DE102007001010A1 - Method and image acquisition system for achromatized image acquisition of objects - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur achromatisierten Bildaufnahme von Objekten durch sequentielle Aufnahmen einzelner Bilder für verschiedene Wellenlängenbereiche. Ebenso betrifft die Erfindung ein hierfür geeignetes Bilderfassungssystem, mit einem Objektiv, einem Bildsensor zur sequentiellen Aufnahme von Bildern für verschiedene Wellenlängenbereiche sowie einer elektronischen oder softwaregestützten Bildnachbearbeitungseinheit.The invention relates to a method for achromatized image acquisition of objects by sequential images of individual images for different wavelength ranges. The invention likewise relates to an imaging system suitable for this purpose, having an objective, an image sensor for the sequential recording of images for different wavelength ranges and an electronic or software-supported image post-processing unit.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur achromatisierten Bildaufnahme von Objekten durch sequentielle Aufnahmen einzelner Bilder für verschiedene Wellenlängenbereiche. Ebenso betrifft die Erfindung ein hierfür geeignetes Bilderfassungssystem, mit einem Objektiv, einem Bildsensor zur sequentiellen Aufnahme von Bildern für verschiedene Wellenlängenbereiche sowie einer elektronischen oder softwaregestützten Bildnachbearbeitungseinheit.The The invention relates to a method for achromatized image acquisition of objects by sequentially capturing individual images for different Wavelength ranges. Likewise, the invention relates to a suitable imaging system, with a lens, an image sensor for sequential recording of pictures for different wavelength ranges and an electronic or software-based image post-processing unit.
In den letzten Jahren besteht eine immer stärkere Tendenz, auch kleinste elektronische Geräte mit einer Photographiefunktion auszustatten. Dieses Bestreben führt zu dem Erfordernis, Kamerasysteme mit möglichst kleiner Bauhöhe zu entwickeln, die so dann auch z. B. in Mobiltelefone oder PDA's integriert werden können. Gleichzeitig sollen diese Systeme aber auch möglichst einfach aufgebaut sein, so dass eine kostengünstige Herstellung möglich ist. Ebenso wirkt sich der Kostendruck auch auf die Auswahl der Materialien aus, so dass einfache Glas- oder Kunststoffmaterialien eingesetzt werden.In In recent years there is an increasing tendency, even the smallest electronic devices with to equip a photographic function. This endeavor leads to that Requirement to use camera systems as possible small height to develop, then so z. B. in mobile phones or PDAs are integrated can. At the same time, these systems should also be as simple as possible, so that cost-effective Production possible is. Likewise, the cost pressure also affects the choice of materials made use of so that simple glass or plastic materials become.
Aufgrund der dispersiven Eigenschaften der Glas- und Kunststoffmaterialien, die in Kameraobjektiven genutzt werden, treten chromatische Aberrationen auf, die zu einer Verschlechterung der Abbildungsqualität führen, sofern Strahlung eines breiten Frequenzspektrums abgebildet werden soll (z. B. VIS). Als chromatische Aberrationen treten Farblängs- und Querfehler auf, d. h. die Bilder unterschiedlicher Wellenlängen entstehen in unterschiedlichen Abständen entlang der optischen Achse des Objektivs und können unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe besitzen. Die Korrektur der chromatischen Aberrationen geht mit der Nutzung mehrerer Linsen verschiedener Materialien und damit steigender Komplexität des Linsensystems und folglich Herstellungspreis einher.by virtue of the dispersive properties of the glass and plastic materials, used in camera lenses, chromatic aberrations occur which lead to a deterioration of the image quality, provided that Radiation of a broad frequency spectrum is to be imaged (eg VIS). As chromatic aberrations occur color longitudinal and Transverse error, d. H. the images of different wavelengths are created at different intervals along the optical axis of the lens and can have different magnifications. The correction of the chromatic aberrations goes with the use several lenses of different materials and thus increasing complexity of the lens system and consequently the production price.
