TWI452337B - ㄧ種用以提供擴展景深之光學系統、方法及裝置 - Google Patents

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Description

一種用以提供擴展景深之光學系統、方法及裝置
本發明係關於一種光學系統及方法，特別係關於一種用以提供擴展景深之光學系統及方法。
擴展景深技術提供相機使用者能增加對焦物體的範圍。然而，這個範圍在一給定的共軛範圍內會降低調制轉換函數(modulation transfer function,MTF)。傳統解決這個問題的方法是藉由提供相機一可控制直徑的光圈，例如一虹膜式光圈。然而虹膜式光圈需要大型或笨重且相對昂貴的元件，因此只有在大型相機中實用，而在超小型相機中並不實用，例如行動電話相機。而虹膜式光圈藉由有效增加透鏡焦距比來實現一增加的景深，而這是藉由減少到達該透鏡的光線數量及減少該區域一定比率之光圈的結果所造成。所以需要一種系統或方法，用以提供相機使用者多量的擴展景深，才能夠彈性應用在不同的影像情況中。
以下的美國專利提供有關於波前編碼及他們全部的參考資料：美國專利號：5,748,371、6,525,302、6,842,297、6,911,638、6,940,649、7,115,849、7,180,673、7,218,448、7,260,251、7,379,613。
本發明之一光學裝置用以提供一光學影像系統，例如一擁有擴展景深及可變數量擴展景深(或全部移除)之相機，可在一多變距離範圍提供相對銳利細節之影像。例如，當拍攝一景觀照片時，該擴展景深功能能被關閉，及當拍攝一快速移動物體(例如，在體育活動中)，可提供大量的擴展景深。
在某些實施例，該光學裝置包含一光學透明液晶層、一光學透明介電相位光罩，其與該液晶層光學對齊，及藉由一光學透明基板與該液晶層分離、一光學透明介電折射率匹配層，其配置於一相近該相位光罩之表面，及具有一折射率，其與該相位光罩的一相位光罩折射率實質上匹配、一對電極，其用以在該液晶層產生一電場，以正比於施加至該電極之一信號的振幅，來改變該光學系統的景深，其中該液晶層及該相位光罩配置於該對電極之間。
圖1A根據一圖表說明一可調式液晶透鏡100之先前技術。透鏡100包含一液晶層102及含有一核心透鏡107之一隱藏層104。該隱藏層104是光學透明的及在液晶層102含有一可隨該核心透鏡形狀調整形狀比例之電場。該核心透鏡107是由光學透明材料裝配而成。透鏡100的對焦是藉由控制電源108施加至該電極109/110之一信號的振幅及/或頻率來執行。
液晶材料典型會是可平滑移動的極性分子及因此可藉由沿著電場方向重新調整他們的極端來反應存在的電場。同時也因為液晶材料的自然極性，當他們極化時(也就是分子沿著一偏好的軸排列)，他們的折射率會隨著穿過他們的極化光來決定。當光是極化的垂直該液晶分子排列方向的平均方向時，neff =n0 (即，該有效折射率neff 實質上會趨近該材料原本的折射率n0 )及不會有光學遲緩發生。當光在任何方向是極化的(或相反地，當該液晶分子改變他們排列方向的平均方向)，neff 的值會介於n0 及非尋常折射率(extraordinary index of refraction)ne 之間。在該例子中，當空間性變化時，穿透光會經歷光學延遲，而此正比於n0 與neff 之間的差異及該光學材料的厚度。
在光學延遲中，該空間性的變化是一個影響當光穿透該可調式液晶透鏡100的相位(也就是該波前)調變因素，及因而實現可調式聚焦的能力。在位置X局部的相位延遲數量Δθ(x)能由下列方程式決定：
Δθ(x)=2Π(neff -n0 )t(x)/λ
其中t(x)是局部液晶材料的厚度及λ是光在真空中的波長。對一鐵電性液晶材料而言，當該液晶室102呈現一強回饋時，在一輸入電壓接近28伏特時，電源108可以一頻率調變，而其頻率範圍介於100赫茲與100千赫茲之間。
電源108包含在液晶層102產生一電場而致使該極性液晶分子之長分子軸的平均方向重新排列。而該液晶分子的重新排列導致該液晶材料的反射率改變成一有效值neff ，從而影響該波前的調變。一個驅動電源108之控制器是Summit Microelectronics型號SMB274的可程式化AF驅動器。
