件的所有面。

第四步，以各种像差种类的分配和像差大小的平衡进行设计。

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。

第五步中，利用光学元件所有面对光线的调制作用，从而引入相位差，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(光学传递函数公式在这里无关。重点是高斯成像面前后的光学传递函数曲线的一致性特征)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。

光学元件所有面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P_i，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；

为归一化和平均处理后的点扩散函数。

利用光学元件所有面对光线的调制作用，从而引入相位差，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。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。

光学系统的点扩散函数(点扩散函数不是光学传递函数；根据光学传递函数设计系统；根据点扩散函数对图像解码)为圆对称形式，该特征体现了系统具有共轴旋转对称的结构。

在景深范围或者焦深前后，系统的点扩散函数具有良好的一致性，根据点扩散函数以及系统的光学传递函数，作为解码的标准。

系统的中间像为模糊成像，因此不可以通过目视直接观察图像，必须通过电子显示屏才能看到经过图像处理后的清晰画面。

第六步，经图像处理之后的解码图即为系统最终所得图像。

实施例二

基于同样的构思，本发明还提供一种基于像差平衡和控制的大景深光学系统，所述系统包括依次进行数据传递的系统选定模块、面及面型选定模块、优化模块和图像处理及解码模块；其中：

系统选定模块，用于计算并选择初始的光学系统；

系统既可以应用在可见光波段，也可以应用在红外波段。该光学系统，是在未经像差校正和优化的初始光学系统上进行优化处理。

面及面型选定模块，用于选定初始的光学系统参与优化计算的面及其面型；依据系统成像要求，将光学系统所有元件的所有面的面型作为参与优化的变量；也可以选定其中一部分元件的面作为变量。

优化模块，对初始的光学系统进行优化；

图像处理及解码模块，对图片进行滤波图像处理，并对滤波后的图像进行解码。

利用光学元件所有面对光线的调制作用，从而引入相位差，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。

利用光学元件所有面对光线的调制作用，从而引入相位差，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。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。

光学系统的点扩散函数为圆对称形式，该特征体现了系统具有共轴旋转对称的结构。

在景深范围或者焦深前后，系统的点扩散函数具有良好的一致性，根据点扩散函数以及系统的光学传递函数，作为解码的标准。

系统的中间像为模糊成像，因此不可以通过目视直接观察图像，必须通过电子显示屏才能看到经过图像处理后的清晰画面。

本发明直接利用光学系统各光学元件对光线的调制作用以及各种像差分配和平衡，使得成像光束在焦点前后具有相同的弥散程度，得到大景深或焦深光学系统。

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 (7)

1.一种基于像差平衡和控制的大景深光学方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

第一步，计算并选择初始的光学系统；

第二步，选定参与优化计算的面及其面型；

第三步，对初始的光学系统进行优化；

第四步，对图片进行滤波图像处理，并对滤波后的图像进行解码；

第五步，经图像处理之后的解码图即为系统最终所得图像；

所述第四步中，利用光学元件所有面对光线的调制作用引入相位差，在几何光学中即引入光程差；最终在初始的光学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；

根据光学传递函数曲线一致的特征，利用数字滤波对图像进行滤波处理，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；通过电子显示屏观看模糊成像能够看到经过图像处理后的清晰画面；

对高斯成像面前后的一系列模糊图像进行复原，就能得到清晰度一致的图像；高斯成像面前后所表示的空间即为光学系统的焦深；

光学元件所有面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P_i，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；

为归一化和平均处理后的点扩散函数。

2.如权利要求1所述的大景深光学方法，其特征在于，所述第一步中，所述初始的光学系统为未经像差校正和优化的可见光波段光学系统或红外光学系统。

3.如权利要求1所述的大景深光学方法，其特征在于，所述第二步中，依据系统成像要求，将初始的光学系统所有元件的所有面的面型作为参与优化的变量；或选定其中元件的面作为变量。

4.如权利要求1所述的大景深光学方法，其特征在于，所述第三步中，依据成像光线焦前焦后的弥散特征、等模糊成像特征以及像差分配、像差平衡原则对初始的光学系统进行优化。

5.如权利要求1所述的大景深光学方法，其特征在于，在初始的光学系统高斯像面的共轭物面的前后即景深内，所述景深的范围至少是原景深的两倍；景物通过光学系统在高斯像面上都能得到光学传递函数为一致的模糊图像；对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，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初始的光学系统的景深。

6.如权利要求1所述的大景深光学方法，其特征在于，光学系统的点扩散函数为圆对称形式，即光学系统具有共轴旋转对称的结构；在景深范围或者焦深前后，光学系统的点扩散函数一致性，根据点扩散函数以及系统的光学传递函数，作为图像解码的标准。

7.一种应用 如权利要求1所述 的基于像差平衡和控制的大景深光学方法的系统，其特征在于，所述系统包括依次进行数据传递的系统选定模块、面及面型选定模块、优化模块和图像处理及解码模块；其中：

系统选定模块，用于计算并选择初始的光学系统；

面及面型选定模块，用于选定初始的光学系统参与优化计算的面及其面型；

优化模块，对初始的光学系统进行优化；

图像处理及解码模块，对图片进行滤波图像处理，并对滤波后的图像进行解码。

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