相位濾波器、光學(xué)成像系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種相位濾波器、一種光學(xué)成像系統(tǒng)以及一種成像系統(tǒng)，尤其是涉及 一種技術(shù)，該技術(shù)能夠抑制像點的、響應(yīng)于受到WFC圖像處理的焦點深度擴展圖像中的散 焦而發(fā)生的平面內(nèi)位移。
【背景技術(shù)】
[0002] 本申請要求2013年3月29日提交的日本專利申請第2013-72388號的優(yōu)先權(quán)，其 全部內(nèi)容通過引用被并入本文。
[0003] 在成像相機的光學(xué)系統(tǒng)的光瞳平面內(nèi)，稱作"波前編碼（Wavefront Coding) "、在 下文中簡稱為"WFC"的技術(shù)用于擴展光學(xué)系統(tǒng)的場深度和/或焦點深度。WFC通過將三次 函數(shù)給出的相位分布提供給光瞳平面上的坐標(biāo)來均勻用于散焦的點的模糊，并且通過稱作 反卷積的圖像處理來移除均勻后的模糊。
[0004] 作為關(guān)于WFC的相關(guān)技術(shù)，例如，提出了一種技術(shù)，使得在成像相機的光學(xué)系統(tǒng) 內(nèi)，通過處理光瞳函數(shù)的相位調(diào)制所獲取的圖像來擴展光學(xué)系統(tǒng)的焦點深度，該光瞳函數(shù) 的相位調(diào)制由實施三次相位函數(shù)所實現(xiàn)的相位濾波器進(jìn)行，參見PTL1。此外，用于擴展焦 點深度的技術(shù)使得在使用與光軸正交的x-y坐標(biāo)系作為用于調(diào)制光學(xué)傳遞函數(shù)（optical transfer function)、在下文中簡稱為"0TF"的相位濾波器時，通過提供相位分布來處理所 獲取的圖像，通過使得具有由一系列函數(shù)的任意次冪的乘積表示的一系列函數(shù)的三次函數(shù) 規(guī)范化來獲取該相位分布，參見PTL2。此外，雖然并非用于光學(xué)成像系統(tǒng)，但是也提出了一 種技術(shù)，其用于使用稱作"軸棱錐"的錐棱鏡產(chǎn)生非衍射光束來嘗試改進(jìn)波長轉(zhuǎn)換的效率， 參見PTL3。
[0005] 引用列表
[0006] 專利文獻(xiàn)
[0007] [PTL1]特許 3275010 號公報
[0008] [PTL2]特開 2011-120309 號公報
[0009] [PTL3]特開平 H08-271942 號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 技術(shù)問題
[0011] 在上述【背景技術(shù)】中，相位濾波器的相位分布被給定為光瞳平面上的具有三次函數(shù) 或類似函數(shù)的坐標(biāo)系的X軸和y軸。當(dāng)嘗試使用并不圍繞上述光軸旋轉(zhuǎn)對稱的相位過濾器 來均勻用于散焦的點像時，具有點像的位置響應(yīng)于散焦的量而發(fā)生位移的問題。
[0012] 例如，通過用于規(guī)范化的光瞳平面坐標(biāo)系x，y的下述公式使用系數(shù)α來表示相位 分布：
[0013] W(x，y) = α · (x3+y3)· · · ·公式 1
[0014] 當(dāng)加入散焦的波前像差時，通過下述公式使用規(guī)范化的光瞳半徑P來表示相位 分布：
[0016] ....公式 2
