相位滤波器、光学成像系统以及成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种相位滤波器、一种光学成像系统以及一种成像系统，尤其是涉及 一种技术，该技术能够抑制像点的、响应于受到WFC图像处理的焦点深度扩展图像中的散 焦而发生的平面内位移。
【背景技术】
[0002] 本申请要求2013年3月29日提交的日本专利申请第2013-72388号的优先权，其 全部内容通过引用被并入本文。
[0003] 在成像相机的光学系统的光瞳平面内，称作"波前编码（Wavefront Coding) "、在 下文中简称为"WFC"的技术用于扩展光学系统的场深度和/或焦点深度。WFC通过将三次 函数给出的相位分布提供给光瞳平面上的坐标来均匀用于散焦的点的模糊，并且通过称作 反卷积的图像处理来移除均匀后的模糊。
[0004] 作为关于WFC的相关技术，例如，提出了一种技术，使得在成像相机的光学系统 内，通过处理光瞳函数的相位调制所获取的图像来扩展光学系统的焦点深度，该光瞳函数 的相位调制由实施三次相位函数所实现的相位滤波器进行，参见PTL1。此外，用于扩展焦 点深度的技术使得在使用与光轴正交的x-y坐标系作为用于调制光学传递函数（optical transfer function)、在下文中简称为"0TF"的相位滤波器时，通过提供相位分布来处理所 获取的图像，通过使得具有由一系列函数的任意次幂的乘积表示的一系列函数的三次函数 规范化来获取该相位分布，参见PTL2。此外，虽然并非用于光学成像系统，但是也提出了一 种技术，其用于使用称作"轴棱锥"的锥棱镜产生非衍射光束来尝试改进波长转换的效率， 参见PTL3。
[0005] 引用列表
[0006] 专利文献
[0007] [PTL1]特许 3275010 号公报
[0008] [PTL2]特开 2011-120309 号公报
[0009] [PTL3]特开平 H08-271942 号公报
【发明内容】
[0010] 技术问题
[0011] 在上述【背景技术】中，相位滤波器的相位分布被给定为光瞳平面上的具有三次函数 或类似函数的坐标系的X轴和y轴。当尝试使用并不围绕上述光轴旋转对称的相位过滤器 来均匀用于散焦的点像时，具有点像的位置响应于散焦的量而发生位移的问题。
[0012] 例如，通过用于规范化的光瞳平面坐标系x，y的下述公式使用系数α来表示相位 分布：
[0013] W(x，y) = α · (x3+y3)· · · ·公式 1
[0014] 当加入散焦的波前像差时，通过下述公式使用规范化的光瞳半径P来表示相位 分布：
[0016] ....公式 2
[0017] 此处，W2。是散焦，即，散焦的像差系数。第一项意指在光瞳平面中三次函数的相 位分布在X方向和y方向分别被加入W2()/3a的位移。由于上述位移基本上对应于焦点平 面上的相位位移，因此该位移并不影响点像强度分布。第二项表示对应于所谓的波前倾斜 的X，y的线性函数的相位分布，并且意指与W2(]2/3 a成比例的、焦点平面上的像点位置的位 移。第三项是常数项，其并不影响点像强度分布。因此，当存在三次相位分布时，散焦的波 前像差自然地转换为横向偏差。如果允许该横向偏差，则即使存在散焦，点像分布也基本上 不会改变，因此使得模糊方式均匀，与散焦无关。上述内容实现反卷积，并且这是WFC的原 理。然而，另一方面，由于散焦，上述内容导致点像的位移。因此，在这种应用中出现了通过 点像的位置测量物体的位置的问题。
