專利名稱：被擴大景深的單透鏡成像系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及被擴大景深的成像系統(tǒng)，并且尤其涉及在成像光學系統(tǒng)中利用單 透鏡元件的這類系統(tǒng)。
背景技術：
被擴大景深(“ED0F”)的成像系統(tǒng)(亦稱“被擴大焦深成像系統(tǒng)”)在各種應用 諸如生物統(tǒng)計學(如虹膜識別)、條碼掃描器和閉路電視(CCTV)系統(tǒng)中已經(jīng)看到增加的使用。EDOF成像系統(tǒng)的光學系統(tǒng)典型地包含不是多于一個的透鏡元件就是包含被布置 在入射光瞳中非圓對稱的“波前編碼”板以產(chǎn)生復波前形狀。因為EDOF成像系統(tǒng)是所希望的用于日益更大數(shù)量的要求小形狀系數(shù)的成像應用 (如蜂窩電話和其他手持像捕獲裝置)中，所以對極其簡單并緊湊但仍能夠提供EDOF成像 能力的EDOF成像系統(tǒng)存在需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對被擴大焦深(EDOF)成像系統(tǒng)，它具有的光學系統(tǒng)包含唯一一個透鏡 元件和被定位在該透鏡元件物方的孔徑光闌。該透鏡元件被構造成使該光學系統(tǒng)在整個像 場上有實質上恒定的球差，同時實質上沒有彗差或像散，或許有一些色差，取決于用于形成 該像的光譜帶寬。該單透鏡配置有助于對寬廣范圍成像應用有用的非常緊湊和簡單的EDOF 成像系統(tǒng)。因此，本發(fā)明的第一方面是一種成像系統(tǒng)，用于在EDOF內并在成像波長λ上使物 體成像。該系統(tǒng)包含的光學系統(tǒng)有光軸并含有單透鏡元件以及被布置在該單透鏡元件物方 的孔徑光闌。該光學系統(tǒng)當形成物體的像時具有其中0.2 λ ^ SA ^ 2 λ的球差量SA。該 成像系統(tǒng)還包含像傳感器，該像傳感器被布置成接收該像并由此形成數(shù)字化電子原始像。本發(fā)明的第二方面是上面描述的成像系統(tǒng)還包含像處理器，該像處理器被電連接 到像傳感器并適合接收和用數(shù)字濾波處理該數(shù)字化電子原始像以形成數(shù)字化的對比度被 增強的像。本發(fā)明的第三方面是一種在EDOF上并在成像波長λ上形成物體的像的方法。該 方法包含用光學系統(tǒng)形成物體的原始像，該光學系統(tǒng)含有單透鏡元件和被布置在該單透鏡 元件物方的孔徑光闌。該光學系統(tǒng)具有球差的量SA使0.2 λ (Skd該方法還包含 用像傳感器電子捕獲原始像以形成數(shù)字化原始像。在一個示例性的實施例中，該數(shù)字化原 始像被直接用于給定的應用。在另一個示例性的實施例中，該方法還包含對數(shù)字化原始像進行數(shù)字濾波以形成對比度被增強的像。本發(fā)明的第四方面是一種EDOF成像系統(tǒng)，用于在成像波長λ上形成物體的對比 度被增強的像。該成像系統(tǒng)包含的光學系統(tǒng)含有單透鏡元件和物方孔徑光闌，其中該光學 系統(tǒng)具有其中0.2λ ^ SA ^ 2 λ的球差量SA，且其中該光學系統(tǒng)形成原始像。該系統(tǒng)還包 含被布置成接收該原始像并形成原始像電信號的像傳感器，其中該原始像具有關聯(lián)的原始 調制傳遞函數(shù)(MTF)。該成像系統(tǒng)還包含被電連接到該像傳感器的像處理器。該像處理器 適合接收該原始像電信號并在其上用被增強的MTF進行像處理以形成對比度被增強的像， 該被增強的MTF是使用旋轉對稱增益函數(shù)從原始MTF形成的。應當理解，前面的一般描述和下面的詳細描述兩者呈現(xiàn)本發(fā)明的實施例，并且旨 在提供綜述或框架，用于理解如所要求的本發(fā)明的本質和特征。已被包含的附圖用于提供 本發(fā)明的進一步理解，并被收入且構成本說明書的一部分。附圖示出本發(fā)明的各種實施例 并與描述一起足以解釋本發(fā)明的原理及操作。


圖1是按照本發(fā)明的單透鏡EDOF成像系統(tǒng)的示例性實施例的示意圖；圖2是包含圖1的EDOF成像系統(tǒng)的示例性手持裝置的示意圖，并示出示例性的控 制器；圖3是圖1的示例性單透鏡EDOF成像系統(tǒng)在各個散焦位置上被測量的(原始) MTF的曲線圖；圖4A對各個散焦位置DO到DlO描繪出與原始MTF比較的通過焦點的被輸出MTF， 中典型的增益；圖4B對各個散焦位置描繪出與原始MTF比較的通過焦點的被輸出MTF’中典型的 增益，該原始MTF是當物體距離未知時用恒定增益函數(shù)處理而獲得的；圖5A根據(jù)圖4A的MTF增益描繪出不同焦點位置DO到DlO典型的被輸出(被增 強)MTF，；圖5B根據(jù)圖4B的MTF增益描繪出不同焦點位置DO到DlO典型的被輸出(被增 強)MTF，；圖6是邊緣的像的強度I與位置關系的曲線圖，表明被像中瞬變(ringing)弓丨起 的過沖(overshoot) Δ OS ；圖7描繪出原始MTF和在最好焦點上的被輸出(被增強)MTF’以示出像分辨率 (對比度)經(jīng)過像處理的恢復；圖8A是理想成像系統(tǒng)對變化散焦量的受衍射限制的調制傳遞函數(shù)(MTF)的曲線 圖，如曲線a到g所示；圖8B是對理想成像光學系統(tǒng)通過焦點(水平軸)的MTF分布的灰度級曲線圖，以 虛橢圓表示近似的焦深而豎直軸表示空間頻率；圖9A是有球差量SA = 0.75 λ的成像光學系統(tǒng)對變化的散焦量的調制傳遞函數(shù) (MTF)和供比較的零焦點(zero-focus)受衍射限制的MTF的曲線圖，如曲線a到h所示；圖9B是與圖8B同一類型的通過焦點的MTF的灰度級曲線圖，但卻是圖9A的MTF， 本圖示出與圖8B的受衍射限制的情形比較，如何借助球差的存在使焦深(虛線)沿軸向被
6擴大；圖9C對NA = 0. 0063的原始MTF、被增強的MTF和受衍射限制的MTF，按物空間中 3線對每毫米(lp/mm)描繪出通過焦點的MTF ；圖10A-10D是有SA = 0. 7 λ的光學系統(tǒng)對各種像高(分別是0mm，20mm，30mm和 60mm)的光程差(OPD)的曲線圖；圖11是圖1的EDOF成像系統(tǒng)的單透鏡光學系統(tǒng)的示例性實施例的示意圖，其中 該單透鏡是有物方平的表面的平凸透鏡；圖12是有變化球差量SA (包含SA = 0)的示例性光學系統(tǒng)的彗差(Z8)與相對于 單透鏡元件的孔徑光闌位置(mm)的關系的曲線圖，示出當該光學系統(tǒng)有球差時零彗差軸 向位置的形成；圖13是示例性單透鏡元件的示意圖，示出相應表面Sl和S2的曲率半徑Rl和R2， 并表明透鏡形狀或“曲率” C如何作為Rl和R2的函數(shù)變化；圖14對單透鏡元件描繪出球差量SA (波)與透鏡曲率C的關系；圖15對由硼硅酸鹽玻璃BK7制成的有焦距f = 50mm的單透鏡元件，展示一系列 透鏡元件和孔徑光闌位置，示出F/#從F/4到F/11的變化和為保持球差量SA = 0. 75 λ而 在曲率C中必需的相應改變；圖16描繪出作為焦距f的函數(shù)的F/#的示例性范圍，其中該極大F/#是該極小 F/#的兩倍；圖17是圖1的單透鏡EDOF成像系統(tǒng)的單透鏡元件的示意圖，其中該物方表面包 含衍射特征(diffractive feature)；圖18是有衍射特征的消色差單透鏡元件的軸向焦點偏移(ym)與波長(μ m)關 系的示例性曲線圖，這里該消色差以λ = 590nm為中心；圖19A是單透鏡元件的近視圖，展示折射的色偏差角；圖19B是有衍射特征的單透鏡元件一部分的近視圖并展示衍射的色偏差角；圖20是有被設計成降低色差的Fresnel型衍射特征的單透鏡元件物方透鏡表面 的近視圖；圖21A是有物方衍射特征(未畫出)和非球面表面的單透鏡元件的光線追跡曲線 圖；圖21B是形成衍射特征并用第一衍射級校正色差的光學材料的厚度的曲線圖，該 衍射特征用圖21C的配置形成；圖21C對圖21A的單透鏡元件的物方透鏡表面上的衍射特征，展示產(chǎn)生Newton條 紋圖案并定義環(huán)的實際相干源點Pl和P2 ；圖22k是單透鏡成像光學系統(tǒng)的示意圖和場曲的對應曲線圖；和圖22B是包含緊鄰像傳感器(未畫出)的場透鏡的單透鏡成像光學系統(tǒng)的示意 圖，以及展示在像傳感器上實質上平坦的場的場曲的對應曲線圖。