Der physikalische Hintergrund für chromatische Aberrationen beruht auf der Wellenlängenabhängigkeit der Brennweite einer Linse. Die Brennweite F' einer dünnen Linse unter Vernachlässigung der Linsendicke ist gegeben durch: mit
- ri
- = Krümmungsradien der Linsen,
- n
- = Brechungsindex des Materials.
- i
- = Radii of curvature of the lenses,
- n
- = Refractive index of the material.
Die Dispersion bewirkt hierbei die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex n = n(λ) wodurch auch eine Wellenlängenabhängigkeit der Brennweite gegeben ist f' = f'(λ).The Dispersion causes the wavelength dependence of the refractive index n = n (λ) which also causes a wavelength dependence given the focal length f '= f '(λ).
Bei axialer Betrachtung lässt sich die Bildlage nach der folgenden Formel bestimmen: mit a = Objektweite und a' = Bildweite.When viewed axially, the image position can be determined according to the following formula: with a = object width and a '= image width.
Daraus ergibt sich eine Wellenlängenabhängigkeit der Bildweite α' = α'(λ), was zur Konsequenz hat, dass bei axialer Betrachtung nur für schmale Wellenlängenbereiche ein scharfes Bild entsteht.from that results in a wavelength dependence the image width α '= α' (λ), which has the consequence that when viewed axially only for narrow wavelength ranges a sharp picture is created.
Bei lateraler Betrachtung bestimmt sich der Abbildungsmaßstab nach folgender Gleichung: mit y = Objekthöhe und y' = Bildhöhe.In a lateral view, the magnification is determined according to the following equation: with y = object height and y '= image height.
Sowohl der Abbildungsmaßstab β' = β'(λ) als auch die Bildhöhe y' = y'(λ) sind somit wellenlängenabhängig und für jede Wellenlänge verschieden.Either the magnification β '= β' (λ) as well as the image height y '= y' (λ) are thus wavelength-dependent and for every wavelength different.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bildaufnahme bereitzustellen, mit dem ein vereinfachter Objektivaufbau ermöglicht wird und gleichzeitig eine Bildaufnahme ermöglicht, bei der chromatische Aberrationen vermieden werden.outgoing It was the object of the present invention to provide a process to provide for image capture, with a simplified lens design allows and at the same time allows image acquisition, in which chromatic Aberrations are avoided.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Bilderfassungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiter bildungen auf.These The object is achieved by the method having the features of the claim 1 and the image acquisition system with the features of claim 13 solved. The further dependent claims show advantageous further developments.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zu einer von chromatischen Aberrationen freien Bildaufnahme von Objekten durch sequentielle Aufnahmen einzelner Bilder für verschiedene Wellenlängenbereiche mittels eines Objektivs und eines Bildsensors bereitgestellt. Die Achromatisierung wird dadurch erreicht, dass für die jeweiligen Wellenlängenbereiche eine Korrektur von Farblängsfehlern durch eine an den Wellenlängenbereich angepasste Fokussierung sowie eine Korrektur von Farbquerfehlern durch eine elektronische und/oder softwaregestützte Bildnachbearbeitung für die jeweiligen Wellenlängenbereiche erfolgt.According to the invention is a Method for chromatic aberration-free image acquisition of objects by sequentially capturing individual images for different Wavelength ranges provided by means of a lens and an image sensor. The Achromatization is achieved by the fact that for the respective wavelength ranges a Correction of color longitudinal errors by one to the wavelength range adapted focusing and a correction of transverse chromatic aberrations by an electronic and / or software-supported image post-processing for the respective Wavelength ranges take place.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit die Vereinfachung des Objektivaufbaus, da auf eine breitbandige Achromatisierung des Objektivs verzichtet werden kann. Somit können erfindungsgemäß preiswerte und kleinbauende Autofokus-Kameraobjekte hergestellt werden. Die mit Autofokusfunktion versehenen Objektive können sowohl Festbrennweiten als auch Zoomobjektive sein.The inventive method thus allows the simplification of the lens construction, since it can be dispensed with a broadband achromatization of the lens. Thus, inexpensive and small-scale autofocus camera objects can be produced according to the invention. The lenses equipped with autofocus function can be both fixed focal lengths as well as zoom lenses.
