ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЗАХВАТА ИЗОБРАЖЕНИЙ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РЕЗКОСТИ Российский патент 2024 года по МПК G02B27/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области оптических систем и, в частности, к оптическим системам для захвата изображений, и может быть применено, например, в камерах малой толщины, таких как камеры мобильных телефонов, и в области обработки изображений.

Уровень техники

По мере развития оптических систем в устройствах захвата изображений уменьшился размер оптических систем и размер пикселей датчика изображения, и при этом повысилось разрешение формируемых изображений. Так, в матрицах датчиков изображения современных устройств захвата изображений размер пикселя составляет менее 0,64 мкм, что меньше «красной» длины волны видимого света. Объективы, разработанные по традиционным методикам оптического расчета, по существу обладают разрешающей способностью, недостаточной для такого датчика в устройстве захвата изображения. Для дальнейшего повышения разрешения формируемых изображений необходимо либо создавать объективы с принципиально новыми оптическими системами, которые позволяли бы добиться соответствующего разрешения, либо создавать новые или использовать более эффективно существующие алгоритмы восстановления изображения, полученного на датчике изображения устройства захвата изображения.

Под термином «разрешение» стоит понимать следующее. Применительно к оптической системе, или объективу в частности, разрешение - это минимальное расстояние (линейное или угловое) между объектами, при котором они остаются различимы. Применительно к растровому изображению, под разрешением понимается количество точек или объектов, которые различимы на единицу площади. При повышении разрешения количество точек или объектов увеличивается, то есть точки или объекты появляются из неразрешимого фона. Известен также термин «восстановление изображения», который по существу подразумевает «восстановление» изображения точек или объектов из неразрешимого пятна рассеяния, получаемого при прохождении оптического излучения через оптическую систему, как можно более близкого к изображаемым точке или объекту оптического излучения.

Один из подходов к повышению разрешения (восстановлению изображения) при обработке изображения, сформированного на основе оптического излучения, прошедшего через оптическую систему устройства захвата изображений, использует функцию рассеяния точки (ФРТ, PSF) в пределах поля зрения (ПЗ) оптической системы. ФРТ представляет собой характеристику пятна рассеяния, формируемого оптической системой при захвате изображения точечного источника оптического излучения. ФРТ определяется, с одной стороны, геометрическими аберрациями оптической системы, а с другой стороны - дифракцией оптического излучения на апертуре устройства захвата изображений.

Для повышения разрешения (восстановления) при обработке изображений есть два типа алгоритмов: «слепые» и «не слепые».

«Слепой» метод восстановления изображения не использует информацию о ФРТ оптической системы, которая вносит в регистрируемый полезный сигнал шум, искажения. «Не слепой» метод опирается на информацию о ФРТ и производит восстановление изображения методами деконволюции.

В контексте настоящего изобретения под алгоритмами повышения разрешения (восстановления изображения) подразумеваются алгоритмы, основанные на «не слепых» методах.

Для применения алгоритма повышения разрешения изображения необходимо использовать ФРТ оптической системы захвата изображения, которая использовалась для получения этого изображения. Так как ФРТ вариативно внутри поля зрения оптической системы, то существует два пути:

- использовать одну ФРТ для всего изображения (в основном от центральной осевой точки). В этом случае обеспечивается высокая эффективность повышения разрешения в центре изображения и низкая эффективность в средней зоне и по краям изображения в силу того, что ФРТ в этих зонах отличаются от центрального. Использование одной ФРТ для всего изображения позволяет обеспечить менее временно- и вычислительно затратную обработку изображения; или

- использовать в каждой зоне изображения присущую ей ФРТ. В этом случае эффективность повышения разрешения остается высокой по всему изображению. Однако, данный подход является гораздо более временно- и вычислительно затратным, что не позволяет использовать его в некоторых устройствах захвата изображений, таких как, например, камеры мобильных телефонов.

Известны подходы к восстановлению изображения, которые призваны преодолевать по меньшей мере некоторые недостатки вышеописанных подходов.

Так, в источнике US 20090238552 (Samsung Electronics, опубликован 24.09.2009) раскрыта система объектива для захвата изображения, которая включает в себя группу линз для захвата изображения, имеющую множество линз и фазовую маску, расположенную внутри группы линз. Фазовая маска вызывает размытие формируемого изображения таким образом, что обеспечивается усреднение качества изображения по полю зрения за счет обеспечения однородности частотно-контрастной характеристики (ЧКХ). При этом оптическое излучение, проходящее через фазовую маску, может быть разделено на компоненты по оси x и компоненты по оси y таким образом, чтобы использовать при восстановлении изображения обработку одномерного сигнала. К недостаткам данного известного решения можно отнести необходимость использования фазовой маски, асимметричную конструкцию объектива и узкое поле зрения (ПЗ).

В источнике US 8605192 (Kyocera Corp., опубликован 10.12.2013) раскрыто устройство захвата изображений, оптическая система которого включает в себя оптический элемент для обеспечения равномерного размытия формируемого изображения за счет введения в изображение регулируемых аберраций путем придания упомянутому элементу оптической поверхности определенной формы. Кроме того, устройство включает в себя устройство обработки изображений, которое формирует из первого изображения итоговое изображение с высокой точностью. Обеспечивается различная вариативность пятна рассеяния по полю зрения и, таким образом, усреднение качества изображения между различными его участками (в частности, между центральной областью и периферийными участками поля зрения). К недостаткам данного известного решения можно отнести узкое поле зрения и относительно высокое апертурное число (низкое относительное отверстие), что делает нецелесообразным его применение, например, в мобильных устройствах, а также тот факт, что в данном известном решении обеспечиваются одинаковые значения ФРТ в направлении оптической оси и/или по полю зрения.