具體實施例方式現(xiàn)在詳細參考本發(fā)明的目前優(yōu)選實施例，這些實施例的例子在附圖中示出。只要 可能，類似的或相同的參考數(shù)字在全部圖中被用來指類似或相同的零件。可以在本發(fā)明的
7范圍內對下面的例子作出各種不同的修改和變更，且可以用不同方式混合不同例子的各個 方面以獲得更多的例子。因此，本發(fā)明的真正范圍，應當從本公開的整個內容借助但不限于 本文描述的實施例來理解。本發(fā)明針對覆蓋廣大焦距范圍的單透鏡EDOF成像系統(tǒng)。潛在的應用包含緊湊的 成像系統(tǒng)，諸如移動像捕獲裝置(如蜂窩電話攝像機)、虹膜識別系統(tǒng)、用于面部識別的面 部像捕獲系統(tǒng)和CCTV系統(tǒng)。本文使用的術語“透鏡元件”被定義為單個的、旋轉對稱的光學部件，并不包含所 謂“相位板”或“相位編碼”元件，這些元件通常存在于光學系統(tǒng)的入射光瞳中且不是旋轉 對稱的。本文使用的詞組“被擴大的景深”意指景深大于與對應的受衍射限制的光學系統(tǒng) 正常地關聯(lián)的景深。詞組“被擴大的焦深”類似地被定義。詞組“對比度被增強的像”意指比該光學系統(tǒng)形成的初始或“原始”的像的對比度 有改進對比度的像。除非另外指出，F(xiàn)/#的值和數(shù)值孔徑(NA)是用于像空間的。通用的單透鏡EDOF光學成像系統(tǒng)被首先討論，接著是在該通用EDOF成像系統(tǒng)中 使用的單透鏡成像光學系統(tǒng)的示例性實施例。通用的EDOF系統(tǒng)圖1是按照本發(fā)明的通用單透鏡EDOF光學系統(tǒng)(“系統(tǒng)”)10的通用實施例的示 意圖。系統(tǒng)10包含光軸Al，沿該光軸布置成像光學系統(tǒng)20，該成像光學系統(tǒng)20含有單透 鏡元件22和被定位在該透鏡元件物方的孔徑光闌AS?？讖焦怅@AS是“通光的”或“敞開 的”，意思是它不包含任何改變相位的元件，諸如相位板、相位編碼光學元件或其他類型的 改變相位裝置。光學系統(tǒng)20有橫向放大率禮、軸向放大率Ma= (Ml) 2、物空間OS中的物平面OP和 像空間IS中的像平面IP。物體OB被展示在物平面OP中而由光學系統(tǒng)20形成的對應的像 IM被展示在像平面IP中。物體OB在離開透鏡元件22的軸向物體距離Dqb上。光學系統(tǒng)20在物空間OS中有景深D0F，在該景深上物體能夠被成像并保持清晰 (in focus)。同樣，光學系統(tǒng)20在像空間IS中有對應的焦深D0F，，在該焦深上物體OB的 像IM保持清晰。物體和像平面OS和IS因此是物體OB和對應的像IM的各自位置的理想 化，且通常分別對應于最佳物體位置和“最好焦點”位置。實際上，這些平面能夠實際上落 在它們各自景深DOF和焦深D0F’內任何地方，且通常是彎曲的而不是平面的。景深DOF和 焦深D0F’是由光學系統(tǒng)20的性質定義的，而它們在系統(tǒng)10中的相互關系和重要性在下面 更充分地被討論。系統(tǒng)10還包含像傳感器30，它有光敏表面32 (如電荷耦合器件陣列)被布置在像 平面IP上以便接收和檢測像IM，該像IM本文亦稱“初始”或“原始”像。在示例性實施例 中，像傳感器30是或者要不然包含高清晰CCD攝像機或CMOS攝像機。在示例性實施例中， 光敏表面32由3000X2208像素構成，像素大小為3. 5微米。對在這樣小像素的大小上的 CMOS攝像機，滿阱容量(full-well capacity)被降低到21，000個電子，這一事實表現(xiàn)為 在飽和狀態(tài)下散粒噪聲的極小是43. 2dB。示例性的像傳感器30是或者包含來自Pixelink PL-A781的攝像機，該攝像機有3000 X 2208像素，按IEEE1394Fire Wire被鏈接到像處理器
8(下面討論)，而該應用程序要調用由Pixelink程序庫在DLL中提供的API以控制攝像機 執(zhí)行像采集。在示例性實施例中，系統(tǒng)10還包含控制器50，諸如計算機之類的機器，適合于(如 經(jīng)過指令，例如嵌入計算機可讀或機器可讀媒體中的軟件)控制該系統(tǒng)的各個部件的操 作?？刂破?0被構造成控制系統(tǒng)10的操作并包含像處理單元(“像處理器”)54，該像處 理單元被電連接到像傳感器30并適合接收和處理從傳感器來的數(shù)字化原始像信號SRI并 形成被處理的像信號SPI，如在下面更詳細描述的。圖2是包含系統(tǒng)10的示例性手持裝置52的示意圖，并示出示例性的控制器50。 在示例性實施例中，控制器50是或包含有處理器(如像處理器54)的計算機并包含諸如 Microsoft WINDOWS 或 LINUX 的操作系統(tǒng)。在示例性實施例中，像處理器54是或包含能執(zhí)行一系列軟件指令的任何處理器 或裝置并不受限制地包含通用的或專用的微處理器、有限態(tài)自動機、控制器、計算機、中央 處理單元(CPU)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或數(shù)字信號處理器。在示例性實施例中，該處理 器是Intel XEON或PENTIUM處理器，或AMD TURION或由AMD公司、Intel公司或其他半導 體處理器制造商制造的在這種處理器種類中的其他處理器?？刂破?0最好還包含被可操作地耦合到像處理器54的存儲器單元(“存儲 器”)110。如本文中使用的，術語“存儲器”指任何處理器可讀媒體，包含但不限于RAM、R0M、 EPROM、PROM、EEPR0M、盤、軟盤、硬盤、CD-ROM、DVD諸如此類，在其上可以貯存一系列可供像 處理器54執(zhí)行的指令。在示例性實施例中，控制器50包含端口或驅動器120，適合于適應 活動式處理器可讀媒體116，諸如⑶-ROM、DVE、記憶棒之類的貯存媒體。本發(fā)明的EDOF方法可以按各個實施例在機器可讀媒體(如存儲器110)中實施， 該機器可讀媒體包括機器可讀指令(如計算機程序和/或軟件模塊)，用于使控制器50運 行該方法并控制使系統(tǒng)10操作的操作。在示例性實施例中，該來自存儲器110的計算機程 序在像處理器54上運行并從永久貯存器傳送到主存儲器，當貯存在活動式媒體116上時， 可以經(jīng)由盤驅動器或端口 120，或當貯存在控制器50之外時，可以經(jīng)由網(wǎng)絡連接或調制解 調器連接，或經(jīng)由該程序能夠被讀出和利用的其他類型計算機或機器可讀媒體。該計算機程序和/或軟件模塊可以包括多個模塊或目標以運行本發(fā)明的各種不 同方法，并控制系統(tǒng)10中各個部件的操作及功能。