TWI421618B - 景深擴展之投影系統及影像處理方法 - Google Patents

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Description

景深擴展之投影系統及影像處理方法
本揭露係關於一種景深擴展之投影系統及影像處理方法。
光學成像系統係廣泛地使用在各種不同的應用場合。除了一般的成像功能外，在特定使用場合中光學成像系統需要能具有擴展景深能力。一般的光學成像系統要求成像品質要好要清晰，同時亦希望具有較大口徑之光圈(較小的光圈數)，以提高系統的光能量利用效率。但是相對地，具備較小光圈數之光學成像系統卻會使景深範圍縮短。以投影系統為例，由於光學鏡頭對物與像的共軛關係限制，除非對投影系統之成像鏡頭進行“對焦調整”，否則當投影屏幕的位置改變時，投影系統所投影出之影像會隨著投影屏幕偏離最佳投影位置量增大而模糊。
除投影系統外，其他如曝光系統若具景深擴展特性，則可提高經曝光製程後結構的深寬比。
美國專利第6,069,738號揭示一種投影系統，其藉由景深擴展光罩(Extended Depth of Field(EDF) mask)以及已知所需之影像，將最終所要獲得之投影影像利用影像編碼器(Image Coder)產生編碼影像(Coded Image)，並將此編碼影像提供給光編碼器(Light encoder)以產生編碼光(Encoded Light)，此編碼光再通過景深擴展光罩後便可在投影屏幕上獲得投射影像清晰度不隨屏幕位置產生變化之投影系統。
因此對於相關產業，景深擴展之投影系統為一重要的發展方向。對於使用者，期能提供一種投影系統，使其投影之影像清晰程度能對投影屏幕的位置變化不敏感，同時所使用之投影鏡頭亦不需額外作對焦調整之動作。
本揭露揭示一種景深擴展之投影系統及影像處理方法。本揭露之一實施範例揭示一種景深擴展之投影系統，其包含一影像輸入元件及一光學成像元件。該影像輸入元件係被配置以輸入一原始影像或一處理後影像。該光學成像元件為具軸對稱結構之光學系統且具有一特定球差，其被配置以根據該原始影像或該處理後影像於一投影成像面產生一具有景深擴展之影像。
本揭露之一實施範例揭示一種影像處理方法，該影像處理方法包含下列步驟：根據一原始影像及一光學成像元件之點擴散函數產生一預處理影像；根據該預處理影像執行一數值平移程序以產生一數值平移影像；以及根據該數值平移影像執行一動態範圍調整程序以產生一處理後影像。
本揭露在此所探討的方向為一種景深擴展之投影系統及影像處理方法。為了能徹底地瞭解本揭露，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及組成。顯然地，本揭露的施行並未限定於相關領域之技藝者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中，以避免造成本揭露不必要之限制。本揭露的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細描述之外，本揭露還可以廣泛地施行在其他的實施例中，且本揭露的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。
根據本揭露之一實施範例，圖1例示一景深擴展之投影系統100。投影系統100包含一光源裝置101、一影像輸入元件102及一光學成像元件103。根據本揭露之一實施範例，光源裝置101包含一光源11及一集光透鏡12，但本揭露並不以此為限。影像輸入元件102被配置以輸入一原始影像或一處理後影像。根據本揭露之一實施範例，該影像輸入元件102可為一液晶顯示(Liquid Crystal Display)元件、一數位反射鏡元件(Digital Mirror Device)、一液晶矽板(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)元件或一光罩(Mask)，但本揭露並不以此為限。根據本揭露之一實施範例，該原始影像，例如，為一標準Lena影像。光學成像元件103具有一特定球差，其配置以根據該原始影像或該處理後影像於一投影成像面104產生一具有景深擴展之影像。根據本揭露之一實施範例，該影像輸入元件102及該光學成像元件103係配置於該光源裝置101及該投影成像面104之間。