Das Verfahren beruht auf der sequentiellen Durchführung mehrerer Aufnahmen, wobei so für jede Einzelaufnahme für den jeweiligen Wellenlängenbereich eine Optimierung durchgeführt werden kann. Somit können die Farblängsfehler, die sich in einer Defokussierung des Bildes in einer bestimmten Wellenlänge äußern, verhindert werden.The Method is based on the sequential execution of multiple recordings, wherein so for each Single shot for the respective wavelength range carried out an optimization can be. Thus, you can the color longitudinal errors, which express themselves in a defocusing of the image in a certain wavelength prevented become.
Hinsichtlich der an den Wellenlängenbereich angepassten Fokussierung sind drei Varianten besonders bevorzugt.Regarding the adapted to the wavelength range Focusing three variants are particularly preferred.
Die erste Variante basiert auf einer adaptiven Linse, deren Brechkraft veränderbar ist. Als adaptive Linse bietet sich beispielsweise eine Flüssigkeitslinse an, deren Brechkraft über eine Änderung der Krümmungsradien der Flüssigkeitslinse gesteuert wird.The first variant is based on an adaptive lens whose refractive power variable is. As an adaptive lens, for example, offers a liquid lens whose refractive power is over a change the radii of curvature the liquid lens is controlled.
Eine zweite bevorzugte Variante sieht vor, dass die Fokussierung mittels mindestens einer axial in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes verschiebbaren Linse erfolgt. Hierbei handelt es sich um klassische Linsen mit fixer Form, die durch Verschiebung entlang der optischen Achse eine Fokussierung ermöglichen.A second preferred variant provides that the focusing means at least one axially in the direction of the image plane or of the object slidable lens takes place. These are classic Lenses with a fixed shape, caused by displacement along the optical Axis enable a focus.
Eine dritte bevorzugte Variante sieht vor, dass die Fokussierung mittels eines axial in Richtung des Objektes bzw. der Bildebene verschiebbaren Bildsensors erfolgt. Bei dieser Variante bleibt somit das Objektiv mit der mindestens einen Linse statisch, während der Imager, d. h. der Bildsensor, verschoben werden kann. Ebenso ist es natürlich auch möglich, dass die zweite und die dritte Variante kombiniert werden, so dass sowohl das Objektiv als auch der Bildsensor verschoben werden können.A third preferred variant provides that the focusing means an axially displaceable in the direction of the object or the image plane image sensor he follows. In this variant, therefore, the lens remains with the at least a lens static while the imager, d. H. the image sensor, can be moved. As well it is natural also possible that the second and the third variant are combined so that both the lens as well as the image sensor can be moved.
Die axiale Verschiebung der mindestens einen Linse und/oder des Bildsensors erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Autofokuseinheit, wie sie üblicherweise verwendet wird.The axial displacement of the at least one lens and / or the image sensor is preferably carried out with the aid of an autofocus unit, as is customary is used.
Die Separation der Wellenlängebereiche kann durch eine sich zeitlich wechselnde Beleuchtung mit unterschiedlichen Wellenlängenspektren geringer spektraler Breite oder durch die Nutzung von Wellenlängenfiltern bei polychromatischer Strahlungsquelle, d. h. z. B. Weißlicht, erreicht werden.The Separation of the wavelength ranges can by a time-varying lighting with different Wavelength spectra narrow spectral width or by the use of wavelength filters at polychromatic radiation source, d. H. z. White light, be achieved.
Als Wellenlängenfilter werden hierbei vorzugsweise schaltbare oder rotierende Wellenlängenfilter eingesetzt.When Wavelength filter Here are preferably switchable or rotating wavelength filter used.