[0017] 此處，W2。是散焦，即，散焦的像差系數(shù)。第一項意指在光瞳平面中三次函數(shù)的相 位分布在X方向和y方向分別被加入W2()/3a的位移。由于上述位移基本上對應(yīng)于焦點平 面上的相位位移，因此該位移并不影響點像強度分布。第二項表示對應(yīng)于所謂的波前傾斜 的X，y的線性函數(shù)的相位分布，并且意指與W2(]2/3 a成比例的、焦點平面上的像點位置的位 移。第三項是常數(shù)項，其并不影響點像強度分布。因此，當(dāng)存在三次相位分布時，散焦的波 前像差自然地轉(zhuǎn)換為橫向偏差。如果允許該橫向偏差，則即使存在散焦，點像分布也基本上 不會改變，因此使得模糊方式均勻，與散焦無關(guān)。上述內(nèi)容實現(xiàn)反卷積，并且這是WFC的原 理。然而，另一方面，由于散焦，上述內(nèi)容導(dǎo)致點像的位移。因此，在這種應(yīng)用中出現(xiàn)了通過 點像的位置測量物體的位置的問題。
[0018] 此外，導(dǎo)致并不圍繞光軸旋轉(zhuǎn)對稱的相位分布的例如三次分布的光學(xué)平面基本上 需要同樣的非球面光學(xué)平面。至于非球面表面，通過具有切削工具的車床加工而形成的金 屬模具能夠廣泛應(yīng)用于塑料注射成型、使用玻璃模具的成型等等。然而，車床加工的物體必 須具有圍繞旋轉(zhuǎn)軸對稱的形狀。例如三次非球面表面的、圍繞軸不對稱的形狀要求通過旋 轉(zhuǎn)磨具進(jìn)行二維數(shù)控加工，這會導(dǎo)致加工成本和/或加工時間的增加。
[0019] 此外，具有例如三次分布的連續(xù)函數(shù)的所述相位過濾器要求至少數(shù)十個波長，其 各自由上凸和下凸組成。在這種情況下，在具有圖像角的光線進(jìn)入相位過濾器時，出現(xiàn)了相 位位移量偏離優(yōu)選的位移量的問題。
[0020] 此外，在使用軸棱錐的光學(xué)系統(tǒng)中，在進(jìn)入軸棱錐的底表面的平行光束被折射重 疊的范圍內(nèi)，激光束作為如激光束的集合一樣的細(xì)光束沒有折射地傳播。然而，這種透鏡用 于平行光束，并且不能被應(yīng)用于例如成像相機的、同時要求多個像點的這種光學(xué)系統(tǒng)。
[0021] 鑒于上述，本發(fā)明的一個目的是提供一種技術(shù)，該技術(shù)能夠抑制像點響應(yīng)被WFC 圖像處理的焦點深度擴展圖像中的散焦而進(jìn)行平面內(nèi)位移。
[0022] 問題的解決方案
[0023] 為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的相位濾波器包括圍繞光軸旋轉(zhuǎn)對稱的環(huán)形結(jié) 構(gòu)，每條環(huán)形帶都包括基本上拋物線形狀的剖面，以用于在焦點平面上均勻地擴展入射光 線并且使該光線相互疊加。根據(jù)這種構(gòu)造，可以抑制像點的、響應(yīng)于受到WFC圖像處理的焦 點深度擴展圖像中的散焦而發(fā)生的平面內(nèi)位移。
[0024] 此外，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)成像系統(tǒng)包括相位濾波器，該相位濾波器包括圍繞光軸 旋轉(zhuǎn)對稱的環(huán)形結(jié)構(gòu)，每條環(huán)形帶都包括基本上拋物線形狀的剖面，以用于在焦點平面上 均勻地擴展入射光線并且使該光線相互疊加。根據(jù)這種構(gòu)造，可以抑制像點的、響應(yīng)于受到 WFC圖像處理的焦點深度擴展圖像中的散焦而發(fā)生的平面內(nèi)位移。同時，能夠?qū)⒐鈱W(xué)成像系 統(tǒng)應(yīng)用于根據(jù)點像的位置測量物體位置。
[0025] 此外，根據(jù)本發(fā)明的成像系統(tǒng)將反卷積圖像處理應(yīng)用于由光學(xué)成像系統(tǒng)獲取的圖 像，該光學(xué)成像系統(tǒng)配備有圖像形成系統(tǒng)，該圖像形成系統(tǒng)具有根據(jù)本發(fā)明的相位濾波器， 該相位濾波器包括圍繞光軸旋轉(zhuǎn)對稱的環(huán)形結(jié)構(gòu)，每條環(huán)形帶都包括基本上拋物線形狀的 剖面，以用于在焦點平面上均勻地擴展入射光線并且使該光線相互疊加，并且成像系統(tǒng)獲 取焦點深度擴展圖像。根據(jù)這種構(gòu)造，可以抑制像點的、響應(yīng)于受到WFC圖像處理的焦點深 度擴展圖像中的散焦而發(fā)生的平面內(nèi)位移。同時，能夠?qū)⒐鈱W(xué)成像系統(tǒng)應(yīng)用于根據(jù)點像的 位置測量物體位置。
