專利名稱：景深擴(kuò)展的投影系統(tǒng)及影像處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及景深擴(kuò)展的投影系統(tǒng)及影像處理方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)成像系統(tǒng)廣泛地使用在各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合。除了一般的成像功能外，在特定使用場(chǎng)合中光學(xué)成像系統(tǒng)需要能具有擴(kuò)展景深能力。一般的光學(xué)成像系統(tǒng)要求成像質(zhì)量要好要清晰，同時(shí)亦希望具有較大口徑的光圈(較小的光圈數(shù))，以提高系統(tǒng)的光能量利用效率。但是相對(duì)地，具備較小光圈數(shù)的光學(xué)成像系統(tǒng)卻會(huì)使景深范圍縮短。以投影系統(tǒng)為例，由于光學(xué)鏡頭對(duì)物與像的共軛關(guān)系限制，除非對(duì)投影系統(tǒng)的成像鏡頭進(jìn)行“對(duì)焦調(diào)整”， 否則當(dāng)投影屏幕的位置改變時(shí)，投影系統(tǒng)所投影出的影像會(huì)隨著投影屏幕偏離最佳投影位置量增大而模糊。除投影系統(tǒng)外，其它如曝光系統(tǒng)若具景深擴(kuò)展特性，則可提高經(jīng)曝光制程后結(jié)構(gòu)的深寬比。美國(guó)專利第6，069，738號(hào)揭示一種投影系統(tǒng)，其通過景深擴(kuò)展光罩(Extended Depth of Field(EDF)mask)以及已知所需的影像，將最終所要獲得的投影影像利用影像編碼器(Image Coder)產(chǎn)生編碼影像(Coded Image)，并將此編碼影像提供給光編碼器(Light encoder)以產(chǎn)生編碼光(Encoded Light)，此編碼光再通過景深擴(kuò)展光罩后便可在投影屏幕上獲得投射影像清晰度不隨屏幕位置產(chǎn)生變化的投影系統(tǒng)。因此對(duì)于相關(guān)產(chǎn)業(yè)，景深擴(kuò)展的投影系統(tǒng)為一重要的發(fā)展方向。對(duì)于使用者，期能提供一種投影系統(tǒng)，使其投影的影像清晰程度能對(duì)投影屏幕的位置變化不敏感，同時(shí)所使用的投影鏡頭亦不需額外作對(duì)焦調(diào)整的動(dòng)作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種景深擴(kuò)展的投影系統(tǒng)及影像處理方法，用于使其投影的影像清晰程度能對(duì)投影屏幕的位置變化不敏感，同時(shí)所使用的投影鏡頭亦不需額外作對(duì)焦調(diào)整的動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種景深擴(kuò)展的投影系統(tǒng)，其特征在于，至少包含一影像輸入元件，配置以輸入一原始影像或一處理后影像；以及一光學(xué)成像元件，其為具軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)且具有一特定球差，配置以根據(jù)該原始影像或該處理后影像于一投影成像面產(chǎn)生一具有景深擴(kuò)展的影像。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種景深擴(kuò)展的影像處理方法，其特征在于，包含下列步驟根據(jù)一原始影像及一光學(xué)成像元件的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)或利用濾波器運(yùn)算元對(duì)原始影像進(jìn)行褶積計(jì)算產(chǎn)生一預(yù)處理影像；根據(jù)該預(yù)處理影像執(zhí)行一數(shù)值平移程序以產(chǎn)生一數(shù)值平移影像；以及
根據(jù)該數(shù)值平移影像執(zhí)行一動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整程序以產(chǎn)生一處理后影像t



100,900景深擴(kuò)展的投影系統(tǒng)
101,901光源裝置
102,902影像輸入元件
103,903光學(xué)成像元件
104,904投影成像面
905影像處理模塊
11,91光源
12,92集光透鏡
601-606步驟
具體實(shí)施例方式本發(fā)明在此所探討的方向?yàn)橐环N景深擴(kuò)展的投影系統(tǒng)及影像處理方法。為了能徹底地了解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳盡的步驟及組成。顯然地，本發(fā)明的施行并未限定于相關(guān)領(lǐng)域的技藝者所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。另一方面，眾所周知的組成或步驟并未描述于細(xì)節(jié)中，以避免造成本發(fā)明不必要的限制。本發(fā)明的較佳實(shí)施例會(huì)詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述之外，本發(fā)明還可以廣泛地施行在其它的實(shí)施例中，且本發(fā)明的范圍不受限定，其以之后的專利范圍為準(zhǔn)。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施范例，圖1例示一景深擴(kuò)展的投影系統(tǒng)100。投影系統(tǒng)100 包含一光源裝置101、一影像輸入元件102及一光學(xué)成像元件103。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施范例，光源裝置101包含一光源11及一集光透鏡12，但本發(fā)明并不以此為限。影像輸入元件 102被配置以輸入一原始影像或一處理后影像。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施范例，該影像輸入元件 102可為一液晶顯示(LiquidCrystal Display)元件、一數(shù)字反射鏡元件(Digital MirrorDevice)、一液晶硅板(Liquid Crystal on Silicon, LCoS)元件或一光罩(Mask)，但本發(fā)明并不以此為限。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施范例，該原始影像，例如，為一標(biāo)準(zhǔn)Lena影像。