透鏡100包含三層平整堅硬透明(例如玻璃)基板101、103、105，及一第一室間隙(cell gap)102定義在基板101與103之間，及一第二室間隙104定義在基板103與105之間。透鏡100更包含一排列在室間隙內之液晶層102。室間隙104包含一由透明介電材料(例如，光學黏著劑)所製成之隱藏透鏡形狀元件(核心透鏡)107，其具有一實質中凸表面，以匹配兩折射率匹配層106及111(如圖示)。光學黏著劑呈現高光穿透性、低散射性及均一的反射率。一光學黏著劑典型是可設計成所需的形狀或形式的液體，其可藉由化學反應或物理影響硬化來使其固體化。例如，一液體光聚合物可藉由暴露在一在紫外光中來產生硬化。像這樣的黏著劑的適合例子是是由Norland產品公司所製造的Norland Optical Adhesive 61(NOA61)。
折射率匹配層106與111是光學透明折射率匹配層，具有與該透鏡形狀元件107之折射率實質匹配的折射率特徵。一實質上為環形或正方形的光學透明材料(即一黏著劑)配置於第一基板103與層114之間，其用以提供一與該元件107之折射率實質上匹配之折射率匹配層111。一對齊層116(圖中虛線所示)由一適當材料(即SiOx或聚亞醯胺)所組成並配置於層111與層106。
對齊層116係用以提供在一具薄型、光學透明的第四基板114上，該第四基板具有一非平面形狀(如圖1所示之凹處)用以接受一非平面形狀的層106(圖一所示之凸處)。基板114初期可為一可撓式片狀物結合該對齊層116用以提供形成該非平面形狀。透鏡100更包含一第一電極109，該第一電極109是由一透明導電材料(即氧化銦錫)所製成之平整光學透明電極，用以提供在基板101之內表面，及一第二電極110，其相似光學透明電極，用以提供在基板105之內表面。
透鏡100更包含一對齊層113，其配置於層106與基板105之間，藉由一適當材料(即SiOx或聚亞醯胺)覆蓋該第二電極110並面向層106。可選擇性地，一中間光學透明電極115可提供在基板114上，從而讓電極115有一非平面形狀。電極109及110或者另外的電極109及115，其電極形狀由該核心透鏡107之形狀決定，其功能用以產生一電場，並在液晶層102上作動來改變透鏡100的光學參數。
該核心透鏡107及折射率匹配層111的介電常數有實質上的不同，甚至當該兩者之折射率實質上匹配時。這導致在該液晶層102產生一明顯的無線電頻率(即102至105赫茲)誘導電場。舉例而言，核心透鏡107可由硬化折射率為1.56的NOA 61所製成及一介電常數為4.04的折射率匹配層，其可由其他光學黏著劑所製成，例如Opti-tec 5012(由Intertronic Co.,UK所製造)，其硬化折射率為1.56及其介電常數為3.1。
在一實施例，折射率匹配層111沿其周邊，包含一或多堅硬內室(inner-cell)墊片112，相似地，折射率匹配層106沿其周邊，包含一或多堅硬外室(outer-cell)墊片112’。
圖1B根據一圖表說明一可調式液晶透鏡150之可替代先前技術。透鏡150除了省略了基板101及液晶層102外，其於皆相似於透鏡100(如圖1A所示)，在透鏡150裡的液晶層106取代了透鏡100裡的液晶層102的相關功能。透鏡150的對焦是藉由控制電源108施加至該電極109/110(或115)之一信號的振幅及/或頻率來執行。
一可選擇性的中間光學透明電極115可提供在基板114上，從而讓電極115有一非平面形狀。電極109及110或者另外的電極109及115，其電極形狀由該核心透鏡107之形狀決定，其功能用以產生一電場，並在液晶層102上作動來改變透鏡100的光學參數。在某些實施例，折射率匹配層111可選擇性包含一或多堅硬內室(inner-cell)墊片112，相似地，層106沿其周邊，包含一或多堅硬外室(outer-cell)墊片112’。
圖2A根據一高層次圖表說明採用本發明系統之光學裝置250之示例性影像系統200。如圖2A所示，一透鏡系統222包含一配置在該系統光圈225上或附近之光學裝置250，該光學裝置250含有一光學感測器230，例如CCD或CMOS裝置，配置於該裝置250之瞳孔平面227上。