В источнике US 8233073 (DitigalOptics Corp Europe Ltd, опубликован 31.07.2012) раскрыто устройства захвата изображений, в котором равномерность качества изображения по полю зрения обеспечивается за счет варьирования увеличения объектива по различным участкам поля зрения. В частности, в известном решении предусмотрен электронный датчик изображения, имеющий чувствительную поверхность, оптическая проекционная система для проецирования объекта, находящегося в поле зрения, на упомянутую чувствительную поверхность датчика изображения. При этом проекционная система выполнена с возможностью проецирования упомянутого объекта на поверхность датчика изображения с дисторсией таким образом, что проецируемое изображение расширяется в центральной области поля зрения и, напротив, сужается на периферийных участках поля зрения. Это обеспечивается за счет большего (например, в 2 раза) увеличения объектива в центральной области поля зрения и меньшего увеличения объектива на периферийных участках. При меньшем значении увеличения величина ФРТ в соответствующей области на поверхности датчика изображения может быть уменьшена. С другой стороны, при большем увеличении, например, в центральной области поля зрения может быть несколько увеличена ФРТ, но при этом может быть повышено общее разрешение в данной области. В итоге, размер пятна рассеяния может быть приведен к приблизительно одинаковой величине как в центральной области поля зрения, так и на периферийных участках поля зрения. К недостаткам данного известного решения можно отнести высокую дисторсию получаемого изображения, зависящую от конкретной области изображения, асимметричность пятна рассеяния, в особенности на периферийных участках поля зрения. Ввиду необходимости дополнительной обработки изображения для компенсации упомянутой высокой и неравномерной дисторсии данное известное решение также нецелесообразно применять в мобильных устройствах.

В источнике US 9137426 (Olympus Corporation, опубликован 15.09.2015) раскрыто оптическое устройство, в котором изображаемый объект проецируется на матрицу датчика изображения с некоторого конечного расстояния. В данном известном решении в процессе обработки по восстановлению изображения реализуется усреднение пятна рассеяния не только по полю зрения, но и по глубине резкости для обеспечения возможности формирования изображений объектов с достаточной резкостью по всей протяженности объекта от точки, наиболее близкой к оптическому устройству, до точки, наиболее удаленной от оптического устройства.

К недостаткам данного известного решения можно отнести его неприменимость для мобильных устройств ввиду особенностей конструкции оптической системы, а также узкое поле зрения, высокое апертурное число (низкое относительное отверстие), а также необходимость обеспечения одинаковых значений ФРТ в направлении оптической оси.

Данное известное решение может быть принято в качестве ближайшего аналога (прототипа) по отношению к заявляемому изобретению.

Раскрытие изобретения

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в сложности обеспечения равномерно высокого качества изображения (разрешения) по всему полю зрения, в том числе на его периферийных участках, посредством миниатюрной оптической системы, пригодной для применения в портативных и мобильных устройствах.

Задача изобретения состоит в создании оптической системы для захвата изображений и соответствующего способа, которые обеспечивали бы равномерно высокое качество изображения по всему полю зрения.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в повышении эффективности восстановления изображения как в центральной области, так и на периферийных участках поля зрения оптической системы. Кроме того, обеспечивается повышение скорости обработки по восстановлению изображения.

В первом аспекте данная задача решается оптической системой для захвата изображений, содержащей датчик изображения, блок обработки изображения, выполненный с возможностью обработки изображения, формируемого на датчике изображения посредством падающего оптического излучения от изображаемой внешней сцены, и группу оптических элементов, содержащую по меньшей мере один оптический элемент, имеющий по меньшей мере одну асферическую оптическую поверхность; причем группа оптических элементов выполнена с возможностью формирования на датчике изображения равномерно размытого изображения; причем блок обработки изображения выполнен с возможностью выполнения обработки по восстановлению изображения на основе упомянутого равномерно размытого изображения для получения изображения с равномерной резкостью по всему полю зрения, причем для формирования равномерно размытого изображения группа оптических элементов выполнена с возможностью увеличения функции рассеяния точки (ФРТ) в центральной области поля зрения оптической системы и уменьшения функции рассеяния точки (ФРТ) на периферийных участках поля зрения оптической системы. Оптическая система может дополнительно содержать инфракрасный (ИК) фильтр, размещенный перед датчиком изображения и выполненный с возможностью блокирования ИК излучения. Оптическая система может дополнительно содержать по меньшей мере один дополнительный оптический элемент на по меньшей мере одной поверхности по меньшей мере одного оптического элемента. По меньшей мере один дополнительный оптический элемент может быть выбран из группы, содержащей дифракционный оптический элемент (DOE), зеркало, голографический оптический элемент (HOE), металинзу. Отношение заднего фокального отрезка (FBL) и осевого расстояния между обращенной к объекту поверхностью первого оптического элемента и поверхностью датчика изображения (TTL) может быть больше 0,10. Отношение заднего фокального отрезка (FBL) и фокусного расстояния оптической системы может быть больше 0,14.

В одном или более вариантах выполнения равномерно размытое изображение формируется с максимальным значением дефокусировки по полю зрения меньше 1,0F, с минимальным значением дефокусировки по полю зрения больше 0,0F и максимальным значением комы по полю зрения меньше 1,0F. По меньшей мере один оптический элемент может быть выполнен из пластика, стекла или оптической керамики.

