專利名稱：光學(xué)系統(tǒng)和產(chǎn)生所述光學(xué)系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種光學(xué)系統(tǒng)和產(chǎn)生所述光學(xué)系統(tǒng)的方法。

背景技術(shù)：
本領(lǐng)域內(nèi)所公知的，例如基于CCD或CMOS傳感器陣列的相機(jī)等數(shù)字相機(jī)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(jìn)一步下降，此類相機(jī)中的物鏡系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)為，使得光學(xué)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)具有的范圍小于陣列間距。換句話說(shuō)，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是使物平面的亮點(diǎn)的成像點(diǎn)不大于傳感器陣列的一個(gè)像素。
由于焦點(diǎn)變化和像差，光學(xué)系統(tǒng)的PSF可能不夠理想。在本領(lǐng)域中采用許多方法，通過(guò)數(shù)字圖像處理對(duì)此類PSF進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償。例如，美國(guó)專利6,154,574，描述了一種在圖像處理系統(tǒng)中對(duì)沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)焦點(diǎn)的圖像進(jìn)行數(shù)字聚焦的方法，其中以參照方式將該專利的公開(kāi)內(nèi)容引入于此。通過(guò)將散焦圖像分解為子圖像，獲得平均階躍響應(yīng)，并對(duì)每幅子圖像計(jì)算邊緣方向的階躍響應(yīng)。平均階躍響應(yīng)用于計(jì)算PSF系數(shù)，這些系數(shù)依次用于確定圖像恢復(fù)傳遞函數(shù)。在頻域內(nèi)，通過(guò)將沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)焦點(diǎn)的圖像乘以該函數(shù)獲得對(duì)準(zhǔn)焦點(diǎn)的圖像。
作為另一個(gè)實(shí)例，美國(guó)專利6,567,570描述了一種圖像掃描器，通過(guò)在掃描器內(nèi)使用標(biāo)桿(target)對(duì)PSF進(jìn)行內(nèi)部測(cè)量，其中以參照方式將該專利的公開(kāi)內(nèi)容引入于此。該測(cè)量方法用于計(jì)算卷積內(nèi)核，該內(nèi)核用于由掃描器采集的圖像中，以部分補(bǔ)償掃描器透鏡系統(tǒng)的非理想性。
也可以在圖像中加入特殊用途的模糊，創(chuàng)造特定光學(xué)像差的恒定性。接著采用信號(hào)處理消除該模糊。此類技術(shù)描述于Optics Express 2003年11期第2102至2108頁(yè)中，Kubala等人所著的“降低計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)的復(fù)雜性(Reducing complexity in computational imaging systems)”一文中，其中以參照方式將其引入于此。作者將該技術(shù)稱作“波面編碼”。特定的非球面光學(xué)元件用于在圖像中生成模糊。該光學(xué)元件可以是單個(gè)的獨(dú)立元件，或者可以和光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)透鏡集成。例如，在美國(guó)專利5,748,371和美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)US 2002/0118457 A1，US2003/0057353 A1和US 2003/0169944 A1中，描述基于此類波面編碼的圖像處理方法和光學(xué)設(shè)計(jì)，其中以參照方式將這些專利的公開(kāi)內(nèi)容引入于此。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一些實(shí)施例提供改善數(shù)字成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量的方法和器件。在制造生成高質(zhì)量圖像的、具有簡(jiǎn)單、低成本透鏡(或者甚至不含透鏡)的數(shù)字相機(jī)時(shí)，這些方法和器件是特別有用的。然而，本發(fā)明所示的光學(xué)設(shè)計(jì)和圖像處理的新穎原理，同樣適用于其他類型的數(shù)字成像系統(tǒng)。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，一個(gè)電子成像相機(jī)包括一個(gè)圖像傳感器陣列。該相機(jī)代表性地包括物鏡系統(tǒng)，甚至在該光學(xué)器件的最佳焦點(diǎn)處，光學(xué)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(gè)實(shí)施例中，“物鏡系統(tǒng)”簡(jiǎn)單的包括一個(gè)孔——具有一個(gè)大“針孔”的性質(zhì)——而根本沒(méi)有透鏡。)作為結(jié)果，由陣列自身采集的圖像變得模糊。集成在相機(jī)中的圖像處理器，將消除模糊函數(shù)——代表性地以去卷積濾波器的形式——應(yīng)用于陣列的信號(hào)輸出，以生成模糊程度降低的輸出圖像。通過(guò)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(shè)計(jì)和使用具有較低固有PSF的相機(jī)光學(xué)器件，同時(shí)恢復(fù)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(tǒng)關(guān)于光軸圓柱對(duì)稱。換句話說(shuō)，如果光學(xué)器件繞光軸旋轉(zhuǎn)，形成于傳感器陣列上的圖像——以及因此而必須應(yīng)用于圖像中的消除模糊函數(shù)——是基本上不改變的。相反的，如發(fā)明背景中引用的公開(kāi)中描述的那樣，基于波面編碼的系統(tǒng)有意地使用打破圓柱對(duì)稱的光學(xué)器件。因而，這些系統(tǒng)要求奇特的光學(xué)元件，并對(duì)光學(xué)器件的旋轉(zhuǎn)校準(zhǔn)的變化非常敏感。
因?yàn)闊o(wú)缺陷式探測(cè)器陣列是非常昂貴的，針對(duì)消費(fèi)者和工業(yè)應(yīng)用的大多數(shù)電子成像相機(jī)具有一定數(shù)量的損壞像素，這些損壞像素不能產(chǎn)生有用的光信號(hào)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，對(duì)相機(jī)采集的圖像進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析用于確定傳感器陣列中的這些損壞像素。代表性地，因?yàn)閾p壞像素的像素值與鄰近像素的像素值之間的差值大于一個(gè)閾值，從而識(shí)別出相機(jī)采集到的圖像中的損壞像素，而該閾值是由相機(jī)光學(xué)器件的PSF確定的。在(通過(guò)去卷積濾波器)消除圖像的模糊之前，損壞像素的像素值被代替的數(shù)值取代，以抵消損壞像素對(duì)復(fù)原圖像的影響。生成進(jìn)一步模糊圖像和為圖像消除模糊的迭代過(guò)程，用于生成具有改善質(zhì)量的復(fù)原圖像。在此過(guò)程中，在每次迭代時(shí)修改已知損壞像素位置鄰近的像素值，以減少由損壞像素造成的贗像的傳播。為執(zhí)行消除模糊的運(yùn)算，輸入信號(hào)可以被啞員(dummy)像素框包圍，其中該啞員像素視為損壞像素。
盡管本發(fā)明的消除模糊方法可以充分使用于具有基本上任何種類物鏡系統(tǒng)的相機(jī)中，但在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，通過(guò)迭代過(guò)程來(lái)設(shè)計(jì)光學(xué)器件，該過(guò)程考慮了相機(jī)消除模糊的性能。由于該目的，生成初始光學(xué)設(shè)計(jì)，并基于光學(xué)設(shè)計(jì)的像差和公差計(jì)算該設(shè)計(jì)的PSF。計(jì)算其特征在于PSF的代表性數(shù)字圖像，并確定消除模糊函數(shù)，以增強(qiáng)圖像的PSF，也就是，降低PSF的寬度。接著修改光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以降低增強(qiáng)PSF的寬度。
為了修改光學(xué)設(shè)計(jì)，可以評(píng)估光學(xué)設(shè)計(jì)中變量的共同效應(yīng)和增強(qiáng)PSF的伴隨變化。該評(píng)估用于確定應(yīng)該如何改變光學(xué)設(shè)計(jì)。因此評(píng)估PSF增強(qiáng)性和修改光學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程通常是一個(gè)重復(fù)迭代過(guò)程，直到該設(shè)計(jì)收斂于預(yù)定的公差內(nèi)。該過(guò)程優(yōu)化了相機(jī)的整體性能，同時(shí)允許使用具有相對(duì)較高的制造公差和較少數(shù)量的光學(xué)元件的低成本光學(xué)器件。
因此，依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供成像裝置，包括 其特征在于間距的光學(xué)傳感元件陣列，適用于響應(yīng)入射在元件上的光學(xué)輻射而產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)；以及 物鏡系統(tǒng)，具有一個(gè)光軸，并具有關(guān)于光軸圓柱對(duì)稱的特性，其放置方式是為了以點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)(PSF)將來(lái)自物體的光學(xué)輻射聚焦到陣列上，其中在光學(xué)系統(tǒng)的最佳焦點(diǎn)處點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF的寬度大于傳感器陣列間距兩倍。
在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，PSF寬度至少是間距的三倍。
代表性地，該裝置包括一個(gè)圖像處理器，結(jié)合該處理器響應(yīng)PSF處理來(lái)自陣列的信號(hào)，以生成物體的電子圖像，同時(shí)降低電子圖像的模糊。在公開(kāi)的實(shí)施例中，來(lái)自陣列的信號(hào)對(duì)應(yīng)于輸入圖像，其中該輸入圖像包括具有各自像素值的各個(gè)像素，而基于PSF，通過(guò)將去卷積濾波器應(yīng)用于輸入圖像，圖像處理器適用于降低輸入圖像的模糊程度。圖像處理器可用于識(shí)別陣列中的一個(gè)或多個(gè)壞元，并以代替的數(shù)值取代輸入圖像中壞元附近像素的像素值，以產(chǎn)生校正的模糊圖像，并將去卷積濾波器應(yīng)用于校正的模糊圖像中，以生成復(fù)原圖像。
