CN106950222A - 一种大景深成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大景深成像方法，属于光学成像领域。本发明利用透镜对不同波长光折射率不同的特性，通过计算使用指定波长光照射不同物距目标物，使其成像平面重叠从而扩大景深。本发明解决了针对具有空间厚度物体无法成像在最佳成像平面上，白光LED照明容易产生色差等问题，对比普通白光照明该方法能够显著提升图像分辨率、成本低、适用面广。

Description

一种大景深成像方法

技术领域

本发明涉及一种大景深成像方法，属于光学成像领域。

背景技术

大景深成像有微观的和宏观的两个层面，本案属于宏观层面的大景深成像，针对的不是微观显微成像。目前提升成像***景深主要包括以下几种方法：1)采用编码孔径技术，由于图像中的每个区域都是由估计的散焦PSF函数去模糊，所以该方法效果受深度估计的精度影响较大；2)增加相位板增加成像景深，其中Dowski et.提出了一种立方体相位板，由于该种相位板能够保留更多高频细节信息，所以相比圆形相位板具有更好的效果；3)采用数字图像处理技术拓展景深，其中有学者通过将RGB三色中聚焦颜色分量的锐度信息拓展到其它颜色分量，提升清晰度从而增加景深；4)通过成像光学元件的机械运动产生大景深。

除以上四种方法外，由于普通非消色差透镜存在色差，透镜的焦点会随入射光波长的不同产生偏移，国外有学者利用这一特性，针对扫码机发明了利用色差扩大成像景深的***，该***采用红外光和其他波长光搭配照明条形码，图像传感器顺序采集图像，能够实现从1.5英寸到8英寸距离上读取条形码信息。但是由于扫码机读取图像信息的特性，该***并不能将具有一定景深的物体同时清晰成像。

发明内容

本发明旨在提供一种大景深成像方法，是利用透镜对不同波长光折射率不同的特性，通过计算使用指定波长光照射不同物距目标物，使各物距目标物的像距相同，即各目标物的成像平面重叠从而扩大景深。

所述方法，包括以下步骤：

(1)对于任一单透镜，确定该透镜的透镜材质波长λ和折射率n的关系，表示为n＝f(λ)；并确定该透镜的折射率n和焦距f'的关系，表示为f'＝g(n)；从而确定该透镜的焦距f'和波长λ的关系：f'＝g(f(λ))；

(2)我们对距离透镜为L₁和L₂的两个物面P₁、P₂清晰成像，L₁＜L₂；对物面P₁，使用波长为λ₁的光照射，物面P₁的物像公式为L'为像距；对于物面P₂，使

用波长为λ₂的光照射，物面P₂的物像公式为为使两个物面的像距相同，则有

(3)结合步骤(1)、(2)，得到L₂和λ₂之间的关系，即其中L₁和λ₁都是已知的，通过该式就可以求出在物距L₂处清晰成像所需光照波长λ₂。

所述单透镜为球面镜时，步骤(1)中，其折射率和焦距的关系满足：其中r₁、r₂分别为透镜前后曲面曲率半径，d为透镜厚度；则步骤(3)得到L₂和λ₂之间的关系如式(1)所示：

式(1)中L₁、λ₁、r₁、r₂、a、b、c都是已知参数，确定L₂后，就可以求得λ₂，用波长为λ₂的光照射物面P₂就可以清晰成像。

所述单透镜为对于平凸透镜时，步骤(1)中，其折射率和焦距的关系满足：其中r₁、r₂分别为透镜前后曲面曲率半径，d为透镜厚度，且r₂＝∞，则，焦距和折射率的关系进一步简化为则步骤(3)得到L₂和λ₂之间的关系如式(2)所示：

式(2)中L₁、λ₁、r₁、a、b、c都是已知参数，确定L₂后，就可以求得λ₂，用波长为λ₂的光照射物面P₂就可以清晰成像。

所述步骤(1)中，透镜材质折射率和波长的关系可以通过查询材质手册得到，一般，材质手册是给出几个波长光对应的折射率，我们可以通过数据拟合的方法，找到具体的关系式。 对于球面透镜，通常材质折射率和波长的关系满足柯西色散公式：进一步地，其折射率和焦距的关系满足：其中r₁、r₂分别为透镜前后曲面曲率半径，d为透镜厚度；对于非球面透镜，没有具体的公式可以表征折射率和焦距的关系，但是我们可以通过实验和软件模拟的方法得到其关系。