Во втором аспекте данная задача решается способом формирования изображения посредством оптической системы для захвата изображений, содержащим этапы, на которых: формируют на датчике изображения на основе падающего оптического излучения от изображаемой внешней сцены равномерно размытое изображение посредством по меньшей мере одного оптического элемента, имеющего по меньшей мере одну асферическую оптическую поверхность; выполняют посредством блока обработки изображения обработку по восстановлению изображения на основе упомянутого равномерно размытого изображения для получения изображения с равномерной резкостью по всему полю зрения, причем этап формирования равномерно размытого изображения содержит этап, на котором увеличивают функцию рассеяния точки (ФРТ) в центральной области поля зрения оптической системы и уменьшают функцию рассеяния точки (ФРТ) на периферийных участках поля зрения оптической системы. В одном или более вариантах выполнения равномерно размытое изображение формируют с максимальным абсолютным значением дефокусировки по полю зрения меньше 1,0F, с минимальным абсолютным значением дефокусировки по полю зрения больше 0,0F и максимальным абсолютным значением комы по полю зрения меньше 1,0F. Способ может дополнительно содержать этап, на котором блокируют инфракрасное (ИК) излучение посредством инфракрасного (ИК) фильтра, размещенного перед датчиком изображения.

Специалистам в данной области техники очевидно, что изобретательский замысел не ограничен аспектами, охарактеризованными выше, и изобретение может принимать форму других объектов, таких как устройство формирования изображений, объектив, камера для захвата изображений, способ работы устройства, оптической системы и т.п. Дополнительные признаки, которые могут характеризовать частные варианты выполнения настоящего изобретения, будут очевидны специалистам в данной области техники из подробного описания вариантов выполнения, приведенного ниже.

Краткое описание чертежей

Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи предназначены только для целей иллюстрации, и не предназначены для определения объема правовой охраны настоящего изобретения

На Фиг. 1 проиллюстрирован принцип формирования пятна рассеяния оптической системой на основе оптического излучения от точечного источника;

На Фиг. 2 проиллюстрирован один из способов оценки размера пятна рассеяния оптической системой на основе оптического излучения от точечного источника;

На Фиг. 3 приведено схематичное изображение оптической системы согласно по меньшей мере одному варианту выполнения изобретения;

На Фиг. 4 схематично проиллюстрирована оптическая система по одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения и график относительной величины дефокусировки;

На Фиг. 5 схематично проиллюстрирована оптическая система по одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения и график относительной величины комы;

На Фиг. 6 схематично проиллюстрирована оптическая система по одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения в сравнении с оптической системой из уровня техники;

На Фиг. 7 показан график величины размытия изображения по полю зрения оптической системы;

На Фиг. 8 схематично показана структура оптической системы по одному или более вариантам осуществления;

На Фиг. 9 показана диаграмма функции рассеяния точки (ФРТ) для варианта выполнения оптической системы согласно изобретению;

На Фиг. 10 показана диаграмма функции рассеяния точки (ФРТ) для варианта выполнения оптической системы согласно изобретению;

На Фиг. 11 проиллюстрирован вариант выполнения изобретения, в котором оптическая система содержит дополнительный оптический элемент;

На Фиг. 12 (виды A, B, C) показаны графики величины размытия изображения по полю зрения оптической системы для трех различных вариантов выполнения изобретения.

Осуществление изобретения

В современных оптических системах одним из наиболее наглядных показателей качества изображения с точки зрения пользователя является разрешение формируемого изображения. В известных оптических системах, как правило, особое внимание уделяется разрешению формируемого изображения в центральной области поля зрения, в то время как на периферийных участках изображения, например ближе к его краям и/или углам, значение разрешения может быть значительно меньше, что вызвано, в частности, вариативностью функции рассеяния точки (ФРТ, PSF) в пределах поля зрения оптической системы устройства формирования изображений. Об этом можно судить по размеру и форме пятна рассеяния в центральной части формируемого изображения и на его периферийных участках - в центре пятно характеризуется симметричной формой и минимальным размером (то есть минимальным рассеянием), в то время как на периферийных участках пятно рассеяния имеет больший размер и, кроме того, отличается несимметричностью.

Так, например, ФРТ может различаться между центральной областью изображения и его краями в соотношении 1:3, что обеспечивает значительно более высокую степень размытия изображения по краям, чем в центре. Это затрудняет работу алгоритмов восстановления изображения, поскольку при работе алгоритмы опираются на ФРТ в центре кадра. Снижение вариативности ФРТ по всему полю зрения (т.е. по существу равномерное размытие всего изображения) может повысить эффективность восстановления резкости изображения, например, при последующей обработке изображения, получаемого на датчике изображения устройства захвата изображений.

Идеальная оптическая система проецирует оптическое излучение от точечного объекта/источника оптического излучения на плоскость датчика изображения не в виде точки, а в виде пятна с некоторым распределением интенсивности, как схематично проиллюстрировано на Фиг. 1, где позицией 1 отмечен точечный источник оптического излучения, условно представляющий изображаемый объект, позицией 2 - оптическая система, и позицией 3 - проекция точечного источника 1 оптического излучения на плоскость датчика изображения и график распределения интенсивностей на плоскости датчика изображения. Ориентируясь на то, как оптическая система размывает точечный источник оптического излучения (т.е. основываясь на ФРТ), алгоритм восстановления изображения может восстановить изображение (повысить его разрешение), стремясь в идеальном случае к тому, чтобы получить пятно рассеяния, максимально близкое к точке, которую изначально представлял собой точечный источник оптического излучения.

