CN104349055B - 校正数字光学成像系统中像差的方法及数字光学成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于校准数字光学成像系统的方法，该系统包括至少一个电动或编码变焦系统和图像传感器，本发明涉及一种用于校正这种成像系统中的像差的方法，并涉及一种被配置成用于执行根据本发明的这些方法的光学成像系统。在该校准方法中，在各种变焦设置中记录参考物，并且使用之前确定的模型通过数字光学装置逐像素地对该图像进行校正。为此，确定了多个失真校正系数和多个图像稳定性校正系数。从该校正后的图像确定该系统的真实的总放大率。在该校准过程中确定的该模型还用于校正该成像系统的操作过程中的像差。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于校准数字光学成像系统的方法、一种用于校正发生于各种光学单元(具体用于具有变焦系统的数字光学成像系统的像差)的方法。另外，本发明涉及一种数字光学成像系统，在该数字光学成像系统中实现此类方法。
该数字光学成像系统优选地是数字显微镜，该数字显微镜具有变焦系统和物镜，该变焦系统和该物镜是可互换的。然而，该成像系统还可以是远心的或其他没有物镜的变焦系统，如例如用于各种测量任务。
该说明书下面继续从数字显微镜开始，然而该数字显微镜并不表示对本申请的任何限制。
背景技术
如果产生于物点的各种光线并没有全部聚焦在一个像点，会产生像差。最重要的像差是球面像差和色像差。通过由多个不同玻璃类型的透镜所组成的系统对球面像差和色像差进行校正，并且通过非球面透镜或梯度透镜对球面像差进行校正。玻璃板(平板)产生随着孔径角的增大而增大的像平面偏移或锐度不足。
使用透镜的成像总是在或大或小的程度上遭受误差。当透镜数量增大时，校正是可改进的。光学单元和载片的成本会增加。例如，在显微图像中产生彩色边缘或所谓的像场弯曲。通过巧妙地构造物镜，可以在很大程度上排除此类像差。平面消色差透镜、复消色差透镜是其示例。在复消色差物镜中，通过物镜中的不同透镜的复杂安排在显微图像中抑制彩色边缘。校正平面消色差透镜的方式为使得消除显微图像中通常出现的像场弯曲。
在所有的物镜当中，平面复消色差透镜具有最复杂的构造。在这些物镜中，大部分地消除了如平面消色差透镜中的像场弯曲。另外，在这些物镜中通过非常复杂的构造防止了通常发生的红色和蓝色条纹。所述物镜非常昂贵并且主要用于要求最高的彩色显微摄影中。
在变焦系统中，还产生由于变焦构造的定心差别而造成的像差(图像不稳定性)。
DE 102 25 193 A1披露了一种用于校准立体显微镜的放大率的方法，其中，旨在能够在初始校准的基础上推导出整个放大率范围上的校准。使用物镜/目镜参考测量对，通过致动变焦来设置显微镜上所规定的实际放大率。对这种情况下存在的变焦的不同透镜的位置进行捕捉，并存储标称放大率值以用于每种变焦设置。通过将实际放大率与标称放大率进行计算性比较，计算出了用于校准整个变焦范围的校正因数。
在数字摄影中，可以手动地例如通过软件对物镜失真进行校正，其中，用于相机和物镜的大规模数据库必须是可用的。在内部使用相机(例如索尼)的固件部分地执行物镜校正(失真、色像差和渐晕)。
DE 101 14 757 B4描述了一种具有变焦光学单元和数字相机的显微系统。在校正单元(PC)中(根据对应的放大率)根据图像校正数据对数字拍摄的图像进行校正。图像校正数据在此是标准背景图像的摄影图像数据。针对每个图像元件，执行根据物像和标准背景图像的异或功能。
DE 10 2010 025 888 A1披露了一种数字相机，该数字相机具有一种用于生产无失真的数字图像的实现方法，该方法允许与各种情况下存在的相机物镜匹配的最佳图像失真校正。在该方法中，一旦被实验性地确定并后续地存储在所有相同物镜类型的数字相机中，就确定了用于每一类相机物镜的校正值。失真函数在此取决于已设定的焦距和离有待记录的物体的距离，并且可以被确定为来自常数的二维矩阵并存储在数字相机中。在此，可以从所存储的矩阵通过插值而确定这些因数。