該類型用于代碼的計算機編程語言可以 在過程代碼型語言及面向目標的語言之間變化。文件或目標不一定要與模塊或被描述的方 法步驟一一對應，要視編程者的需要。此外，該方法和設備可以包括軟件、硬件和固件的組 合。固件能夠被下載到像處理器54中以便實施本發(fā)明的各個示例性實施例?？刂破?0也任選地包含顯示器130，它能夠被用于使用廣泛的多種字母和圖形表 示以顯示信息。例如，顯示器130對顯示被增強的像是有用的。控制器50還任選地包含數(shù) 據(jù)輸入裝置132，諸如允許系統(tǒng)10的用戶把信息(如被成像物體的名字)輸入控制器50的 鍵盤，以及手動控制系統(tǒng)10的操作。在示例性實施例中，控制器50被足夠緊湊地制作以適 合裝配在手持或便攜裝置諸如圖2所示裝置52的小形狀系數(shù)(form factor)的外殼內。系統(tǒng)10還任選地包含可操作地被連接到控制器50的數(shù)據(jù)庫單元90。數(shù)據(jù)庫單元 90包含存儲器單元92，該存儲器單元92用作計算機可讀媒體，適合從像處理器54接收被 處理的像信號SPI并貯存由該被該處理的像信號代表的該物體OB的關聯(lián)的被處理數(shù)字像。
9存儲器單元(“存儲器”)92可以是任何計算機可讀媒體，包含但不限于RAM、ROM、EPROM、 PROM、EEPROM、盤、軟盤、硬盤、CD-ROM、DVD諸如此類，數(shù)據(jù)可以在其上被貯存。在示例性實 施例中，數(shù)據(jù)庫單元90被包含在控制器50內。操作的一般方法參考圖1，在系統(tǒng)10的一般操作中，物體OB的像IM被光學系統(tǒng)20形成在傳感器 30的光敏表面32上?？刂破?0發(fā)送控制信號S30以激活像傳感器30 —段給定的曝光時 間以便像IM被光敏表面32捕獲。像傳感器30使該“原始”像IM數(shù)字化并建立代表該原 始被捕獲像的電子原始像信號SRI。此時，在一個示例性實施例中，原始像IM能夠被直接使用，即沒有任何像處理，或 只有較少的不涉及如在下面討論的MTF增強的像處理。這一近似法能夠被用于某些類型的 成像應用，諸如特征識別和用于二進制物體(如條碼物體)成像，在這種應用中，例如確定 邊緣位置比像對比度更重要。即使沒有附加的對比度增強像處理，該原始像IM也被與光學 系統(tǒng)20提供的EDOF關聯(lián)，以便在一些示例性實施例中，系統(tǒng)10不需要利用系統(tǒng)的像處理 部分。在示例性實施例中，數(shù)量為N的原始像被收集并被平均(如使用像處理器54)以便 形成與N個原始像中任何一個相比有已被降低噪聲的(數(shù)字化的)原始像IM’。在原始像IM不能直接被使用的其他示例性實施例中，像處理器54接收并數(shù)字處 理該電子原始像信號SRI以形成對應的對比度被增強的像，被體現(xiàn)在被電子處理的像信號 SPI中，該被電子處理的像信號SPI任選地被貯存在數(shù)據(jù)庫單元90中。例如，當系統(tǒng)10被 用于虹膜識別時，控制器50訪問數(shù)據(jù)庫單元90中被貯存的處理像，并把它們與其他被貯存 的虹膜像比較或與最近獲得的被處理虹膜像比較以進行人員識別。像處理像處理器54適合從像傳感器30接收數(shù)字化電原始像信號SRI并處理該對應的原 始像以形成被處理的、對比度被增強的像。這是以一定方式通過對原始像濾波實現(xiàn)的，該方 式把MTF恢復為光滑的函數(shù)，該光滑函數(shù)隨空間頻率連續(xù)地下降且該光滑函數(shù)最好避免過 沖、瞬變和其他的像膺像。噪聲放大率常常是任何追求使信號銳化的濾波處理(如在數(shù)字光學像中的增強 對比度)中的問題。因此，在示例性實施例中，在對比度增強處理期間，考慮到噪聲的功率 譜的優(yōu)化增益函數(shù)(類似于Wiener濾波器)被應用于降低噪聲放大率。在示例性實施例中，被應用于“原始”MTF以形成“被輸出”或“被增強”的MTF的增 益函數(shù)依賴于物體距離Dffl。MTF與距離Dffi的關系被校準處理采集，其中該MTF在預期的景 深DOF中被用散焦步長(1/8) (λ/(NA2))抽樣測量，以避免任何欠抽樣從而損失MTF 的通過焦點信息。在該例子中，該被增強的MTF被說成是“依賴焦點，，的。圖3描繪出被測量的或“原始”的MTF，這是在散焦的-50mm到+50mm極值之間離 最好焦點IOmm的不同的散焦距離Sf上被測量的。不同焦點距離上的原始MTF曲線圖，示 出由于散焦而出現(xiàn)的MTF色散。對通過散焦的每一步長，按照被測量MTF，數(shù)字濾波函數(shù)被 用于恢復被處理像的最好的MTF。該濾波器的使用要求知道散焦的量，該散焦量能夠用許多 本領域熟知的可用技術中任何一種來測量。在散焦步長S間使用的濾波器是該相鄰焦 點步長的線性內插。MTF 恢復
用于恢復或增強原始MTF的上述MTF增益函數(shù)是三維函數(shù)G (u，v，d)，其中u是沿 X軸的空間頻率，V是沿Y軸的空間頻率，而d是在被允許擴大景深DOF中物體的距離(因 而d對應于物體距離Dffl)。PSF和MTF的旋轉對稱性導致增益函數(shù)被簡化的定義，即G，(ω，d)與 ω2 = u2+v2旋轉對稱性還使G’(ω，d)在一般情形下成為實函數(shù)而不是復函數(shù)?！氨辉鰪姟被颉氨换謴汀钡腛TF被記為0TF，并被定義為OTF，(U，ν, d) = G (u，v, d) OTF (u, ν, d)這里OTF是該光學系統(tǒng)對非相干光的光學傳遞函數(shù)，0TF’是包含數(shù)字處理的成像 系統(tǒng)的等價0TF，而G是前述MTF增益函數(shù)。與在原來的或未被恢復的MTF基礎上被恢復的 或“被輸出”或“被增強”的MTF(即MTF’ )的關系由下式給出MTF' (ω , d) =G' (ω，d)MTF(ω，d)當物體距離未知時，如圖4B所示優(yōu)化平均增益函數(shù)G’能夠被使用。得到的MTF 是被增強的，但不是物體距離的函數(shù)。最好是在數(shù)字處理之后優(yōu)化以使在工作景深DOF范圍內的任何距離上傳送實質 上相同的MTF。這樣提供實質上恒定的像質量，只要Dqb在光學系統(tǒng)20的景深DOF中便與物 體距離Dffi無關。因為由于如在下面描述的球差的存在，光學系統(tǒng)20有被擴大的景深D0F， 系統(tǒng)10能夠適應物體距離Dffl中相對大的變化并仍然能夠捕獲合適的像。圖4A描繪出用上述處理獲得的通過焦點的被輸出MTF’中典型的增益。圖5A對 不同焦點位置描繪出典型的被輸出MTF’。該被輸出的MTF’的形狀盡可能地接近超高斯型 函數(shù)，即MTF '{ω, )=
ω
Ofe這里η是超高斯型的階，ω。是截止頻率，該截止頻率被設置在被擴大景深DOF的 全部范圍上原始MTF高于5%的最高頻率處。如果η = 1，被輸出的MTF’是Gauss型的。它給出的PSF、LSF(線擴散函數(shù))和 ESF(邊緣擴散函數(shù))沒有任何瞬變或過沖。如果n> 1，被輸出的MTF’是超高斯型的。對 η的更高值，在高空間頻率中的對比度也高，但瞬變和過沖的出現(xiàn)則增加。好的折衷是η = 2，其中該被輸出的MTF’在低和中等空間頻率上被很好地增強，而瞬變和過沖被限制在約 3%，這對大多數(shù)成像應用是可接受的。實的被輸出的MTF’盡可能地接近超高斯型，并由含有優(yōu)值(merit)函數(shù)M的優(yōu)化 處理確定，該優(yōu)值函數(shù)M被定義為M = ^0 ■ J ΜΤΡ(ω,( )-^χρ
—I —.-
ω ω.