ФРТ представляет собой параметр качества изображения, относящийся ко всем устройствам, способным формировать изображение (в том числе к камерам для портативных или стационарных электронных устройств и т.п.). Функция рассеяния точки описывает реакцию системы формирования изображений на точечный источник оптического излучения или точечный объект. Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ, MTF) следует из функции рассеяния точки (ФРТ, PSF) и определяется как абсолютное значение преобразования Фурье ФРТ:

MTF=abs(FFT(PSF))

Однако обратное преобразование невозможно в силу того, что одна и та же ЧКХ может быть получена при разных ФРТ.

Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) определяет реакцию оптической системы на периодическую картину оптического излучения, пропускаемую оптической системой, в зависимости от ее пространственной частоты. ЧКХ представляет собой характеристику камеры и относится ко всем устройствам, которые способны формировать изображение (например, к камерам для портативных или стационарных электронных устройств и т.п.). Эта величина характеризует величину контраста изображаемого объекта в зависимости от пространственной частоты.

В качестве критерия оптимизации для повышения качества изображения больше подходит именно ФРТ, а не ЧКХ, по следующим причинам. Если брать в качестве критерия оптимизации повышение однородности ЧКХ по всему формируемому изображению, ФРТ в пределах изображения в таком случае может быть неоднородной, а эффективность восстановления резкости (устранения размытия) в формируемом изображении может быть низкой. ФРТ учитывает больше информации, относящейся к качеству изображения, и использование ФРТ в качестве критерия оптимизации приведет к повышению однородности ЧКХ, а также обеспечит более эффективное восстановление резкости. ЧКХ невозможно получить из ФРТ (ввиду недостаточности имеющихся данных), но ФРТ содержит данные, характеризующие ЧКХ.

Кроме того, в современных устройствах захвата изображения в центральной области поля зрения размер (по полуширине интенсивности, см. Фиг 2, где f(r) - сечение функции рассеяния точки (ФРТ), проходящее через ее максимальное значение; f_max - максимальное значение интенсивности ФРТ; f_max/2 - максимальное значение интенсивности ФРТ, деленное на 2; r - пространственная координата; r₁ и r₂ - координаты, определяющие размер ФРТ по половине значения интенсивности ФРТ; FWHM - полуширина (r₂ - r₁)) функции рассеяния точки (ФРТ) согласован с размером пикселя датчика изображения либо меньше его.

Учитывая вышеописанные особенности уровня техники, в настоящем изобретении предложен подход, который также по существу основан на усреднении качества изображения по полю зрения (ПЗ). Для этого, согласно изобретению, предусмотрено увеличение размера «пятна рассеяния» (другими словами, увеличение размера ФРТ по уровню половины энергии или кратко «увеличение ФРТ») в центральной области поля зрения и, напротив, уменьшение ФРТ на периферии поля зрения, в частности по краям. При этом величина размытия в центральной области ПЗ имеет большие значения по сравнению с известными оптическими системами (оптимизация для достижения наилучшей ЧКХ).

Для обеспечения улучшенных рабочих характеристик по восстановлению (повышению качества и, более конкретно, - разрешения) изображения в оптической системе согласно изобретению предусмотрено следующее.

На Фиг. 3 приведено схематичное изображение оптической системы согласно изобретению. В одном или более неограничивающих вариантах выполнения изобретения оптическая система, оптимизированная для увеличения ФРТ в центральной области поля зрения и уменьшения ФРТ по краям поля зрения характеризуется следующими признаками:

- максимальное абсолютное значение дефокусировки по полю зрения < 1,0F, что приводит к уменьшению величины размытия по краям;

- минимальное абсолютное значение дефокусировки по полю зрения > 0,0F, что приводит к увеличению величины размытия в центральной области;

- максимальное абсолютное значение комы по полю зрения < 1,0F, что также приводит к уменьшению величины размытия по краям.

При этом FBL/TTL > 0,10;

FBL/FL > 0,14,

где FBL - задний фокальный отрезок; TTL - осевое расстояние между стороной, обращенной к объекту, первого линзового элемента и поверхностью датчика изображения; FL - фокусное расстояние оптической системы.

Указанные выше ограничения характеристик оптической системы, которые представляют собой характеристики компонентов оптической системы, таких как, в качестве неограничивающего примера, параметры геометрического размера и/или формы одной или более линз, расстояния между линзами и/или другими элементами оптической системы и устройства захвата изображения и т.п., обеспечивают упомянутое усреднение качества изображения в соответствии с изобретением.

Усреднение качества изображения (другими словами - размера ФРТ по половине интенсивности) по всему полю зрения оптической системы согласно изобретению, понимаемое как увеличение ФРТ в центральной области поля зрения и уменьшение ФРТ на периферии поля зрения обеспечивается следующим образом. Оптическое излучение от изображаемой внешней сцены фокусируется оптической системой на датчике изображения. При этом оптическая система формирует на датчике изображения размытое изображение, в котором величина размытия увеличена в центральной области поля зрения по сравнению с известными оптическими системами (оптимизировано для наилучшего значения ЧКХ). Величина размытия на периферии поля зрения (в частности, по краям), напротив, уменьшена по сравнению с известными оптическими системами (оптимизировано для наилучшего значения ЧКХ). Размер пятна рассеяния (другими словами, величина ФРТ) в центральной области (обозначен как DPSF_center) увеличен по сравнению с размером пятна рассеяния известных обычных оптических систем (обозначен как DMTF_center). Размер пятна рассеяния (другими словами, величина ФРТ) по краям поля зрения (обозначен как DPSF_corner) уменьшен по сравнению с размером пятна рассеяния в обычных оптических системах (обозначен как DMTF_corner), то есть:

DPSF_center > DMTF_center

DPSF_corner < DMTF_corner

Далее размытое изображение с датчика изображения обрабатывается в процессоре для повышения качества (иными словами, восстановления резкости, устранения размытия) изображения на всех участках поля зрения (ПЗ).

