CN108139508A - 平面楔形透镜和图像处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面透镜系统，包括：楔形折射材料，所述楔形折射材料具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，以用于从第一表面朝向第二表面折射来自具有Y宽度的对象的入射光束；反射材料,所述反射材料被定位在楔形折射材料的第二表面处，以用于朝向第一表面以第一角度反射折射光束，其中反射光束以第二角度被从第一表面折射，以形成所述对象的具有X宽度且包括色差的图像；和用于处理所述对象的所述图像以降低所述色差的设备。

Description

平面楔形透镜和图像处理方法
技术领域
本发明整体涉及一种平面透镜系统以及使用构造和图像处理技术由该平面透镜系统校正图像的像差。
背景技术
已知变形棱镜系统用于压缩或者扩展光束，但是所述变形棱镜系统还没有被用于为各种原因的图像捕捉。这些棱镜系统没有焦点，并且不能将图像聚焦在图像平面上，这使所述变形棱镜系统不适合作为成像系统。通常，变形棱镜系统被设计为用于来自一个入射角度的准直光，因此所述变形棱镜系统的性能随着离轴光线下降，导致透镜具有非常有限的视场。很多变形棱镜具有导致色差的色散，这使所述变形棱镜不适用于多色彩图像。因此，变形棱镜系统几乎专用于成形通常为单色的激光束，并且通常被称为扩束器或者束压缩器。
消色差的变形棱镜系统通常需要多个棱镜，这使它们又大又重。另外，由于消色差的变形棱镜系统仅在一个维度上压缩和扩展，因此需要多个这样的系统在二维上同等地压缩以保持图像宽高比，这使所述系统更大且更重。由于这些原因，变形棱镜系统还没有被用于图像捕捉。
成像装置(例如，照相机、显微镜和望远镜)可能很重且很大。该重量的大部分是由于光学透镜元件的设计以及用于支撑这些透镜的结构被长焦距分开，其中所述光学透镜元件可以包括重型曲面透镜。这些成像装置可能很大(厚)，主要因为在典型透镜系统中开口孔径与系统装置深度比小。此外，为了以光学形式改进传统透镜系统的图像分辨率，需要更多的装置深度(更长的焦距)以减低透镜折射并最小化透镜像差。成像装置的装置深度可以限制成像系统的性能和设计。例如，移动、紧凑或者重量受限的成像装置的尺寸和重量限制会限制分辨率，这是因为所述限制会限制最大焦距。所公开的本发明可以提高这些系统中的有效焦距，并且在相同尺寸和重量限制下提高分辨率。
另外，传统的曲面透镜具有很多不同类型的像差，这降低了图像分辨率(球形、彗形象差、色彩以及其它)。为了校正这些像差，传统曲面透镜使用超大尺寸的精密玻璃、增加透镜系统的重量、尺寸和成本。公开的本发明可以降低传统曲面透镜的尺寸、重量以及由此产生的成本，并且在一些装置中完全消除对它们的使用。
发明内容
在一些实施例中，本发明是一种平面透镜系统，包括：楔形折射材料，所述楔形折射材料具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，用于从第一表面朝向第二表面折射来自具有Y宽度的对象的入射光束；反射材料，所述反射材料被定位在楔形折射材料的第二表面处，用于朝向第一表面以第一角度反射折射光束，其中反射光束以第二角度从第一表面折射，以将来自对象的具有X宽度且包括色差的光线压缩或扩展；和用于形成和处理对象的图像以降低所述色差的设备。
在一些实施例中，X小于Y以压缩对象的图像，例如，用于望远镜中。在一些实施例中，X大于Y以扩展对象的图像，例如，用于显微镜中。
在一些实施例中，反射材料可以包括一个或多个移动反射镜或者旋转反射镜，以朝向第一表面以变化的角度反射折射光束。
附图说明
随着通过结合附图参考以下详细说明对本发明更好的理解，本发明更完整的理解及其更多的伴随特征和方面将更加清楚，其中相同的附图标记代表相同的部件。