本发明提出了一种无须在光学成像***中添加或设计定制光学元件扩展景深的方法。我们采用不同波长光照射不同物面，使各物面像距相同从而得到清晰图像，扩大景深。本发明解决了具有空间厚度的物体无法成像在最佳成像平面上，白光LED照明容易产生色差等问题，对比普通白光照明，本发明方法能够显著提升图像分辨率、成本低、适用面广。

本发明可以应用在工业自动化检测，检测具有多物面或纵向深度大的工件、产品等。在已知目标物所需景深的条件下，合理安排好照明灯位置，自动计算选择照明波长，从而实现一次成像，完成检测任务。譬如对家用洗手池内表面瑕疵检测，由于洗手池是凹型的，具有较大的纵向深度，通过本发明的方法，采用多波长分区照明的方式，就可以得到清晰的图像，配合机器视觉检测算法，完成检测任务。

附图说明

图1为***原理图。

图2为***实物图。

图3为实施例1采用的的双凸透镜的基本参数。

图4为实施例1采用白光照明的成像图片。

图5为实施例1采用本发明照明方法的成像图片。

图6为实施例2采用白光照明的成像图片。

图7为实施例2采用本发明照明方法的成像图片。

具体实施方式

实施例1

我们有一双凸透镜参数如图3：

从该图我们可以得到，该透镜为双凸球面镜，标准焦距为34.9mm，透镜厚度d＝6.8mm，球面曲率半径r₁＝r₂＝34.86mm，该透镜材质为H-K9L，查询得到该材质的折射率特性如表1所示。

表1H-K9L部分波长折射率

通过数据拟合我们可以得到该材质波长和折射率的关系满足：即a＝1.504,b＝4621,c＝-4.899×10⁷。我们以物面P₁采用波长λ₁＝405nm紫光照明，L₁＝-500mm，L₂＝-700mm，L₃＝-800mm光阑直径D＝5mm为例。根据式(1)我们可以计算得到在物距L₂处应采用530nm波长光照明，在物距L₃处应采用598nm波长光照明。

在距离透镜500mm处放置0.5倍ISO-12233反射式标准测试卡1，在距离透镜700mm和800mm处分别放置测试卡2、3。测试卡1、2、3上下错开放置。为了对比不同光照明和相同光照明的效果，我们首先使用多颗功率为1W的白光LED照明，其后选取尽量接近计算值波长的LED灯分别照明不同物面。我们测得了所使用的LED光谱中心频率分别为400nm、530nm、600nm。为了得到均匀的照明效果，LED灯的位置和角度都进行了优化，拍摄的图像不经过任何软件算法处理。CMOS芯片型号为MT9M001型130万像素黑白CMOS，分辨率为1280H×1024V，像元尺寸5.2μm×5.2μm。图4为采用白光照明，图5为采用本案方法照明效果。

我们利用专业的分辨率测试软件Imatest软件测试图像的分辨率，分别对图像中500mm、700mm和800mm处各选取三处区域测试其MTF50得分。选取的区域如图5所示，将所有区域取平均即为该区域客观评分。图4和图5客观评分如下表1所示。

表2评价结果

从表1中我们可以看出，采用本案的方法实验效果比白光照明分辨率高，并且物距越大提升的效果越明显，分辨率分别提升了45.3％、293.8％和515.3％。

实施例2

实施例1我们使用的是双凸透镜，在本例中我们得到一平凸球面透镜。该透镜曲率半径r₁＝15.504mm，材质仍为K9玻璃。我们以物面P₁采用波长λ₁＝460nm蓝光照明，L₁＝-600mm，L₂＝-800mm，L₃＝-1000mm光阑直径D＝5mm为例。根据式(2)我们可以计算得到在物距L₂处应采用559nm波长光照明，在物距L₃处应采用658nm波长光照明。

在距离透镜600mm处放置0.5倍ISO-12233反射式标准测试卡1，在距离透镜800mm和1000mm处分别放置测试卡2、3。测试卡1、2、3上下错开放置。为了对比不同光照明和相同光照明的效果，我们首先使用多颗功率为1W的白光LED照明，其后选取尽量接近计算值波长的LED灯分别照明不同物面。我们测得了所使用的LED光谱中心频率分别为460nm、530nm、650nm。为了得到均匀的照明效果，LED灯的位置和角度都进行了优化，拍摄的图像不经过任何软件算法处理。CMOS芯片型号为MT9M001型130万像素黑白CMOS，分辨率为1280H×1024V，像元尺寸5.2μm×5.2μm。我们对拍摄的照片进行了裁剪处理，截取了中间像差较小的部分图片，图6为采用白光照明，图7为采用本案方法照明效果。