光學成像元件103之特定球差包含一特定三階球差。根據本揭露之一實施範例，光學成像元件103之特定球差另包含至少一高於該特定三階球差之高階球差，並且該高階球差之大小遠低於該特定三階球差之大小。根據本揭露之一實施範例，若該光學成像元件103為一現有之光學成像元件，可外加一經設計過之元件於該光學成像元件103之中以實現該特定三階球差。例如該特定三階球差可由一相位光罩、一振幅光罩、一相位振幅光罩、一繞射光學元件或一折射率漸變元件所產生，亦可以為上述元件中之組合。舉例而言，可以是兩個相位光罩之組合，或者是一振幅光罩、一相位振幅光罩與一折射率漸變元件之組合。該外加元件可放置於該光學成像元件103的光圈處、出瞳處或入瞳處。若因該光學成像元件103之機構限制，則亦可放置於該光學成像元件103的前端或後端。易言之，只要整體系統之像差要求滿足本揭露之特定像差分布，該外加元件不限於放置於該光學成像元件103的何處。該設計過之外加元件可利用其對不同位置的相位、振幅、折射率分佈變化使最終系統之像差達到要求。
根據本揭露之另一實施範例，若對光學成像元件重新進行設計，則上述外加之元件可藉由該光學成像元件103的重新設計而整合於該光學成像元件103之中，意即該光學成像元件103之特定三階球差可藉由重新設計之一球面鏡光學元件或一標準軸對稱之非球面鏡光學元件產生，亦可以為上述元件中之組合。舉例而言，可以是兩個球面鏡光學元件之組合，或者是一球面鏡光學元件與一標準軸對稱之非球面鏡光學元件之組合而產生。同時，亦可將一相位光罩、一振幅光罩、一相位振幅光罩、一繞射光學元件或一折射率漸變元件製作於一個或兩個以上之球面鏡或非球面鏡片上而產生。舉例而言，可以是一相位光罩製作於兩個球面鏡片上而產生，使最終系統之像差達到要求。然而，本揭露之特定三階球差達成方法不以上述範例為限。
本揭露所指之軸對稱之光學系統係指該光學成像元件103(例如是投影鏡頭)具有一固定光軸，若對該光學成像元件103以該光軸做為旋轉軸而進行旋轉，則不論旋轉角度為何，經旋轉後的該光學成像元件103與未經旋轉之該光學成像元件103皆相同，同時該光學成像元件103的特性亦不改變。
根據本揭露之一實施範例，影像輸入元件102包含一液晶顯示元件。根據本揭露之一實施範例，光學成像元件103之特定三階球差大小係依據投影系統100所需之景深(投影距離變化量)而決定。舉例來說，於一特定景深要求範圍內，可將光學成像元件103之特定三階球差設計於特定範圍內，例如0.25λ～2.85λ，此時若要求系統截止空間頻率νcutoff>2/3ν。則根據本揭露之一實施範例，可將特定三階球差設計為2.35λ(ν為液晶顯示元件上單一像素所對應之截止空間頻率，νcutoff為給定球差為0.25λ～2.85λ時之系統截止空間頻率，λ為光線波長)。因此，若所須截止之空間頻率愈低(亦或液晶顯示元件單一像素尺寸增大)，則可加大三階球差，使投影系統100的景深增長。
此外，除了特定三階球差外，光學成像元件103之特定球差亦可能包含高階像差(此高階像差可能是在光學成像元件103設計所殘留的，或因光學成像元件103製作誤差而導致)。因此本實施範例具備球差特性之光學成像元件103，除了特定三階球差外，在高階球差(五階、七階或更高階球差)的部分會要求各高階球差之係數總和小於三階球差係數，以使投影系統100的景深特性主要由光學成像元件103之特定三階球差控制。根據本揭露之一實施範例，光學成像元件103之各階球差以及總體像差關係可由以下方程式表示：
其中W (ρ)為投影鏡頭之總體像差，ρ為規一化後光學成像元件103之出瞳半徑，W 040~W 0100為各階球差係數，Δz 為投影系統100的景深，f 為光學成像元件103的有效焦距。
根據揭露之一實施範例，影像輸入元件102為一液晶顯示元件，其對角線長度為0.47吋，像素大小為10×7.5μm。光學成像元件103之光圈值為1.75，有效焦距為14.479mm，最佳投影距離為45cm。若光學成像元件103為一般傳統鏡頭，圖2A顯示最佳成像面之點擴散函數之三維分佈。若影像輸入元件102偏離光學成像元件103最佳成像面位置達+/-0.05mm時，其點擴散函數之三維分佈如圖2B所示。特言之，若以光學成像元件103有效焦距換算，影像輸入元件102離焦+/-0.05mm相當於物距變化從40.9cm至50cm。若輸入影像為一標準Lena影像，投影系統100在物距為45cm及50cm時所投影出之影像分別如圖3A及圖3B所示。相對地，根據本揭露之一實施範例，若光學成像元件103之特定三階球差係數大小設計為3.5個波長，則最佳成像面位置之點擴散函數之三維分佈如圖4A所示。若影像輸入元件102偏離光學成像元件103最佳成像面位置達+/-0.05mm時，其點擴散函數之三維分佈如圖4B所示。若輸入影像為一標準Lena影像，投影系統100在物距為45cm及50cm時所投影出之影像分別如圖5A及圖5B所示。