在某些實施例，影像系統200包含一含有局部儲存媒體(記憶體)255之主機板(晶片)內建處理器。記憶體255可用在例如儲存預先處理或後處理影像260，以及編碼影像處理及其他演算法265。處理器240會根據詳細如後述的影像處理演算法來控制電源108。自動對焦元件270可以是一LensVector液晶自動對焦元件或是一傳統自動對焦元件。
波前編碼影像：
波前編碼可修飾一感測式光學系統，以這種方式來保護如失焦所存在的光學像差所形成影像的特定部分。採用訊號處理來解碼在該感測器上所形成的中間影像。該訊號處理是藉由利用一相位光罩(例如在圖3A/3B中的元件307，詳如後述)所烙印該系統光學的波前編碼來決定。這種訊號處理要考慮到由該感測器像素陣列所提供的寬度、高度及間距的空間性整合。在一波前編碼系統中的最後影像是藉由組合光學波前編碼及解碼該中間影像之訊號所形成。
更特別的是，在波前編碼中，一合適的透鏡光學轉換函數的生成是藉由使用一特別設計的相位光罩(波前編碼元件)來產生例如景深影像的點擴散函數可操作訊息。該相位光罩會造成該光學轉換函數在遠離對焦位置時能實質上保持在某一範圍的常數內。數位處理會取消該光罩光學轉換函數修飾的影響而造成一對焦影像的解析度超過由該波前元件所提供增加的景深。景深的前處理是在藉由光罩來完成反轉光學轉換變更其儲存影像至恢復影像上所執行。
一光學系統中用以擴展景深之一相位光罩，可藉由檢查候選光罩函數的模糊函數來決定一特別的光罩函數，其擁有當超過物體距離範圍時最接近常數的光學轉換函數，及製造一含有該特別候選光罩函數的光罩。
現今的方法採用一核心光學元件來形成一相位光罩(即如圖3A/3B中所述之相位光罩307，詳如後述)來修飾不連貫的影像系統(採用光學裝置300)，以這樣的方式，該點擴散函數可容忍失焦，而當該光學轉換函數在其利益數值通帶中沒有零值區域時，而致使數位處理可用以恢復該取樣的中間影像。再者，因為該光學轉換函數在一失焦的廣範圍中是連貫的，該相同數位處理在在該失焦的廣範圍中可用以恢復該影像。這種結合光學與數位系統所產生的點擴散函數可媲美在一遠、大範圍聚焦中的散射極限點擴散函數。
在這裡使用的「波前編碼」是用以描述修飾不連貫光學系統的通常程序，及藉由一光學相位光罩裝置用以接收不連貫波前。藉由僅修飾該接收波前的相位，特定波前編碼技術可允許可變擴展景深可在不散失光線下實現。
在圖3A-3D(詳如後述)的實施例中，核心透鏡307/337之功能就像一相位光罩，其形式如一可擴展景深表面，例如一立方體。
底下方程式1描述一立方體相位光罩：
方程式1
z=α(x3 +y3 )
其中α是縮放比例常數用以控制波前調變最大數量，及x與y則是垂直光學軸的空間座標。
以方程式1這種數學形式所描述之光學表面是配置在/接近一透鏡系統的光圈位置，例如圖3中所示，或者是將這個形式加到一存在接近該光圈所之透鏡，該系統的對焦深度即可擴展。在一擴展景深中，每一種相位光罩皆有其操作範圍。在方程式1上所描述的是一簡單立方體相位系統，其範圍則是由α的值所決定。
用以解碼該影像的反捲積內核必須是輸入到該裝之訊號振幅的函數。也就是說，較大的振幅則需要較大的內核。振幅與內核的映射可藉由測量該裝置的點擴散函數當做該輸入電壓振幅的函數。當該點擴散函數是已知的，接著一過濾器則可應用該已知的技術。例如，一Wiener過濾器可應用於此(Fales et. al.,“Wiener restoration of sampled image data: end-to-end analysis,”J. Opt. Soc. Am. A,vol. 5,no. 3,pp. 300-314(1988))。
不同擴展景深的相位光罩形式(即相位光罩307/337，詳如後述)可依據目前的光學系統根據特定的應用來實施。另外，影像感測器330可根據影像狀況程式化用以啟動/停用擴展景深功能(即全景關閉、動態拍攝時設定一最大值、在其他影像狀況下設定一中間值)。