光學(xué)成像元件103具有一特定球差，其配置以根據(jù)該原始影像或該處理后影像于一投影成像面 104產(chǎn)生一具有景深擴(kuò)展的影像。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施范例，該影像輸入元件102及該光學(xué)成像元件103配置于該光源裝置101及該投影成像面104之間。光學(xué)成像元件103的特定球差包含一特定三階球差。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施范例， 光學(xué)成像元件103的特定球差另包含至少一高于該特定三階球差的高階球差，并且該高階球差的大小遠(yuǎn)低于該特定三階球差的大小。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施范例，若該光學(xué)成像元件 103為一現(xiàn)有的光學(xué)成像元件，可外加一經(jīng)設(shè)計(jì)過的元件于該光學(xué)成像元件103之中以實(shí)現(xiàn)該特定三階球差。例如該特定三階球差可由一相位光罩、一振幅光罩、一相位振幅光罩、 一繞射光學(xué)元件或一折射率漸變?cè)a(chǎn)生，亦可以為上述元件中的組合。舉例而言，可以是兩個(gè)相位光罩的組合，或者是一振幅光罩、一相位振幅光罩與一折射率漸變?cè)慕M合。 該外加元件可放置于該光學(xué)成像元件103的光圈處、出瞳處或入瞳處。若因該光學(xué)成像元件103的機(jī)構(gòu)限制，則亦可放置于該光學(xué)成像元件103的前端或后端。易言之，只要整體系統(tǒng)的像差要求滿足本發(fā)明的特定像差分布，該外加元件不限于放置于該光學(xué)成像元件103 的何處。該設(shè)計(jì)過之外加元件可利用其對(duì)不同位置的相位、振幅、折射率分布變化使最終系統(tǒng)的像差達(dá)到要求。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施范例，若對(duì)光學(xué)成像元件重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，則上述外加的元件可通過該光學(xué)成像元件103的重新設(shè)計(jì)而整合于該光學(xué)成像元件103之中，意即該光學(xué)成像元件103的特定三階球差可通過重新設(shè)計(jì)的一球面鏡光學(xué)元件或一標(biāo)準(zhǔn)軸對(duì)稱的非球面鏡光學(xué)元件產(chǎn)生，亦可以為上述元件中的組合。舉例而言，可以是兩個(gè)球面鏡光學(xué)元件的組合，或者是一球面鏡光學(xué)元件與一標(biāo)準(zhǔn)軸對(duì)稱的非球面鏡光學(xué)元件的組合而產(chǎn)生。同時(shí)，亦可將一相位光罩、一振幅光罩、一相位振幅光罩、一繞射光學(xué)元件或一折射率漸變?cè)谱饔谝粋€(gè)或兩個(gè)以上的球面鏡或非球面鏡片上而產(chǎn)生。舉例而言，可以是一相位光罩制作于兩個(gè)球面鏡片上而產(chǎn)生，使最終系統(tǒng)的像差達(dá)到要求。然而，本發(fā)明的特定三階球差達(dá)成方法不以上述范例為限。本發(fā)明所指的軸對(duì)稱的光學(xué)系統(tǒng)指該光學(xué)成像元件103(例如是投影鏡頭)具有一固定光軸，若對(duì)該光學(xué)成像元件103以該光軸做為旋轉(zhuǎn)軸而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，則不論旋轉(zhuǎn)角度為何，經(jīng)旋轉(zhuǎn)后的該光學(xué)成像元件103與未經(jīng)旋轉(zhuǎn)的該光學(xué)成像元件103皆相同，同時(shí)該光學(xué)成像元件103的特性亦不改變。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施范例，影像輸入元件102包含一液晶顯示元件。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施范例，光學(xué)成像元件103的特定三階球差大小依據(jù)投影系統(tǒng)100所需的景深(投影距離變化量)而決定。舉例來說，于一特定景深要求范圍內(nèi)，可將光學(xué)成像元件103的特定三階球差設(shè)計(jì)于特定范圍內(nèi)，例如0. 25 λ 2. 85 λ，此時(shí)若要求系統(tǒng)截止空間頻率ν cutoff > 2/3v。則根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施范例，可將特定三階球差設(shè)計(jì)為2. 35 λ (ν為液晶顯示元件上單一像素所對(duì)應(yīng)的截止空間頻率，ν cutoff為給定球差為0.25 λ 2. 85 λ時(shí)的系統(tǒng)截止空間頻率，λ為光線波長(zhǎng))。因此，若所須截止的空間頻率愈低(亦或液晶顯示元件單一像素尺寸增大)，則可加大三階球差，使投影系統(tǒng)100的景深增長(zhǎng)。此外，除了特定三階球差外，光學(xué)成像元件103的特定球差亦可能包含高階像差(此高階像差可能是在光學(xué)成像元件103設(shè)計(jì)所殘留的，或因光學(xué)成像元件103制作誤差而導(dǎo)致)。因此本實(shí)施范例具備球差特性的光學(xué)成像元件103，除了特定三階球差外，在高階球差(五階、七階或更高階球差)的部分會(huì)要求各高階球差的系數(shù)總和小于三階球差系數(shù)， 以使投影系統(tǒng)100的景深特性主要由光學(xué)成像元件103的特定三階球差控制。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施范例，光學(xué)成像元件103的各階球差以及總體像差關(guān)系可由以下方程式表示
權(quán)利要求