[0026] 此外，根據(jù)本發(fā)明的車輛駕駛輔助裝置將反卷積圖像處理應(yīng)用于由光學(xué)成像系統(tǒng) 獲取的車輛周圍的物體的圖像，該光學(xué)成像系統(tǒng)配備有圖像形成系統(tǒng)，該圖像形成系統(tǒng)具 有根據(jù)本發(fā)明的相位濾波器，該相位濾波器包括圍繞光軸旋轉(zhuǎn)對稱的環(huán)形結(jié)構(gòu)，每條環(huán)形 帶都包括基本上拋物線形狀的剖面，以用于在焦點平面上均勻地擴展入射光線并且使該光 線相互疊加，車輛駕駛輔助裝置獲取焦點深度擴展圖像，將預(yù)定的圖像識別算法應(yīng)用于焦 點深度擴展圖像并且同時檢測相互在不同位置處且在距離車輛恒定距離范圍內(nèi)的多個物 體。根據(jù)這種構(gòu)造，可以實現(xiàn)距離車輛遠(yuǎn)近位置處存在的障礙物的同時檢測，并且實現(xiàn)改進(jìn) 駕駛車輛的安全性的效果。
[0027] 此外，根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)視裝置將反卷積圖像處理應(yīng)用于由光學(xué)成像系統(tǒng)獲取的監(jiān) 視目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的圖像，該光學(xué)成像系統(tǒng)配備有圖像形成系統(tǒng)，該圖像形成系統(tǒng)具有相位濾 波器，該相位濾波器包括圍繞光軸旋轉(zhuǎn)對稱的環(huán)形結(jié)構(gòu)，每條環(huán)形帶都包括基本上拋物線 形狀的剖面，以用于在焦點平面上均勻地擴展入射光線并且使該光線相互疊加，監(jiān)視裝置 獲取焦點深度擴展圖像，將預(yù)定的圖像識別算法應(yīng)用于焦點深度擴展圖像并且同時檢測在 監(jiān)視目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的且相互在距離光學(xué)成像系統(tǒng)不同位置處的多個人。根據(jù)這種構(gòu)造，可以 實現(xiàn)不考慮距離光學(xué)成像系統(tǒng)的距離而提高對于侵入或存在于監(jiān)視目標(biāo)區(qū)域中的可疑人 員和/或罪犯等的識別率。
[0028] 此外，根據(jù)本發(fā)明的認(rèn)證裝置將反卷積圖像處理應(yīng)用于由光學(xué)成像系統(tǒng)多次獲取 的圖像中的相同的認(rèn)證目標(biāo)的每個圖像，該光學(xué)成像系統(tǒng)配備有圖像形成系統(tǒng)，該圖像形 成系統(tǒng)具有相位濾波器，該相位濾波器包括圍繞光軸旋轉(zhuǎn)對稱的環(huán)形結(jié)構(gòu)，每條環(huán)形帶都 包括基本上拋物線形狀的剖面，以用于在焦點平面上均勻地擴展入射光線并且使該光線相 互疊加，認(rèn)證裝置獲取焦點深度擴展圖像，將預(yù)定的圖像識別算法應(yīng)用于焦點深度擴展圖 像并且從距離光學(xué)成像系統(tǒng)不同距離的每個圖像中認(rèn)證相同的認(rèn)證目標(biāo)。根據(jù)這種構(gòu)造， 即使在例如人體的指紋、靜脈、虹膜等的認(rèn)證對象與光學(xué)成像系統(tǒng)之間的距離對于每次認(rèn) 證操作都改變的情況下，也能夠適當(dāng)?shù)匚者@種距離變化并且改進(jìn)認(rèn)證精度。
