本發(fā)明涉及一種大景深成像方法，屬于光學(xué)成像領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

大景深成像有微觀的和宏觀的兩個層面，本案屬于宏觀層面的大景深成像，針對的不是微觀顯微成像。目前提升成像系統(tǒng)景深主要包括以下幾種方法：1)采用編碼孔徑技術(shù)，由于圖像中的每個區(qū)域都是由估計(jì)的散焦psf函數(shù)去模糊，所以該方法效果受深度估計(jì)的精度影響較大；2)增加相位板增加成像景深，其中dowskiet.提出了一種立方體相位板，由于該種相位板能夠保留更多高頻細(xì)節(jié)信息，所以相比圓形相位板具有更好的效果；3)采用數(shù)字圖像處理技術(shù)拓展景深，其中有學(xué)者通過將rgb三色中聚焦顏色分量的銳度信息拓展到其它顏色分量，提升清晰度從而增加景深；4)通過成像光學(xué)元件的機(jī)械運(yùn)動產(chǎn)生大景深。

除以上四種方法外，由于普通非消色差透鏡存在色差，透鏡的焦點(diǎn)會隨入射光波長的不同產(chǎn)生偏移，國外有學(xué)者利用這一特性，針對掃碼機(jī)發(fā)明了利用色差擴(kuò)大成像景深的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用紅外光和其他波長光搭配照明條形碼，圖像傳感器順序采集圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)從1.5英寸到8英寸距離上讀取條形碼信息。但是由于掃碼機(jī)讀取圖像信息的特性，該系統(tǒng)并不能將具有一定景深的物體同時清晰成像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種大景深成像方法，是利用透鏡對不同波長光折射率不同的特性，通過計(jì)算使用指定波長光照射不同物距目標(biāo)物，使各物距目標(biāo)物的像距相同，即各目標(biāo)物的成像平面重疊從而擴(kuò)大景深。

所述方法，包括以下步驟：

(1)對于任一單透鏡，確定該透鏡的透鏡材質(zhì)波長λ和折射率n的關(guān)系，表示為n＝f(λ)；并確定該透鏡的折射率n和焦距f'的關(guān)系，表示為f'＝g(n)；從而確定該透鏡的焦距f'和波長λ的關(guān)系：f'＝g(f(λ))；

(2)我們對距離透鏡為l1和l2的兩個物面p1、p2清晰成像，l1＜l2；對物面p1，使用波長為λ1的光照射，物面p1的物像公式為l'為像距；對于物面p2，使

用波長為λ2的光照射，物面p2的物像公式為為使兩個物面的像距相同，則有

(3)結(jié)合步驟(1)、(2)，得到l2和λ2之間的關(guān)系，即其中l(wèi)1和λ1都是已知的，通過該式就可以求出在物距l(xiāng)2處清晰成像所需光照波長λ2。

所述單透鏡為球面鏡時，步驟(1)中，其折射率和焦距的關(guān)系滿足：其中r1、r2分別為透鏡前后曲面曲率半徑，d為透鏡厚度；則步驟(3)得到l2和λ2之間的關(guān)系如式(1)所示：

式(1)中l(wèi)1、λ1、r1、r2、a、b、c都是已知參數(shù)，確定l2后，就可以求得λ2，用波長為λ2的光照射物面p2就可以清晰成像。

所述單透鏡為對于平凸透鏡時，步驟(1)中，其折射率和焦距的關(guān)系滿足：其中r1、r2分別為透鏡前后曲面曲率半徑，d為透鏡厚度，且r2＝∞，則，焦距和折射率的關(guān)系進(jìn)一步簡化為則步驟(3)得到l2和λ2之間的關(guān)系如式(2)所示：

式(2)中l(wèi)1、λ1、r1、a、b、c都是已知參數(shù)，確定l2后，就可以求得λ2，用波長為λ2的光照射物面p2就可以清晰成像。

所述步驟(1)中，透鏡材質(zhì)折射率和波長的關(guān)系可以通過查詢材質(zhì)手冊得到，一般，材質(zhì)手冊是給出幾個波長光對應(yīng)的折射率，我們可以通過數(shù)據(jù)擬合的方法，找到具體的關(guān)系式。對于球面透鏡，通常材質(zhì)折射率和波長的關(guān)系滿足柯西色散公式：進(jìn)一步地，其折射率和焦距的關(guān)系滿足：其中r1、r2分別為透鏡前后曲面曲率半徑，d為透鏡厚度；對于非球面透鏡，沒有具體的公式可以表征折射率和焦距的關(guān)系，但是我們可以通過實(shí)驗(yàn)和軟件模擬的方法得到其關(guān)系。

本發(fā)明提出了一種無須在光學(xué)成像系統(tǒng)中添加或設(shè)計(jì)定制光學(xué)元件擴(kuò)展景深的方法。我們采用不同波長光照射不同物面，使各物面像距相同從而得到清晰圖像，擴(kuò)大景深。本發(fā)明解決了具有空間厚度的物體無法成像在最佳成像平面上，白光led照明容易產(chǎn)生色差等問題，對比普通白光照明，本發(fā)明方法能夠顯著提升圖像分辨率、成本低、適用面廣。