在一些實(shí)施例中，物鏡系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)透鏡，具有響應(yīng)PSF選定的光學(xué)特性，以伴隨去卷積濾波器的應(yīng)用，優(yōu)化電子圖像的質(zhì)量。
另外地或可選擇地，其中該圖像處理器適用于響應(yīng)于該物體和該陣列之間聚焦關(guān)系的變化，修改應(yīng)用于該輸入圖像中的該去卷積濾波器。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)物體與物鏡系統(tǒng)的距離小于預(yù)定的最小距離時(shí)，圖像處理器適用于選擇一個(gè)微距去卷積濾波器(macro deconvolutionfilter)。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，同時(shí)提供成像裝置，包括 其特征在于間距的光學(xué)傳感元件陣列，適用于產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，響應(yīng)入射在元件上的光學(xué)輻射；以及 一個(gè)相機(jī)主體，包含該陣列，并在該主體上形成一個(gè)橫向尺寸基本大于陣列間距的孔，其中該孔和陣列的排列方式是使來(lái)自物體的光學(xué)輻射通過(guò)該孔，并基本上入射到該陣列上，而沒(méi)有光學(xué)聚焦元件的介入。
在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，該裝置包括一個(gè)機(jī)械裝置，至少與陣列和孔徑的其中之一連接，用于改變陣列和孔徑的距離，以調(diào)整器件的視場(chǎng)。
代表性地，該孔徑的橫向尺寸至少比間距大50％?？蛇x地，該孔徑的橫向尺寸可以至少為間距的兩倍甚至三倍。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，又提供成像裝置，包括 物鏡系統(tǒng)，其放置方式是使來(lái)自物體的光學(xué)輻射聚焦到具有特征點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)的焦平面上； 光學(xué)傳感元件陣列，位于焦平面，且適用于響應(yīng)入射在元件上的光學(xué)輻射產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)于物體的電子圖像，其中該圖像包括具有各自像素值的各個(gè)像素； 圖像處理器，結(jié)合該處理器接收來(lái)自陣列的信號(hào)，適用于識(shí)別陣列中的一個(gè)或多個(gè)壞元，并且，響應(yīng)PSF，修改輸入圖像中壞元附近像素的像素值，以產(chǎn)生校正的模糊圖像，同時(shí)減少由壞元造成的贗像的傳播，并基于PSF，將去卷積濾波器應(yīng)用于校正的模糊圖像中，以生成復(fù)原的輸出圖像。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步提供一個(gè)圖像處理器，至少包括一個(gè)集成電路器件，適用于接收物體的模糊輸入圖像，該圖像生成于光探測(cè)元件陣列，該光探測(cè)元件陣列包括一個(gè)或多個(gè)壞元，并且其特征在于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)，而該處理器響應(yīng)于PSF，修改模糊輸入圖像的壞元附近的像素值，以產(chǎn)生校正的模糊圖像，同時(shí)減少由壞元造成的贗像的傳播，并將去卷積濾波器應(yīng)用于校正的模糊圖像中，以生成復(fù)原圖像。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還提供制造光學(xué)系統(tǒng)的方法，包括 產(chǎn)生光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 根據(jù)該設(shè)計(jì)計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)； 根據(jù)該設(shè)計(jì)，將給定圖像復(fù)原函數(shù)應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像中，確定可以獲得的增強(qiáng)PSF；以及 修改光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以減少增強(qiáng)PSF的寬度。
在一些實(shí)施例中，設(shè)計(jì)的形成包括為每個(gè)光學(xué)像差分配各自的品質(zhì)分?jǐn)?shù)，確定設(shè)計(jì)所特有的像差，響應(yīng)像差和每個(gè)品質(zhì)分?jǐn)?shù)計(jì)算設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)，并響應(yīng)該設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)。代表性地，各自的品質(zhì)分?jǐn)?shù)的分配包括分別確定PSF上每個(gè)像差對(duì)PSF的影響，并響應(yīng)于各個(gè)影響計(jì)算各個(gè)品質(zhì)分?jǐn)?shù)。另外地或可選擇地，像差的確定包括生成像差的澤尼克(Zernike)多項(xiàng)式展開(kāi)，而設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)的計(jì)算包括計(jì)算響應(yīng)多項(xiàng)式展開(kāi)系數(shù)的各個(gè)品質(zhì)分?jǐn)?shù)的加權(quán)和。
在公開(kāi)的實(shí)施例中，增強(qiáng)PSF的確定包括確定響應(yīng)計(jì)算出的光學(xué)PSF的去卷積濾波器的系數(shù)，并將去卷積濾波器應(yīng)用于代表的圖像，其中該代表圖像的特征在于計(jì)算出的光學(xué)PSF。
另外地或可選擇地，設(shè)計(jì)的修改包括評(píng)估設(shè)計(jì)中的變化對(duì)增強(qiáng)PSF的影響，并響應(yīng)評(píng)估出的影響，修改光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，增強(qiáng)PSF的確定包括計(jì)算響應(yīng)增強(qiáng)PSF的圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并評(píng)估變化對(duì)其影響包括找到圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)與該變化的依賴關(guān)系。代表性地，圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算包括確定光學(xué)系統(tǒng)像場(chǎng)中多個(gè)點(diǎn)的本地點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)，并且確定響應(yīng)本地點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)。圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定可能包括找到多個(gè)點(diǎn)處各自的本地分?jǐn)?shù)，并合并各本地分?jǐn)?shù)，以生成圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
在一個(gè)實(shí)施例中，增強(qiáng)PSF的確定包括通過(guò)獲得本地點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的加權(quán)和，計(jì)算加權(quán)PSF，且評(píng)估變化對(duì)其影響包括計(jì)算變化對(duì)加權(quán)PSF的影響。
在另一個(gè)實(shí)施例中，圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算包括找到一個(gè)分辨率分?jǐn)?shù)，其表示伴隨增強(qiáng)PSF產(chǎn)生的圖像的分辨率，并找到一個(gè)贗像分?jǐn)?shù)，其表示圖像的贗像程度，并合并分辨率分?jǐn)?shù)和贗像分?jǐn)?shù)，以確定圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
代表性地，圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算包括確定響應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)像差的圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)依賴程度的確定包括對(duì)于像差的改變，計(jì)算分?jǐn)?shù)梯度。在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)依賴程度的確定包括確定響應(yīng)矩陣，指明像差的變化，其將作為對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行的具體修改的函數(shù)，且設(shè)計(jì)的修改包括響應(yīng)于該梯度和該響應(yīng)矩陣，確定應(yīng)用于設(shè)計(jì)的修改。
在一些實(shí)施例中，該方法包括關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)修改、計(jì)算光學(xué)PSF、確定增強(qiáng)PSF、以及修改設(shè)計(jì)的重復(fù)迭代過(guò)程。代表性地，重復(fù)迭代過(guò)程包括，通過(guò)計(jì)算光學(xué)PSF、確定增強(qiáng)PSF、以及修改設(shè)計(jì)，從而來(lái)執(zhí)行迭代，直到其中一個(gè)迭代表示的設(shè)計(jì)修改量小于應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)制造的預(yù)定公差。