[0029] 此外，根據(jù)本發(fā)明的醫(yī)療裝置將反卷積圖像處理應(yīng)用于由光學(xué)成像系統(tǒng)獲取的圖 像中的人體醫(yī)療護(hù)理目標(biāo)區(qū)域中的圖像，該光學(xué)成像系統(tǒng)配備有圖像形成系統(tǒng)，該圖像形 成系統(tǒng)具有相位濾波器，該相位濾波器包括圍繞光軸旋轉(zhuǎn)對稱的環(huán)形結(jié)構(gòu)，每條環(huán)形帶都 包括基本上拋物線形狀的剖面，以用于在焦點平面上均勻地擴展入射光線并且使該光線相 互疊加，醫(yī)療裝置獲取焦點深度擴展圖像、將預(yù)定的圖像識別算法應(yīng)用于焦點深度擴展圖 像并且同時輸出距離光學(xué)成像系統(tǒng)不同距離的人體醫(yī)療護(hù)理目標(biāo)區(qū)域中的多個位置的圖 像。根據(jù)這種構(gòu)造，可以不考慮每個受感染區(qū)域與光學(xué)成像系統(tǒng)之間的距離而改進(jìn)醫(yī)護(hù)人 員對于受感染區(qū)域的同時可見度。這簡化了醫(yī)療相機等等中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，減少了所需 透鏡數(shù)量等，并且減少了制造成本。
[0030] 應(yīng)該注意的是，在上述車輛駕駛輔助裝置、監(jiān)視裝置、認(rèn)證裝置和醫(yī)療裝置的任意 一個中，可以容許透鏡與傳感器表面之間的精度調(diào)整，并因此可以實現(xiàn)減少生產(chǎn)成本。
[0031] 本發(fā)明的有益效果
[0032] 根據(jù)本發(fā)明，可以抑制像點的、響應(yīng)于受到WFC圖像處理的焦點深度擴展圖像中 的散焦而發(fā)生的平面內(nèi)位移。
【附圖說明】
[0033] 圖1是配備有本發(fā)明的第一實施方式的相位濾波器的光學(xué)成像系統(tǒng)的示意圖；
[0034] 圖2是示出本發(fā)明的第一實施方式的相位濾波器的結(jié)構(gòu)的平面圖；
[0035] 圖3是示出本發(fā)明的第一實施方式的相位濾波器的結(jié)構(gòu)的側(cè)剖面圖；
[0036] 圖4是示出根據(jù)錐棱鏡的折射光線的視圖；
[0037] 圖5是示出配備有本發(fā)明的第一實施方式的相位濾波器的光學(xué)成像系統(tǒng)示例性 構(gòu)造以及用于向光學(xué)成像系統(tǒng)獲取的圖像施加圖像處理的成像系統(tǒng)的構(gòu)造視圖；
[0038] 圖6是用于表示拋物線形狀剖面的示意圖；
[0039] 圖7是用于說明反卷積操作的光學(xué)圖像形成系統(tǒng)的示意圖；
[0040] 圖8是示出基于是否具有第一實施例的相位濾波器而獲取的圖像的比較處理結(jié) 果的示例的視圖；
[0041] 圖9是示出根據(jù)第一實施例的相位濾波器的光瞳平面上的波前像差的視圖；
[0042] 圖10是示出根據(jù)第一實施例的相位濾波器的點分布的第一計算結(jié)果的視圖；
[0043] 圖11是示出根據(jù)第一實施例的相位濾波器的點分布的第二計算結(jié)果的視圖；
[0044] 圖12是示出根據(jù)第一實施例的相位濾波器的點分布的第三計算結(jié)果的視圖；
[0045] 圖13是示出根據(jù)第一實施例的相位濾波器的點像分布的第四計算結(jié)果的視圖；
[0046] 圖14是示出根據(jù)第一實施例的相位濾波器的點像分布的第五計算結(jié)果的視圖；
[0047] 圖15是示出第二實施例的相位濾波器的結(jié)構(gòu)的平面圖；
[0048] 圖16是示出第二實施例的相位濾波器的結(jié)構(gòu)的側(cè)剖面圖；
[0049] 圖17是根據(jù)第二實施例的相位濾波器的