根據本揭露之再一實施範例，圖6揭示一景深擴展之影像處理方法之流程圖。在步驟601開始本影像處理方法之流程。根據本揭露之一實施範例，圖7例示影像輸入元件偏離光學成像元件最佳成像面位置達+/-0.08mm時之點擴散函數之三維分佈。該光學成像元件具有一特定球差，其中該特定球差包含一特定三階球差。該特定球差另包含至少一高於該特定三階球差之高階球差，並且該高階球差之大小遠低於該特定三階球差之大小。在步驟602中，根據一原始影像及該光學成像元件之點擴散函數或利用濾波器運算元對原始影像進行摺積計算產生一預處理影像。根據本揭露之一實施範例，若一理想之投影系統之點擴散函數可用Delta函數表示，一原始影像(例如，一標準Lena影像)之函數以O (x ,y )函數表示，則經此理想之投影系統所產生之影像I (x ,y )可由以下方程式表示：
根據本揭露之一實施範例，若光學成像元件之點擴散函數以h (x ,y )表示，則一預處理影像O ' (x ,y )函數與點擴散函數h (x ,y )及所產生之影像I (x ,y )之關係可由以下方程式表示：
接下來，將式(2)及式(3)利用傅立葉轉換至頻率空間，則可得到以下方程式：
最後，將式(5)除以式(4)可以求得預處理影像O ' (x ,y )函數之關係式為
根據式(6)，只要知道原始影像以及光學成像元件之點擴散函數，便可求得預處理影像O ' (x ,y )函數在空間中的強度分佈。根據本揭露之一實施範例，預處理影像亦可透過利用具備特定空間維度大小的濾波器運算元(filter kernel)對所需投射出之影像進行摺積(convolution)計算獲得。
此外，尚須確認預處理影像O ' (x ,y )函數之最低強度是否小於零，以及預處理影像O ' (x ,y )函數最大與最小強度分佈範圍是否與影像輸入元件(液晶顯示元件)灰階顯示範圍(動態範圍)匹配。因此，在步驟603中，根據該預處理影像執行一數值平移程序以產生一數值平移影像。該數值平移程序係對於該預處理影像中每一像素之強度值進行平移動作，以使該數值平移影像中具最低強度像素對應之影像強度值大於或等於零。在步驟604中，根據該數值平移影像執行一動態範圍調整程序以產生一處理後影像。該動態範圍調整程序係調整該數值平移影像中每一像素之強度值，以使該處理後影像中像素之強度值與該影像輸入元件之灰階動態範圍匹配。完成動態範圍調整程序後，將該處理後影像載入影像輸入元件。在步驟605中，藉由該光學成像元件成像該處理後影像以產生具有景深擴展之影像。根據本揭露之一實施範例，圖8例示在物距為53.6cm處成像之影像。最後，在步驟607中結束本流程。
根據本揭露之再一實施範例，圖9例示一景深擴展之投影系統900。投影系統900包含一光源裝置901、一影像輸入元件902、一光學成像元件903及一影像處理模組905。根據本揭露之一實施範例，光源裝置901包含一光源91及一集光透鏡92，但本揭露並不以此為限。影像輸入元件902被配置以輸入一原始影像或一處理後影像。根據本揭露之一實施範例，該影像輸入元件902可包含一液晶顯示元件、一數位反射鏡元件、一液晶矽板元件或一光罩，但本揭露並不以此為限。根據本揭露之一實施範例，該原始影像，例如，為一標準Lena影像。光學成像元件903具有一球差，其配置以根據該原始影像或該處理後影像於一投影成像面904產生一具有景深擴展之影像。根據本揭露之一實施範例，該影像輸入元件902及該光學成像元件903係配置於該光源裝置901及該投影成像面904之間。影像處理模組905被配置以執行一影像處理程序，該影像處理程序包含：根據該原始影像及該光學成像元件之點擴散函數產生一預處理影像；根據該預處理影像執行一數值平移程序以產生一數值平移影像；以及根據該數值平移影像執行一動態範圍調整程序以產生該處理後影像。
本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此，本揭露之保護範圍應不限於實施範例所揭示者，而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
100、900．．．景深擴展之投影系統
101、901．．．光源裝置
102、902．．．影像輸入元件
103、903．．．光學成像元件
104、904．．．投影成像面
905．．．影像處理模組
11、91．．．光源
12、92．．．集光透鏡
601-607．．．步驟
圖1例示一本揭露之一實施例之景深擴展之投影系統；
圖2A顯示本揭露之一實施例之一點擴散函數之三維分佈；
圖2B顯示本揭露之一實施例之另一點擴散函數之三維分佈
圖3A顯示本揭露之一實施例之一投影出之影像；
圖3B顯示本揭露之一實施例之另一投影出之影像；