代表性地，光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，而其中設(shè)計(jì)中的變化包括下面三者之中至少一個(gè)其中一個(gè)元件的光學(xué)表面曲率的變化，或其中一個(gè)元件厚度的變化，或元件間距的變化。在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件至少包括一個(gè)非球面元件，其至少具有一個(gè)由多項(xiàng)式函數(shù)定義的表面，而設(shè)計(jì)的修改包括多項(xiàng)式函數(shù)的優(yōu)化系數(shù)。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步提供一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，其中包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，其根據(jù)設(shè)計(jì)制造和裝配，通過(guò)根據(jù)該設(shè)計(jì)計(jì)算該光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)，確定增強(qiáng)PSF，以及修改該光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以減少該增強(qiáng)PSF的寬度，來(lái)優(yōu)化該設(shè)計(jì)，其中通過(guò)將給定的圖像復(fù)原函數(shù)應(yīng)用于由該光學(xué)系統(tǒng)生成的圖像中，而確定可以由此獲得的增強(qiáng)PSF。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，同時(shí)提供一個(gè)計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品，包括一個(gè)存儲(chǔ)程序指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)計(jì)算機(jī)讀取時(shí)，該指令使計(jì)算機(jī)生成光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)該設(shè)計(jì)計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)；根據(jù)該設(shè)計(jì)，通過(guò)將給定圖像復(fù)原函數(shù)應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)生成的圖像中，確定可以獲得的增強(qiáng)PSF；并修改光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以減少增強(qiáng)PSF的寬度。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，還提供電子成像的方法，包括 使用其特征在于間距的光學(xué)傳感元件陣列，響應(yīng)于入射到元件上的光學(xué)輻射而生成信號(hào)；以及 利用物鏡系統(tǒng)，將來(lái)自物體的光學(xué)輻射聚焦到陣列上，形成點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)的寬度大于兩倍的陣列間距的光學(xué)圖像，其中該物鏡系統(tǒng)具有一條光軸，并特征在于關(guān)于該光軸圓柱對(duì)稱。
在公開(kāi)的實(shí)施例中，該方法包括響應(yīng)于PSF處理來(lái)自陣列的信號(hào)，以生成物體的電子圖像，同時(shí)降低電子圖像的模糊程度。通常地，來(lái)自陣列的信號(hào)對(duì)應(yīng)于輸入圖像，其中該圖像包括各自具有像素值的像素，而信號(hào)的處理包括基于PSF，將去卷積濾波器應(yīng)用于輸入圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，去卷積濾波器的應(yīng)用包括響應(yīng)物體和陣列之間焦點(diǎn)關(guān)系的改變，修改去卷積濾波器。例如，去卷積濾波器的修改可以包括，當(dāng)物體與物鏡系統(tǒng)的間距小于預(yù)定的最小間距時(shí)，選擇一個(gè)微距去卷積濾波器。
依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步提供圖像處理的方法，包括 在光探測(cè)元件陣列中識(shí)別一個(gè)或多個(gè)壞元； 利用陣列采集物體的模糊輸入圖像，該圖像的特征在于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)； 響應(yīng)于PSF，修改模糊輸入圖像中壞元附近的像素值，以生成校正的模糊圖像，同時(shí)減少由壞元造成的贗像的傳播；以及 基于PSF，將去卷積濾波器應(yīng)用于校正的模糊圖像，以生成復(fù)原圖像。
通常，該方法包括對(duì)復(fù)原圖像中壞元附近的像素值執(zhí)行反復(fù)修改，以生成新的模糊圖像，并將去卷積濾波器應(yīng)用于新的模糊圖像，以生成新的復(fù)原圖像。
在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例中，該方法包括圍繞該輸入圖像加入一個(gè)啞員像素框，其中該啞員像素視為與壞元相關(guān)的像素類似，用于生成校正的模糊圖像以及產(chǎn)生復(fù)原圖像。
在一些實(shí)施例中，像素值的修改包括確定代替值，響應(yīng)PSF，取代損壞像素附近的像素值。在其中一個(gè)實(shí)施例中，代替值的確定包括使用校正映射M[X]設(shè)定代替值，其中M[X]的形式基本上由

給定，其中X為像素坐標(biāo)，M′[X]為卷積映射，其由PSF的共軛與壞元的映射卷積給定。
另外地或可選擇地，一個(gè)或多個(gè)壞元的識(shí)別包括確定像素值之間的差值，并將該差值與基于PSF的最大差值進(jìn)行比較。
通過(guò)下列對(duì)本發(fā)明的一些實(shí)施例的詳細(xì)描述，并結(jié)合附圖，將能更徹底地理解本發(fā)明


圖1A為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的無(wú)透鏡相機(jī)的側(cè)視圖； 圖1B為圖1A的相機(jī)的詳細(xì)示圖，說(shuō)明相機(jī)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)； 圖2為圖1A中的相機(jī)的詳細(xì)示圖，依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，說(shuō)明光學(xué)變焦操作； 圖3為依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的相機(jī)的側(cè)視圖； 圖4為用于圖3中相機(jī)的傳感器陣列像平面中的像素矩陣的前視圖； 圖5為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，示意性地說(shuō)明電子成像相機(jī)采集的圖像中的損壞像素的識(shí)別方法的流程圖； 圖6為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，示意性地說(shuō)明消除圖像模糊的方法的流程圖； 圖7為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，示意性地說(shuō)明光學(xué)設(shè)計(jì)方法的流程圖； 圖8為示意性地說(shuō)明計(jì)算圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方法的流程圖，與圖7中的方法相關(guān)聯(lián)使用； 圖9為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，利用圖7中的方法設(shè)計(jì)的物鏡系統(tǒng)的側(cè)視圖； 圖10A和10B為圖9所示的物鏡系統(tǒng)的PSF的示意圖； 圖11A和11B為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，用于為由圖9中的光學(xué)器件形成的圖像消除模糊的去卷積濾波器(DCF)內(nèi)核的示意圖；以及 圖12A和12B為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)使用圖11A和11B中說(shuō)明的DCF消除圖像模糊而得到的增強(qiáng)PSF的示意圖。

具體實(shí)施例方式 定義 以下為用于本專利申請(qǐng)和權(quán)利要求中的技術(shù)術(shù)語(yǔ)的非窮舉列表。盡管在這里是依照與本領(lǐng)域技術(shù)術(shù)語(yǔ)相一致的普通意義來(lái)使用這些術(shù)語(yǔ)，但為便于讀者理解下列描述和權(quán)利要求，還是將它們列在下面。
●探測(cè)器陣列的間距是指陣列元件之間的中心點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離。
●圓柱對(duì)稱描述諸如一個(gè)簡(jiǎn)單透鏡或合成透鏡的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有一條光軸，使得在繞該光軸以任何及所有旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)時(shí)，該結(jié)構(gòu)保持不變。
●點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)，這里用h表示，是空間域內(nèi)光學(xué)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，也就是，暗背景下亮點(diǎn)物體系統(tǒng)形成的圖像。
●PSF的寬度為PSF的半幅全寬(FWHM)。
●光學(xué)變換函數(shù)(0TF)為PSF向頻域的二維傅立葉變換。因?yàn)镻SF可以容易地變換為OTF，且反之亦然，所以對(duì)于本發(fā)明，OTF的計(jì)算視為等于PSF的計(jì)算。
●光學(xué)輻射是指在光譜的任何可見(jiàn)、紅外和紫外區(qū)域內(nèi)的電磁輻射。
消除相機(jī)圖像的模糊 圖1A為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電子成像相機(jī)20的側(cè)視圖。相機(jī)20包括圖像傳感陣列22，例如CCD或CMOS圖像傳感器，本領(lǐng)域所公知的，該陣列包括探測(cè)器元件矩陣24。通常為可見(jiàn)光的來(lái)自物體的光學(xué)輻射，通過(guò)孔徑26入射到陣列22上，該孔徑作為相機(jī)的物鏡系統(tǒng)。像下面描述的那樣，為了光學(xué)變焦操作，操作移動(dòng)器件28，將陣列22向孔徑26平移或?qū)⑵淦揭七h(yuǎn)離孔徑26。可選擇地，移動(dòng)器件可以平移孔徑26，而不是陣列22，或者一并平移該孔徑和該陣列。
圖1B為孔徑26和陣列22的詳細(xì)示圖。在傳統(tǒng)電子成像相機(jī)中，利用透鏡將物體圖像聚焦到傳感器陣列，以生成清晰圖像，其中物體上的每個(gè)點(diǎn)都成像到傳感器平面的一個(gè)點(diǎn)上。然而，在相機(jī)20中，基本上沒(méi)有使用物鏡，所以入射到陣列22上的圖像必然是模糊的。物體上的點(diǎn)40發(fā)射的光將通過(guò)孔徑26，在陣列22上形成光斑42。為了概念上的簡(jiǎn)易(忽略衍射和其他光學(xué)效應(yīng))，由于物體點(diǎn)40到孔徑26的距離遠(yuǎn)大于陣列22到孔徑的距離，可以知道光斑42的尺寸近似等于孔徑26的直徑。代表性地，孔徑直徑基本上大于陣列22的間距，例如，孔徑直徑為間距的兩倍或四倍，甚至更大。因而，光斑42覆蓋至少由多個(gè)相互相鄰像素組成的像素組?？梢灶愃频牡弥纬捎陉嚵?2之上的圖像的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)具有其寬度近似等于孔徑26的直徑的特性。
現(xiàn)在回到圖1A，圖像處理器30處理由陣列22生成的模糊輸入圖像，以產(chǎn)生復(fù)原輸出圖像32。圖像處理器30代表性地包括一個(gè)或多個(gè)專用集成電路芯片，這些芯片包含在相機(jī)20的內(nèi)部?？蛇x擇地或另外地，圖像處理器可以包括具有適當(dāng)軟件的可編程處理器，且可以放置在相機(jī)內(nèi)部或外部，也就是，該處理器可以在單獨(dú)的計(jì)算機(jī)內(nèi)，將來(lái)自相機(jī)的圖像載入該計(jì)算機(jī)中。處理器30不僅可以用于無(wú)透鏡相機(jī)20中，也可以經(jīng)過(guò)必要的修正，作為集成組件或附加元件，用于其他類型的數(shù)字相機(jī)和其他成像器件中。例如，輸出圖像32可以顯示在視頻顯示器34上，或可以選擇性地打印或存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。
