增大景深与全景深成像

一、增大景深

　　在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。换言之，被摄体的前后纵深，呈现在底片面的影象模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内。

大景深的概念

　　景深是指在固定像平面上成清晰像时对应的物方深度范围，也就是说在保证得到清晰像时物体能够在物方空间前后移动的最大距离。通常的光学成像系统的景深范围是有限的，当通过某种方法使得成像系统的景深增大后，就称此时的成像系统是大景深成像系统，此系统具有大景深特性。

增大景深的方法：

　　最经典最方便的增大景深的方法就是缩小孔径，其他比较常见的增大景深方法有环形孔径法、图像融合法、幅度切趾法、特殊设计镜头结合图像处理法、纯相位模板结合数字图像处理法，

　　以及利用准双焦距透镜、折衍混合元件、微透镜序列、数字全息、偏振编码、衍射元件等方法来增大景深。

1、缩小孔径

　　对于普通光学成像系统而言，最经典最方便的增大景深的方法就是缩小孔径光阑的通光口径。但是随着孔径的缩小，输出的成像光能量急剧衰减，并且系统的截止频率也会随之下降，从而导致成像质量下降。

2、环形孔径

　　1960年W．T．Welford理论研究了用环形孔径增大照相物镜景深的可能。他利用像方轴上点的光强与环形孔径参数的关系，得出了景深与环形孔径参数的关系。与通常的缩小孔径增大景深方法进行了对比，指出在相同的景深增大情况下，成像所需的曝光时间相同，也即为成像光强的衰减近似相同。不同的是，环形孔径所对应的孤立物点所对应的弥散斑直径要小于缩小孔径时对应的孤立点的弥散斑直径，这也就意味着环形孔径对应系统具有更高的成像分辨率。

3、图像融合

　　利用图像融合的方法可以得到三维物体整体清晰图像即全景深图像。图像融合方法又分成在空域和频域两种方法。

　　空域方法的基础是把序列图像中的每一幅图像看成由良好聚焦部分和非聚焦部分组成，然后通过确定良好聚焦部分图像像素灰度所具有的特性作为判据，最后把聚焦部分进行叠加。所采用的方法有基于像素点处理、基于区域处理等。当序列图像中成像的效果相差过大，或序列图像离焦程度比较大的情况下，融合后的目标图像会产生块效应，有时在物体四周产生一些模糊的边缘和重影；而且对于透明的显微图像融合，块效应和重影现象更严重，效果不理想。

　　频域方法则是从图像良好聚焦时所具有的高频信息来进行图像融合。此外，还可以从小波域进行图像融合。

　　图像融合方法在显微成像方面具有广泛的应用。如果样品是静态的，并且对处理时间没有苛刻要求时，完全能够满足要求。但是，对于某些时刻改变的物体将无能为力。此外，当物体的厚度需要进行很多切片图像融合时，处理时间会变长，导致图像融合方法无法应用。

4、幅度切趾法

　　该方法是通过改变光瞳函数的复振幅，也就是通过对孔径光阑的透光率和相位进行一定的调制，来达到增大景深的目的。比如1971年M．Mino和Y．Okano提出的切趾函数；1988年J．Ojeda．Castalieda等人根据大景深成像系统具有的离焦不变性质，进而对模糊函数关于离焦参量求导应该为零这一条件，理论近似推导出的调制函数应该满足的性质：函数必须为实偶函数；函数的自相关不变；在出瞳边界处透过率为0。以此为基础给出了5种切趾器。

　　此外，还有高斯型切趾器、环带型切趾器等等。但幅度切趾法的缺点同样是会衰减成像光强，不适用于低光照成像条件。

5、特殊设计镜头结合图像处理

　　该方法目的是想得到一个圆对称的焦距随透镜的径向半径连续变化的特殊透镜。对于设计景深范围内的任意物距都在透镜上面有一个相应的半径为圆环与之对应，使得任意物距具有共同的像方共轭点。所采用的理论是几何光学中光线传播所遵循的费马原理，也就是光从一点传播到另一点，其间无论经过多少次折射或反射，其光程为极值。从而可以得出光程关于透镜径向半径r的导数为0。通过求解微分方程得到透镜每个环带所对应的相位函数，然后在石英基底上加工得到对数型非球面透镜。由于得到的非球面透镜是圆对称的，所以相对于立方相位模扳更容易加工。此外，由于图像的组成是由良好聚焦图像与模糊成像的叠加，所以得到的中间图像也是必须要进行图像复原操作的。

6、纯相位模板结合数字图像处理

　　本方法是一种将光学技术与图像处理相结合的增大景深的新技术，其基本思想是在传统光学成像系统的光瞳或者孔径光阑处放置一块特殊设计的相位模板来对成像波前进行调制，以此得到不依赖于离焦程度的图像，然后对得到的图像进行图像解调，最后得到物体的大景深的清晰图像。其中以波前编码(Wavefront Coding)技术最为成熟，它是1995年由科罗拉多大学的Cathey和Dowski两位博士提出的，所采用的相位模板是一块三次相位模板CPM。

　　波前编码技术将增大景深的任务分配到光学成像以及数字图像处理两个部分，大大降低了系统实现的难度，并且让系统的设计实现更加具有灵活性。同时，随着数字信号硬件处理技术的发展，成像模块和图像复原处理模块完全可以集成在同片芯片中，得到微型高性能成像系统。不过，所采用的CPM模板属于自由曲面．当非批量生产时，制作成本比较高。同时，波前编码成像系统中得到的中间图像是模糊无法识别的，必须进行图像复原处理才能够得到最后的清晰的大景深图像。

　　除了立方相位模板CPM之外，还有一些其他的纯相位模板，比如对数型相位模板，多元相位随机排布组成的相位模板，对三次相位模板的扩展等等。