圖2B根據一圖表說明一在本發明系統所使用的用方法的示例性執行步驟之高層次組合。系統操作較佳理解方式可參照圖2A及圖2B相互配合。如圖2A/2B所示，一成像場景入射光220穿過透鏡系統222，其中由此產生的波前編碼中間影像235由感測器230所擷取。影像處理272利用一近似光學裝置250的演算法265來執行產生一含有擴展景深之最終影像275(詳如圖4後述)。
圖3A根據本發明光學系統之一實施例圖表說明一示例性光學裝置用以提供可多變數量擴展景深細節。如圖3A所示，在某些實施例，所呈現可調式擴展景深液晶光學裝置300(下稱光學裝置300)包含兩個光學透明基板301/303來定義配置於一液晶層322之室間隙302。藉由電源308(以一額定頻率，例如1千赫茲)來輸入多種電壓至電極309/310(或315)，藉此在液晶層322產生一誘導電場，該電場形狀比例則是遵照層307中相位光罩307的形狀。電極309/310是由透明導電材料(即ITO)所製成，分別提供在基板301及305的內表面。
層304定義在光學透明基板303及305之間，且包含一相位光罩307。相位光罩307是有一特別別形狀元件，其由光學透明介電材料所製成，例如NOA 61，其含有一表面與光學透明折射率匹配層306配套，特點在於該折射率匹配層306之折射率實質匹配該相位光罩307之折射率，但其介電常數實質上不匹配。在某些實施例，折射率匹配層306是由Opti-tec 5012所形成。
相位光罩307形成於面對由光學透明基板316內角(面向光罩307)所提供的對齊層314，該相位光罩307可支持一或多可選擇性的堅硬內室墊片312。對齊層314可從一近似透明材料(如即SiOx或聚亞醯胺)所製成。基板316可由可撓式板材所形成一合適的非平面形狀用以配合對齊層314。一可選擇性中間光學透明電極315(如虛線所示)可提供在基板316的對齊層314上來取代電極310。
在圖3A的實施例中，所呈現光學裝置300是類似於可調式透鏡100之方式所組成(如圖1所示)，及根據圖4所述程序(詳如後述)利用波前編碼訊號處理來提供可變數量及範圍的擴展景深。
圖3B根據本發明光學系統之一實施例圖表說明一示例性光學裝置用以提供可多變數量擴展景深細節。光學裝置350除了省略了基板301、室間隙302及液晶層322外，其他則相似光學裝置300(如圖3A所示)，光學裝置350用液晶層326來取代光學裝置300中的層322。光學裝置350的調便是藉由控制電源108施加至該電極109/110(或輪替電極115)之一信號的振幅及/或頻率來執行。最佳但並非必要，相位光罩307有一折射率與該液晶層326的反射率n0匹配。
光學裝置350可遵照如圖1及3A所描述之裝置以相同方式組成，或是遵照裝置300的選擇性實施例所描述組成。
圖3C根據本發明光學系統之另一實施例圖表說明一示例性光學裝置360細節。光學裝置360包含兩個光學裝置(光學裝置300/300’)，其皆與圖3B所示裝置300相似，其中相位光罩337相對於裝置300中的光罩307，液晶層332及332’相對於裝置300中的液晶層322。如圖3B所示，兩裝置300/300’配置相鄰，更具體而言，每一裝置300是面向另一裝置那一面，這樣該相位光罩337的平面側邊會面向另外一個。在呈現的實施例中，液晶層332及332’是極化的(意即它們的分子會沿一偏好軸排列)，及該層是面向另一層那一面，這樣該兩層中的液晶結構相對另一層是極化正交的(分別以虛線及點符號指出)，該液晶層332’及332’這種相對方向排列優點在於允許該裝置能與任何極化光或普通光線或非極化光運作。
透鏡360的對焦藉由控制電源108施加至該電極309/310(或、輪替電極309’/310’)之一信號的振幅來執行。裝置360可遵照如圖3A及3B所描述之裝置以相同方式組成。
圖3D根據本發明光學系統之另一實施例圖表說明一示例性光學裝置細節。光學裝置370包含兩個光學裝置(光學裝置350/350’)，其皆與圖3B所示裝置300相似。如圖3D所示，光學裝置370包含兩個裝置350及350’如前述裝置360配置相鄰。液晶層332及332’，該兩層中的液晶層342及342’結構相對另一層是極化正交的(分別以虛線及點符號指出)。