圖2為孔徑26和陣列22的詳細(xì)示圖，依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，說(shuō)明相機(jī)20的光學(xué)變焦操作。圖中，移動(dòng)器件28(圖1)推動(dòng)陣列22沿水平軸左/右移動(dòng)，靠近或遠(yuǎn)離孔徑26。當(dāng)陣列離孔徑相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，陣列在相對(duì)較窄的視場(chǎng)內(nèi)接收來(lái)自物體的光，視場(chǎng)角半寬度為α。當(dāng)陣列朝著孔徑26向前移動(dòng)到以22’標(biāo)記的位置時(shí)，它看到更廣的視場(chǎng)，視場(chǎng)角半寬度為α’。該效果等同于傳統(tǒng)相機(jī)中移動(dòng)物鏡(或透鏡組)而得到的光學(xué)變焦效果。
圖3為依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的電子成像相機(jī)44的側(cè)視圖。相機(jī)44除了包括折射式物鏡系統(tǒng)46外，在構(gòu)造和操作上與如上所述的相機(jī)20類似，其中該折射式物鏡系統(tǒng)通常由一個(gè)或多個(gè)透鏡組成。在相機(jī)的光路中也可以存在一個(gè)或多個(gè)濾波器48，例如阻紅外濾波器。代表性地，為了降低制造成本，光學(xué)器件46包括相對(duì)較少的折射元件，其中這些元件是以相對(duì)寬松的公差設(shè)計(jì)的。作為結(jié)果，光學(xué)系統(tǒng)的PSF的寬度基本上大于陣列22的間距。代表性地，為了放松對(duì)光學(xué)器件46的設(shè)計(jì)約束，并因此降低相機(jī)44的成本，PSF寬度至少是間距的兩倍，也可以大于間距的三倍，或者甚至大于間距的四倍。注意到，如果物體距離或相機(jī)的放大倍率(變焦)發(fā)生變化，PSF可能改變。(在此情況下，PSF的改變比圖2中說(shuō)明的簡(jiǎn)單的變焦功能要復(fù)雜。)可以為處理器30編寫(xiě)程序以補(bǔ)償此類變化。
在從模糊圖像中第一次消除噪聲之后，圖像處理器30通過(guò)將去卷積濾波器(DCF)應(yīng)用于圖像，為相機(jī)20或44的輸出圖像消除模糊。DCF可以視作與復(fù)雜的PSF h成有規(guī)則的反比，例如 其中ε為較小的常數(shù)。處理器30采用的處理方法在上述美國(guó)專利申請(qǐng)09/778,849中詳細(xì)描述。
該申請(qǐng)中進(jìn)一步描述了技術(shù)細(xì)節(jié)，這在下文中更詳細(xì)地描述，其中該技術(shù)細(xì)節(jié)可以被處理器30利用。例如，因?yàn)镻SF h可以在相機(jī)的像場(chǎng)上變化，可以將消除模糊的過(guò)程單獨(dú)應(yīng)用于不同的圖像片斷中，代表性地在每個(gè)片斷中采用不同的DCF。接著消除模糊的片斷組合在一起生成最終的復(fù)原圖像。使用DCF消除圖像模糊的方法是一種圖像復(fù)原方法，該方法應(yīng)用于文中描述的本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。DCF可以應(yīng)用于空域或頻域中。在閱讀上述美國(guó)專利申請(qǐng)和本專利申請(qǐng)的基礎(chǔ)上，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，圖像復(fù)原的等價(jià)的、可選擇的技術(shù)將會(huì)變得顯而易見(jiàn)，且其被視為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
圖4為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，由于相機(jī)20或44中處理器30執(zhí)行的處理，由陣列22捕捉的像素54的矩陣50的前視圖。矩陣50包括由像素54組成的圖像區(qū)域22，其大小對(duì)應(yīng)于陣列22的相應(yīng)組元24輸出的信號(hào)。在陣列22的操作范圍內(nèi)，對(duì)于絕大部分，信號(hào)(以及因此的像素值)以固定的比例，與入射到相應(yīng)探測(cè)器元件的光強(qiáng)度成比例。然而，對(duì)于一些像素，例如不正常像素56，其比例偏離正常比例，得到了比預(yù)期更高或更低的靈敏度。其他像素，例如有缺陷的像素57，因?yàn)殛嚵?2的相應(yīng)組元24為異常噪聲，或因?yàn)樗鼈儗?duì)光的靈敏度很低(或沒(méi)有靈敏度)，可能提供無(wú)用輸出。此類有缺陷的像素在這里稱為損壞像素。注意到圖像中的“損壞像素”也可能來(lái)源于圖像中過(guò)度感光或感光不足的像素，例如圖像中的“熱區(qū)”或“黑區(qū)”，而相鄰的損壞像素組成的像素組可能導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)損壞區(qū)。
光斑42為相機(jī)的物平面上的點(diǎn)光源的有效圖像。由相機(jī)的PSF造成的模糊，以圖4所示的斑點(diǎn)42作為例證，在效果上等同于圖像的低通濾波器，所以每個(gè)像素值與其相鄰像素值有效地進(jìn)行平均。因此，PSF為相鄰像素值之間可能出現(xiàn)的差值加上了限制，該限制基本上小于陣列22的全動(dòng)態(tài)范圍(例如，255∶1)。超過(guò)該限制的相鄰像素之間的差值表示陣列的組元24中由不正常像素或損壞像素造成的缺陷。
圖5為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，示意性說(shuō)明識(shí)別此類損壞像素和不正常像素的方法的流程圖。以下參考相機(jī)44描述該方法，盡管它也可以類似地應(yīng)用于相機(jī)20或其他類型的電子成像器件中。作為該方法的起點(diǎn)，在60處確定適用的PSF?？梢岳帽绢I(lǐng)域公知的光學(xué)方法測(cè)量該P(yáng)SF，或者可選擇地，可以基于光學(xué)器件46的已知特性，以及陣列22和相機(jī)20的其他顯著特性計(jì)算該P(yáng)SF。在62處，該P(yáng)SF用于確定相鄰像素之間允許的最大差值。例如，可以通過(guò)在物平面中亮暗特性之間的最大對(duì)比度的清晰邊緣區(qū)域內(nèi)，計(jì)算受已知PSF約束的相鄰像素的大小。
在64處，為了收集圖像統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在測(cè)試模式下操作相機(jī)44。在該測(cè)試模式中，例如，相機(jī)可以掃描不同的圖像類型和區(qū)域，并可以收集相應(yīng)圖像的序列?？蛇x擇地，可以在相機(jī)的正常操作期內(nèi)收集圖像統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在66處，為了識(shí)別與鄰接像素不相容的像素，接著比較圖像序列中相鄰像素的大小。在68處，依靠給定像素及其相鄰像素之間的偏離模式，識(shí)別兩種類型的不相容性 ●穩(wěn)定偏離，偏離像素56的特征在于給定像素的平均值比其相鄰像素高或低一個(gè)穩(wěn)定比例因子。在此情況下，在70處，處理器30確定校準(zhǔn)因子，應(yīng)用于陣列22輸出的像素值中，以調(diào)整相應(yīng)探測(cè)器組元24的偏離靈敏度。
●無(wú)穩(wěn)定比例因子的偏離，損壞像素57的特征在于無(wú)法提供有用信息。在72處，處理器30標(biāo)注出這些像素，用于特殊處理。以下參考圖6描述處理器30對(duì)這些損壞像素的處理。
該方法處理?yè)p壞像素和不正常像素的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它允許相機(jī)44使用不正常和/或有缺陷的組元24的數(shù)量相對(duì)較大的陣列22，同時(shí)仍然生成高質(zhì)量的圖像。
對(duì)于處理器30，也可以識(shí)別和補(bǔ)償特殊圖像中沒(méi)有固有缺陷，但給出“損壞”輸出信號(hào)的像素。例如，當(dāng)相機(jī)捕捉具有過(guò)亮光點(diǎn)的場(chǎng)景時(shí)，可以使圖像中相應(yīng)的像素達(dá)到飽和，并可以使該飽和度擴(kuò)展到相鄰像素。在消除圖像模糊之前，處理器30可以識(shí)別這些效應(yīng)，并可以將出現(xiàn)效應(yīng)處的像素加入到處理器當(dāng)前的損壞像素圖中。
圖6為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，示意性說(shuō)明處理器30采用的生成去模糊輸出圖像32的方法的流程圖。在80處，如上所述，除其他因素外，該方法基于創(chuàng)建如上所述的損壞像素的映射D[x]。這里x為空間(像素)域內(nèi)的廣義矢量坐標(biāo)。損壞像素的D[x]值為0，其他的為1。
在82處，為實(shí)現(xiàn)此方法，通過(guò)對(duì)映射D和共軛PSF h*進(jìn)行卷積，創(chuàng)建損壞像素的“模糊”映射。在空間頻率域內(nèi)，給定該卷積映射的傅立葉變換為 其中

和

分別為PSF和損壞像素映射的傅立葉變換，而q為變換(頻率)域內(nèi)的廣義矢量坐標(biāo)。通過(guò)將M’再次變換到空間域并進(jìn)行設(shè)置，可以確定新的校正映射M 可選擇地，可以在空間域內(nèi)計(jì)算M’，而不是通過(guò)傅立葉變換來(lái)回變換映射。
注意到在損壞像素附近，卷積映射數(shù)值M’[x]可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，因此相應(yīng)的校正映射數(shù)值M[x]可能非常大。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，按照以下描述的方式，在可靠的重建具有最少贗像的正確圖像方面，此類校正圖的使用，具有比傳統(tǒng)插值法好得多的效果。除其他因素外，這些贗像來(lái)源于PSF的非本地化特性，以及必須用來(lái)補(bǔ)償它使用的DCF的非本地化特性。當(dāng)使用簡(jiǎn)單的插值法平滑損壞像素區(qū)域時(shí)，作為結(jié)果的圖像通常被顯而易見(jiàn)的贗像模糊化(至少在一個(gè)插值區(qū)內(nèi))或破壞。另一方面，本發(fā)明的一些實(shí)施例提供的校正映射，取代損壞像素值，同時(shí)保留周圍完好像素的基本空間頻率結(jié)構(gòu)。因而，基本上減少了贗像從損壞像素向其鄰近像素的傳播。可選擇地，使用形式上與方程式(3)中定義的公式相同的其他公式，也可以確定校正映射，盡管它們?cè)诖鷶?shù)形式上有區(qū)別。此類可選擇公式被視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在任何情況下，文中描述的損壞像素替換技術(shù)允許陣列22包括相對(duì)較大數(shù)量的損壞像素，而基本上不會(huì)在相機(jī)輸出圖像的不利效應(yīng)。因而，通過(guò)使用便宜的、低質(zhì)量的具有相對(duì)較大數(shù)量的損壞像素的陣列，可以降低相機(jī)的成本。