我们利用专业的分辨率测试软件Imatest软件测试图像的分辨率，分别对图像中600mm、800mm和1000mm处各选取三处区域测试其MTF50得分。选取的区域如图7所示，将所有区域取平均即为该区域客观评分。图6和图7客观评分如下表2所示。

表3评价结果

从表2中我们可以看出，采用本案的方法实验效果比白光照明分辨率高，并且物距越大提升的效果越明显，分辨率分别提升了44.5％、146.3％和231.6％。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种成像方法，其特征在于，是利用透镜对不同波长光折射率不同的特性，使用指定波长光照射对应物距目标物，使各物距目标物的像距相同，即各目标物的成像平面重叠从而扩大景深。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据透镜材质折射率性质，确定透镜波长λ和焦距f'的关系；

(2)构建不同物距目标物的物像等式；

(3)将透镜波长λ和焦距f'的关系代入物像等式，求解物距与波长的关系式。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对于任一单透镜，确定该透镜的透镜材质波长λ和折射率n的关系，表示为n＝f(λ)；并确定该透镜的折射率n和焦距f'的关系，表示为f'＝g(n)；从而确定该透镜的焦距f'和波长λ的关系：f'＝g(f(λ))；

(2)我们对距离透镜为L₁和L₂的两个物面P₁、P₂清晰成像，L₁＜L₂；对物面P₁，使用波长为λ₁的光照射，物面P₁的物像公式为L'为像距；对于物面P₂，使用波长为λ₂的光照射，物面P₂的物像公式为为使两个物面的像距相同，则有

(3)结合步骤(1)、(2)，得到L₂和λ₂之间的关系，即其中L₁和λ₁都是已知的，通过该式就可以求出在物距L₂处清晰成像所需光照波长λ₂。

4.根据权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，所述单透镜为球面镜时，步骤(1)中，其折射率和焦距的关系满足：其中r₁、r₂分别为透镜前后曲面曲率半径，d为透镜厚度；则步骤(3)得到L₂和λ₂之间的关系如式(1)所示：

$\frac{1}{L_2}=\frac{1}{L_1}-\left(\frac{b}{{\mathrm{\λ}}_2^2}+\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_2^4}-\frac{b}{{\mathrm{\λ}}_1^2}-\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_1^4}\right)\left(\frac{1}{r_1}-\frac{1}{r_2}\right)+\frac{{\left(a+\frac{b}{{\mathrm{\λ}}_2^2}+\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_2^4}-1\right)}^{2}d}{\left(a+\frac{b}{{\mathrm{\λ}}_2^2}+\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_2^4}\right)r_1{r}_2}-\frac{{\left(a+\frac{b}{{\mathrm{\λ}}_1^2}+\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_1^4}-1\right)}^{2}d}{\left(a+\frac{b}{{\mathrm{\λ}}_1^2}+\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_1^4}\right)r_1{r}_2}---\left(1\right)$

式(1)中L₁、λ₁、r₁、r₂、a、b、c都是已知参数，确定L₂后，就可以求得λ₂，用波长为λ₂的光照射物面P₂就可以清晰成像。

5.根据权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，所述单透镜为平凸透镜时，步骤(1)中，其折射率和焦距的关系满足：其中r₁、r₂分别为透镜前后曲面曲率半径，d为透镜厚度，且r₂＝∞，则，焦距和折射率的关系进一步简化为则步骤(3)得到L₂和λ₂之间的关系如式(2)所示：

$\frac{b}{{\mathrm{\λ}}_2^2}+\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_2^4}=\frac{r_1}{L_1}-\frac{r_1}{L_2}+\frac{b}{{\mathrm{\λ}}_1^2}+\frac{c}{{\mathrm{\λ}}_1^4}---\left(2\right)$

式(2)中L₁、λ₁、r₁、a、b、c都是已知参数，确定L₂后，就可以求得λ₂，用波长为λ₂的光照射物面P₂就可以清晰成像。

6.根据权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，所述单透镜为非球面透镜时，通过光学软件模拟及实验，得到透镜焦距和波长的关系f'＝F(λ)，则步骤(3)得到L₂和λ₂之间的关系如式(3)所示：

$\frac{1}{L_2}=\frac{1}{L_1}+\frac{1}{F\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}-\frac{1}{F\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}---\left(3\right).$

7.一种成像***，其特征在于，为单一透镜，带有照明装置，所述照明装置能使用指定波长光照射不同物距的目标物，使各物距的目标物的像距相同。