專利名稱：光學(xué)成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用等模糊成像特性實(shí)現(xiàn)光學(xué)成像的技術(shù)領(lǐng)域(如可見光成像，紅外成像等)，尤其涉及一種大光圈大景深成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的相機(jī)是基于聚焦并消像差原理成像，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是符合幾何光學(xué)原理和特征的理想光學(xué)成像系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程中通過對光學(xué)鏡頭各參數(shù)配合，達(dá)到聚焦并消像差的目的，以獲取在景深范圍內(nèi)清晰、景深范圍外模糊的圖像。在傳統(tǒng)的聚焦并消像差成像原理中，景深又受制于鏡頭光圈、焦距、拍攝距離、分辨率等因素，在焦距、拍攝距離和像面分辨率要求及像面位置固定的情況下光圈越大，景深越小，光圈越小，景深越大，或者用與景深共軛的焦深來衡量的話，傳統(tǒng)的鏡頭具有光圈孔徑乘以焦深為常數(shù)的規(guī)律；在焦距、拍攝距離和光圈孔徑及像面位置固定的情況下分辨率越大，景深越小。在傳統(tǒng)的聚焦消像差成像原理中，大光圈鏡頭的設(shè)計(jì)，需要消除大光圈對應(yīng)的大孔徑所帶來的高級像差及初級像差，只能通過增加鏡頭標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡或反射鏡的片數(shù)、非球面的比例、更嚴(yán)密地控制精度等方式得以實(shí)現(xiàn)，造成鏡頭成本高、重量體積大等明顯缺點(diǎn)，且受制于景深與光圈的限制關(guān)系，大光圈鏡頭的景深范圍也必然縮小，無法滿足很多領(lǐng)域的大光圈大景深應(yīng)用需求。在遵循聚焦消像差成像原理的其它領(lǐng)域，如紅外熱成像等，也有類似的無法實(shí)現(xiàn)大光圈大景深成像的問題。近年來，國內(nèi)外在景深延拓技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化都取得了很多成績。景深延拓技術(shù)的主要原理是在聚焦成像鏡頭平臺上在光闌面上調(diào)制波像差，以實(shí)現(xiàn)景深延拓。在景深延拓技術(shù)的研究上主要的代表有美國的CDM Optics公司和北京泰邦天地科技有限公司。 CDM Optics在光闌面上利用三次奇曲面來獲得等模糊中間像，再結(jié)合先驗(yàn)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)通過數(shù)字圖像處理裝置對等模糊中間像進(jìn)行圖像處理最后得到大景深的清晰圖像。北京泰邦天地科技有限公司在光闌面上利用偶對稱的各類曲面并結(jié)合球面設(shè)計(jì)來獲得等模糊中間像，再結(jié)合先驗(yàn)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)通過數(shù)字圖像處理裝置對等模糊中間像進(jìn)行圖像處理最后得到大景深的清晰圖像。采用景深延拓技術(shù)的成像系統(tǒng)能夠在光圈孔徑、像面分辨率、焦距、 拍攝距離不變的情況下實(shí)現(xiàn)大約10倍的焦深延拓，共軛到物空間就實(shí)現(xiàn)了景深延拓。采用景深延拓技術(shù)的成像系統(tǒng)只能延拓景深進(jìn)行成像，但是無法在實(shí)現(xiàn)延拓景深的同時(shí)擴(kuò)大光圈成像，因而無法滿足很多領(lǐng)域的大光圈大景深應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，包括等模糊中間像獲取鏡頭和圖像處理裝置，其特征在于，所述等模糊中間像獲取鏡頭控制并利用像差產(chǎn)生等模糊中間像。其中，等模糊中間像獲取鏡頭存在由于鏡頭大光圈導(dǎo)致的像差，并且利用所述像差進(jìn)行等模糊中間像成像。其中，所述等模糊中間像獲取鏡頭對特定物空間范圍內(nèi)的點(diǎn)光源在像面上的成像為覆蓋多個(gè)像素的、形狀和能量分布近似相等的光斑。其中，所述等模糊中間像獲取鏡頭對特定物空間范圍內(nèi)的點(diǎn)光源在像面上的空域響應(yīng)為近似相等的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。其中，所述等模糊中間像獲取鏡頭對特定物空間范圍內(nèi)光學(xué)信號在像面上的頻域響應(yīng)為近似相等的調(diào)制傳遞函數(shù)，所述調(diào)整傳遞函數(shù)對特定物空間范圍內(nèi)光學(xué)信號具有近似的空不變傳遞特性。其中，所述等模糊中間像獲取鏡頭包括至少一個(gè)透鏡或者至少一個(gè)反射鏡，每個(gè)透鏡或反射鏡都具有聚焦功能、消像差功能和為等模糊中間像累積剩余像差的功能。其中，所述透鏡的透射面或者反射鏡的反射面的特征為球面、分段球面、非球面、 分段非球面、自由曲面或者分段自由曲面。其中，所述圖像處理裝置包括包含電子傳感器(XD/CM0S及附屬線路和執(zhí)行軟件的數(shù)碼成像單元102 ；包含計(jì)算機(jī)平臺和圖像處理軟件及圖像輸出/顯示的圖像處理單元 104 ；以及從數(shù)碼成像單元102到圖像處理單元104的數(shù)據(jù)傳輸鏈路103。其中，所述像差為球差、慧差、像散和色差中的一種或幾種的組合。其中，所述像差為初級像差或初級像差和高級像差的組合。本發(fā)明的大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)大景深的同時(shí)擴(kuò)大光圈成像。


圖1為大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2為大光圈大景深光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)物距的調(diào)制傳遞函數(shù)mtf
圖3為大光圈大景深光學(xué)系統(tǒng)psf ；