在84處，處理器30接收到來(lái)自陣列22的輸入圖像(被光學(xué)器件46的PSF模糊)。該圖像在80中標(biāo)注的位置處包括損壞像素。在86處，處理器用預(yù)估的正確數(shù)值取代損壞像素值。例如，通過(guò)對(duì)相鄰?fù)旰孟袼刂祵?shí)行插值法，可以確定這些預(yù)估數(shù)值。除了必須通過(guò)70處確定的校準(zhǔn)因子(圖5)調(diào)整其數(shù)值外，圖像中的完好像素保持不變。
另外，在86處，處理器30在圖像區(qū)52的邊緣加上框58。該框的作用是提供應(yīng)用在消除圖像模糊中的傅立葉變換的固有周期。例如，框58的寬度近似等于PSF的半徑。為了實(shí)現(xiàn)圖6中的方法，框58中的像素視為“損壞”像素。通過(guò)在區(qū)域52的相鄰右邊緣和左邊緣的“完好”像素，或下邊緣和上邊緣的“完好”像素的數(shù)值之間執(zhí)行插值，獲得這些像素的初始值。因而，框像素為圖像加入周期結(jié)構(gòu)，用于在空間域和變換域之間變換圖像時(shí)，抑制可能由圖像邊緣引入的贗像。
在86處獲得的經(jīng)校正的、加上框的模糊圖像與DCF進(jìn)行卷積(方程式1)，在88處生成初始去模糊圖像r0。形式上的簡(jiǎn)化式子為，r0[x]＝DCF*B0[x]，其中運(yùn)算符“*”表示卷積。實(shí)際上，是在傅立葉變換域內(nèi)，通常伴隨著減噪步驟執(zhí)行該運(yùn)算，正如上述美國(guó)專利申請(qǐng)09/778,849中描述的那樣。
接著在90處，處理器30估計(jì)r0，以確定為了改善圖像質(zhì)量，是否希望有附加的處理。90處該決定的基礎(chǔ)可以是已過(guò)去的處理時(shí)間，或已執(zhí)行的迭代次數(shù)，或者是對(duì)圖像質(zhì)量的測(cè)量。進(jìn)一步在下面描述該決定標(biāo)準(zhǔn)。在92處，如果處理器30確定已經(jīng)完成當(dāng)前圖像的處理，輸出圖像，并終止處理。通常，在輸出圖像之前刪除框58?？蛇x擇地，在輸出圖像中移除框的一部分或全部，因?yàn)樗赡馨瑘D像的標(biāo)稱視場(chǎng)之外的信息(由于相機(jī)的較大PSF)。
可選擇地，為了生成更清晰的、更精確的物體圖像，處理器30可以繼續(xù)迭代處理當(dāng)前圖像。為此目的，在94處，來(lái)自前述迭代處理的模糊圖像Bi[x](初始為B0)和去模糊圖像ri[x](初始為r0)，用于創(chuàng)建新的具有更好的損壞像素值的模糊圖像Bi+1[x] Bi+1[x]＝(h*ri[x])(1-D[x])+D[x]Bi[x] (4) 換句話說(shuō)，之前的去模糊圖像與PSF進(jìn)行卷積，而損壞像素映射D用于替換Bi+1中獲得的損壞像素位置處的像素值。Bi中的完好像素值保持不變。
在96處，新的模糊圖像Bi+1，具有改善的損壞像素值，用于創(chuàng)建改善的去模糊圖像ri+1。ri+1中的像素值可以表示為以下形式 ri+1[x]＝DCF*Bi+1[x]+M[x]h*[x]*[(Bi[x]-h*ri[x])D[x]](5) 這里，通過(guò)將方程式(5)的各項(xiàng)變換到傅立葉變換域，相乘，接著再變換回空間域，通常執(zhí)行卷積運(yùn)算，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員這一點(diǎn)顯而易見(jiàn)。第一項(xiàng)ri+1簡(jiǎn)單地表示，通過(guò)DCF為新的模糊圖像Bi+1消除模糊。加入第二項(xiàng)是為了消除新的去模糊圖像中預(yù)估損壞像素值對(duì)完好像素值的影響。該項(xiàng)使用源于82處的修正映射數(shù)值，正如方程式(3)表達(dá)的那樣。在每次迭代中，該項(xiàng)為由其操作的像素生成新的像素值，以更為確切地復(fù)原正確圖像的精確空間頻率結(jié)構(gòu)。
在這一點(diǎn)上，在90處，處理器30再次估計(jì)去模糊圖像的質(zhì)量和/或已過(guò)去的處理時(shí)間或迭代次數(shù)，并決定是終止計(jì)算，還是繼續(xù)下一次迭代。以這種方式，可以不確定地持續(xù)迭代，直到圖像最終從92處輸出。
另外，在存儲(chǔ)和/或顯示最終圖像前，在92處可以進(jìn)一步應(yīng)用圖像增強(qiáng)運(yùn)算。該進(jìn)一步的運(yùn)算通常直接降低圖像中的噪聲和/或消除贗像。例如，可以應(yīng)用平滑濾波器降低噪聲。為了保持邊緣對(duì)比度，可以確定本地圖像梯度，并可以在與本地梯度正交的方向上應(yīng)用一維的平滑濾波器。
比如另一個(gè)實(shí)例，可以在這一階段消除“幻影邊緣(ghost edge)”，圖像中的實(shí)際銳利邊緣附近，該“幻影邊緣”有時(shí)作為贗像出現(xiàn)。為此目的，通過(guò)平滑去模糊圖像，創(chuàng)建邊緣圖像，同時(shí)保留圖像中實(shí)際的固定邊緣。該邊緣圖像視為沒(méi)有贗像(盡管除了堅(jiān)固的邊緣外缺少所有細(xì)節(jié))。將模糊和復(fù)原操作應(yīng)用于該邊緣圖像，導(dǎo)致幻影邊緣的出現(xiàn)。從之后的圖像中減去沒(méi)有贗像的邊緣圖像，給出只包含幻影邊緣現(xiàn)象(印記)的圖像?，F(xiàn)在可以從初始去模糊圖像中減去幻影邊緣的印記，以消除贗像。
可選擇地或另外地，在92處也可以采用其他用于增強(qiáng)圖像和減少贗像的方法。經(jīng)過(guò)必要的修正，處理器30采用的通常方法，描述于美國(guó)專利4,691,366、5,751,861和6,094,467中，其中以參照方式將這些專利的公開(kāi)內(nèi)容引入于此。
用于圖像復(fù)原的優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì) 圖7為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，示意性地說(shuō)明適用于具有消除模糊函數(shù)的數(shù)字相機(jī)中的光學(xué)設(shè)計(jì)方法。該方法利用處理器30采用的圖像復(fù)原函數(shù)的預(yù)見(jiàn)性，以生成優(yōu)化該功能的光學(xué)設(shè)計(jì)。在生成初始光學(xué)設(shè)計(jì)后，計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)PSF，并將其用于確定增強(qiáng)PSF，其中通過(guò)在根據(jù)該設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)生成的圖像中，應(yīng)用消除模糊函數(shù)，而獲得增強(qiáng)PSF。同時(shí)基于該光學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算響應(yīng)矩陣，指明設(shè)計(jì)中的變化對(duì)增強(qiáng)PSF的影響。接著基于響應(yīng)矩陣修改光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在圖像復(fù)原之后給出具有更好的增強(qiáng)PSF的新設(shè)計(jì)。將這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行以連續(xù)給出更好的設(shè)計(jì)。在本領(lǐng)域內(nèi)公知的，盡管以下是參考相機(jī)44以及圖5中的去模糊方法來(lái)描述圖7的方法，但是它也可以類似地應(yīng)用于其他相機(jī)和其他類型的電子成像系統(tǒng)，包括使用其他用于圖像復(fù)原的算法的系統(tǒng)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖7的方法的詳細(xì)介紹，在形成光學(xué)設(shè)計(jì)之前，在100處，作為初始階段，可以定義像差分?jǐn)?shù)，用于光學(xué)設(shè)計(jì)中。該階段不是強(qiáng)制性的，但是對(duì)于獲得下面描述的迭代設(shè)計(jì)方法的更快速的迭代收斂，它是很有用的。為每個(gè)可能具有光學(xué)器件46的特性的重要像差分配品質(zhì)函數(shù)。為此目的，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，本領(lǐng)域內(nèi)公知的，對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的紅色、綠色和藍(lán)色，根據(jù)澤尼克多項(xiàng)式表示像差是最為方便的。例如，通過(guò)Born和Wolf所著的《光學(xué)原理》第四版(Pergamon出版社，1970年)第9.2節(jié)第464至467頁(yè)，描述了澤尼克多項(xiàng)式，將其作為參考引用于此。光學(xué)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，例如

(California，San Diego的ZEMAXDevelopment公司生產(chǎn))，能夠充分計(jì)算由它們生成的任何設(shè)計(jì)中的澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)。在100處，可以以表格形式提供品質(zhì)函數(shù)的數(shù)值。下面會(huì)參考圖8描述這些數(shù)值的生成。
在102處，生成初始的光學(xué)設(shè)計(jì)。通常使用運(yùn)行于合適的計(jì)算機(jī)工作站之上的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，生成該設(shè)計(jì)。該軟件可以以電子形式下載到工作站，或者可選擇地提供于有形介質(zhì)中，例如CD-ROM或DVD。光學(xué)設(shè)計(jì)軟件可以包括不用定制的軟件包，例如上述ZEMAX軟件，并配有附加的程序部分以執(zhí)行這里描述的優(yōu)化功能。軟件接受對(duì)光學(xué)器件46施加的系統(tǒng)要求作為輸入，例如光學(xué)元件的數(shù)量、原料、公差、焦距、放大倍率、孔徑(F數(shù))以及分辨率。如以上注意到的，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的PSF表示的光學(xué)分辨率，通常地給出充分大于陣列22的間距的焦斑尺寸。通過(guò)消除模糊，提高整個(gè)系統(tǒng)的分辨率。
光學(xué)設(shè)計(jì)軟件可以利用100處提供的像差分?jǐn)?shù)來(lái)確定設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)，設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)是接收了所有設(shè)計(jì)像差后的總體品質(zhì)分?jǐn)?shù)。設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)表示如何交替使用一個(gè)又一個(gè)像差，以生成初始設(shè)計(jì)，使受制于上述光學(xué)要求的總體品質(zhì)分?jǐn)?shù)最大化。作為以此方式利用品質(zhì)分?jǐn)?shù)的結(jié)果，在102處生成的光學(xué)設(shè)計(jì)可能不會(huì)給出陣列22形成的圖像中的最小總體模糊程度。然而，光學(xué)圖像的特征在于像差的組合，即可以通過(guò)處理器30通常地消除圖像模糊，給出更高質(zhì)量的電子輸出圖像。