1.一種景深擴(kuò)展的投影系統(tǒng)，其特征在于，至少包含一影像輸入元件，配置以輸入一原始影像或一處理后影像；以及一光學(xué)成像元件，其為具軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)且具有一特定球差，配置以根據(jù)該原始影像或該處理后影像于一投影成像面產(chǎn)生一具有景深擴(kuò)展的影像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，另包含一光源裝置，其中該影像輸入元件及該光學(xué)成像元件配置于該光源裝置及該投影成像面之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，另包含一影像處理模塊，配置以執(zhí)行一影像處理程序，該影像處理程序包含根據(jù)該原始影像及該光學(xué)成像元件的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)產(chǎn)生一預(yù)處理影像；根據(jù)該預(yù)處理影像執(zhí)行一數(shù)值平移程序以產(chǎn)生一數(shù)值平移影像；以及根據(jù)該數(shù)值平移影像執(zhí)行一動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整程序以產(chǎn)生該處理后影像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，該特定球差包含一特定三階球差。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，該特定球差另包含至少一高于該特定三階球差的高階球差，并且該高階球差的大小遠(yuǎn)低于該特定三階球差的大小。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，該特定三階球差由至少一相位光罩、 一振幅光罩或一相位振幅光罩產(chǎn)生。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，該特定三階球差由至少一標(biāo)準(zhǔn)軸對(duì)稱的非球面鏡的光學(xué)元件產(chǎn)生。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，該特定三階球差由至少一繞射光學(xué)元件產(chǎn)生。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，該特定三階球差由至少一折射率漸變?cè)a(chǎn)生。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，該特定三階球差由至少一球面鏡的光學(xué)元件產(chǎn)生。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，該特定三階球差由將一相位光罩、 一振幅光罩、一相位振幅光罩、一繞射光學(xué)元件或一折射率漸變?cè)谱饔谥辽僖环乔蛎骁R片上而產(chǎn)生。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，該特定三階球差由將一相位光罩、 一振幅光罩、一相位振幅光罩、一繞射光學(xué)元件或一折射率漸變?cè)谱饔谥辽僖磺蛎骁R片上而產(chǎn)生。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，該影像輸入元件包含一液晶顯示元件、一數(shù)字反射鏡元件、一液晶硅板元件或一光罩。
14.根據(jù)權(quán)利要求4所述的投影系統(tǒng)，其特征在于，該特定三階球差根據(jù)該景深擴(kuò)展的投影系統(tǒng)的所需景深而決定。
15.一種景深擴(kuò)展的影像處理方法，其特征在于，包含根據(jù)一原始影像及一光學(xué)成像元件的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)或利用濾波器運(yùn)算元對(duì)原始影像進(jìn)行褶積計(jì)算產(chǎn)生一預(yù)處理影像；根據(jù)該預(yù)處理影像執(zhí)行一數(shù)值平移程序以產(chǎn)生一數(shù)值平移影像；以及根據(jù)該數(shù)值平移影像執(zhí)行一動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整程序以產(chǎn)生一處理后影像。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的影像處理方法，其特征在于，另包含通過該光學(xué)成像元件成像該處理后影像以產(chǎn)生具有景深擴(kuò)展的影像的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的影像處理方法，其特征在于，光學(xué)成像元件具有一特定球差。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的影像處理方法，其特征在于，該特定球差包含一特定三階球差。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的影像處理方法，其特征在于，該特定球差另包含至少一高于該特定三階球差的高階球差，并且該高階球差的大小遠(yuǎn)低于該特定三階球差的大小。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的影像處理方法，其特征在于，該數(shù)值平移程序?qū)τ谠擃A(yù)處理影像中每一像素的強(qiáng)度值進(jìn)行平移動(dòng)作，以使該數(shù)值平移影像中具最低強(qiáng)度像素對(duì)應(yīng)的影像強(qiáng)度值大于或等于零。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的影像處理方法，其特征在于，該動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整程序調(diào)整該數(shù)值平移影像中每一像素的強(qiáng)度值，以使該處理后影像中像素的強(qiáng)度值分布與影像輸入元件的灰階動(dòng)態(tài)范圍匹配。
全文摘要
本發(fā)明有關(guān)于一種景深擴(kuò)展的投影系統(tǒng)，其包含一影像輸入元件及一光學(xué)成像元件。該影像輸入元件被配置以輸入一原始影像或一處理后影像。該光學(xué)成像元件為具軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)且具有特定球差，其被配置以根據(jù)該原始影像或該處理后影像于一投影成像面產(chǎn)生一具有景深擴(kuò)展的影像。
文檔編號(hào)G02B27/18GK102221746SQ201010165518
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2010年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月15日
發(fā)明者宋新岳, 張奇?zhèn)? 張銓仲 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院