图1示出根据本发明的一些实施例的传统圆形曲面透镜与平面(楔形)透镜的对比；
图2示出根据本发明的一些实施例的平面透镜系统的一个示例性结构；
图2A示出根据本发明的一些实施例的楔形折射材料；
图3为根据本发明的一些实施例的示例性加工流程；
图4显示根据本发明的一些实施例的具有移动折射表面(例如，一个或多个移动反射镜)的示例性平面(楔形)透镜；以及
图5示出根据本发明的一些实施例的用于扩展EM波的示例性平面透镜。
具体实施方式
本发明的实施例涉及一种平面透镜系统，所述平面透镜系统用于使用构造和图像处理技术通过更紧凑的光学透镜系统以及来自平面透镜系统的图像的校正像差获得高质量的图像。增加透镜物镜(孔径)的初始表面积允许收集更多的电磁(EM)波能量，并且可以产生更快且更好的图像质量。然而，增大孔径来提高图像质量和速度常常会造成比例上更大尺寸的透镜系统和装置深度。
根据本发明的平面透镜系统具有增大的透镜物镜(孔径)初始表面积以及透镜堆叠中相应降低的装置深度。所述平面透镜系统以大很多的孔径-装置深度比来收集EM波，例如可见光和不可见光。这意味着可以以更小的装置深度更快地捕捉高质量图像。平面透镜系统可以很大以用于例如望远镜，并且可以很小以用于显微镜，并且仍保持大的孔径-装置深度比。
图1示出根据本发明一些实施例的平面(楔形)透镜与传统圆形曲面透镜的比较。所述附图示出了具有方形光传感器的平面透镜系统可以如何收集两倍于具有圆形透镜和方形光传感器的常规透镜系统的光。如图所示，矩形光传感器的面积106为2r2，而圆形透镜的面积104为更大的πr2。面积102为2r×2r＝4r2。可以看出平面(楔形)透镜系统捕获为具有相似正面面积的装置的两倍的光，因此可以拍摄更高质量的图像并以更快的方式完成拍摄。该比率对于矩形传感器更大，其中大多数传感器为矩形传感器。
在一些实施例中，本发明提供了一种具有更大的透镜孔径-装置深度比的平面透镜系统和图像处理方法，并且校正由透镜产生的图像中的像差和失真。在一些实施例中，本发明能够进行光学EM波压缩和/或扩展。本发明的一些平面(楔形)透镜应用同时包括成像应用和非成像应用。成像应用的示例为相机、显微镜、望远镜、双目镜、观测仪器、远心透镜以及类似设备。非成像应用的示例为可以使用自然光提供室内照明的建筑光管以及用于更高效的太阳能发电的太阳能集中器。
图2示出根据本发明一些实施例的平面透镜系统的示例性结构。在反射表面204的顶部上形成具有角度a1和a2的楔形折射材料202以形成平面透镜。具有宽度Y的对象201的图像被从平面(楔形)透镜的多个表面反射、处理并压缩，以形成同一个对象的压缩图像218。如图所示，对象201的两端处的光(EM)波206a和208a透入折射材料202并成角度地被从反射表面204反射，以分别形成光波206b和208b。反射光(EM)206a和208a被进一步由折射材料202的内表面反射，以分别形成光波206c和208c。离开折射材料的光波206c(a4)和208c(a3)的角度可以使用传统光学设计方法针对专门的应用进行设计。现在，反射的光波206c和208c形成初始对象201的更小尺寸X(压缩)图像210。
变化的角度a1和/或a2将改变压缩图像210的尺寸X。压缩图像210的尺寸X随着EM波长、角度a1和a2以及折射材料202的类型而变化。角度a1和/或a2的值可以针对特定的应用而改变，例如，需要的压缩(x)度。在许多典型应用中，角度a1在15度与25度之间，角度a2在75度与105度之间。出射光束角度a3和a4可以通过改变角度a1和/或a2进行修改，直到达到临界角度为止，随后将光束路径改变为全内反射。