在104處，光學(xué)設(shè)計(jì)軟件同時(shí)用于生成設(shè)計(jì)變更響應(yīng)矩陣。該矩陣反映，光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)的微小變動(dòng)，將會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)的不同像差。例如，可以改變的光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)包括不同透鏡表面的曲率，以及透鏡的厚度和間距。該矩陣為多維梯度型，具有條目(i，j)，表示比率
在106處，光學(xué)設(shè)計(jì)也用于計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的PSF以及相關(guān)圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)S。從總體波陣面像差，獲得像平面中任意點(diǎn)的總體像差——且因此獲得PSF，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)澤尼克多項(xiàng)式數(shù)值的求和計(jì)算總體波陣面像差。如以上注意到的，澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)通常作為諸如上述ZEMAX的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)設(shè)計(jì)程序的輸出使用。106處計(jì)算的圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常合并PSF對(duì)圖像分辨率和圖像中贗像的影響，并反映處理器30使用選定圖像復(fù)原(消除模糊)算法補(bǔ)償這些影響的能力。通常，PSF隨波長(zhǎng)變化，而且在整個(gè)像平面內(nèi)是非均勻的。因此，通常通過(guò)加權(quán)平均，可以在像平面的多個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)(field point)計(jì)算分辨率和贗像分?jǐn)?shù)，并將其合并。下面會(huì)參考圖8描述計(jì)算圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)S的通常方法。
在108處，確定像差的微小變化對(duì)圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。在這個(gè)階段，對(duì)每個(gè)像差進(jìn)行微小改變，并計(jì)算因此產(chǎn)生的圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。該運(yùn)算給出分?jǐn)?shù)梯度Aj＝ΔS/Δ(aberration[j])。
接著在110處，合并104和108的結(jié)果，以確定最佳變化量，該最佳變化量應(yīng)該應(yīng)用于一個(gè)或多個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)中以增加S值。利用響應(yīng)矩陣R和分?jǐn)?shù)梯度矢量A，其中在上面定義了它們的組元Rji和Aj，光學(xué)設(shè)計(jì)變更矢量ΔO給定為 ΔO＝(RtR)-1·RtA(6) 其中Rt為R的赫米特(Hermitian)轉(zhuǎn)置。每個(gè)ΔO元素指明應(yīng)該對(duì)當(dāng)前光學(xué)設(shè)計(jì)的一個(gè)或多個(gè)可變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)做出的改變，正如102處生成的那樣。
在112處，將ΔO指明的設(shè)計(jì)變更的量級(jí)和預(yù)定公差閾值進(jìn)行比較?？梢匀我庠O(shè)定公差閾值，但是通常地，它是由為相機(jī)44和光學(xué)器件46指定的制造公差確定的。例如，如果光學(xué)系統(tǒng)中兩個(gè)透鏡的間距指定為精確到0.2mm之內(nèi)，ΔO可以指定對(duì)設(shè)計(jì)間距執(zhí)行0.1mm的微小改變。在114處，如果ΔO的元素全部小于適用的公差閾值，設(shè)計(jì)循環(huán)完成，并可以為生成過(guò)程輸出設(shè)計(jì)結(jié)果。
可選擇地，只要在112處發(fā)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)ΔO的元素超過(guò)公差閾值，設(shè)計(jì)流程就返回到102，以生成修正的光學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)110處計(jì)算的設(shè)計(jì)變量ΔO。如上所述，重復(fù)104至110的操作。該重復(fù)過(guò)程可以持續(xù)下去，直到在112處發(fā)現(xiàn)ΔO的所有元素都小于使用閾值，或直到發(fā)生了確定的最大重復(fù)次數(shù)的操作，或直到滿足其他標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)組合。
圖8為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，詳細(xì)示出106處執(zhí)行的分?jǐn)?shù)計(jì)算方法。如以上注意到的，通過(guò)計(jì)算和合并分辨率分?jǐn)?shù)和贗像分?jǐn)?shù)確定圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)?？梢栽谝晥?chǎng)中的多個(gè)點(diǎn)上或在多個(gè)不同波長(zhǎng)處計(jì)算單獨(dú)的分?jǐn)?shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，在沿X軸正向的九個(gè)點(diǎn)上，并在三個(gè)不同波長(zhǎng)處的每個(gè)上(紅、綠和藍(lán))計(jì)算分?jǐn)?shù)。因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)為圓柱對(duì)稱，X軸正向上的光學(xué)特性就足夠代表整個(gè)視場(chǎng)的特性。
在120處，為了確定分辨率分?jǐn)?shù)，為每個(gè)選定視場(chǎng)點(diǎn)的每個(gè)波長(zhǎng)確定單獨(dú)的X向和Y向分辨率分?jǐn)?shù)，SxRes和SyRes。由于視場(chǎng)點(diǎn)沿X軸，SxRes表示切向平面的分辨率，同時(shí)SyRes表示徑向平面的分辨率。在一個(gè)代表性的實(shí)施例中，以如下方式計(jì)算每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)和波長(zhǎng)處的分?jǐn)?shù) 1.基于像差計(jì)算PSF，通常使用如上所述的澤尼克多項(xiàng)式表示法。
2.PSF與陣列22的間距成比例。
3.PSF用于生成典型圖像。通常地，通過(guò)模糊化理想圖像創(chuàng)建該典型圖像，其中除了在原點(diǎn)(當(dāng)前視場(chǎng)點(diǎn))處的像素值為1外，該理想圖像所有位置的像素值為零。換句話說(shuō)，I(x，y)＝δx，y，其中I(x，y)為圖像像素陣列，x，y為整型像素坐標(biāo)，而δx，y為科洛內(nèi)克(Kronecker)三角函數(shù)。可選擇地，可以利用其他類型的典型圖像，例如線型圖像或柵格圖像。
4.如上所述，利用去卷積濾波器DCF(h)消除該典型圖像的模糊，以生成復(fù)原圖像r(x，y)。這里h為用于生成DCF的PSF。在此階段可以選擇使用多種去卷積濾波器。例如，h可以是為特殊視場(chǎng)點(diǎn)和波長(zhǎng)而計(jì)算出的本地PSF，且利用以上方程式(1)給定的公式，基于此本地PSF計(jì)算DCF?？蛇x擇地，單一的優(yōu)化DCF可以用于所有視場(chǎng)點(diǎn)和波長(zhǎng)。隨后處理器30可以應(yīng)用相同的優(yōu)化DCF，為相機(jī)44生成的圖像消除模糊。下面會(huì)描述計(jì)算優(yōu)化DCF的通常的方法。
5.通過(guò)應(yīng)用二維傅立葉變換，將復(fù)原圖像r(x，y)變換到空間頻率域內(nèi)，給出轉(zhuǎn)換的圖像

其中(p，q)分別為X向和Y向的空間頻率坐標(biāo)。
6.由X向階躍函數(shù)的斜率確定X向的分?jǐn)?shù)，其中該階躍函數(shù)被模糊并復(fù)原，如變換的圖像給定的

這里pMAX為X向的耐奎斯特頻率。
7.類似地，由Y向階躍函數(shù)的斜率確定Y向的分?jǐn)?shù)，其中該階躍函數(shù)被模糊并復(fù)原

在此情況下，qMAX為Y向的耐奎斯特頻率。
在124處，合并所有選定視場(chǎng)點(diǎn)處的X向和Y向的單個(gè)分辨率分?jǐn)?shù)，給出一個(gè)總的分辨率分?jǐn)?shù)。通常地，加權(quán)平均的方式是為了把重點(diǎn)更多地放在損壞(低)的單個(gè)分辨率分?jǐn)?shù)上。例如，總分辨率分?jǐn)?shù)可以是單個(gè)分辨率分?jǐn)?shù)的倒數(shù)的指數(shù)的乘積(見(jiàn)下面的方程式(7))。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，用于加權(quán)平均的選擇性的機(jī)構(gòu)是顯而易見(jiàn)的。作為進(jìn)一步可選擇的，總體分?jǐn)?shù)可以簡(jiǎn)單地設(shè)定為單個(gè)分?jǐn)?shù)的最差值。
在122處，類似地計(jì)算每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)和波長(zhǎng)處的單個(gè)贗像分?jǐn)?shù)，SxArt和SyArt?？梢园聪铝蟹绞接?jì)算單個(gè)分?jǐn)?shù) 1.通過(guò)將線性傅立葉變換應(yīng)用于

確定DCF產(chǎn)生的贗像在X向的寬度，給出空間域函數(shù)Rx1D(x)。通常地，該函數(shù)具有由旁瓣包圍中央峰值的特性。贗像在X向的寬度Wx，由原點(diǎn)到最高階旁瓣的外邊界的距離給定

其中εArt為某個(gè)閾值，通常地為1％量級(jí)。
2.通過(guò)確定最高階旁瓣的內(nèi)邊界

并接著確定邊界外部的最大幅值

確定DCF產(chǎn)生的贗像的幅值。
3.X向的贗像分?jǐn)?shù)由乘積給定
以類似方式計(jì)算Y向的贗像分?jǐn)?shù)。
在126處，通過(guò)合并單個(gè)分?jǐn)?shù)計(jì)算總體贗像分?jǐn)?shù)，通常地作為加權(quán)平均數(shù)。在此情況下，權(quán)重通常地強(qiáng)調(diào)更高的單個(gè)分?jǐn)?shù)，這些分?jǐn)?shù)指向更嚴(yán)重的贗像?？蛇x擇地，類似于124處，總體贗像分?jǐn)?shù)可以設(shè)定為等于單個(gè)分?jǐn)?shù)的最差值。接著在128處，將總體圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)S確定為分辨率分?jǐn)?shù)和贗像分?jǐn)?shù)的平均值。例如，下面的方程式(7)合并了124、126和128的運(yùn)算 這里，總和包括了所有視場(chǎng)點(diǎn)f和波長(zhǎng)ω。λ為源于經(jīng)驗(yàn)的常數(shù)，可以依靠系統(tǒng)要求選擇該常數(shù)，以將更多的重點(diǎn)放在提高輸出圖像的分辨率或減少輸出圖像的贗像上。