本發(fā)明可以應(yīng)用在工業(yè)自動化檢測，檢測具有多物面或縱向深度大的工件、產(chǎn)品等。在已知目標(biāo)物所需景深的條件下，合理安排好照明燈位置，自動計(jì)算選擇照明波長，從而實(shí)現(xiàn)一次成像，完成檢測任務(wù)。譬如對家用洗手池內(nèi)表面瑕疵檢測，由于洗手池是凹型的，具有較大的縱向深度，通過本發(fā)明的方法，采用多波長分區(qū)照明的方式，就可以得到清晰的圖像，配合機(jī)器視覺檢測算法，完成檢測任務(wù)。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)原理圖。

圖2為系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖3為實(shí)施例1采用的的雙凸透鏡的基本參數(shù)。

圖4為實(shí)施例1采用白光照明的成像圖片。

圖5為實(shí)施例1采用本發(fā)明照明方法的成像圖片。

圖6為實(shí)施例2采用白光照明的成像圖片。

圖7為實(shí)施例2采用本發(fā)明照明方法的成像圖片。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

我們有一雙凸透鏡參數(shù)如圖3：

從該圖我們可以得到，該透鏡為雙凸球面鏡，標(biāo)準(zhǔn)焦距為34.9mm，透鏡厚度d＝6.8mm，球面曲率半徑r1＝r2＝34.86mm，該透鏡材質(zhì)為h-k9l，查詢得到該材質(zhì)的折射率特性如表1所示。

表1h-k9l部分波長折射率

通過數(shù)據(jù)擬合我們可以得到該材質(zhì)波長和折射率的關(guān)系滿足：即a＝1.504,b＝4621,c＝-4.899×10⁷。我們以物面p1采用波長λ1＝405nm紫光照明，l1＝-500mm，l2＝-700mm，l3＝-800mm光闌直徑d＝5mm為例。根據(jù)式(1)我們可以計(jì)算得到在物距l(xiāng)2處應(yīng)采用530nm波長光照明，在物距l(xiāng)3處應(yīng)采用598nm波長光照明。

在距離透鏡500mm處放置0.5倍iso-12233反射式標(biāo)準(zhǔn)測試卡1，在距離透鏡700mm和800mm處分別放置測試卡2、3。測試卡1、2、3上下錯開放置。為了對比不同光照明和相同光照明的效果，我們首先使用多顆功率為1w的白光led照明，其后選取盡量接近計(jì)算值波長的led燈分別照明不同物面。我們測得了所使用的led光譜中心頻率分別為400nm、530nm、600nm。為了得到均勻的照明效果，led燈的位置和角度都進(jìn)行了優(yōu)化，拍攝的圖像不經(jīng)過任何軟件算法處理。cmos芯片型號為mt9m001型130萬像素黑白cmos，分辨率為1280h×1024v，像元尺寸5.2μm×5.2μm。圖4為采用白光照明，圖5為采用本案方法照明效果。

我們利用專業(yè)的分辨率測試軟件imatest軟件測試圖像的分辨率，分別對圖像中500mm、700mm和800mm處各選取三處區(qū)域測試其mtf50得分。選取的區(qū)域如圖5所示，將所有區(qū)域取平均即為該區(qū)域客觀評分。圖4和圖5客觀評分如下表1所示。

表2評價結(jié)果

從表1中我們可以看出，采用本案的方法實(shí)驗(yàn)效果比白光照明分辨率高，并且物距越大提升的效果越明顯，分辨率分別提升了45.3％、293.8％和515.3％。

實(shí)施例2

實(shí)施例1我們使用的是雙凸透鏡，在本例中我們得到一平凸球面透鏡。該透鏡曲率半徑r1＝15.504mm，材質(zhì)仍為k9玻璃。我們以物面p1采用波長λ1＝460nm藍(lán)光照明，l1＝-600mm，l2＝-800mm，l3＝-1000mm光闌直徑d＝5mm為例。根據(jù)式(2)我們可以計(jì)算得到在物距l(xiāng)2處應(yīng)采用559nm波長光照明，在物距l(xiāng)3處應(yīng)采用658nm波長光照明。

在距離透鏡600mm處放置0.5倍iso-12233反射式標(biāo)準(zhǔn)測試卡1，在距離透鏡800mm和1000mm處分別放置測試卡2、3。測試卡1、2、3上下錯開放置。為了對比不同光照明和相同光照明的效果，我們首先使用多顆功率為1w的白光led照明，其后選取盡量接近計(jì)算值波長的led燈分別照明不同物面。我們測得了所使用的led光譜中心頻率分別為460nm、530nm、650nm。為了得到均勻的照明效果，led燈的位置和角度都進(jìn)行了優(yōu)化，拍攝的圖像不經(jīng)過任何軟件算法處理。cmos芯片型號為mt9m001型130萬像素黑白cmos，分辨率為1280h×1024v，像元尺寸5.2μm×5.2μm。我們對拍攝的照片進(jìn)行了裁剪處理，截取了中間像差較小的部分圖片，圖6為采用白光照明，圖7為采用本案方法照明效果。

我們利用專業(yè)的分辨率測試軟件imatest軟件測試圖像的分辨率，分別對圖像中600mm、800mm和1000mm處各選取三處區(qū)域測試其mtf50得分。選取的區(qū)域如圖7所示，將所有區(qū)域取平均即為該區(qū)域客觀評分。圖6和圖7客觀評分如下表2所示。

表3評價結(jié)果

從表2中我們可以看出，采用本案的方法實(shí)驗(yàn)效果比白光照明分辨率高，并且物距越大提升的效果越明顯，分辨率分別提升了44.5％、146.3％和231.6％。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動與修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。