+ · 0'{ω, )2 ω + A1. Aos1優(yōu)值函數(shù)M通過用例如Newton優(yōu)化算法最小化。有系數(shù)Atl的第一項使與超高斯 型被輸出的MTF’的偏差最小化。有系數(shù)A1的第二項控制功率噪聲的放大率。有系數(shù)A2的 第三項控制過沖的放大率。重要的是控制功率噪聲放大率。在一些距離上，為了獲得被輸出的MTF’，在原始 MTF'上的增益是比較高的，在MTF水平與像的信噪比之間良好的折衷能夠被確定，同時把被輸出的MTF’的斜率控制在高的特定頻率上以避免顯著的過沖。優(yōu)值函數(shù)M中第三項是 在邊緣擴散上的相對過沖的平方，該相對過沖在圖6中示出，其中的過沖以給出。
圖7是原始MTF(虛線)和用上面描述的處理形成的被輸出的MTF’(實線)的曲 線圖。該被輸出的MTF’有避免過沖和其他成像膺像的光滑形狀。所用數(shù)字濾波器的增益 被優(yōu)化或被增強以獲得最大被輸出的MTF’，同時控制增益或噪聲。 在示例性實施例中，原始MTF在覆蓋被擴大景深DOF的不同抽樣距離上，被用有均 勻非相干背后照明的被傾斜邊緣測量以便校準，該背后照明與像捕獲時使用的背后照明有 相同光譜。通過對依次像求平均使像的噪聲降低有兩種不同的噪聲源與像采集和像處理步驟關聯(lián)。第一種噪聲源被稱為“固定模 式噪聲”或簡稱FP噪聲。FP噪聲被像傳感器30在給定的操作條件下的專用校準所降低。 在示例性實施例中，F(xiàn)P噪聲經(jīng)由固定模式噪聲的多級映射被降低，其中每一像素被校準表 例如有校正值的查閱表校正。這要求每一像傳感器的個別校準和在校準文件中的校準數(shù)據(jù) 貯存。固定模式噪聲的映射對給定像傳感器被執(zhí)行，例如通過使純白的像成像(例如來自 積分球)和測量被采集的原始數(shù)字像中的變化。另一噪聲源是散粒噪聲，它是隨機噪聲。散粒噪聲在電子裝置中通過與電子運動 關聯(lián)的Poisson統(tǒng)計所產(chǎn)生。散粒噪聲還當光子經(jīng)由光電效應轉換為電子時發(fā)生。某些成像應用，諸如虹膜識別，要求高清晰的像傳感器30。為此目的，在示例性實 施例中，像傳感器30是或包含具有3000X2208像素及像素大小為3. 5 μ m的CMOS或CXD 攝像機。對在該小像素的大小上的CMOS攝像機，滿阱容量被降低到21，000個電子，并在飽 和狀態(tài)下散粒噪聲相關的極小值是約43. 2dB。系統(tǒng)10的一個示例性實施例有被降低的噪聲，于是MTF質量被改進，導致改進的 像。散粒噪聲的隨機本性使對N個被捕獲的像求平均成為降低噪聲(即改進SNR)的唯一 途徑。噪聲與N"2成比例下降(即SNR下降)。這種平均處理能夠被應用于原始像以及被 處理(即對比度被增強)的像。對N個被捕獲的像求平均，只要被平均的像是不動的物體或景物，便是合適的噪 聲降低途徑。然而，當物體運動時，這樣的平均是成問題的。在示例性實施例中，物體OB的 運動被追跡并精確地被測量，而用于降低噪聲的平均處理則在對原始像求平均之前通過計 及和補償物體運動被采用。在示例性實施例中，本發(fā)明的像平均處理使用在關心的共同區(qū)域上依次像之間的 相關函數(shù)。相對的兩維像的偏移由相關峰的位置確定。相關函數(shù)在Fourier域通過使用快 速Fourier變換(FFT)算法加速計算。被提供的相關函數(shù)在與初始像相同的抽樣區(qū)間上被 抽樣。該相關極大的檢測精確到一個像素的大小。該測量技術的改進是使用與最大相關峰關聯(lián)的像素為中心的3X3像素的核心。 子像素位置通過用于建立極大值的與兩維拋物線函數(shù)擬合被確定。然后該(χ，γ)像偏移被 確定。這些像在它們的已偏移位置上被重復抽樣。如果被測量的(x，Y)偏移的小數(shù)部分不 等于0，則雙線性內插被執(zhí)行。還能夠使用Shannon內插，因為像中在高于Nyquist頻率的 頻率上沒有信號。在被重復抽樣之后，計及被測量的相關中的(X，Y)偏移，然后所有的像被 加起來。
12
光學系統(tǒng)如在上面所討論的，如成像光學系統(tǒng)20的特定設計所定義，該光學系統(tǒng)在物空間 OS有景深DOF和在像空間IS有焦深D0F，。慣用光學成像系統(tǒng)的景深DOF和焦深D0F，能 夠通過測量通過焦點的點擴散函數(shù)(PSF)的演變而被確定，并能夠通過指定分辨率R中損 失的量而被確立，該損失量被認為對給定應用是可接受的?！白钚∧：龍A”常常被作為定義 焦深D0F，極限的參數(shù)。在本發(fā)明中，景深DOF和焦深D0F，兩者都通過提供有球差量(SA)的光學系統(tǒng)20 擴大。在示例性實施例中，0.2 λ < SAS 5λ，更可取的是0. 2λ <SA<2X，甚至更可取 的是0.2λ <SA<1X，這里λ是成像波長。在示例性實施例中，該光學系統(tǒng)中的在成像 波長λ上的球差的量SA使景深DOF或焦深D0F’與受衍射限制光學系統(tǒng)相比，增加的量在 50%和500%之間。景深DOF中增加的量能夠通過添加選擇球差量SA而被控制。下面列舉 的示例性光學系統(tǒng)設計，為增加景深DOF而添加選擇的球差量SA對于像的形成實質上沒有 增加其他像差的不利影響。因為景深DOF和焦深D0F’被光學系統(tǒng)20的軸向放大率Ma和橫向放大率禮經(jīng)由 關系式DOF，= (Ma)DOF= (MJ 2DOF關連，系統(tǒng)10為方便起見被說成有“被擴大的景深”。本 領域熟練技術人員將認識到這種表述還暗示系統(tǒng)10也有被擴大的焦深。因此，下面不論是 涉及景深DOF還是焦深D0F，，取決于討論的行文。MTF還能夠與PSF —起被用于通過考察通過焦點的像的分辨率R和像對比度CI來 表征焦深D0F’。就此，像對比度由下式給出CI — (Imax-IMIN) / (IMAX+IMIN)并且對有特定空間頻率的一組正弦形線間隔對(line-spac印airs)的像測量該 像對比度，這里Imax和Imin分別是最大和最小像強度?！白詈媒裹c”被定義為在MTF是最大 處且PSF是最窄處的像位置。當光學系統(tǒng)沒有像差時(即，是受衍射限制的)，基于MTF的 最好焦點與基于PSF的最好焦點重合。然而，當像差在光學系統(tǒng)中存在時，基于MTF和基于 PSF的最好焦點的位置能夠不同。慣用的透鏡設計原理要求按一定方式設計光學系統(tǒng)，該方式追求消除所有像差， 或至少使它們平衡以使它們的作用最小化，所以該光學系統(tǒng)整體上基本是無像差的。然而，在本發(fā)明中，光學系統(tǒng)20被故意地設計成具有球差作為支配性像差，并任 選地還有小量的色差。圖8A是沒有像差的F/8透鏡的MTF的曲線圖(曲線a到g)，而圖 9A是有SA = 0.75 λ的F 5.6透鏡的MTF的曲線圖(曲線a到h)。圖8B是在圖8A的F/8 透鏡的受衍射限制的情形下通過焦點的MTF的灰度級曲線圖，而圖9B是類似的有圖9A的 球差的F/5. 6透鏡通過焦點的MTF的灰度級曲線圖。球差通過從基頻& = 0到截止頻率降低MTF的整個水平而降低像的對比度。 與理想的(即受衍射限制的)MTF比較，截止頻率沒有顯著被降低，所以幾乎所有原來的 空間頻率譜都是可用的。因此，像中空間頻率信息仍然可用，雖然有較低的對比度。然后， 如在上面所描述的，被降低的對比度通過如由像處理單元54完成的數(shù)字濾波處理被恢復。球差量SA增加焦深D0F’的意思是，在更大的散焦范圍上高的空間頻率保持可用。 數(shù)字濾波使對比度在被增強的焦深D0F’上恢復，由此有效地增強光學系統(tǒng)20的成像性能。球差是“平滑的”像差，意思是波前“誤差”由W(P) = P4給出，這里P是光瞳坐