如以上注意到的，可以將任何合適的DCF用于計(jì)算圖像的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和梯度。盡管可以將不同的DCF用于每個(gè)不同的視場(chǎng)點(diǎn)和波長(zhǎng)，如上所述，在整個(gè)視場(chǎng)中利用單一的均勻的DCF，或者在視場(chǎng)中利用至少一個(gè)變化相對(duì)較小的DCF，可以更簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)處理器30的操作。因此，在優(yōu)化光學(xué)設(shè)計(jì)中，依照?qǐng)D7和圖8的方法，希望使用均勻的DCF，因此光學(xué)設(shè)計(jì)將會(huì)反映消除模糊算法提供的實(shí)際的圖像增強(qiáng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，加權(quán)PSF，這里稱為hOpt，為了光學(xué)設(shè)計(jì)流程，被用作為均勻的PSF。在實(shí)際生產(chǎn)的最大數(shù)量的相機(jī)44個(gè)體中，相應(yīng)的DCF具有提供最優(yōu)消除模糊功能的最大可能性，在這一方面，加權(quán)PSF提供PSF的優(yōu)化評(píng)估。為此目的，通過(guò)圖像場(chǎng)內(nèi)單個(gè)PSF的加權(quán)平均，計(jì)算hOpt。加權(quán)PSF也可以考慮由于在光學(xué)器件46、傳感器陣列22、以及可能在相機(jī)44的其他元件中的制造公差，而可能在單個(gè)PSF中出現(xiàn)的變化。例如，hOpt可以包括幾個(gè)不同的單個(gè)PSF的貢獻(xiàn)，其中利用由系統(tǒng)公差范圍定義的不同光學(xué)參數(shù)，對(duì)于相同的視場(chǎng)點(diǎn)和波長(zhǎng)，計(jì)算這些單個(gè)PSF。在平均過(guò)程中每個(gè)PSF hi與權(quán)重Wi相乘，因此加權(quán)和為1?？梢赃x擇權(quán)重，將更多重點(diǎn)放在與視場(chǎng)中心更接近的視場(chǎng)點(diǎn)，和/或相對(duì)其他波長(zhǎng)，更偏重一個(gè)波長(zhǎng)(通常地為綠色)。當(dāng)基于不同光學(xué)參數(shù)計(jì)算多重PSF時(shí)，權(quán)重也可以反映公差范圍內(nèi)制造工藝變化的可能性。
在這些條件下，可以示出，最優(yōu)DCF使相對(duì)于理想圖像的去模糊圖像的發(fā)生偏離的可能性最小化，該最優(yōu)DCF給定為(頻域內(nèi)) 將此結(jié)果與天然的定義DCF≡1/h比較，給出結(jié)果 在圖7和圖8的方法中，“優(yōu)化”的PSF可以用作為h，相應(yīng)的DCFopt可以被處理器30利用。
現(xiàn)在回到圖7中的100，前面時(shí)候注意到，品質(zhì)函數(shù)可以用于對(duì)初始光學(xué)設(shè)計(jì)的像差計(jì)分。通常以表格的形式為光學(xué)設(shè)計(jì)軟件提供品質(zhì)函數(shù)的數(shù)值，而且該數(shù)值依賴于澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)。為生成品質(zhì)函數(shù)的數(shù)值，如相應(yīng)的澤尼克多項(xiàng)式定義的那樣，將每個(gè)像差轉(zhuǎn)換為PSF。該P(yáng)SF的形式反映出光學(xué)圖像中由于PSF代表的特殊像差而產(chǎn)生的模糊?？梢岳脠D8的方法計(jì)算該分?jǐn)?shù)。下表I示出為澤尼克像差4(散焦)和像差8(慧差)計(jì)算的典型的X向和Y向分辨率分?jǐn)?shù)。
表I-像差品質(zhì)分?jǐn)?shù) 基于對(duì)前述描述和實(shí)例的研究，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)用于殘余澤尼克像差的品質(zhì)分?jǐn)?shù)的計(jì)算是顯而易見(jiàn)的。
設(shè)計(jì)實(shí)例 圖9為依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，示出了使用上述方法設(shè)計(jì)的光學(xué)器件46。在此實(shí)施例中，光學(xué)器件46包括兩個(gè)透鏡130和132，均由有機(jī)玻璃(PMMA)制成，在光軸134上對(duì)準(zhǔn)。透鏡均為圓柱對(duì)稱，并以固定焦距設(shè)計(jì)，在透鏡130左邊無(wú)窮遠(yuǎn)處具有一個(gè)物平面。透鏡130為球形，直徑為2.5mm，中心厚度為1.0mm，前后曲率半徑分別為2.12和6.71mm。透鏡位于光軸上透鏡130之后1.6mm處，直徑為4.5mm，厚度為1.2mm。濾波器48包括0.4mm厚的BK7玻璃，并位于透鏡132之后0.85mm，傳感器陣列22的平面之前0.782mm處。
透鏡132的前后表面均為非球面，具有利用圖7的優(yōu)化方法確定的平滑非球面輪廓。為確定該非球面輪廓，定義透鏡表面輪廓的函數(shù)的系數(shù)作為參數(shù)包含在響應(yīng)矩陣中。換句話說(shuō)，如上所定義，對(duì)于非球面透鏡系數(shù)，為每個(gè)像差確定梯度值Rji。利用該方法，為透鏡132的表面確定下列系數(shù) 表II非球面透鏡系數(shù) 以類似方式可以定義和優(yōu)化其他類型的非球面輪廓。
發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，圖9的光學(xué)設(shè)計(jì)與上述消除模糊函數(shù)相關(guān)聯(lián)，給出來(lái)自相機(jī)44的具有調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)的輸出圖像，該圖像和通過(guò)傳統(tǒng)三透鏡物鏡生成的未消除模糊的圖像一樣，或者更好。兩種情況下都使用1.3M像素的傳感器陣列。圖9所示的雙透鏡設(shè)計(jì)比起三透鏡設(shè)計(jì)，生產(chǎn)成本較低且較精密(前后距離較短)。
現(xiàn)在依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，參考圖10A/B、11A/B和12A/B，這些圖例證了利用上述光學(xué)設(shè)計(jì)和圖像處理技術(shù)，而得到的PSF方面的改善。圖10A和10B示意性地示出光學(xué)系統(tǒng)像平面中，在X＝2mm，Y＝0mm處(也就是從光軸平移2mm)，對(duì)于587.6nm波長(zhǎng)的光，圖9中光學(xué)系統(tǒng)的PSF。水平軸的單位為傳感器陣列的像素(也就是間距)。計(jì)算PSF，作為光學(xué)系統(tǒng)的所有重要像差的總和，其中通常根據(jù)澤尼克多項(xiàng)式表示像差。在兩軸上PSF的寬度約為3像素。
圖11A和11B示出沿DCF卷積內(nèi)核的X軸和Y軸的組元，其中為校正由圖10A和10B產(chǎn)生的模糊而計(jì)算出DCF。
圖12A和12B示出當(dāng)圖11A和11B的DCF應(yīng)用于圖9的光學(xué)器件形成的圖像時(shí)，獲得的PSF增強(qiáng)?，F(xiàn)在PSF在X向和Y向的寬度降為1像素。
可選擇地，相機(jī)44中處理器30的消除模糊的能力可以用于獲得其他各種設(shè)計(jì)方法的折衷，例如 ●可以降低光學(xué)器件46的F數(shù)，獲得更大孔徑，并因此獲得更高的光敏度。提高F數(shù)趨向于減小相機(jī)的景深，并因此加寬PSF，但是可以通過(guò)加寬和調(diào)整處理器30中消除模糊函數(shù)的卷積內(nèi)核的數(shù)值，抵消這些效應(yīng)。
●相對(duì)于利用同等的傳感器陣列和物鏡系統(tǒng)的傳統(tǒng)相機(jī)的分辨率，處理器30可以增強(qiáng)相機(jī)44生成的輸出圖像的分辨率。
另外或可選擇地，響應(yīng)焦點(diǎn)關(guān)系變化，通過(guò)配置處理器30，也就是物體相對(duì)于相機(jī)圖像的距離變化，來(lái)調(diào)整DCF系數(shù)，可以增強(qiáng)相機(jī)44(或相機(jī)20)的性能。例如 ●無(wú)需光學(xué)機(jī)械調(diào)整，對(duì)于非常接近相機(jī)(典型的為5-30cm)的成像物體，相機(jī)44能夠切換為近攝操作(macro-operation)。在傳統(tǒng)相機(jī)中，近攝操作要求對(duì)物鏡位置進(jìn)行非常精密的機(jī)械調(diào)整。在相機(jī)30中，借助于DCF系數(shù)的變化，可以調(diào)節(jié)不同的物距，其中預(yù)先計(jì)算這些變化以補(bǔ)償關(guān)于物距的PSF變化。通過(guò)處理器30，可以將DCF系數(shù)以查詢表的形式存儲(chǔ)，而且通過(guò)軟件切換可以調(diào)用近攝操作。
●可以為增強(qiáng)的廣角運(yùn)算擴(kuò)大光學(xué)器件46的視場(chǎng)?？梢蕴貏e調(diào)整處理器30所應(yīng)用的DCF，以補(bǔ)償視場(chǎng)邊緣處PSF的下降。
也可以執(zhí)行電子變焦功能，特別是在使用無(wú)透鏡相機(jī)時(shí)，正如圖2常規(guī)說(shuō)明的那樣。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其他應(yīng)用顯而易見(jiàn)，而且這些應(yīng)用都視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
盡管上述實(shí)施例提及數(shù)字相機(jī)的某一特定類型和設(shè)計(jì)，但是本發(fā)明的原理可以基本類似地應(yīng)用于任何其他類型地光學(xué)電子成像器件中。因而可以理解，上述實(shí)施例的描述都是起到舉例的作用，而且本發(fā)明不限于上面特別顯示和描述的內(nèi)容。并且，本發(fā)明的范圍包括以上描述的多種特性的組合和次級(jí)組合，以及可能對(duì)其進(jìn)行的變更和修正，本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀上述描述和現(xiàn)有技術(shù)中未公開(kāi)內(nèi)容的基礎(chǔ)上可以作出這些修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生光學(xué)系統(tǒng)的方法，包括
產(chǎn)生該光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；
根據(jù)該設(shè)計(jì)計(jì)算該光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)；
根據(jù)該設(shè)計(jì)，將給定圖像復(fù)原函數(shù)應(yīng)用于由該光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像，確定可以由此獲得的增強(qiáng)PSF；以及