返回参照图2，随后将压缩图像引导至可选的聚焦透镜212，以将压缩图像聚焦到(多个)光传感器214(例如，(多个)CCD或者CMOS传感器)。在一些实施例中，聚焦透镜212将压缩图像聚焦到目镜以人眼观察。图像处理器216(实现为软件、硬件和/或固件)通过使用一个或多个图像处理技术校正由透镜系统引起的任何像差。在硬件中校正像差的一个示例可以在光传感器214前面使用一个或多个光楔和/或衍射光栅，所述光楔和所述衍射光栅一起具有用于成像的消色差效果。还可以改变楔形件202的材料的折射特性以辅助控制成像应用中的色散。例如，可以通过将电压-电流施加到楔形件来动态改变楔形件的折射率，其中所述楔形件由在电力下不同地折射光的特定材料构成。
如果通过光学装置(硬件)执行图像处理，则在通过传感器接收图像之前执行校正。然而，如果通过(在处理器上执行的)软件执行图像处理，则在通过图像传感器接收图像之后，也就是说，在传感器的输出端执行校正。
在一些实施例中，动态测量(例如，以预定的间隔)输出图像的色散，并且向楔形件施加相应的电压(或者电流)以改变所述楔形件的折射率和/或其光束吸收，以补偿测量的色散。在一些实施例中，考虑到测量的色散和楔形材料的类型，从存储的查表确定施加到楔形件的电压(或者电流)的量。
还可以使用为每个装置表征色散以及将图像处理器216中的软件算法应用于图像来为成像辅助控制色散。
已知多种用于校正图像像差的图像处理技术。一种方法是例如通过创建对每个光波长均不同的点图并然后应用反传递函数来逆转这些像差而计算或者测量系统的像差。
折射材料202可以由任何类型的玻璃、塑料、诸如水的流体或者类似类型的折射材料制成。在液体(例如，水)的情况中，流体还可以用于允许冷却光学器件。反射表面204可以是任何类型的反射镜或者具有反射表面的其它材料。这种反射表面可以贴附到或者涂覆在这种材料上，以形成反射表面204。
本发明的平面透镜可以具有任何矩形形状，而不是正方形形状，这允许形成多种压缩比和纵横比的图像。在一些实施例中，楔形角度a1和a2可以根据具体应用需要而变化。例如，在一些实施例中使用普通BK7玻璃，典型的楔形角度a2可以在75度与105度之间变化。选择接近75度的角度a2将产生捕获的较高的能量吸收和较低的色散，但具有较低的压缩。然而，选择接近105度的角度a2将产生以较高能量损失和较大色散为代价的较高的图像压缩。可以改变角度a1以产生类似效果。
虽然图2及其说明涉及可见光和图像，但是本领域技术人员应当理解的是本发明的平面透镜不限于可见光。相反，公开的本发明能够在形成或者不形成图像的情况下操作可以折射的任何类型的EM波。此外，光学部件212、214和126与折射材料202和反射表面204的任何组合都是可行的且在本发明的保护范围之内。
图2A示出根据本发明的一些实施例的楔形折射材料(棱镜)。如图所示，反射材料被涂覆或者贴附到楔形折射材料的背面。楔形棱镜具有顶角α(例如，在2度与25度之间)。如果棱镜的一个表面(通过反射材料)被反光处理，则可以产生薄的失真光束扩展器/压缩器。在这种情况中，如图所示，出射光束与入射光束正交。虽然图2A示出了反射楔形失真压缩器棱镜，其将具有例如2:1纵横比的入射光束转变为具有例如4:3纵横比的输出光束，但是本领域技术人员应当理解的是为失真压缩设计的任何棱镜均可以通过反转输入方向用作扩展器，反之亦然。棱镜的射线追踪方程为：
I1＝φ， (1)
I2＝α+I1′＝I′2， (3)
I3＝I2+I′2+I1-I1′-φ， (4)
I3′＝arcsin(nsin I3)， (5)
δ＝φ+I3′. (6)
这里，φ为表面1相对于垂直方向的倾角。可以调整φ和α直到获得期望的压缩率或者扩展率。例如，对于φ＝16.9度、α＝14.0度的B270光学冕玻璃(nd＝1.5229)的棱镜，可以获得失真压缩A′/A＝MAG≈0.375。通常，这些反射楔形件中被放置为正交以保持图像纵横比的两个将导致焦距透镜系统所需焦距缩短50％或者更多。这种效果可以用于产生更紧凑的装置。