Zur Aufnahme von Farbbildern ist es weiterhin bevorzugt, einen Bildsensor mit Wellenlängenfilter einzusetzen. Hierzu bieten sich insbesondere pixelierte Wellenlängenfilter in Bayerpattern-Anordnung an.to Recording of color images, it is further preferred, an image sensor with wavelength filter use. Pixelated wavelength filters are particularly suitable for this purpose in Bayerpattern arrangement.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Bilderfassungssystem zu einer von chromatischen Aberrationen freien Bildaufnahme von Objekten bereitgestellt. Das Bilderfassungssystem enthält dabei ein Objektiv mit mindestens einer optischen Linse sowie einen Bildsensor zur sequentiellen Aufnahme von Bildern für verschiedene Wellenlängenbereiche sowie eine elektronische oder softwaregestützte Bildnachbearbeitungseinheit.According to the invention as well an image capture system to one of chromatic aberrations provided free image capture of objects. The image capture system contains a lens with at least one optical lens and an image sensor for the sequential recording of images for different wavelength ranges as well as an electronic or software-supported image post-processing unit.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass als Objektiv auch ein solches eingesetzt werden kann, das chromatische Aberrationen aufweist, wodurch einfacher herstellbare Systeme als Objektiv eingesetzt werden können.in this connection It is particularly advantageous that as a lens and such can be used which has chromatic aberrations, which makes it easier to produce systems as an objective can.
Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass die mindestens eine optische Linse eine adaptive Linse ist, deren Brechkraft veränderbar ist. Hierzu zählt beispielsweise eine Flüssigkeitslinse, deren Brechkraft über eine Änderung der Krümmungsradien der Flüssigkeitslinse steuerbar ist.A preferred variant provides that the at least one optical Lens is an adaptive lens whose refractive power changeable is. This counts for example, a liquid lens, their refractive power over a change the radii of curvature the liquid lens is controllable.
Das Bilderfassungssystem kann vorzugsweise zusätzlich eine Steuereinheit zur axialen Verschiebung der mindestens einen optischen Linse in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass eine Steuereinheit zur axialen Verschie bung des Bildsensors in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes enthalten ist. Beide Varianten können auch miteinander kombiniert werden.The Image acquisition system may preferably additionally a control unit for axial displacement of the at least one optical lens in the direction the image plane or the object have. Likewise it is possible that a control unit for axial displacement environment of the image sensor in the direction of Image plane or of the object is contained. Both variants can also be combined with each other.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems sieht vor, dass dieses mindestens eine Beleuchtungseinheit zur Erzeugung definierter Wellenlängenbereiche aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um mehrere Strahlungsquellen für diskrete Wellenlängenbereiche handeln. Als weitere bevorzugte Variante kann die Beleuchtungseinheit aus einer polychromatischen Strahlungsquelle bestehen, die mit mindestens einem Wellenlängenfilter kombiniert wird. Als Wellenlängenfilter kommen hierbei insbesondere schaltbare oder rotierende Wellenlängenfilter in Frage.A sees further preferred variant of the image acquisition system according to the invention before that this at least one lighting unit for generating defined wavelength ranges having. This may be, for example, multiple radiation sources for discreet Wavelength ranges act. As a further preferred variant, the lighting unit consist of a polychromatic radiation source with at least a wavelength filter combined. As a wavelength filter In particular switchable or rotating wavelength filters come here in question.
Zur Aufnahme von Farbbildern ist der Bildsensor vorzugsweise mit mindestens einem Wellenlängenfilter versehen, wobei es sich besonders bevorzugt um pixelierte Wellenlängenfilter in Bayerpattern-Anordnung handelt.to Recording of color images, the image sensor is preferably at least a wavelength filter provided, with particular preference to pixelated wavelength filter in Bayerpattern arrangement.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.Based the following figures, the subject invention is to be explained in more detail, without this on the specific embodiments shown here restrict to want.
In
Aus der Zeichnung ist zu erkennen, dass Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge das Objektiv mit unterschiedlichen Winkeln verlassen und sich in unterschiedlichen Bildweiten schneiden. Bei normaler Dispersion wird Strahlung des blauen Wellenlängenbereichs stärker als Strahlung des grünen Wellenlängenbereichs und stärker als Strahlung des roten Wellenlängenbereichs gebrochen.Out The drawing shows that beams of different wavelengths Leave lens at different angles and get different Cut image widths. In normal dispersion, radiation of blue wavelength range stronger as radiation of the green Wavelength range and stronger as radiation of the red wavelength range Broken.
Im
rechten Teil der Darstellung ist dann eine Draufsicht
In
In
Anhand
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