修改該光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以減少該增強(qiáng)PSF的寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中設(shè)計(jì)的產(chǎn)生包括
為多個(gè)光學(xué)像差中的每個(gè)分配各自的品質(zhì)分?jǐn)?shù)；
確定該設(shè)計(jì)所特有的像差；
響應(yīng)于該像差和各個(gè)品質(zhì)分?jǐn)?shù)計(jì)算設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)；以及
響應(yīng)于該設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)，優(yōu)化該設(shè)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該各個(gè)品質(zhì)分?jǐn)?shù)的分配包括分別確定PSF上每個(gè)像差的影響，并響應(yīng)于各個(gè)影響計(jì)算各個(gè)品質(zhì)分?jǐn)?shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中該像差的確定包括生成該像差的澤尼克多項(xiàng)式展開(kāi)，而其中設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)的計(jì)算包括響應(yīng)于該多項(xiàng)式展開(kāi)的系數(shù)，計(jì)算各個(gè)品質(zhì)分?jǐn)?shù)的加權(quán)和。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的方法，其中該增強(qiáng)PSF的確定包括響應(yīng)于計(jì)算出的光學(xué)PSF，確定去卷積濾波器的系數(shù)，并將該去卷積濾波器應(yīng)用于由特征在于計(jì)算出的光學(xué)PSF的典型圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的方法，其中該設(shè)計(jì)的修改包括評(píng)估該設(shè)計(jì)中變化對(duì)該增強(qiáng)PSF的影響，并響應(yīng)于該評(píng)估出的影響，修改該光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中該增強(qiáng)PSF的確定包括計(jì)算響應(yīng)該增強(qiáng)PSF的圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且其中變化的影響的評(píng)估包括確定該圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)與該變化的依賴關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中該圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算包括確定該光學(xué)系統(tǒng)成像場(chǎng)中多個(gè)點(diǎn)上的各個(gè)本地點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)，并且響應(yīng)于本地點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，確定該圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中該圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定包括確定該多個(gè)點(diǎn)處各自的本地分?jǐn)?shù)，并合并該本地分?jǐn)?shù)，以生成該圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其中該增強(qiáng)PSF的確定包括通過(guò)獲得該本地點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的加權(quán)和來(lái)計(jì)算加權(quán)PSF，而其中該變化影響的評(píng)估包括計(jì)算該變化對(duì)該加權(quán)PSF的影響。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一所述的方法，其中該圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算包括確定一個(gè)分辨率分?jǐn)?shù)，其表示伴隨該增強(qiáng)PSF產(chǎn)生的圖像的分辨率，并確定一個(gè)贗像分?jǐn)?shù)，其表示該圖像中贗像的程度，并合并該分辨率分?jǐn)?shù)和該贗像分?jǐn)?shù)，以確定該圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求7至11中任一所述的方法，其中該圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定包括響應(yīng)于該光學(xué)系統(tǒng)像差確定該圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)，且其中該圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)依賴性的確定包括對(duì)于該像差的變化計(jì)算分?jǐn)?shù)梯度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中該圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)依賴性的確定包括確定響應(yīng)矩陣，指明該像差的變化，其中該像差的變化將作為對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行特定修改的函數(shù)，而其中該設(shè)計(jì)的修改包括響應(yīng)于該梯度和該響應(yīng)矩陣，確定應(yīng)用于該設(shè)計(jì)的修改。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一所述的方法，還包括對(duì)于該光學(xué)系統(tǒng)的修改設(shè)計(jì)、該光學(xué)PSF的計(jì)算、該增強(qiáng)PSF的確定、以及該設(shè)計(jì)的修改重復(fù)迭代過(guò)程。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中重復(fù)迭代包括通過(guò)計(jì)算該光學(xué)PSF、確定該增強(qiáng)PSF、以及修改該設(shè)計(jì)來(lái)執(zhí)行迭代，直到其中該迭代之一所表示的設(shè)計(jì)修改小于應(yīng)用于該光學(xué)系統(tǒng)制造的預(yù)定公差。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一所述的方法，其中該光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，而其中該設(shè)計(jì)中的變化包括下面中的至少一個(gè)該元件之一的光學(xué)表面曲率的變化、該元件之一厚度的變化、以及該元件間距的變化。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中該一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件至少包括一個(gè)非球面元件，該非球面元件至少具有一個(gè)由多項(xiàng)式函數(shù)定義的表面，且其中該設(shè)計(jì)的修改包括該多項(xiàng)式函數(shù)的系數(shù)優(yōu)化。
18.一種光學(xué)系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，其根據(jù)設(shè)計(jì)制造和裝配，通過(guò)根據(jù)該設(shè)計(jì)計(jì)算該光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)，確定增強(qiáng)PSF，以及修改該光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以減少該增強(qiáng)PSF的寬度，來(lái)優(yōu)化該設(shè)計(jì)，其中通過(guò)將給定的圖像復(fù)原函數(shù)應(yīng)用于由該光學(xué)系統(tǒng)生成的圖像中，而確定可以由此獲得的增強(qiáng)PSF。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中通過(guò)對(duì)于該光學(xué)系統(tǒng)的修改設(shè)計(jì)、該光學(xué)PSF的計(jì)算、該增強(qiáng)PSF的確定、以及該設(shè)計(jì)的修改重復(fù)迭代，以優(yōu)化該設(shè)計(jì)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的系統(tǒng)，其中該光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，而其中該設(shè)計(jì)中的變化至少包括下面之一其中該元件之一的光學(xué)表面曲率的變化、其中該元件之一厚度的變化、以及該元件間距的變化。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中該一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件至少包括一個(gè)非球面元件，其至少具有一個(gè)由多項(xiàng)式函數(shù)定義的表面，且其中該設(shè)計(jì)的修改包括該多項(xiàng)式函數(shù)的系數(shù)優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光學(xué)系統(tǒng)和產(chǎn)生所述光學(xué)系統(tǒng)的方法，所述光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，其根據(jù)設(shè)計(jì)制造和裝配，通過(guò)根據(jù)該設(shè)計(jì)計(jì)算該光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)，確定增強(qiáng)PSF，以及修改該光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以減少該增強(qiáng)PSF的寬度，來(lái)優(yōu)化該設(shè)計(jì)，其中通過(guò)將給定的圖像復(fù)原函數(shù)應(yīng)用于由該光學(xué)系統(tǒng)生成的圖像中，而確定可以由此獲得的增強(qiáng)PSF。
文檔編號(hào)H04N5/367GK101819325SQ20101014928
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2004年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月16日
發(fā)明者亞歷克斯·阿隆, 伊琳娜·阿隆 申請(qǐng)人:德薩拉國(guó)際有限公司