В ходе разработки было определено пороговое значение неравномерности качества изображения по полю в 30%, при котором наблюдается уверенное увеличение эффективности алгоритмов восстановления изображения.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения (см. Фиг. 4) упомянутое усреднение качества изображения может быть обеспечено за счет выбора значений дефокусировки для различных участков (сегментов) поля зрения оптической системы. На Фиг. 4 схематично проиллюстрирована оптическая система по одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения, а также показан график, на котором по оси Y обозначены нормализованные координаты на поле зрения оптической системы, а по оси X - относительная величина дефокусировки. Позицией A на графике на Фиг. 4 обозначена точка с величиной дефокусировки на краю поля (1,0F). Из графика видно, что эта величина не является ни минимальной, ни максимальной. Позицией B - точка с минимальной величиной дефокусировки, которая находится между центром поля зрения (0,0F) и краем поля зрения (1,0F). Позицией C обозначена точка с максимальной величиной дефокусировки, которая также располагается между центром поля зрения (0,0F) и краем поля зрения (1,0F). Позицией D обозначена точка в центре поля зрения (0,0F), которая также как и точка А не является ни минимальной, ни максимальной величиной дефокусировки.

На Фиг. 5 схематично проиллюстрирована оптическая система по одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения, а также показан график, на котором по оси Y обозначены нормализованные координаты на поле зрения оптической системы, а по оси X - относительная величина комы (внеосевой несимметрической аберрации). Позицией А на графике Фиг. 5 показана точка со значением комы для поля зрения 1,0F. Данное значение не является ни максимальным, ни минимальным. Позицией B обозначена точка с максимальным значением комы по полю зрения, которая располагается не на краю поля зрения (< 1,0F). Кома является одной из величин, характеризующих несимметричность пятна рассеяния, которая в оптических системах из уровня техники характерна для периферийных участков (углов) поля зрения оптической системы.

На Фиг. 6 схематично проиллюстрирована оптическая система по одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения в сравнении с оптической системой из уровня техники. Так, на виде А по Фиг. 6 схематично показана оптическая система из уровня техники, в которой задний фокальный отрезок (обозначен как FBL_MTF) выбран из условия оптимизации качества формируемого изображения по критерию равномерного распределения ЧКХ по полю зрения оптической системы, а на виде В по Фиг. 6 показана оптическая система по изобретению, в которой задний фокальный отрезок (обозначен как FBL) увеличен для обеспечения выравнивания качества изображения по полю зрения, т.е. снижения в центральной области поля зрения и повышения на периферийных участках ПЗ, причем FBL > FBL_MTF. Согласно одному или более вариантам выполнения настоящего изобретения отношение заднего фокального отрезка (FBL) и осевого расстояния между обращенной к объекту поверхностью первого оптического элемента и поверхностью датчика изображения (TTL) более 0,10, т.е.:

FBL/TTL > 0,10

Отношение FBL и фокусного расстояния (FL) оптической системы согласно изобретению более 0,14, т.е.:

FBL/FL > 0,14

При таких значениях соотношений величин оптическая система становится ближе к телецентрической, т.е. углы падения главных лучей на датчик изображения становятся меньше по всему полю зрения, что позволяет легче справляться с внеосевыми аберрациями (такими как кома) и формировать ФРТ на краю поля зрения, близкую по форме и размеру к ФРТ в центральной области, тем самым выравнивая качество изображения по полю зрения.

Увеличение размера ФРТ (увеличение пятна рассеяния) в центральной области поля зрения и уменьшение размера ФРТ (уменьшение пятна рассеяния) на периферийных участках (в углах, по краям) поля зрения обеспечивает улучшение и повышение скорости работы алгоритмов обработки изображения по восстановлению (повышению качества, разрешения) изображения. По существу, за счет вышеуказанных мер на датчике изображения формируется изображение, которое является для упомянутого датчика изображения заведомо менее резким, но обладает равномерным размытием по всему полю зрения, вследствие чего оно значительно лучше поддается постобработке по восстановлению качества. Дальнейшая обработка по восстановлению качества изображения вышеупомянутыми алгоритмами обеспечивает итоговое изображение, которое обладает равномерно высоким качеством (разрешением) по всему полю зрения итогового изображения.

Следует учитывать, что вышеописанное увеличение размытия (снижение качества изображения) в центральной области поля зрения и уменьшение размытия (повышение качества изображения) на периферийных участках поля зрения соответствуют следующим условиям:

- величина размытия (рассеяния) является постоянной по существу для любой координаты в поле зрения;

- величина размытия по изображению ниже максимальной величины размытия на периферийных участках, но выше минимальной величины размытия в центральной области, обеспечиваемых оптическими системами из уровня техники.

В результате алгоритмы повышения качества изображения работают с одним общим значением ФРТ для всех участков изображения. Соответственно, качество изображения восстанавливается (повышается) на всех участках изображения.