13標。因此，球差給出旋轉對稱的波前所以相位為零。這意味著得到的光學傳遞函數(shù)(OTF) (光學傳遞函數(shù)是PSF的Fourier變換)是旋轉對稱的、實的函數(shù)。作為是OTF的幅度的 MTF,在球差是支配性像差的情況下能夠通過考慮在傾斜邊緣上進行一維MTF測量而獲得。 這種測量提供所有需要信息以便經(jīng)由數(shù)字信號處理而恢復兩維像。還有，相位在任何散焦 位置是零，這允許用數(shù)字像處理來增強MTF，無需考慮在Fourier (即空間頻率)空間的OTF 相位分量(即相位傳遞函數(shù)，或PFT)。從圖9A可見，因為當有球差存在時，散焦的像方側(按照從“最好焦點”平面測量) 在MTF中沒有零點，所以沒有對比度反轉。這樣允許像在將要被恢復的這個被擴大的焦深 DOF'(見圖9B中的虛橢圓)中被形成和被檢測，不必考慮有害的瞬變、過沖或其他的像膺像。約0.75λ的球差量SA給出顯著的DOF增強而在一側散焦側的MTF中不形成零點。 在約SA = 0.75X以外，零點出現(xiàn)在離開最好焦點位置的散焦的兩側。對受衍射限制的光 學系統(tǒng)，焦深D0F’由關系式D0F，= 士 λ/(ΝΑ2)給出，這里NA是光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。在 示例性實施例中，光學系統(tǒng)20的NA在約0. 033和0. 125之間(即約F/15到約F/4，這里假 定小角度近似F/# = 1/(2NA))。舉例說，對F/6. 6、中心波長λ = 800nm和Δ λ的帶寬，受衍射限制的焦深DOF， 約20mm，有1/1. 4的橫向放大率。球差量SA = 0. 75 λ的引入使焦深DOF，增加到約100mm， 增加約5倍。圖9C對NA = 0. 0063的原始MTF，按物空間中31p/mm描繪出通過焦點的MTF、被 增強的MTF (即MTF，)和受衍射限制的MTF。圖10A-10D是有球差SA = 0. 7 λ的示例性光學系統(tǒng)20對各種像高(分別是0mm， 20mm, 30mm和60mm)的光程差(OPD)的曲線圖。示例性單透鏡光學系統(tǒng)圖11是按照本發(fā)明的單透鏡光學系統(tǒng)20的示例性實施例的示意側視圖。如上面 結合圖1的系統(tǒng)10的通用實施例所討論的，光學系統(tǒng)20含有被沿光軸Al布置的單透鏡元 件22和被布置在該單透鏡元件的物方的孔徑光闌AS。透鏡元件20有前(即物方)表面 Sl及后(即像方)表面S2和中心(軸向)厚度TH?？讖焦怅@AS被沿光軸Al離開透鏡前 表面Sl距離Das布置，并定義有徑向坐標P的光瞳P。光瞳P還分別定義光學系統(tǒng)的從物 和像空間看去的入射和出射光瞳。在圖11的光學系統(tǒng)20的示例性實施例中，透鏡元件22是具有作為平的表面的物 方表面Sl的平凸透鏡。另外在示例性實施例中，表面S2是非球面表面。在示例性實施例 中，透鏡元件22由單一材料，諸如玻璃或塑料整體地形成。下面的表1列舉圖11的光學系統(tǒng)20的示例性設計。
14表1:示例性光學系統(tǒng)20透鏡類型平-凸材料像融石英；nd = 1.458464; Vd = 67.82表面S2的曲率半徑23 mm中心(軸向)厚度TH7 mm工作直徑14 mm入射光瞳直徑8 mmDAS11 mmF/#6.6中心波長λ800 nm (近紅外)波長帶寬Δλ40 nm 到 200 nm焦距50 mm工作焦深DOF，比受衍射限制的DOF，大0.77 mm~5X (或 500% )橫向放大率ML(1/11.4)通光孔徑CA12 mm景深DOF100 mm分辨率R在60%的對比度上是3線/mm球差SA0.75 λ色差在[735 nm-890 nm]中為 0.4 mm彗差零場曲像空間中半徑-20 mm像散<λ/10用于光學系統(tǒng)20的單元件設計為進行許多不同的EDOF應用，諸如虹膜識別，在 F/6. 6上提供與要求的實際工作條件很好匹配的需要的球差。用于透鏡元件22的其他任選 項包含使用非玻璃材料，諸如塑料。用于光學系統(tǒng)20的單元件設計的優(yōu)點在于它使系統(tǒng)非 常緊湊，以致結果的EDOF光學成像系統(tǒng)10也是緊湊的。廣泛的各種單透鏡元件22也已經(jīng) 作為“現(xiàn)貨(off the shelf)”部件容易在市場上可購得。在一個示例性實施例中，距離Das要實質上使彗差最小化。在此指出，光學系統(tǒng)20 中球差SA的存在為透鏡元件22的物方孔徑光闌AS建立軸向“零彗差”位置。因此，在一 個示例性實施例中，孔徑光闌AS最好駐留在或靠近零彗差位置。就此，詞組“靠近”零彗差
15位置是指在定位容差之內，該定位容差在一個示例性實施例中約為數(shù)毫米。圖12描繪出作為孔徑光闌軸向位置(mm)函數(shù)的波前像差的Zernike多項式表示 中第SZernike系數(shù)。該第SZernike系數(shù)(為簡單起見，以非慣用形式記為“Z8” )代表波 前中彗差的量并有由方程式(3p2-2) Ρ ^SinA給出的形式，這里A是角度光瞳坐標和P是 歸一化徑向光瞳坐標。球差值SA = 0(即沒有球差)、0.2λ、0.75λ和2λ被展示。該曲線圖是基于單透 鏡元件22，它由熔融石英制成，有f = 50mm，F(xiàn)/6. 6，并工作在成像波長λ = 700nm上。在 圖12中，對SA = 0情形的曲線對應于平-雙曲透鏡元件22，它有物方平的表面和像方非球 面雙曲凸表面。該雙曲表面在軸上是精確地共點的(即沒有像差)。對有SA = 0的曲線，在20mm距離范圍上是沒有零彗差位置的。要在整個像場上 獲得可接受的像質量，這種情形的彗差量還是太大。良好的像質量區(qū)僅被限制在圍繞透鏡 軸的狹窄的場。這就是為什么被很好校正的單透鏡元件通常不考慮用于大多數(shù)成像應用， 而一般只用于窄場或同軸應用，諸如光纖光學耦合。重要的是要指出，當用單個正透鏡元件成像時，彗差總是存在的，且這種彗差的符 號是負的。具有正的球差SA會導致彗差隨孔徑光闌距離Das作不規(guī)則變化。彗差幅度的斜 率與該距離Das的關系是正的且零彗差位置出現(xiàn)在透鏡元件22的物方。通過把孔徑光闌AS 放置在或接近該零彗差位置，單透鏡的彗差實質上在整個像場上被消除。在一個示例性實 施例中，Das最好是在Imm ( Das ( 20mm范圍內，更可取的是Imm ( Das ( 15mm范圍內。保留在光學系統(tǒng)20中的主要像差是球差，它在整個像場上是恒定的，這是要在整 個像場上獲得EDOF作用所要求的。在慣用光學系統(tǒng)中，球差被認為是不希望有的，或者是 非球面化或者是使用另外的負透鏡元件以消除由于單透鏡元件的使用而產(chǎn)生的球差作用 或使它變得可以忽略。從圖12的曲線圖可見，有SA = 0.75 λ的單透鏡元件在離透鏡元件22約Ilmm的 距離上具有零彗差軸向位置。該距離相對地小并允許緊湊的、小形狀系數(shù)的EDOF系統(tǒng)和裝 置諸如圖2所示裝置52的形成。在一個示例性實施例中，光學系統(tǒng)20中的像散為約λ/10從而不顯著影響像的質 量。在一個示例性實施例中，光學系統(tǒng)20沒有被完全地校正色差，這樣當與相對大的成像 帶寬Δ λ —起使用時有利于一些色差能夠通過消除MTF中一些零點而被用于進一步增加 景深D0F，要不然這些零點可能出現(xiàn)在MTF中。另外，通過使用Abbe數(shù)￥ > 60限制色差，以 便MTF不被在相對大的場的場邊緣中引起的橫向彩色削弱。軸向色差能夠通過玻璃的選擇 被設定在不同的值上。標準的光學玻璃的Abbe數(shù)在20到64范圍內。雖然軸向色差增加景深D0F，但它也降低MTF。這又要求在數(shù)字處理中增加MTF"放 大率”，這增加SNPD (譜噪聲功率密度)。因而最好要選擇Abbe數(shù)以便在削弱MTF同時增加 景深DOF之間達到良好的折衷。在一個示例性實施例中，玻璃材料被選擇，使景深DOF中被 添加的增加(即被加到由球差提供的增加上)達到約20%，而平均MTF水平的降低不大于 約 25%。當使用的成像波長λ有相對寬的近紅外光譜帶寬，如Δ λ = 155nm(如從735nm 到890nm)時，熔融石英(Abbe數(shù)V = 67. 8)是良好的玻璃選擇。在一個示例性實施例中， 軸向色差可接受的量為約0. 34mm。當使用窄帶成像光譜Δ λ，諸如來自有近紅外光譜帶寬Δ λ約50nm FWHM的激光器或LED時，軸向色差是較小的，以致更大色散的玻璃能夠被用作 透鏡元件22。在表1列舉的光學系統(tǒng)20中，橫向色差在場邊緣是10 μ m。在一些情形中，場曲必須考慮以便設定最好焦點平面。在表1中列舉的光學系統(tǒng) 20在物空間有120mm半徑的場曲或在像空間有-60mm半徑的場曲。然而，因為場曲簡單地 是散焦的一種形式，由這種場曲量給出的有害作用，由于球差的存在，能夠在一定的情況下 被焦深D0F’中的增益克服。表1的光學系統(tǒng)20在物空間有分辨率R= 120μπι，這足以適合分辨許多物體中的 細節(jié)，包含用于進行虹膜識別的虹膜模式。另外的單誘鐿光學系統(tǒng)實施例光學系統(tǒng)20中的球差量是透鏡元件22的折射率、焦距f、F/#和曲率C的函數(shù)。 參考圖13，透鏡曲率(亦稱“曲度”或“透鏡形狀”)C被定義為