裝置370的波前調變是藉由控制電源108施加至該電極309/310(或、輪替電極309’/310’)之一信號的振幅或頻率來執行。如圖3B所示裝置可遵照如圖3C所描述之裝置360以相同方式組成。
圖4根據一流程圖說明經由一波前編碼影像來產生一可變擴展景深之一執行步驟示例性組合。圖4中所述步驟是用在一無採用自動對焦含有可變擴展景深裝置(即一相機)，亦即在圖2中上下文已描述的影像系統200(相機)。在步驟405，感測器230擷取一第一影像及儲存在局部記憶體260。在步驟410，一在該相同基本場景之第二影像在延遲texp 後，像該第一影像一樣被擷取，而texp 最好是接近當擷取該最後影像時所需曝光時間。該第二影像一樣也儲存在影像記憶體260(局部記憶體260)。
在步驟415，省略該兩影像的差值。例如，以下述方程式2來完成，藉由計算該全部影像之每一像素影像訊號差值(在該第一影像及第二影像之間)平方的總和。意即該差值平方的總和是藉由計算該全部影像中該兩個影像的每一相關畫素，而每一差值是該相關原始像素值的差值。原始像素值是在執行色彩內插前的像素值，然而每一像素都有一正比局部光照度的值。
方程式2
diff =Σ i , j [Image 1 (i ,j )-Image 2 (i,j )]2
其中Image1 (i ,j )指的是該第一影像在座標i 與j 時的像素值。
在步驟420，假設diff＞threshold1(在一快速移動影像的例子中，該擴展景深功能在步驟430時開啟)[舉例而言，diff＞(1/2該影像裡像素數量*最大像素值)2 ]。在步驟435，產生一驅動訊號電壓，其正比於diff(該驅動訊號電壓輸入至該擴展景深裝置)，意即輸入至至該擴展景深裝置之電壓正比在方程式2裡計算所得之訊號強度。
V擴展景深 =k1 *diff
一典型透鏡驅動電壓水平是28伏特，其頻率範圍從100赫茲至100千赫茲。在步驟420，假設diff＞threshold1，在步驟425，該擴展景深功能則關閉(V擴展景深 =0)。
接下來的程序步驟可適用於含有自動對焦及可變擴展景深兩者之裝置。在一開始，該擴展景深功能是關閉的。自動對焦接著會執行用以尋找最佳對焦位置d1 及d2 分別連續曝光，假設最佳對焦位置d1 及d2 間之差值[diff1 =abs(d1 -d2 )]大於一預先設定之底限值(threshold)，接著擴展景深功能就會開啟，其值計算如下：
V擴展景深 =k1 *diff1 ，其中k1 是由經驗值決定。
接著，一平均對焦位置dav 由(d1 +d2 )/2計算而來，即將該自動對焦位置設定至dav (意即V自動對焦 =k2 *dav )。
隨著數位相機的不同，其有多種自動對焦的方法。無是否為特殊的自動對焦方法，這些方法都會有回饋一值，該值會正比於物體距離及/或輸入該制動器用以修飾該相機對焦之電壓。該回饋值在這個時點是一個簡單的數字。假設該d1 及d2 的數值是實質上相同，接著則假設該對焦位置在連續曝光之間不會有顯著改變。否則在對焦時會發生改變，而這也是擴展景深功能可使用的優勢。
圖5根據一流程圖說明設定一包含自動對焦及擴展景深裝置之一執行步驟示例性組合。
如圖5所示，在步驟505，執行自動對焦及擷取image1 及保存最佳對焦距離d1 。
在步驟510，執行自動對焦及擷取image2 及保存最佳對焦距離d2 。在步驟520，該擴展景深功能則關閉(V擴展景深 =0)。
在步驟530，在最佳對焦位置d1 及d2 間之差值diff1 =abs(d1 -d2 )大於一預先設定之底限值(threshold)，接著步驟540，該擴展景深功能就會開啟及該驅動訊號電壓(V擴展景深 )則是設定為一預先定義常數(k1 )乘以該差值，即假設abs(d1 -d2 )=[diff1 ＞threshold1 ]，
V擴展景深 =k1 *diff1
在步驟545，該全部影像之每一像素影像訊號(在該第一影像及第二影像之間)平方的總和(diff2 )則是利用下列方程式3計算所得：
方程式3
diff 2 =Σi ,j [Image 1 (i ,j )-Image 2 (i ,j )]2
假設diff2 大於預先定義的底限值(步驟550)，接著在步驟555，自動對焦即關閉(意即假設影像物體快速移動時不使用自動對焦)，接著擴展景深功能會計算一值(步驟560)如下：