На Фиг. 6 показан график величины размытия изображения по полю зрения оптической системы, где ось X соответствует координатам в поле зрения (ниже на Фиг. 6 показано, что координаты, отображаемые на оси X графика, для целей данного графика отсчитываются от центра поля зрения к его углу по диагонали), а ось Y - величине размытия изображения. Пунктирной линией показан график величины размытия в зависимости от координат в поле зрения оптической системы из уровня техники, в которой оптимизация изображения основана на равномерном распределении ЧКХ по полю зрения. Видно, что данный график представляет собой кривую, отражающую возрастание размытия по координатам от центральной области к углу поля зрения. Позицией А на графике Фиг. 6 обозначен график размытия по изобретению до обработки по восстановлению качества изображения, а позицией В - график размытия по изобретению после обработки по восстановлению качества изображения. Оба графика размытия по изобретению представляют собой горизонтальные прямые, что отражает равномерность величин ФРТ по полю зрения оптической системы. При этом после обработки по восстановлению качества величина размытия в системе по изобретению может быть ниже величины размытия в центральной области поля зрения (т.е. наименьшей величины размытия в области, в которой качество изображения наиболее высоко) в известных решениях из уровня техники.

На Фиг. 8 схематично показана структура оптической системы по одному или более неограничивающим вариантам осуществления. Оптическая система содержит группу оптических элементов (линз), обозначенных позициями 1-6, инфракрасный (ИК) фильтр, обозначенный позицией 7, и датчик изображения, обозначенный позицией 8. Группа оптических элементов 1-6 по существу образует объектив, который, наряду с датчиком 8 изображения, составляет основу оптической системы по изобретению. Группа оптических элементов содержит (в порядке от изображаемого объекта к датчику изображения) первый оптический элемент 1, второй оптический элемент 2, третий оптический элемент 3, четвертый оптический элемент 4, пятый оптический элемент 5, шестой оптический элемент 6. При этом в данном варианте выполнения:

- первый оптический элемент 1 имеет положительную оптическую силу;

- второй оптический элемент 2 имеет отрицательную оптическую силу;

- третий оптический элемент 3 имеет положительную оптическую силу;

- четвертый оптический элемент 4 имеет положительную оптическую силу;

- пятый оптический элемент 5 имеет отрицательную оптическую силу; и

- шестой оптический элемент 6 имеет отрицательную оптическую силу.

В одном или более неограничивающих вариантах выполнения изобретения поверхности всех оптических элементов выполнены асферическими. В одном или более неограничивающих вариантах выполнения изобретения все оптические элементы выполнены из пластика, однако специалистам в данной области техники очевидно, что они могут быть выполнены и из других подходящих материалов, таких как, например, стекло или оптическая керамика.

Кроме того, оптическая система по изобретению содержит апертурную диафрагму (АД) и инфракрасный (ИК) фильтр 7, расположенные между шестым оптическим элементом 6 и датчиком 8 изображения. ИК фильтр 7 выполнен из стекла и не влияет на фокусное расстояние оптической системы по изобретению.

В одном или более неограничивающих вариантах выполнения оптическая система согласно изобретению, конфигурация которой описана выше, характеризуется диафрагменным числом 1,8, полем зрения =±40° и величиной дисторсии менее 5%.

На Фиг. 9 показана диаграмма, иллюстрирующая функцию рассеяния точки (ФРТ) для описанного выше варианта выполнения оптической системы согласно изобретению. По оси Х обозначены положения (в мкм) на удалении от энергетического центра точки, по оси Y - относительная интенсивность падающего оптического излучения. Условное обозначение FWHM означает полную ширину пятна рассеяния на уровне половины максимума интенсивности падающего оптического излучения. Для данного варианта выполнения вариативность FWHM по полю зрения составляет ±5%. На диаграмме видно, что пятно рассеяния в данном случае характеризуется небольшим размером и в нем по существу равномерно распределены излучения с различными длинами волн.

В данном неограничивающем варианте выполнения задний фокальный отрезок увеличен в процессе оптимизации по сравнению с оптическими системами из уровня техники, оптимизированными для достижения наилучшей ЧКХ, причем:

FBL/TTL=0,11

FBL/FL=0,15,

где FBL - задний фокальный отрезок; FL - фокусное расстояние оптической системы. В данном варианте выполнения все участки поля зрения оптической системы имеют равные величины ФРТ, что приводит к равномерному размытию по всему полю зрения датчика изображения.

В другом неограничивающем варианте выполнения оптическая система содержит группу оптических элементов (линз), включающую в себя пять оптических элементов, при этом в данном варианте выполнения:

- первый оптический элемент имеет отрицательную оптическую силу;

- второй оптический элемент имеет положительную оптическую силу;

- третий оптический элемент имеет отрицательную оптическую силу;

- четвертый оптический элемент имеет положительную оптическую силу;

- пятый оптический элемент имеет отрицательную оптическую силу.

В данном варианте выполнения изобретения поверхности всех оптических элементов также выполнены асферическими, и все оптические элементы выполнены из пластика, однако специалистам в данной области техники очевидно, что они могут быть выполнены и из других подходящих материалов, таких как, например, стекло и оптическая керамика. ИК фильтр в данном варианте выполнения также выполнен из стекла и не влияет на фокусное расстояние оптической системы по изобретению. Оптическая система по данному варианту выполнения характеризуется диафрагменным числом 1,85, полем зрения ±40°, и величиной дисторсии <5%. На Фиг. 10 представлена диаграмма, иллюстрирующая функцию рассеяния точки (ФРТ) для данного варианта выполнения оптической системы согласно изобретению. Для данного варианта выполнения FWHM составляет ±20%. В данном варианте величина неравномерности качества изображения по полю выше, чем в предыдущем. Однако, этого достаточно для увеличения эффективности алгоритмов восстановления.

Следует отметить, что количество, порядок расположения, форма поверхностей, оптическая сила и другие характеристики оптических элементов в показанных выше вариантах выполнения изобретения являются лишь примерными, и объем правовой охраны изобретения в общем случае не ограничен конкретными подробностями в отношении количества, порядка расположения, формы поверхностей, оптической силы и т.п., описанными в качестве примера. Специалистам в данной области техники будут очевидны другие возможные примеры реализации оптической системы с меньшим или большим количеством, другим порядком размещения, формами поверхностей и т.п., отличные от вышеописанного, которые также позволят реализовать описанные в настоящей заявке требования к дефокусировке, коме и осевым отрезкам для достижения равномерности ФРТ по всему полю зрения.