[0018] 此外，导致并不围绕光轴旋转对称的相位分布的例如三次分布的光学平面基本上 需要同样的非球面光学平面。至于非球面表面，通过具有切削工具的车床加工而形成的金 属模具能够广泛应用于塑料注射成型、使用玻璃模具的成型等等。然而，车床加工的物体必 须具有围绕旋转轴对称的形状。例如三次非球面表面的、围绕轴不对称的形状要求通过旋 转磨具进行二维数控加工，这会导致加工成本和/或加工时间的增加。
[0019] 此外，具有例如三次分布的连续函数的所述相位过滤器要求至少数十个波长，其 各自由上凸和下凸组成。在这种情况下，在具有图像角的光线进入相位过滤器时，出现了相 位位移量偏离优选的位移量的问题。
[0020] 此外，在使用轴棱锥的光学系统中，在进入轴棱锥的底表面的平行光束被折射重 叠的范围内，激光束作为如激光束的集合一样的细光束没有折射地传播。然而，这种透镜用 于平行光束，并且不能被应用于例如成像相机的、同时要求多个像点的这种光学系统。
[0021] 鉴于上述，本发明的一个目的是提供一种技术，该技术能够抑制像点响应被WFC 图像处理的焦点深度扩展图像中的散焦而进行平面内位移。
[0022] 问题的解决方案
[0023] 为了解决上述问题，根据本发明的相位滤波器包括围绕光轴旋转对称的环形结 构，每条环形带都包括基本上抛物线形状的剖面，以用于在焦点平面上均匀地扩展入射光 线并且使该光线相互叠加。根据这种构造，可以抑制像点的、响应于受到WFC图像处理的焦 点深度扩展图像中的散焦而发生的平面内位移。
[0024] 此外，根据本发明的光学成像系统包括相位滤波器，该相位滤波器包括围绕光轴 旋转对称的环形结构，每条环形带都包括基本上抛物线形状的剖面，以用于在焦点平面上 均匀地扩展入射光线并且使该光线相互叠加。根据这种构造，可以抑制像点的、响应于受到 WFC图像处理的焦点深度扩展图像中的散焦而发生的平面内位移。同时，能够将光学成像系 统应用于根据点像的位置测量物体位置。
[0025] 此外，根据本发明的成像系统将反卷积图像处理应用于由光学成像系统获取的图 像，该光学成像系统配备有图像形成系统，该图像形成系统具有根据本发明的相位滤波器， 该相位滤波器包括围绕光轴旋转对称的环形结构，每条环形带都包括基本上抛物线形状的 剖面，以用于在焦点平面上均匀地扩展入射光线并且使该光线相互叠加，并且成像系统获 取焦点深度扩展图像。根据这种构造，可以抑制像点的、响应于受到WFC图像处理的焦点深 度扩展图像中的散焦而发生的平面内位移。同时，能够将光学成像系统应用于根据点像的 位置测量物体位置。
[0026] 此外，根据本发明的车辆驾驶辅助装置将反卷积图像处理应用于由光学成像系统 获取的车辆周围的物体的图像，该光学成像系统配备有图像形成系统，该图像形成系统具 有根据本发明的相位滤波器，该相位滤波器包括围绕光轴旋转对称的环形结构，每条环形 带都包括基本上抛物线形状的剖面，以用于在焦点平面上均匀地扩展入射光线并且使该光 线相互叠加，车辆驾驶辅助装置获取焦点深度扩展图像，将预定的图像识别算法应用于焦 点深度扩展图像并且同时检测相互在不同位置处且在距离车辆恒定距离范围内的多个物 体。根据这种构造，可以实现距离车辆远近位置处存在的障碍物的同时检测，并且实现改进 驾驶车辆的安全性的效果。
[0027] 此外，根据本发明的监视装置将反卷积图像处理应用于由光学成像系统获取的监 视目标区域内的图像，该光学成像系统配备有图像形成系统，该图像形成系统具有相位滤 波器，该相位滤波器包括围绕光轴旋转对称的环形结构，每条环形带都包括基本上抛物线 形状的剖面，以用于在焦点平面上均匀地扩展入射光线并且使该光线相互叠加，监视装置 获取焦点深度扩展图像，将预定的图像识别算法应用于焦点深度扩展图像并且同时检测在 监视目标区域内的且相互在距离光学成像系统不同位置处的多个人。根据这种构造，可以 实现不考虑距离光学成像系统的距离而提高对于侵入或存在于监视目标区域中的可疑人 员和/或罪犯等的识别率。