丄+丄1C -1 _ ？乂
I Τ7)這里Rl是總物方表面(most objectwise surface) Sl的曲率半徑而R2是總像方 表面(most imagewise surface) S2的曲率半徑。圖14對有焦距20mm、在波長750nm上的 折射率1. 51和F/5. 6的F/#的單透鏡元件22，描繪出作為透鏡曲率C的函數(shù)的球差SA (以 波為單位)的典型變化。球差量SA = 0.75 λ是在C = -1.5上達到的。如在上面所討論 的，孔徑光闌AS最好沿軸向被定位在或靠近零彗差位置以使可用像場達到最大。如果光學系統(tǒng)20的F/#數(shù)要被調節(jié)，那么透鏡元件22的曲率C也必須被調節(jié)(即 不同的透鏡必須被選擇)以便維持需要的球差量SA。圖15展示一系列透鏡元件和孔徑光 闌位置，示出F/#從F/4到F/11的變化。注意由硼硅酸鹽玻璃BK7制成的有焦距f = 50mm 的單透鏡元件為保持球差量SA = 0.75 λ而在曲率C中必需有的相應改變。下面表Tl到Τ8列舉ΒΚ7玻璃(nd = 1. 5168)制成的有不同F(xiàn)/#和焦距f的單透 鏡元件22在λ = 750nm上適合獲得SA = 0. 75 λ的半徑Rl及R2和曲率C的值。在表Tl 到Τ8中，所有尺寸以mm為單位，但曲率C除外，它是無量綱的。表Tl 用于 F/2 BK7 玻璃 nd = 1. 5168
fRlR2CDas21. 54-2. 3820. 2150. 22，51. 49-5. 10. 5480表T2 用于 F/2 N-LASF44 玻璃 nd = 1. 81042
fRlR2CDas23. 244-2，688-0，0940,7
172，53. 264-4. 2770. 134133. 275-7. 550. 3951. 243. 04774. 1931. 0860. 5表T3 用于 F/3 BK7 玻璃 nd = 1. 5168
fRlR2CDas58. 24-3. 25-0. 4340. 037. 57. 72-6. 63-0.0761. 29107. 715-13. 2050. 2621. 72127. 3-33. 080. 6380表T4 用于 F/3 N-LASF44 玻璃 nd = 1. 81042
fRlR2CDAS543. 255-4. 24-0.8210. 667. 518. 96-8. 07-0.4032. 351016. 72-13. 91-0.0924. 071516. 7-38.150. 3916. 572015. 6815. 351. 0393. 122518. 63287. 571. 1390表T5 用于 F/4 BK7 玻璃 nd = 1. 5168
fRlR2CDAS1042. 91-5. 67-0.7671. 691524. 92-10.64-0.4024. 2
182023. 12-17. 56-0.1376. 512523. 1-27. 420. 0863. 123023. 21-43. 360. 3038. 233521. 46-103. 340. 6562. 484023. 89-136.60. 7020表T6 用于 F/4 N-LASF44 玻璃 nd = 1. 81042
fRlR2CDAS5-6. 24-2. 94-2. 78207. 5-15. 37-4. 66-1. 8700. 9610-39.09-6. 82-1. 4232. 2215220. 81-12. 51-0.8935. 182071. 26-20.05-0. 5618. 13051. 11-43. 45-0. 081153550. 02-60.870. 098184050. 01-84. 70. 25820. 65050. 86-176.150. 55223. 27555. 387741. 1543. 3表T7 用于 F/5. 6 BK7 玻璃 nd = 1. 5168
fRlR2CDAS10-7. 76-3. 49-2. 6350. 2415-18. 48-5. 72-1. 8971. 8220-41. 8-8. 42-1. 5043. 725-108.76-11. 55-1. 2385. 830-860. 4-15. 1-1. 0368. 0335282. 01-19.06-0.87310. 3840155. 26-23. 42-0.73812. 7850105. 66-33. 45-0.51917. 77588. 03-67. 28-0.13429. 1610088. 1-120.750. 15636. 212088. 39-1990. 38533. 7714083. 66-493. 260. 7108. 77表T8 于 F/5. 6 N-LASF44 玻璃 nd = 1. 81042
fRlR2CDAS6-2. 76-2. 59-31. 471010-5. 89-4. 14-5. 7310. 5415-11. 8-6. 59-3. 5302. 1220-20. 8-9. 58-2. 7084. 0630-55. 33-17. 05-1. 8918. 6735-89.36-21. 51-1. 63411. 2540-150. 41-26. 45-1. 4271450-759.8-37. 79-1. 10519. 8
2075282. 26-75. 11-0.58037. 7100205. 5-128.56-0.23052150190. 9-314. 410. 24481200196-8310. 61892. 64在F/#和焦距f的每一個被定義的值上，有球差SA的極小值SAm。SAm的值取決于 F/#、焦距f和構成透鏡元件22的光學材料的折射率η。在一個示例性實施例中，SAm的值 最好等于約0.75 λ以提供最佳的EDOF作用。這一條件限制單透鏡元件22的焦距f和孔 徑的范圍。透鏡元件22的中心厚度TH最好有從約0. 25Dl到0. 1隊范圍內的容差，這里隊是 透鏡元件直徑。一般說來，制造和安裝問題確定最好厚度TH。由有SA = 0.75 λ的單透鏡元件22覆蓋的F/#和焦距f的域列舉在下面表Τ9中。表丁9寸/#域
f極小m極大m43. 26. 453. 366. 7273. 657. 3103. 957. 9154. 358. 7204. 669. 32385. 511505. 911. 8756. 5131007141507. 715. 42008. 316. 6
213009. 218. 450010. 420. 8100012. 424. 8200014. 729. 4極小F/#由曲率C對應于極小球差SAm = 0.75 λ處的孔徑光闌AS設定。更大的 孔徑直徑或更小的F/#將產(chǎn)生太大的球差SA從而降低EDOF作用。極大F/#受場必須因像 散的增加而被降低處曲率C的值限制。盡管F/#沒有真正的閾值，但良好的性能一般當F/# 不超過兩倍極小F/#時較容易獲得。圖16描繪出作為焦距f的函數(shù)的如在表T9中所列舉的F/#的范圍，其中該極大 F/#是該極小F/#的兩倍。在一個示例性實施例中，透鏡元件22的直徑至少約為孔徑光闌 AS直徑的1.2倍。被增強孔徑單誘鏡光學系統(tǒng)20的單透鏡元件22通過使用有相對高折射率的光學材料能夠被制成有 較大的孔徑(直徑)。在恒定焦距f上，增加折射率η會降低球差SA但增加透鏡表面的曲 率半徑。這樣，要求獲得SA = 0.75 λ的孔徑增加了。對有焦距f = IOmm并由有nd = 1. 5168、vd = 64的硼硅酸鹽玻璃BK7制成的示例 性透鏡元件22，產(chǎn)生SA = 0.75 λ的可用的極?。?#是？/2.9。選擇較高折射率玻璃，諸如 Wnd= 1. 835和vd = 43. 129的N-LASF41玻璃，降低球差SA，那么必需選擇產(chǎn)生更大球差 的曲率C以補償SA的降低。新的極小F/#降低到F/2. 5并提供SA = 0.75 λ。極大孔徑或 極小F/#的探索要求選擇較高折射率材料。高折射率玻璃有較大的色散(即低的Abbe數(shù))。當寬光譜光被用于成像時，這一 慣用規(guī)則能夠限制玻璃的選擇。另一方面，在一些應用中，附加的色像差有利地與球差組合 以獲得EDOF成像。