圖4A顯示本揭露之一實施例之再一點擴散函數之三維分佈；
圖4B顯示本揭露之一實施例之再一點擴散函數之三維分佈；
圖5A顯示本揭露之一實施例之再一投影出之影像；
圖5B顯示本揭露之一實施例之再一投影出之影像；
圖6例示本揭露之一實施例之一景深擴展之影像處理方法之流程圖；
圖7顯示本揭露之一實施例之再一點擴散函數之三維分佈；
圖8顯示本揭露之一實施例之再一投影出之影像；以及
圖9例示本揭露之一實施例之另一景深擴展之投影系統。
100．．．景深擴展之投影系統
101．．．光源裝置
102．．．影像輸入元件
103．．．光學成像元件
104．．．投影成像面
11．．．光源
12．．．集光透鏡

Claims (21)

  1. 一種景深擴展之投影系統，至少包含：一影像輸入元件，係配置以輸入一原始影像或一處理後影像；以及一光學成像元件，其為具軸對稱結構之光學系統且具有一特定球差，係配置以根據該原始影像或該處理後影像於一投影成像面產生一具有景深擴展之影像。
  2. 根據請求項1所述之投影系統，其另包含一光.源裝置，其中該影像輸入元件及該光學成像元件係配置於該光源裝置及該投影成像面之間。
  3. 根據請求項1所述之投影系統，其另包含一影像處理模組，係配置以執行一影像處理程序，該影像處理程序包含：根據該原始影像及該光學成像元件之點擴散函數產生一預處理影像；根據該預處理影像執行一數值平移程序以產生一數值平移影像；以及根據該數值平移影像執行一動態範圍調整程序以產生該處理後影像。
  4. 根據請求項1所述之投影系統，其中該特定球差包含一特定三階球差。
  5. 根據請求項4所述之投影系統，其中該特定球差另包含至少一高於該特定三階球差之高階球差，並且該高階球差之大小遠低於該特定三階球差之大小。
  6. 根據請求項4所述之投影系統，其中該特定三階球差係由至少一相位光罩、一振幅光罩或一相位振幅光罩產生。
  7. 根據請求項4所述之投影系統，其中該特定三階球差係由至少一標準軸對稱之非球面鏡之光學元件產生。
  8. 根據請求項4所述之投影系統，其中該特定三階球差係由至少一繞射光學元件產生。
  9. 根據請求項4所述之投影系統，其中該特定三階球差係由至少一折射率漸變元件產生。
  10. 根據請求項4所述之投影系統，其中該特定三階球差係由至少一球面鏡之光學元件產生。
  11. 根據請求項4所述之投影系統，其中該特定三階球差係由將一相位光罩、一振幅光罩、一相位振幅光罩、一繞射光學元件或一折射率漸變元件製作於至少一非球面鏡片上而產生。
  12. 根據請求項4所述之投影系統，其中該特定三階球差係由將一相位光罩、一振幅光罩、一相位振幅光罩、一繞射光學元件或一折射率漸變元件製作於至少一球面鏡片上而產生。
  13. 根據請求項1所述之投影系統，其中該影像輸入元件係包含一液晶顯示(Liquid Crystal Display)元件、一數位反射鏡元件(Digital Mirror Device)、一液晶矽板(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)元件或一光罩(Mask)。
  14. 根據請求項1所述之投影系統，其中該特定球差為一特定三階球差，該特定三階球差係根據該景深擴展之投影系統之所需景深而決定。
  15. 一種景深擴展之影像處理方法，包含：根據一原始影像及一光學成像元件之點擴散函數或利 用濾波器運算元對原始影像進行摺積計算產生一預處理影像；根據該預處理影像執行一數值平移程序以產生一數值平移影像；以及根據該數值平移影像執行一動態範圍調整程序以產生一處理後影像。
  16. 根據請求項15所述之影像處理方法，其另包含藉由該光學成像元件成像該處理後影像以產生具有景深擴展之影像之步驟。
  17. 根據請求項15所述之影像處理方法，其中光學成像元件具有一特定球差。
  18. 根據請求項17所述之影像處理方法，其中該特定球差包含一特定三階球差。
  19. 根據請求項18所述之影像處理方法，其中該特定球差另包含至少一高於該特定三階球差之高階球差，並且該高階球差之大小遠低於該特定三階球差之大小。
  20. 根據請求項15所述之影像處理方法，其中該數值平移程序係對於該預處理影像中每一像素之強度值進行平移動作，以使該數值平移影像中具最低強度像素對應之影像強度值大於或等於零。
  21. 根據請求項15所述之影像處理方法，其中該動態範圍調整程序係調整該數值平移影像中每一像素之強度值，以使該處理後影像中像素之強度值分佈與影像輸入元件之灰階動態範圍匹配。
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