V擴展景深 =k1 *diff1 ，其中k1 是由經驗值決定。
一相機的使用者操作模式，如圖2A中所示，可處理如下。假設一使用者選擇一動作模式，接著自動對焦則會關閉，及V擴展景深 會設定至最大層級。假設該使用者選擇一人像模式，接著V擴展景深 會設定為0，而V自動對焦 則設定為k2 *dav 。
在風景模式時，該擴展景深功能通常會被關閉，而將只要對焦設為無限遠。
上述之方法及系統是可被變化，而不能被視為偏離在此所敘述之範疇，且於前文中所描述之內容或所顯示於對應之圖式中之示意圖皆應被視為一種說明，而非限制。其後所述之申請專利範圍係涵蓋在此所描述知本發明之所有總概及特定之特徵，且本發明之範疇的所有呈述皆取決於申請專利範圍中所述敘之文字而定。
100．．．可調式液晶透鏡
101．．．基板
102．．．液晶層
103．．．基板
104．．．第二室間隙
105．．．基板
106．．．光學透明折射率匹配層
107．．．核心透鏡
108．．．控制電源
109．．．電極
110．．．電極
111．．．光學透明折射率匹配層
112．．．內室墊片
112’．．．外室墊片
113．．．對齊層
114．．．基板
115．．．光學透明電極
116．．．對齊層
150．．．可調式液晶透鏡
200．．．影像系統
220．．．場景入射光
222．．．透鏡系統
225．．．系統光圈
227．．．瞳孔平面
230．．．光學感測器
235．．．波前編碼中間影像
240．．．處理器
255．．．局部儲存媒體
260．．．影像
265．．．演算法
270．．．自動對焦元件
272．．．波前編碼處理
275．．．擴展景深影像
300．．．光學裝置
300’．．．光學裝置
301．．．基板
302．．．室間隙
303．．．基板
304．．．層
305．．．基板
306．．．光學透明折射率匹配層
307．．．相位光罩
308．．．電源
309．．．電極
309’．．．電極
310．．．電極
310’．．．電極
312．．．內室墊片
314．．．對齊層
315．．．電極
316．．．基板
326．．．液晶層
337．．．核心透鏡
332．．．液晶層
332’．．．液晶層
342．．．液晶層
342’．．．液晶層
350．．．光學裝置
350’．．．光學裝置
360．．．光學裝置
370．．．光學裝置
400．．．步驟
500．．．步驟
圖1A根據一圖表說明一可調式液晶透鏡先前技術。
圖1B根據一圖表說明一可調式液晶透鏡之可替代先前技術。
圖2A根據一高層次圖表說明採用本發明系統之光學裝置之示例性影像系統。
圖2B根據一圖表說明一在本發明系統所使用的用方法的示例性執行步驟之高層次組合。
圖3A根據本發明光學系統之一實施例圖表說明一示例性光學裝置用以提供可多變數量擴展景深細節。
圖3B根據本發明光學系統之一實施例圖表說明一示例性光學裝置用以提供可多變數量擴展景深細節。
圖3C根據本發明光學系統之另一實施例圖表說明一示例性光學裝置細節。
圖3D根據本發明光學系統之另一實施例圖表說明一示例性光學裝置細節。
圖4根據一流程圖說明利用一可變擴展景深相機來處理波前編碼之一執行步驟示例性組合。
圖5根據一流程圖說明設定一包含自動對焦及擴展景深裝置之一執行步驟示例性組合。
108．．．控制電源
200．．．影像系統
220．．．場景入射光
222．．．透鏡系統
225．．．系統光圈
227．．．瞳孔平面
230．．．光學感測器
235．．．波前編碼中間影像
240．．．處理器
255．．．局部儲存媒體
260．．．影像
265．．．演算法
270．．．自動對焦元件

Claims (40)

  1. 一種在一光學影像系統提供擴展景深之方法，包含下列步驟：擷取及儲存一第一波前編碼中間影像；擷取及儲存一第二波前編碼中間影像；計算一差值，其等於在該第一影像及第二影像間每一像素之該影像信號微分平方的總和除以該第一與該第二中間影像之每一像素；當該差值大於一預定的臨界值時，利用一波前編碼處理技術來處理該第二中間影像，用以產生具有一可變擴展景深之一影像。