非球面表面和衍射特征在使用高折射率玻璃的情形，較高色散以要求補償產(chǎn)生的色像差的方式隨之而 來，單透鏡元件22的一個示例性實施例在透鏡的至少一側(表面)上包含至少一種衍射特 征23，如圖17所示出。各種技術能夠被用于制作衍射特征23，諸如把模鑄的衍射結構粘貼 到透鏡表面之一、模鑄整個透鏡以使衍射特征一體地被形成在透鏡表面之一上或轉動透鏡 用鉆刀(diamond)把衍射特征雕刻進透鏡表面。從衍射特征23產(chǎn)生的非球面化通過降低 球差的幅度到SA = 0.75 λ而允許透鏡22的孔徑的增加。非球面化的第二個優(yōu)點是增加透鏡孔徑而不必選擇有高折射率的玻璃同時保持 相同的球差量。玻璃的高折射率為約1.8，但該值一般在低價格模鑄塑料中不能達到，例如 被稱為PMMAfcd = 1. 4917，Vd = 57. 44)的聚甲基丙烯酸甲脂。在一個示例性實施例中，單透鏡元件22由丙烯酸材料形成并有焦距f = IOmm及 F/# = F/4，表面Sl和S2之一包含衍射特征23，而另一個表面也是非球面的(但不是衍射的)，據(jù)此使透鏡成為“非球面的_衍射的”。衍射特征23的功能是對構成透鏡元件22的 光學材料的色散所產(chǎn)生色軸向像差提供基本校正。衍射級被選擇成允許最大光譜寬度。在 一個示例性實施例中，兩個非球面表面被優(yōu)化以獲得SA = 0. 75 λ。在透鏡元件22上兩個 非球面表面的使用允許孔徑的顯著增加，這是只用球面表面不能夠達到的。衍射表面Sl在光譜的中心波長λ ^上有滿的第一級衍射效率。再參考圖17，在一 個示例性實施例中，衍射特征23有“Fresnel透鏡”形狀，有k λ ^光程差的臺階，對級1是 k=l。衍射特征23中的臺階數(shù)被計算以便補償由于光學材料的選擇而引起色差。丙烯酸 (有nd = 1. 4917和Vd = 57. 44)是用于單透鏡元件22的示例性材料，這種補償對此是有 用的。衍射特征23作為旋轉對稱閃爍光柵工作。離透鏡軸徑向距離的局部階躍函數(shù)被 設計成降低或消除色散。有許多方法用于計算衍射特征23的形狀，諸如有限單元數(shù)值方 法，它能夠在計算機上被容易地完成。衍射特征23的消色差被示出在波長(μπι)與焦點偏移(ym)關系的圖18的曲線 圖中，圖上該消色差以λ = 590nm為中心。注意第二級(“次級”)色差保留。當相對寬光 譜被使用時，次級色差使MTF降低。然而，MTF中這種降低能夠在MTF增益函數(shù)中被計及。 次級色差不一定降低焦深D0F’且在一定情形下通過在點擴散函數(shù)(PSF)上對衍射環(huán)求平 均并移除高空間頻率上出現(xiàn)的不需要的對比度反轉而增加焦深。因此，在一個示例性實施 例中，光學系統(tǒng)20包含小量的色差。在一個示例性實施例中，球差SA在成像帶寬Δ λ內并在整個像場上被控制在約 0.75λ。一些殘余的橫向彩色能夠出現(xiàn)，且是衍射特征23離孔徑光闌AS的距離的函數(shù)。該 距離能夠與“零”彗差距離不同，而在一個示例性實施例中，必須在殘余彗差量和橫向彩色 之間進行折衷以獲得需要的成像性能。下面的表TlO列舉單透鏡光學系統(tǒng)20的示例性實施例的傍軸數(shù)據(jù)。
表TlO-傍軸透鏡數(shù)據(jù)有效焦距20 mm孔徑F/4像場大小直徑6 mm物場大小16°材料PMMA該設計對CCTV攝像機是有用的，因為它與1/3”和1/4”成像傳感器大小很好匹配。與表TlO關聯(lián)的單透鏡元件22的兩個表面Sl和S2的曲率C和非球面化，提供接 近SA = 0.75 λ的受控球差量。雙重非球面化與用相同透鏡材料、相同焦距和相同球差量 SA的純球面設計比較，允許更大的孔徑。表TlO的示例性透鏡元件22中使用的PMMA或丙 烯酸塑料是用于光學裝置的常用塑料。雖然其他透明塑料能夠被使用，但PMMA有非常良好 的折射率均勻性和低的不規(guī)則性，這降低不希望有的波前畸變。衍射特征23的使用是任選 項并用以降低軸向色差，因而當用寬波長光譜成像時避免MTF的降低。
23
描述由衍射特征23提供的消色差化的方程式由下式給出
λ λ這里θ。是折射偏差角(圖19Α)，θ d是衍射偏差角(圖19B)，而λ是成像波長。 折射偏差角中的變化能夠被表達為
「 η d6c1 χ dn θΛ _ k λ"-ν^) 7'7λ 0 這里η是透鏡材料在中心成像波長λ ^上的折射率，f是透鏡的焦距，k是被選擇 的衍射級(通常k = 1)，而ρ是衍射光柵的局部臺階。消色差方程式由此變?yōu)?Γ Iχ _ dn mwTi該表達式從光軸沿χ方向半徑的積分得到衍射層厚度為(這里“INT” = “整數(shù)”)e(x)=/Nr(^ > ,,、
v ‘ ^2·(>Γ- )·/ λ) (η-1)衍射特征23的這種形式被展示在圖20的近視圖中，并導致表TlO的被修改透鏡 22，如列舉在下面的表Tll中。
表Tll -有衍射特征的透鏡元件有效焦距20 mm孔徑F/4像場直徑6 mm物場大小16° 圖21Α展示示例性光學系統(tǒng)20，它有從物體(未畫出)到像平面IP被追跡的光 線25。透鏡元件22包含物方表面Sl上的衍射特征23 (未畫出)和非球面表面S2，如列舉 在下面的表Τ12中。在表Τ12中，參數(shù)Z定義非球面表面坐標(從而該非球面表面形狀)， r是徑向坐標，k是圓錐常數(shù)和c是曲率半徑的倒數(shù)。構成衍射特征23的衍射層被分開定 義并被添加到已有透鏡表面。
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表T12 -有衍射特征的透鏡元件的設計參數(shù)表面Sl曲率ζ - ογ1 l + ^\-(l + k)c2r2 c = 0.04067 mm1 k = 7.6 (橢圓)表面S2曲率cr2 Z = ~. \ + ^l-(l + k)c2r2 c = 0.0579 mm1 k = -5.63 (雙曲線)中心厚度4 mm孔徑直徑10 mm材料PMMA或丙烯酸物場大小16°跨越像場的最好性能被用兩個優(yōu)化非球面表面Sl和S2獲得。然而，可接受的性 能能夠只用一個非球面表面獲得。非球面表面能夠被演變?yōu)閳A錐曲線(雙曲形的、拋物形 的、橢圓形的等等)或用多項式展開定義的更一般非球面表面。表面Sl上(或表面S2上)被添加的衍射特征23通過降低初級軸色差而提供消色 差化。因為衍射表面在折射部件之上并與孔徑光闌AS分開，所以它還降低初級橫向彩色。 衍射特征23的示例性形狀被描繪在圖21B中。有約40個被1. 1 μ m深的臺階分開的同心 環(huán)202，它在中心成像波長λ ^ = 550nm上產(chǎn)生2 π相位變化。參考圖21C，環(huán)202的半徑能 夠由Newton環(huán)(條紋)的半徑定義，這些Newton環(huán)由分別被定位在軸向位置Pl和Ρ2上 離透鏡表面Sl為53mm和46mm的兩個相干源SCl和SC2產(chǎn)生。場曲考慮在一些示例性光學系統(tǒng)20中，可用的像場受場曲限制。因為場曲與透鏡本領成比 例，當只有單透鏡元件22被用于構成光學系統(tǒng)20時，場曲是不能被校正的。圖22A是單透 鏡成像光學系統(tǒng)20的示意圖以及場曲的對應曲線圖。圖22A的曲線圖展示最好焦點位置 作為場高度h的函數(shù)的0. 2mm的變化。該焦點位置隨場高度的變化降低EDOF作用。圖22B類似于圖22A并示出包含緊鄰傳感器30的場透鏡27的示例性實施例。場 透鏡27是起“場平坦化”作用的負透鏡。場透鏡27能夠被考慮成與成像傳感器30形成的 組件的一部分，因為該場透鏡只影響成像傳感器上的場曲。因此，在一個示例性實施例中， 場透鏡27與像傳感器30接觸，從而場透鏡與像傳感器形成像傳感器組件。圖22B的曲線 圖展示由于場透鏡27的實質上平坦的場。產(chǎn)生的平坦的場用以使EDOF作用優(yōu)化。jjtAEDOF系統(tǒng)10的光學系統(tǒng)20的單元件透鏡設計與現(xiàn)有技術EDOF成像系統(tǒng)相比有 許多關鍵優(yōu)點。第一是該設計簡單又只使用一個光學元件而達到需要的EDOF作用。第二是
25該光學元件與更復雜的相位板相反，是標準的旋轉對稱單一透鏡。第三個優(yōu)點是構造該光 學系統(tǒng)使選擇的球差量產(chǎn)生孔徑光闌的軸向“零彗差”位置，以致彗差能夠被實質上消除， 結果導致唯一的顯著像差是在像場上均勻的球差_這是EDOF成像所需要的。第四個優(yōu)點 是與單透鏡光學系統(tǒng)關聯(lián)的低價格_ 一個不能言過其實的優(yōu)點，因為該優(yōu)點只在于系統(tǒng)10 的許多應用將用于需要保持它們的價格競爭性的緊湊的、手持的裝置，諸如蜂窩電話之類。
