[發明專利]光學系統和產生所述光學系統的方法

有效

• 申請號: 201010149284.2
• 申請日: 2004-01-15
• 公開（公告）號: CN101819325A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發明（設計）人: 亞歷克斯·阿隆;伊琳娜·阿隆
• 申請（專利權）人: 德薩拉國際有限公司
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G06T5/00
• 代理公司: 北京邦信陽專利商標代理有限公司 11012
• 代理人: 崔華

本申請是申請日為2004年1月15日，申請號為200480002358.2，發明名稱為“具有圖像增強功能的照相機”的專利申請的分案申請。

與相關申請的交叉參考

本申請要求提交于2003年1月16日的美國臨時專利申請60/440,561的權利。本申請與提交于2001年2月8日的美國專利申請09/778,849有關，其中該專利作為美國2002/0145671A1公開。以參考的方式，將兩個相關申請引入于此。

技術領域

本發明通常涉及一種光學系統和產生所述光學系統的方法。

背景技術

本領域內所公知的，例如基于CCD或CMOS傳感器陣列的相機等數字相機的固有分辨率，通常受制于傳感器陣列自身的分辨率。為避免分辨率進一步下降，此類相機中的物鏡系統通常設計為，使得光學點擴散函數(PSF)具有的范圍小于陣列間距。換句話說，光學系統的設計是使物平面的亮點的成像點不大于傳感器陣列的一個像素。

由于焦點變化和像差，光學系統的PSF可能不夠理想。在本領域中采用許多方法，通過數字圖像處理對此類PSF進行測量和補償。例如，美國專利6,154,574，描述了一種在圖像處理系統中對沒有對準焦點的圖像進行數字聚焦的方法，其中以參照方式將該專利的公開內容引入于此。通過將散焦圖像分解為子圖像，獲得平均階躍響應，并對每幅子圖像計算邊緣方向的階躍響應。平均階躍響應用于計算PSF系數，這些系數依次用于確定圖像恢復傳遞函數。在頻域內，通過將沒有對準焦點的圖像乘以該函數獲得對準焦點的圖像。

作為另一個實例，美國專利6,567,570描述了一種圖像掃描器，通過在掃描器內使用標桿(target)對PSF進行內部測量，其中以參照方式將該專利的公開內容引入于此。該測量方法用于計算卷積內核，該內核用于由掃描器采集的圖像中，以部分補償掃描器透鏡系統的非理想性。

也可以在圖像中加入特殊用途的模糊，創造特定光學像差的恒定性。接著采用信號處理消除該模糊。此類技術描述于OpticsExpress2003年11期第2102至2108頁中，Kubala等人所著的“降低計算機成像系統的復雜性(Reducingcomplexityincomputationalimagingsystems)”一文中，其中以參照方式將其引入于此。作者將該技術稱作“波面編碼”。特定的非球面光學元件用于在圖像中生成模糊。該光學元件可以是單個的獨立元件，或者可以和光學系統的一個或多個透鏡集成。例如，在美國專利5,748,371和美國專利申請公開US2002/0118457A1，US2003/0057353A1和US2003/0169944A1中，描述基于此類波面編碼的圖像處理方法和光學設計，其中以參照方式將這些專利的公開內容引入于此。

發明內容

本發明的一些實施例提供改善數字成像系統的圖像質量的方法和器件。在制造生成高質量圖像的、具有簡單、低成本透鏡(或者甚至不含透鏡)的數字相機時，這些方法和器件是特別有用的。然而，本發明所示的光學設計和圖像處理的新穎原理，同樣適用于其他類型的數字成像系統。

在本發明的一些實施例中，一個電子成像相機包括一個圖像傳感器陣列。該相機代表性地包括物鏡系統，甚至在該光學器件的最佳焦點處，光學器件將物體成像在PSF寬度基本上大于傳感器陣列間距的陣列上。(在一個實施例中，“物鏡系統”簡單的包括一個孔——具有一個大“針孔”的性質——而根本沒有透鏡。)作為結果，由陣列自身采集的圖像變得模糊。集成在相機中的圖像處理器，將消除模糊函數——代表性地以去卷積濾波器的形式——應用于陣列的信號輸出，以生成模糊程度降低的輸出圖像。通過以下描述的圖像處理的新方法，可以得到模糊程度的降低。這些方法可以設計和使用具有較低固有PSF的相機光學器件，同時恢復傳感器陣列生成的電子圖像，以提供可接受的輸出圖像。

代表性地，物鏡系統關于光軸圓柱對稱。換句話說，如果光學器件繞光軸旋轉，形成于傳感器陣列上的圖像——以及因此而必須應用于圖像中的消除模糊函數——是基本上不改變的。相反的，如發明背景中引用的公開中描述的那樣，基于波面編碼的系統有意地使用打破圓柱對稱的光學器件。因而，這些系統要求奇特的光學元件，并對光學器件的旋轉校準的變化非常敏感。