  2. 如請求項1所述之方法，其中由一系統提供該可變擴展景深，該系統包含：一光學透明液晶層；一光學透明介電相位光罩，其與該液晶層光學對齊，及藉由一光學透明基板與該液晶層分離；一光學透明介電折射率匹配層，其配置於一相近該相位光罩之表面，及具有一折射率，其與該相位光罩的一相位光罩折射率實質上匹配；一對電極，其用以在該液晶層產生一電場，以正比於施加至該電極之一信號的振幅，來改變該光學系統的景深，其中該液晶層及該相位光罩配置於該對電極之間。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該相位光罩是一波前編碼元件。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該波前編碼元件是一立方相位元件。
  5. 如請求項2所述之方法，其中由一影像系統擷取的一影像經處理，以產生一修正的影像，其具有該擴展景深。
  6. 如請求項2所述之方法，其中該相位光罩包含：一光學黏著劑，其具有介電性質。
  7. 如請求項6所述之方法，其中該光學黏著劑是Norland Optical Adhesive 61。
  8. 如請求項2所述之方法，其中該折射率匹配層包含：一介電材料。
  9. 如請求項8所述之方法，其中該介電材料是Opti-tec 5012。
  10. 如請求項2所述之方法，其中該相位光罩之介電常數實質上小於該折射率匹配層之介電常數。
  11. 如請求項2所述之方法，其中該景深正比於該施加的信號之頻率而改變。
  12. 如請求項2所述之方法，其設置於實質上接近一影像系統的瞳孔平面，更包含：一感測器，其設置於相近該影像系統之影像平面，用以擷取一影像；一電源，其用以供給施加至該電極的該信號；及一處理器，其用以(i)從一初期取得之影像，處理一演算以產生一修正的影像，其具有擴展的景深；及(ii)控制該電源所產生之該信號的該振幅，以控制該修正的影像的該景深。
  13. 如請求項1所述之方法，其中由一系統提供該可變擴展景深，該系統包含：一光學透明介電相位光罩；一光學透明液晶層，其配置於一相近該相位光罩之表面；及一對電極，其用以在該液晶層產生一電場，以正比於施加至該電極之一信號的振幅，來改變該光學系統的景深，其中該相位光罩配置於該對電極之間。
  14. 如請求項13所述之方法，其中該相位光罩是一波前編碼元件。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該波前編碼元件是一立方相位元件。
  16. 如請求項13所述之方法，其中由一影像系統擷取的一影像經處理，以產生一修正的影像，其具有該擴展景深。
  17. 如請求項1所述之方法，其中由一系統提供該可變擴展景深，該系統包含：一第一及一第二光學裝配組合，其各包含：一含有平面側邊之光學透明相位光罩；及一光學透明液晶層，其配置於一相近該相位光罩之表面；其中該液晶層中之液晶是極化的；其中該第一及第二光學裝配組合是相鄰配置，以使該相位光罩之該平面側邊互相面對，及該液晶層中之該液晶相互正交對齊；及一對電極，其用以在該光學裝配組合的每一者的該液晶層產生一電場，以正比於施加至該電極之一信號的振幅，來改變該影像系統的景深，其中該光學裝配組合之每一者之相位光罩配置於該對電極之間。
  18. 如請求項17所述之方法，其中由在一影像系統的瞳孔平面之該系統所擷取的一影像經處理，以產生一修正的影像，其具有該擴展景深。
  19. 如請求項17所述之方法，其中該相位光罩包含：一光學黏著劑，其具有介電性質。
  20. 如請求項17所述之方法，其中該光學黏著劑是Norland Optical Adhesive 61。
  21. 如請求項17所述之方法，其中該折射率匹配層包含：一介電材料。
  22. 如請求項21所述之方法，其中該介電材料是Opti-tec 5012。
  23. 如請求項17所述之方法，其中該相位光罩之介電常數實質上不同於該折射率匹配層之介電常數。
  24. 如請求項17所述之方法，其中該景深正比於該施加的信號之頻率而改變。
