基于液体透镜和计算成像的高精度景深扩展技术研究

高精度视觉检测技术是现代精密加工质量检测的关键技术，但由于高精度视觉检测技术在高放大倍率时景深很小，严重限制了其发展和应用。景深扩展技术可以使视觉检测系统在更大的深度范围内获得清晰的图像，但目前的景深扩展技术只考虑了景深扩展后所成图像的质量，没有考虑放大率的变化，而放大率变化直接影响视觉检测系统的精度。本项目针对以上问题，拟开展以下研究：① 基于计算成像技术理论，使用液体变焦透镜和体积空间采样方法，研究放大率恒定的景深扩展技术；② 采用4D光场成像方法分析所设计景深扩展技术的点扩散函数和光学传递函数，优化系统光路、液体镜头焦距变化以及探测器积分时间等参数；③ 采用4D光场及其傅里叶变换，综合考虑空间分辨率、通光量和放大率变化，分析评估所设计景深扩展技术的性能。本项目研究能使高精度视觉检测系统在高放大倍数时有放大率恒定的大景深，解决高精度视觉检测技术发展难题，推动视觉检测技术进一步广泛应用。

本项目开展了基于液体透镜和计算成像的高精度景深扩展技术研究的研究，并取得了如下研究成果：1、本项目基于计算成像技术理论，利用液体变焦透镜新技术和体积空间采样方法设计了一种放大率恒定的景深扩展技术。相比目前国内外发表的文献报道，本项目景深扩展后的图像不仅具有分辨率高，对比度高、信噪比高等特征，本项目所研究的景深扩展技术还具有在扩展的景深范围内物体的放大率基本恒定的重要特征。2、本项目通过建立光路模型，对光路模型进行推导，得到了放置液体透镜在传统光学显微镜显微镜中的两个最佳位置：一个位置是探测器的表面；另外一个位置是显微物镜的像方焦平面处，当液体透镜放置到这两个位置时，液体透镜变焦不影响显微镜的总体横向放大率，仍可以得到对共轭物面恒定的放大率。3、本项目利用液体透镜的可变焦能力，并采用空间体积采样方法，根据对嵌入液体透镜的传统光学显微镜的光路分析，设置液体透镜电压变化范围为47.6 V ~49.2V，探测器的积分时间为200ms，在探测器的一次成像积分期间200ms内，控制液体变焦透镜的焦距线性变化，获得景深扩展的中间模糊图像。4、本项目通过对景深扩展中间模糊图像的分析研究，认为基于体积扫描方法获取的图像上的每一点是调制了被观察物体各个深度上的信息，可以看做某一深度点光源在曝光时间内经历了一个从离焦到聚焦再到离焦的过程所成的图像，由此建立了中间模糊图像退化模型。并研究了点扩散函数的获取方法，分析比较了维纳滤波、约束最小二乘方滤波和Lucy-Richardson方法对景深扩展中间模糊图像的复原效果，得出约束最小二乘方滤波方法对景深扩展中间模糊图像有较好的复原效果的结论。5、本项目充分利用液体的调焦和变焦能力，实现了传统光学显微镜工作焦点的灵活控制，在本项目研究的原理系统中，显微镜的可在距离4.5mm~12.5mm的任何一点观察和检测物体，并且在任意一处工作距离均可将景深扩展到400μm，也可以利用液体透镜的调焦能力和聚焦深度法实现物体更大范围的三维成像。6、本项目搭建了高精度视觉检测系统的景深扩展实验室原理系统，通过实验的方法测试显微成像系统的景深扩展率和系统放大率，达到了在景深扩展率达10倍以上时，成像系统的放大倍数最大变化率为0.72%的技术指标。