使用这种技术压缩图像允许在保持分辨率的同时使图像在更短的距离内被聚焦。更短的焦距允许更紧凑的装置。这意味着更高质量的图像可以通过更小的透镜系统被更快地捕获。图3为根据本发明的一些实施例的示例性加工流程。在方框302中，EM能量(可以包含或者可以不包含图像)进入包括一个或多个平面(楔形)透镜的光学系统。在方框304中，EM能量穿过介质并从反射表面弹开。在该示例中，假定EM波是形成图像的可见光。然而，如上文所述，本发明不限于可见光和图像，相反，它可以应用于任何EM波/能量。在方框306中，反射EM波随后穿过介质并离开光学元件，其中EM波将在一个或多个平面中被压缩或者扩展。在方框308中，EM波可以随后穿过可选的修改(聚焦或者校正)透镜系统。在方框310中，EM波撞击供人眼观察的一个或多个EM传感器或者光学元件。可以多次重复方框302到方框308，以在多个平面内压缩EM波。在成像的情况中，来自306的压缩的输出孔径产生所需的焦距，其降低相应的装置尺寸。在方框312中，处理器，例如图像或者EM波处理器，从EM传感器接收信息并按照平面透镜的应用所需要的修改/增强该信息。如果该应用涉及显微镜功能，这还可以用于扩展/传播图像，其中顺序可以被部分地颠倒。
在方框314中，在成像应用的情况中，(图像)处理器校正来自透镜系统的像差。折射楔形透镜可以产生色散，但是不产生通常与圆形透镜系统相关联的其它像差。可以为每个像素(通过计算或者测量)预先确定色散。可以使用表格对每个像素补偿每种颜色，以在分辨的图像中在适当的位置处重新配置像素。
可选地，或者在组合中，图像的硬件(光学)处理可以通过消色差元件执行，例如，(多个)消色差楔形件。用于校正光束的辐射角度的各向异性的消色差棱镜在美国专利第4,750,819号中进行了说明，这里通过引用将该专利的全部内容合并到本文。使用第一棱镜和第二棱镜将消色差棱镜形成为消色差结构。由于第一和第二棱镜的波长波动以及光束到第一棱镜的入射角度导致的折射率以及折射率变化可以满足预定关系，其中该光束可以以0度的出射角度从第二棱镜出射，从而校正光束的角度的各向异性。
本发明的平面透镜系统以非常大的孔径-装置深度比收集EM波，例如可见光和/或不可见光。这意味着可以通过更小的透镜系统更快地捕获更高质量的图像。
平面透镜系统可以例如对于望远镜非常大而例如对于显微镜是小的，并且同时保持大的孔径-装置深度比。图像传感器通常是电荷耦合装置(CCD)或者CMOS传感器。本发明并不限于成像传感器的上述示例，相反，其它类型的EM或者成像传感器可以与本发明的平面透镜一起使用。还可以使用人眼可看到的光学元件。在人眼可看到的光学元件的情况中，可以不需要方框308到314，这是因为人眼可以聚焦该图像。
在方框312中，一个或多个处理器，例如图像或者(多个)EM波处理器，从(多个)EM传感器接收信息并根据应用的需要修改/增强该信息。如果该应用指向显微镜功能，则这还可以用于扩展/传播图像，其中顺序被部分颠倒。
在三维(3D)成像的情况中，如本领域公知的，可能需要更多的EM传感器。本发明并不限于成像传感器的上述示例，相反，其它类型的EM或者成像传感器可以与本发明的平面透镜一起使用。
图4示出根据本发明一些实施例的具有移动反射表面(例如，一个或多个移动反射镜)的示例性平面(楔形)透镜。如图所示，对象401的图像被从平面(楔形)透镜的多个表面反射、处理并压缩，以形成同一对象的压缩图像414。对象401的两端处的光(EM)波透入折射材料402并以不同的角度被从移动反射镜404反射，以形成初始对象401的较小尺寸(压缩的)图像406。
压缩图像406可以可选地指向可选聚焦透镜408，以将压缩图像聚焦到(多个)光传感器410(例如，(多个)CCD或者CMOS传感器)。图像处理器412(实现为软件、硬件和/或固件)通过使用一个或多个图像处理技术校正由透镜系统导致的任何像差，并且输出校正后的压缩图像414。如果通过光学装置(硬件)执行图像处理，则在通过传感器接收图像之前完成校正。然而，如果通过(在处理器上执行的)软件执行图像处理，则在通过图像传感器接收图像之后，也就是说，在传感器的输出端，执行校正。此外，任选部件408、410和412与折射材料402和可选部件212、214和126(如图2所示)的任何组合均是可行的，并且在本发明的保护范围之内。