因此，本領域熟練技術人員應當了解，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍下能夠對本 發(fā)明作出各種修改和變更。因此，應當預計到，本發(fā)明涵蓋本發(fā)明的這些修改和變更，只要 它們是在所附權利要求書以及權利要求的等價敘述的范圍之內。
權利要求
一種成像系統(tǒng)，用于使物體在被擴大的景深(EDOF)內在成像波長λ上成像，該成像系統(tǒng)包括光學系統(tǒng)，它有光軸并含有單透鏡元件以及被布置在該單透鏡元件物方的孔徑光闌，該光學系統(tǒng)當形成物體的像時具有其中0.2λ≤SA≤2λ的球差量SA；和像傳感器，被布置成接收該像并由此形成數(shù)字化的電子的原始像。
2.權利要求1的成像系統(tǒng)，還包括像處理器，它被電連接到該像傳感器并適合接收被數(shù)字濾波的數(shù)字化電子原始像以形 成數(shù)字化的對比度被增強的像。
3.權利要求1的系統(tǒng)，其中0.5 λ彡SA彡1 λ。
4.權利要求1的系統(tǒng)，其中該孔徑光闌被定位在實質上使彗差最小的軸向位置。
5.權利要求4的系統(tǒng)，其中該單透鏡元件由或者玻璃或者塑料制成。
6.權利要求1的系統(tǒng)，其中該單透鏡元件包含至少一種被構造成降低或消除色差的衍 射特征。
7.權利要求1的系統(tǒng)，其中該單透鏡元件有第一和第二表面，且其中該第一和第二表 面中至少一個是非球面。
8.權利要求1的系統(tǒng)，其中該光學系統(tǒng)有F/#使F/1.4 ^ F/# ^ F/15。
9.權利要求1的系統(tǒng)，還包括場透鏡，它被緊鄰像傳感器布置并被構造成降低由該單透鏡元件產(chǎn)生的場曲的量。
10.權利要求1的系統(tǒng)，其中該單透鏡元件選自包括下列的一組透鏡元件雙凸透鏡元 件、被布置成以凹表面對著物體的正彎月形透鏡元件和被布置成有物方平面表面的平凸透 鏡元件。
11.一種在被擴大的景深(EDOF)上在成像波長λ上形成物體的像的方法，包括用光學系統(tǒng)形成物體的原始像，該光學系統(tǒng)含有單透鏡元件和被布置在該單透鏡元件 物方的孔徑光闌，其中該光學系統(tǒng)具有球差的量SA使0.2 λ ^ SA ^ 2 λ ；和 使用像傳感器電子捕獲原始像以形成數(shù)字化的原始像。
12.權利要求11的方法，其中0.5 λ彡SA彡1 λ。
13.權利要求11的方法，還包括對數(shù)字化原始像進行數(shù)字濾波以形成對比度被增強的像。
14.權利要求13的方法，其中該原始像有與之關聯(lián)的原始調制傳遞函數(shù)(MTF)，并還包括根據(jù)物體相對于光學系統(tǒng)的位置建立該數(shù)字化原始像中散焦的量； 通過以增益函數(shù)乘原始MTF從原始MTF形成被增強的MTF，其中該被增強的MTF是散焦 量的函數(shù)；和把該被增強的MTF應用于數(shù)字化的原始像以獲得對比度被增強的像。
15.權利要求14的方法，包含 測量物體與光學系統(tǒng)之間的距離；和按照該被測量距離，通過把兩維線性數(shù)字濾波器應用于原始MTF而形成被增強的MTF。
16.權利要求15的方法，包含使用有均勻非相干背后照明的被傾斜邊緣在覆蓋景深 DOF的不同距離上測量原始MTF。
17.權利要求13的方法，其中該原始像有關聯(lián)的原始MTF，并還包括通過以增益函數(shù)乘原始MTF從原始MTF形成被增強的MTF，其中該被增強的MTF作為焦 點位置的函數(shù)實質上是恒定的；和把該被增強的MTF應用于數(shù)字化的原始像以獲得物體的對比度被增強的像。
18.權利要求11的方法，包含把該孔徑光闌布置在實質上使彗差最小的軸向位置上。
19.權利要求11的方法，包含在單透鏡元件的一個或多個表面上提供至少一種衍射特 征以便降低色差。
20.權利要求11的方法，包含向該單透鏡元件提供至少一個非球面表面。
21.權利要求11的方法，還包括 捕獲物體的N個原始像；和對該N個原始像求平均以形成被降低噪聲的原始像。
22.—種被增強景深(EDOF)成像系統(tǒng)，用于在成像波長λ上形成物體的對比度被增強 的像，該成像系統(tǒng)包括光學系統(tǒng)，含有單透鏡元件和物方孔徑光闌，該光學系統(tǒng)具有其中0.2 λ ^SA 的球差量SA，且其中該光學系統(tǒng)形成原始像；像傳感器，被布置成接收該原始像并形成原始像電信號，其中該原始像有關聯(lián)的原始 調制傳遞函數(shù)(MTF)；和像處理器，被電連接到像傳感器并適合接收該原始像電信號且在其上用被增強的MTF 進行像處理以形成對比度被增強的像，該被增強的MTF是使用旋轉對稱增益函數(shù)從原始 MTF形成的。
23.權利要求22的EDOF成像系統(tǒng)，其中該像處理器適合對N個對比度被增強的像求平 均以形成最后對比度被增強的像，該最后對比度被增強的像與該N個對比度被增強的像的 任一個比較，有被降低的噪聲。
24.權利要求22的EDOF系統(tǒng)，其中該單透鏡元件選自包括下列的一組透鏡元件雙凸 透鏡元件、被布置成以凹表面對著物體的正彎月形透鏡元件和被布置成有物方平面表面的 平凸透鏡。
25.權利要求22的EDOF成像系統(tǒng)，其中該孔徑光闌被沿軸向布置在實質上降低或消除彗差的位置上。
26.權利要求22的EDOF成像系統(tǒng)，其中該單透鏡元件包含至少衍射特征和非球面表面之一。
27.權利要求26的EDOF成像系統(tǒng)，其中該至少一種衍射特征是與該單透鏡整體地形成的。
28.權利要求22的EDOF成像系統(tǒng)，其中該單透鏡元件包含第一和第二非球面表面。
29.一種在被擴大的景深(EDOF)上在成像波長λ上形成物體的像的方法，包括 提供含有單透鏡元件和孔徑光闌的光學系統(tǒng)；構造該光學系統(tǒng)，使它具有球差的量SA達到0. 5 λ < SA < 2 λ，以便產(chǎn)生相對于該透 鏡元件的物方零彗差軸向位置；把孔徑光闌實質上放置在該零彗差軸向位置上，以便實質上消除像中的彗差；和 電子捕獲該像以形成數(shù)字化的原始像。
30.權利要求29的方法，還包括 捕獲物體的N個原始像；和對該N個原始像求平均以形成被降低噪聲的原始像。
31.權利要求29的方法，還包括對數(shù)字化原始像進行數(shù)字濾波以形成對比度被增強的像。
32.權利要求31的方法，其中該數(shù)字化原始像有對應的原始調制傳遞函數(shù)(MTF)，并還 包括通過以增益函數(shù)乘原始MTF從原始MTF形成被增強的MTF ；和把該被增強的MTF應用于數(shù)字化的原始像以獲得物體的對比度被增強的像。
33.權利要求32的方法，其中該增益函數(shù)是常數(shù)。
34.權利要求29的方法，其中該單透鏡元件有最好像方表面，零彗差軸向位置被定位 在離該表面距離Das處，并且其中Imm彡Das彡20mm。
全文摘要
公開一種有對應于被擴大焦深(EDOF′)的被擴大景深(EDOF)的成像系統(tǒng)(10)。該成像系統(tǒng)具有的光學系統(tǒng)(20)包含單透鏡元件(22)和實質上被布置在零彗差軸向位置的物方孔徑光闌(AS)。該單透鏡元件被構造成使該光學系統(tǒng)具有在0.2λ≤SA≤2λ范圍中選擇的球差量(SA)，這里λ是成像波長。該成像系統(tǒng)有成像傳感器(30)，用于形成物體(OB)的數(shù)字化原始像(IM)。在應用中，該原始像能夠被直接使用。該成像系統(tǒng)還有像處理單元(54)，適合處理該原始像以形成被增強對比度的像。該像處理包含使用被應用于“原始”調制傳遞函數(shù)(MTF)的增益函數(shù)(G)，形成被增強的MTF。單透鏡元件的實施例包含至少一種衍射特征(23)，以降低色差。有至少一個非球面表面(S1，S2或S1和S2)的單透鏡元件也被公開。
文檔編號G02B13/20GK101978304SQ200980109217
公開日2011年2月16日 申請日期2009年2月17日 優(yōu)先權日2008年2月29日
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