  25. 如請求項1所述之方法，其中由一系統提供該可變擴展景深，該系統包含：一第一及一第二光學裝配組合，其各包含：一光學透明液晶層；一光學透明相位光罩，其與該液晶層光學對齊及 藉由一光學透明基板與該液晶層分離；一光學透明折射率匹配層，其配置於一相近該相位光罩之表面；其中該第一及第二光學裝配組合是相鄰配置，以使該相位光罩之平面側邊互相面對，及該液晶層中之液晶是極化相互正交對齊；及一對電極，其用以在該光學裝配組合的每一者的該液晶層產生一電場，以正比於施加至該電極之一信號的振幅，來改變該影像系統的景深，其中該相位光罩及該光學裝配組合之該液晶層是配置於該對電極之間。
  26. 如請求項25所述之方法，其中該相位光罩包含：一光學黏著劑，其具有介電性質。
  27. 如請求項25所述之方法，其中由在一影像系統的瞳孔平面之該系統所擷取的一影像經處理，以產生一修正的影像，其具有該擴展景深。
  28. 如請求項26所述之方法，其中該光學黏著劑是Norland Optical Adhesive 61。
  29. 如請求項25所述之方法，其中該折射率匹配層包含：一介電材料。
  30. 如請求項29所述之方法，其中該介電材料是Opti-tec 5012。
  31. 如請求項25所述之方法，其中該相位光罩之介電常數實質上小於該折射率匹配層之介電常數。
  32. 如請求項25所述之方法，其中該景深正比於該施加的信號之頻率而改變。
  33. 如請求項1所述之方法，其中由一系統提供該可變擴展景深，該系統包含：一光學透明液晶層；一光學透明介電相位光罩，其與該液晶層光學對齊，及藉由一光學透明基板從該液晶層分離；一光學透明介電折射率匹配層，其配置於相近該相位光罩；一對電極，用以在該液晶層產生一電場，來改變該影像系統的景深，其中該液晶層及該相位光罩配置於該對電極之間；及一處理器，其用以執行一影像處理演算以提供一恢復影像；其中該處理器執行該演算，以處理該影像系統所擷取之一波前編碼影像，以產生該恢復影像，其具有正比於施加至該電極之一信號的振幅之一擴展景深。
  34. 如請求項1所述之方法，其中由一系統提供該可變擴展景深，該系統包含：一光學透明相位光罩；一光學透明液晶層，其配置於一相近該相位光罩之表面，並具有實質上與該相位光罩折射率匹配之一折射率；及一對電極，其用以在該液晶層產生一電場，以正比於施加至該電極之一信號的振幅，來改變該影像系統的景深，其中該相位光罩配置於該對電極之間；一記憶體，其用以儲存一影像處理演算；及一處理器，其用以執行該影像處理演算，以提供一恢復影像，其中該處理器執行該演算來處理該影像系統所擷取之一波前編碼影像，以產生該恢復影像，其具有正比於施加至該電極之一信號的振幅之一擴展景深。
  35. 如請求項34所述之方法，更包含記憶體，其用以儲存下列之至少一者：該演算、該波前編碼影像及該恢復影像。
  36. 一種在一光學影像系統提供擴展景深之方法，包含下列步驟：在一鏡片包含一波前編碼元件，其使該鏡片之光學轉換 函數在該鏡片的焦點位置之外的一範圍內能實質上保持常數；使用該鏡片擷取一中間影像；執行該中間影像之波前編碼處理，用以反轉藉由該波前編碼元件所變更完成之光學轉換函數，來提供該擴展景深之一聚焦影像的解析度。
  37. 一種在一光學影像系統提供擴展景深之方法，包含下列步驟：利用一鏡片系統，擷取一波前編碼中間影像；其中該鏡片系統包含：一影像鏡片裝配組合；一光學透明介電相位光罩，其設置於該影像鏡片裝配組合之快門；一光學透明液晶層；及一對電極，其用以在該液晶層產生一電場，以正比於施加至該電極之一信號的振幅，來改變該影像系統的景深；一反捲積內核，其依施加至該鏡片系統之一特徵信號函數而變，用以解碼該波前編碼影像；藉由測量該鏡片系統之點擴散函數，決定一信號特徵與反捲積內核映射函數，作為該施加的信號之一特徵函數；將包含一振幅與反捲積內核映射函數之過濾器施加至 該中間影像，用以產生一具有擴展景深之一影像。
  38. 如請求項37所述之方法，其中該特徵是該信號振幅。
  39. 如請求項37所述之方法，其中該特徵是該信號頻率。
  40. 如請求項37所述之方法，其中該過濾器是一Wiener過濾器。
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