在这些具有移动反射表面的透镜系统中，通过减小视场并将许多图像拼接在一起来提高图像的质量。该技术可以提高最终的图像分辨率。移动反射镜会改变出现在图像中的对象的视图。在这些实施例中，反射镜以可以捕获一系列图像的方式移动，每一个图像都具有狭窄的视场。随后，该系统使用已知的图像处理技术将捕获的图像合并或者拼接成具有大视场的一个组合图像。例如，可以使用已知的图像拼接方法记录、校正并混合图像，以生成最终图像414。因为成像系统具有相对较大的孔径尺寸和很多光，因此可以非常快地捕获图像。移动反射镜的另一个原因是为了调整视场，或者例如为了数字或者光学缩放应用而改变单个图像的压缩。
存在用于移动反射镜404的多种不同的技术。尽管反射镜404被示为旋转的，但是在一些实施例中，所述反射镜可以围绕支点倾斜反射表面(例如，反射镜)，或者围绕边缘旋转，如图5所示。在一些实施例中，反射镜可以是微反射镜阵列。平面透镜系统的(多个)移动反射表面可以与折射楔形材料(如上文所述)的折射率的动态改变相结合，以进一步增强透镜系统。
图5示出根据本发明的一些实施例的用于扩展EM波的示例性平面透镜。以下说明的图5示出了显微镜功能，其中EM路径相对于图2的示例中所示的路径被反向。光线离开小尺寸(X)对象502，并且进入楔形件504，其中该光线被扩展并从反射表面506(例如，反射镜)被反射。随后，该光线离开楔形件进入透镜系统510、光传感器512以及图像处理器514。处理的图像是小尺寸图像502的扩展图像516。进一步通过例如改变角度a1和/或a2和/或a3扩展已经扩展的图像516和/或串联配置多个楔形件，以进一步扩展小对象图像502，可以通过非常小的装置实现显微镜功能和/或实现更高的分辨率和/或可视区域。在一些实施例中，楔形件可以包括(多个)抗反射涂层以捕获更多的离开该小对象的光能。类似于图4的平面透镜系统，如果通过光学装置(硬件)执行图像处理，则校正是在通过(多个)传感器接收图像之前执行。然而，如果通过(在处理器上执行的)软件执行图像处理，则在通过(多个)图像传感器接收图像之后，也就是说，在传感器的输出端处执行校正。
已知多种用于校正由平面透镜产生的图像像差的图像处理方法。这些已知方法的使用取决于平面透镜的应用。例如，查表可以作为对色差相对简单的校正而用于校正色差。此外，当在平面透镜应用中修整色差时，转换函数是适当的。
在一些应用中，可能存在低强度的EM能量，例如在低光线应用(例如，夜视，或者例如生物组织的拉曼光谱，其中高功率激光可能损伤组织)。在这些应用中，本发明的透镜系统的大孔径能够收集大量光能，并且仍然使用非常紧凑的设计。
在一些实施例中，本发明能够捕获并且可选地处理多谱段或者高光谱成像，其用于收集并处理来自横跨电磁谱的信息以为场景的图像中的每个像素获得光谱，同时有寻找对象、识别材料或者检测场景的图像中的过程的目的。
在一些实施例中，本发明是可扩展的，并且应用于包括从小的显微镜/纳米系统到大于例如30m长或者直径的大望远镜系统的系统尺寸的全系列。
本领域技术人员将认识到，在不背离本发明最宽发明范围的情况下，可以对上述本发明示出的和其它实施例做各种修改。应当理解的是，本发明不限于公开的特定实施例或者布置，而是意在覆盖通过所附权利要求和附图限定的本发明的范围内的任何变化、适应或者修改。

Claims (20)

1.一种平面透镜系统，包括：
楔形折射材料，所述楔形折射材料具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，以用于从所述第一表面朝向所述第二表面折射来自具有Y宽度的对象的入射光束；