На Фиг. 11 проиллюстрирован еще один вариант выполнения оптической системы согласно изобретению, в котором оптическая система содержит дополнительный оптический элемент, обозначенный на Фиг. 11 условным обозначением OE, размещенный по меньшей мере на одной оптической поверхности по меньшей мере одного оптического элемента оптической системы. Такой оптический элемент может быть использован в оптической системе для более точной компенсации оптических аберраций и получения более равномерного качества изображения по полю. ОЕ может представлять собой, в качестве неограничивающего примера, по меньшей мере один дифракционный оптический элемент (DOE), по меньшей мере одно зеркало, по меньшей мере один голографический оптический элемент (HOE), по меньшей мере одну металинзу. Дополнительные оптические элементы могут быть размещены на поверхности любого одного оптического элемента в оптической системе, либо на одной или более поверхностях одного или более оптических элементов. В данном варианте выполнения все поверхности оптических элементов также являются асферическими. Оптические элементы могут быть выполнены из пластика или стекла.

По меньшей мере в одном варианте выполнения изобретения величина ФРТ может быть равной (равномерно распределенной) не по всему полю зрения (не по всем координатам поля зрения), а только по некоторым участкам поля зрения. На Фиг. 12 показаны графики величины размытия изображения по полю зрения оптической системы для трех неограничивающих вариантов выполнения изобретения (виды A, B, C, соответственно) где ось X соответствует координатам в поле зрения (при этом, аналогично Фиг. 6, координаты, отображаемые на оси X графика, для целей данного графика отсчитываются от центра поля зрения к его углу), а ось Y соответствует величине размытия изображения. Пунктирной линией показан график величины размытия в зависимости от координат в поле зрения оптической системы из уровня техники, в которой оптимизация изображения основана на равномерном распределении ЧКХ по полю зрения. Видно, что данный график представляет собой кривую, отражающую возрастание размытия по координатам от центральной области к углу поля зрения.

Позицией А на видах A, B, C по Фиг. 12 обозначен график размытия по изобретению до обработки по восстановлению качества изображения, а позицией В - график размытия по изобретению после обработки по восстановлению качества изображения. В первом случае оба графика (позиции A и B) размытия по изобретению на виде А представляют собой кривую в области координат, соответствующей области вблизи центра поля зрения, и горизонтальные прямые в областях дальше от центра поля зрения. На виде B эти графики представляют собой прямую на большей части поля зрения, начиная от центра, и кривую в области ближе к краю поля зрения. На виде C эти графики представляют собой кривые в области от центра до некоторого удаления поля зрения, прямые для более отдаленных от центра участков, и вновь кривые в области ближе к краю поля зрения.

Кривизна линий на графиках на Фиг. 12 отражает неравномерность величин ФРТ по полю зрения оптической системы, а прямые линии - равномерность величин ФРТ по полю зрения оптической системы.

В соответствии с одним или более вариантами выполнения изобретения равномерность ФРТ по полю зрения (FWHM) находится в пределах от 0 до ±30% в соответствии с определенным в ходе разработки оптической системы пороговым значением.

Во втором аспекте настоящее изобретение относится к способу формирования изображения, реализуемому посредством оптической системы для захвата изображений по первому вышеописанному аспекту изобретения.

На первом этапе настоящего способа на датчике изображения формируют равномерно размытое на основе падающего оптического излучения от изображаемой внешней сцены. Падающее оптическое излучение, отраженное от изображаемой внешней сцены, проходит через оптическую систему, и в частности через группу оптических элементов, содержащую по меньшей мере один оптический элемент с асферической поверхностью, имеющий положительную или отрицательную оптическую силу. Так как оптическая система построена по одному из вариантов реализации данного изобретения, то она формирует равномерно размытое изображение внешней сцены на датчике изображения.

На втором этапе настоящего способа выполняется обработка по восстановлению изображения на основе упомянутого равномерно размытого изображения. Для восстановления качества (повышения резкости) могут применяться различные стандартные неслепые алгоритмы повышения резкости изображения (например, алгоритмы, описанные в источнике https://github.com/dongjxjx/dwdn), в частности алгоритмы, основанные на вайнеровской деконволюции (Wiener deconvolution), которые базируются на характеристиках пятна рассеяния. В частности, при экспериментальных испытаниях способа и оптической системы по различным вариантам реализации изобретения при обработке по восстановлению качества применялись такие известные алгоритмы, как Deep Wiener Deconvolution и Bayesian-Based Iterative Method. Следует отметить, что предлагаемое изобретение не ограничено конкретным алгоритмом обработки по восстановлению изображения.

При реализации способа по вышеописанному второму аспекту настоящего изобретения обеспечивается более эффективная, чем в уровне техники, обработка по восстановлению качества изображения как в центральной области, так и на периферийных участках поля зрения оптической системы. При этом обеспечивается равномерное качество изображения (разрешение) по всему полю зрения. Кроме того, обработка по восстановлению качества изображения согласно предлагаемому способу является более быстрой и менее вычислительно затратной, чем в известных решениях из уровня техники.