圖4為優(yōu)選實(shí)施例的光路圖5為優(yōu)選實(shí)施例系統(tǒng)的psf ；
圖6為優(yōu)選實(shí)施例系統(tǒng)的mtf ；
圖7為優(yōu)選實(shí)施例仿真用景物圖像；
圖8為優(yōu)選實(shí)施例仿真得到的等模糊中間像；
圖9為優(yōu)選實(shí)施例仿真得到的清晰圖像。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。等模糊中間像是指鏡頭對特定物空間范圍內(nèi)的點(diǎn)光源在像面上的成像為模糊成像，并且具有近似相等的模糊度。等模糊中間像獲取鏡頭是指能夠產(chǎn)生等模糊中間像的鏡頭。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)包括大景深大光圈等模糊中間像獲取鏡頭101，包含電子傳感器CCD/CMOS及附屬線路和執(zhí)行軟件的數(shù)碼成像單元 102，包含計(jì)算機(jī)平臺和圖像處理軟件及圖像輸出/顯示的圖像處理單元104，以及從數(shù)碼成像單元102到圖像處理單元104的數(shù)據(jù)傳輸鏈路103。數(shù)碼成像單元102、數(shù)據(jù)傳輸鏈路103和圖像處理單元104組成圖像處理裝置。參見圖4，示出了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的大光圈大景深等模糊中間像獲取鏡頭101的優(yōu)選實(shí)施例。在示例的實(shí)施例中，鏡頭101包括第一至第四鏡片201-204。但是，本發(fā)明不限于由4個(gè)鏡片構(gòu)成的鏡頭101，本發(fā)明的鏡頭101可以包括其它數(shù)量的鏡片和/或一些反射鏡。在示例的優(yōu)選實(shí)施例中，利用鏡頭101累積像差來實(shí)現(xiàn)大光圈(小F數(shù))大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，包括等模糊中間像獲取鏡頭和圖像處理裝置，其特征在于，所述等模糊中間像獲取鏡頭控制并利用像差產(chǎn)生等模糊中間像；和所述圖像處理裝置對所述等模糊中間像進(jìn)行處理，獲取待測景物的最終清晰圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，其中所述等模糊中間像獲取鏡頭存在由于鏡頭大光圈導(dǎo)致的像差，并且利用所述像差進(jìn)行等模糊中間像成像。
3.如權(quán)利要求2所述的大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，所述等模糊中間像獲取鏡頭對特定物空間范圍內(nèi)的點(diǎn)光源在像面上的成像為覆蓋多個(gè)像素的、形狀和能量分布近似相等的光斑。
4.如權(quán)利要求3所述的大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，所述等模糊中間像獲取鏡頭對特定物空間范圍內(nèi)的點(diǎn)光源在像面上的空域響應(yīng)為近似相等的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。
5.如權(quán)利要求3所述的大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，所述等模糊中間像獲取鏡頭對特定物空間范圍內(nèi)光學(xué)信號在像面上的頻域響應(yīng)為近似相等的調(diào)制傳遞函數(shù)，所述調(diào)整傳遞函數(shù)對特定物空間范圍內(nèi)光學(xué)信號具有近似的空不變傳遞特性。
6.如權(quán)利要求3所述的大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，所述等模糊中間像獲取鏡頭包括至少一個(gè)透鏡或者至少一個(gè)反射鏡，每個(gè)透鏡或反射鏡都具有聚焦功能、消像差功能和為獲得等模糊中間像累積剩余像差的功能。
7.如權(quán)利要求6所述的大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，所述透鏡的透射面或者反射鏡的反射面的特征為球面、分段球面、非球面、分段非球面、自由曲面或者分段自由曲面。
8.如權(quán)利要求1所述的大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，所述圖像處理裝置包括包含電子傳感器CCD/CMOS及附屬線路和執(zhí)行軟件的數(shù)碼成像單元102 ；包含計(jì)算機(jī)平臺和圖像處理軟件及圖像輸出/顯示的圖像處理單元104 ；以及從數(shù)碼成像單元102到圖像處理單元104的數(shù)據(jù)傳輸鏈路103。
9.如權(quán)利要求2所述的大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，所述像差為球差、慧差、像散和色差中的一種或幾種的組合。
10.如權(quán)利要求2所述的大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，所述像差為初級像差或初級像差和高級像差的組合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大光圈大景深光學(xué)成像系統(tǒng)，包括等模糊中間像獲取鏡頭，通過控制并利用鏡頭的累積像差獲取待測景物的非共軛的等模糊中間像，對物空間的光信息進(jìn)行空不變光學(xué)系統(tǒng)處理；圖像處理裝置，用于對所述等模糊中間像進(jìn)行處理，獲取所述待測景物的最終清晰圖像。本發(fā)明通過控制并利用累積像差實(shí)現(xiàn)等模糊中間像的獲取，再對所述成像進(jìn)行處理，得到清晰的最終圖像，擴(kuò)大光圈的同時(shí)提高了成像系統(tǒng)的景深。
文檔編號G02B27/00GK102566045SQ20111004211
公開日2012年7月11日 申請日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月20日
發(fā)明者房旭光, 賈偉 申請人:北京泰邦天地科技有限公司