反射材料，所述反射材料被定位在所述楔形折射材料的所述第二表面处，以用于朝向所述第一表面以第一角度反射所述折射光束，其中所述反射光束被以第二角度从所述第一表面折射并具有用于形成所述对象的图像的X宽度且包括色差；和
用于处理所述对象的所述图像以降低所述色差的设备。
2.根据权利要求1所述的平面透镜系统，其中，X小于Y以压缩所述对象的所述图像。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的平面透镜系统，其中，X大于Y以扩展所述对象的所述图像。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的平面透镜系统，还包括：
聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将所述对象的所述图像聚焦到传感器上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的平面透镜系统，还包括：
聚焦透镜，所述聚焦透镜用于将所述对象的所述图像聚焦到目镜上以用于人眼观察。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的平面透镜系统，其中，用于处理所述图像的所述设备为图像处理装置，所述图像处理装置执行图像处理程序代码以降低所述色差。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的平面透镜系统，其中，用于处理所述图像的所述设备包括一个或多个折射光楔，所述一个或多个折射光楔一起具有消色差效果以降低所述色差。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的平面透镜系统，其中，用于处理所述图像的所述设备包括一个或多个衍射光栅，所述一个或多个衍射光栅一起具有消色差效果以降低所述色差。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的平面透镜系统，其中，所述折射材料或者所述反射材料在所述第一表面或者所述第二表面处具有一个或多个涂层。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的平面透镜系统，其中，所述反射材料贴附到所述楔形折射材料的所述第二表面。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的平面透镜系统，其中，所述反射材料包括一个或多个移动反射镜，以朝向所述第一表面以变化的角度反射所述折射光束。
12.根据权利要求11所述的平面透镜系统，其中，所述一个或多个移动反射镜被旋转，从而以变化的角度反射所述折射光束。
13.根据权利要求11所述的平面透镜系统，其中，所述一个或多个移动反射镜倾斜，从而以变化的角度反射所述折射光束。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的平面透镜系统，还包括：
电能源，所述电能源电耦合到所述楔形折射材料，以动态地改变所述折射材料的折射率，以便以变化的角度折射所述入射光束。
15.根据权利要求1-14中任一项所述的平面透镜系统，还包括：
一个或多个楔形折射材料，所述一个或多个楔形折射材料被定位在所述楔形折射材料与所述反射材料之间。
16.一种包括权利要求2所述的平面透镜系统的望远镜。
17.一种包括权利要求3所述的平面透镜系统的显微镜。
18.一种包括权利要求2所述的平面透镜系统的双目镜。
19.一种包括权利要求2所述的平面透镜系统的观测仪器。
20.一种包括权利要求2所述的平面透镜系统的远心透镜系统。
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