Промышленная применимость

Предлагаемое изобретение по вышеописанным аспектам может быть использовано в оптических системах для захвата изображений, например, содержащих миниатюрные объективы и/или камеры малой толщины, таких как, в качестве неограничивающего примера, веб-камеры портативных компьютеров, автомобильные камеры, камеры беспилотных летательных аппаратов и т.п. Кроме того, предлагаемое изобретение может применяться в камерах с матрицей линз с широким полем зрения. Также оптическая система согласно изобретению может быть реализована, например, в виде миниатюрного объектива для электронных устройств, например для камер мобильных телефонов, миниатюрных цифровых камер и т.п. Другие варианты применения вышеописанной оптической системы согласно изобретению будут очевидны специалистам в данной области техники из вышеприведенного описания изобретения.

Специалистам в данной области техники следует понимать, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технологий и материально-технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Подробное описание вариантов выполнения изобретения, приведенное выше, не предназначено для ограничения или определения объема правовой охраны настоящего изобретения.

Специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам могут быть предусмотрены другие варианты выполнения, охватываемые объемом настоящего изобретения, и все такие очевидные изменения, модификации и/или эквивалентные замены считаются включенными в объем настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем ссылки, насколько это применимо.

При том, что настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники следует понимать, что в его форму и конкретные детали могут быть внесены различные изменения, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.

Изобретение относится к оптическим системам для захвата изображений. Система содержит датчик изображения; блок обработки изображения, выполненный с возможностью обработки изображения, формируемого на датчике изображения посредством падающего оптического излучения от изображаемой внешней сцены; группу оптических элементов, содержащую по меньшей мере один оптический элемент, имеющий по меньшей мере одну асферическую оптическую поверхность. Группа оптических элементов выполнена с возможностью формирования на датчике изображения равномерно размытого изображения. Блок обработки изображения выполнен с возможностью выполнения обработки по восстановлению изображения на основе упомянутого равномерно размытого изображения для получения изображения с равномерной резкостью по всему полю зрения. При этом для формирования равномерно размытого изображения группа оптических элементов выполнена с возможностью увеличения функции рассеяния точки (ФРТ) в центральной области поля зрения оптической системы и уменьшения ФРТ на периферийных участках поля зрения оптической системы. Технический результат - повышение эффективности восстановления изображения. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Оптическая система для захвата изображений, содержащая:

датчик изображения;

блок обработки изображения, выполненный с возможностью обработки изображения, формируемого на датчике изображения посредством падающего оптического излучения от изображаемой внешней сцены;

группу оптических элементов, содержащую по меньшей мере один оптический элемент, имеющий по меньшей мере одну асферическую оптическую поверхность;

причем группа оптических элементов выполнена с возможностью формирования на датчике изображения равномерно размытого изображения;

причем блок обработки изображения выполнен с возможностью выполнения обработки по восстановлению изображения на основе упомянутого равномерно размытого изображения для получения изображения с равномерным разрешением по всему полю зрения, причем для формирования равномерно размытого изображения группа оптических элементов выполнена с возможностью увеличения функции рассеяния точки (ФРТ) в центральной области поля зрения оптической системы и уменьшения функции рассеяния точки (ФРТ) на периферийных участках поля зрения оптической системы.

2. Оптическая система по п. 1, дополнительно содержащая инфракрасный (ИК) фильтр, размещенный перед датчиком изображения и выполненный с возможностью блокирования ИК излучения.

3. Оптическая система по п. 1, дополнительно содержащая по меньшей мере один дополнительный оптический элемент на по меньшей мере одной поверхности по меньшей мере одного оптического элемента.

4. Оптическая система по п. 3, в которой по меньшей мере один дополнительный оптический элемент выбран из группы, содержащей дифракционный оптический элемент (DOE), зеркало, голографический оптический элемент (HOE), металинзу.

5. Оптическая система по п. 1, в которой отношение заднего фокального отрезка (FBL) и осевого расстояния между обращенной к объекту поверхностью первого оптического элемента и поверхностью датчика изображения (TTL) больше 0,10.

6. Оптическая система по п. 1, в которой отношение заднего фокального отрезка (FBL) и фокусного расстояния оптической системы больше 0,14.

7. Оптическая система по п. 1, в которой равномерно размытое изображение формируется с максимальным значением дефокусировки по полю зрения меньше 1,0F, с минимальным значением дефокусировки по полю зрения больше 0,0F и максимальным значением комы по полю зрения меньше 1,0F.

8. Оптическая система по п. 1, в которой по меньшей мере один оптический элемент выполнен из пластика, стекла или оптической керамики.

9. Способ формирования изображения посредством оптической системы для захвата изображений, содержащий этапы, на которых:

формируют на датчике изображения на основе падающего оптического излучения от изображаемой внешней сцены равномерно размытое изображение посредством по меньшей мере одного оптического элемента, имеющего по меньшей мере одну асферическую оптическую поверхность;

выполняют посредством блока обработки изображения обработку по восстановлению изображения на основе упомянутого равномерно размытого изображения для получения изображения с равномерной резкостью по всему полю зрения, причем этап формирования равномерно размытого изображения содержит этап, на котором увеличивают функцию рассеяния точки (ФРТ) в центральной области поля зрения оптической системы и уменьшают функцию рассеяния точки (ФРТ) на периферийных участках поля зрения оптической системы.

10. Способ по п. 9, в котором равномерно размытое изображение формируют с максимальным значением дефокусировки по полю зрения меньше 1,0F, с минимальным значением дефокусировки по полю зрения больше 0,0F и максимальным значением комы по полю зрения меньше 1,0F.

11. Способ по п. 9, дополнительно содержащий этап, на котором блокируют инфракрасное (ИК) излучение посредством инфракрасного (ИК) фильтра, размещенного перед датчиком изображения.