[0028] 此外，根据本发明的认证装置将反卷积图像处理应用于由光学成像系统多次获取 的图像中的相同的认证目标的每个图像，该光学成像系统配备有图像形成系统，该图像形 成系统具有相位滤波器，该相位滤波器包括围绕光轴旋转对称的环形结构，每条环形带都 包括基本上抛物线形状的剖面，以用于在焦点平面上均匀地扩展入射光线并且使该光线相 互叠加，认证装置获取焦点深度扩展图像，将预定的图像识别算法应用于焦点深度扩展图 像并且从距离光学成像系统不同距离的每个图像中认证相同的认证目标。根据这种构造， 即使在例如人体的指纹、静脉、虹膜等的认证对象与光学成像系统之间的距离对于每次认 证操作都改变的情况下，也能够适当地吸收这种距离变化并且改进认证精度。
[0029] 此外，根据本发明的医疗装置将反卷积图像处理应用于由光学成像系统获取的图 像中的人体医疗护理目标区域中的图像，该光学成像系统配备有图像形成系统，该图像形 成系统具有相位滤波器，该相位滤波器包括围绕光轴旋转对称的环形结构，每条环形带都 包括基本上抛物线形状的剖面，以用于在焦点平面上均匀地扩展入射光线并且使该光线相 互叠加，医疗装置获取焦点深度扩展图像、将预定的图像识别算法应用于焦点深度扩展图 像并且同时输出距离光学成像系统不同距离的人体医疗护理目标区域中的多个位置的图 像。根据这种构造，可以不考虑每个受感染区域与光学成像系统之间的距离而改进医护人 员对于受感染区域的同时可见度。这简化了医疗相机等等中的光学系统设计，减少了所需 透镜数量等，并且减少了制造成本。
[0030] 应该注意的是，在上述车辆驾驶辅助装置、监视装置、认证装置和医疗装置的任意 一个中，可以容许透镜与传感器表面之间的精度调整，并因此可以实现减少生产成本。
[0031] 本发明的有益效果
[0032] 根据本发明，可以抑制像点的、响应于受到WFC图像处理的焦点深度扩展图像中 的散焦而发生的平面内位移。
【附图说明】
[0033] 图1是配备有本发明的第一实施方式的相位滤波器的光学成像系统的示意图；
[0034] 图2是示出本发明的第一实施方式的相位滤波器的结构的平面图；
[0035] 图3是示出本发明的第一实施方式的相位滤波器的结构的侧剖面图；
[0036] 图4是示出根据锥棱镜的折射光线的视图；
[0037] 图5是示出配备有本发明的第一实施方式的相位滤波器的光学成像系统示例性 构造以及用于向光学成像系统获取的图像施加图像处理的成像系统的构造视图；
[0038] 图6是用于表示抛物线形状剖面的示意图；
[0039] 图7是用于说明反卷积操作的光学图像形成系统的示意图；
[0040] 图8是示出基于是否具有第一实施例的相位滤波器而获取的图像的比较处理结 果的示例的视图；
[0041] 图9是示出根据第一实施例的相位滤波器的光瞳平面上的波前像差的视图；
[0042] 图10是示出根据第一实施例的相位滤波器的点分布的第一计算结果的视图；
[0043] 图11是示出根据第一实施例的相位滤波器的点分布的第二计算结果的视图；
[0044] 图12是示出根据第一实施例的相位滤波器的点分布的第三计算结果的视图；
[0045] 图13是示出根据第一实施例的相位滤波器的点像分布的第四计算结果的视图；
[0046] 图14是示出根据第一实施例的相位滤波器的点像分布的第五计算结果的视图；
[0047] 图15是示出第二实施例的相位滤波器的结构的平面图；
[0048] 图16是示出第二实施例的相位滤波器的结构的侧剖面图；
[0049] 图17是根据第二实施例的相位滤波器的