US 2008/0239107 A1和US 2009/0268078 A1披露了用于数字相机的失真校正方法，在这些方法中，取决于变焦和焦点设置将系数存储在表中。通过用高阶多项式在校正的过程中进行插值来确定中间值。
在数字显微术中，物镜和变焦系统通常在彼此内部是可配置的。也就是说，变焦系统可以与不同的物镜一起使用。由于变焦系统和物镜都会造成不同的像差，为了实现令人满意的图像质量，不同的校正是必需的。
发明内容
本发明基于详述一种用于校准数字光学成像系统的方法的目的，该方法允许在操作过程中校正像差。进一步的目的是对一种用于校正数字光学成像系统中的像差的方法和这种数字光学成像系统的生产的详述，该数字光学成像系统包括电动或编码变焦系统以及可能地物镜，其中，图像校正旨在发生于具有较高精确度和可靠性的所有变焦设置中。
该目的是根据本发明通过具有独立权利要求1和6的特征的方法并通过具有权利要求11的特征的数字光学成像系统而实现的。
在从属权利要求中限定了有利的配置实施例。
数字光学成像系统包括至少一个变焦系统、图像传感器和用于数字图像处理的逻辑单元。该成像系统可以例如是远心的或其他没有物镜的变焦系统，或另外数字显微镜。
该数字显微镜包括至少一个物镜、电动变焦系统、该图像传感器和用于图像处理的该逻辑单元。该逻辑单元被优选地与该变焦系统一起安排在所谓的光学引擎中，其中还容纳有用于该变焦系统的电机控件、以及进一步的控制和评估组件。物镜被优选地可互换地安排在该光学引擎上。该物镜有利地具有专用数据存储器和电子接口，可以通过该电子接口读取所述数据存储器。
该数字显微镜当然还以本身已知的方式包括用于致动显微镜组件的控制单元和用于操作、图像观察和评估的输入/输出单元。作为数字显微镜中的输入/输出单元的监视器、键盘、和操作组件还可以作为分离的组件存在的事实是明显的。
数字显微镜还优选地具有使用电机可放置的载物台、旋转支架、用于反射照明并可能用于透射照明的照明设备、以及在此未提及的进一步的组件。
然而，所述组件并未直接与本发明相关，并因此在此处省略了详细描述。
该校正方法是基于分配给变焦的驱动控件的放大率和校正数据，该驱动控件可能与相关联的物镜相连。
当在图像中心周围致动变焦时，待成像的物体的尺寸旨在成比例地变化。以优选地最大和最小放大率对参考物进行成像。从图像坐标的变化来讲，具有此“中心点性质”的那个图像点是可确定的。这些图像或记录然后总是与此点对齐，并且与其对称地对图像场进行评估。
具体实施方式
为了在数字显微镜或另一成像系统中使用根据本发明的校正方法，首先所生产的每个数字显微镜或成像系统需要初始校准过程，在该初始校准过程中，确定该变焦系统和可能地物镜的实际光学数据以及所产生的像差。
对于所述初始校准过程而言，参考物被放置在载物台上，这样使得该参考物可以被物镜以已知的方式捕捉。该参考物具有参考图案，该参考图案具有多个固定地定义的参考点。这些参考点优选地是等距的，即，定位的方式为使得它们以定义的相等距离分布在该参考物上。这些参考点优选地形成行和列的阵列。
参考物的特别优选的实施例是镀铬的玻璃板，在该玻璃板中，在这些参考点处提供多个孔。所述玻璃板然后被从远离物镜侧照亮，即，使用透射照明法被观察。
在下一步骤中，致动该变焦系统的任一种第一变焦设置，其校正放大率因数(真实变焦值β)最初是未知的。优选地，选择最小的或最大的可能的放大率。在所述第一变焦设置中，在图像传感器中记录参考图像。为此，参考物的参考图案被成像在图像传感器上。
当使用特别优选的参考物时，参考图像从而是黑色的，这些参考点然后在理想情况下是白点。
该参考图像最初被分解为其三个颜色分量，并且在该过程中，产生三个彩色通道参考图像R红，R绿，R蓝，并且优选地将其存储在暂时存储器中。
在下一步骤中，确定参考图像的中心。这是通过将对应于参考图案的理想图像适配在参考图像中而完成的。在该过程中，所述理想图像被移动并可能被旋转，直到获得两图像之间的最小偏差。然后，确定图像中心。优选地使用绿色通道参考图像R绿进行此定中心，因为绿色(或灰度色调中的绿色部分)对亮度感知、以及从而也对人眼中的对比度和锐度感知的贡献最大。
最后，通过确定离理想图像的高度和宽度的位置偏差为每个颜色通道参考图像确定这些参考点的n个位置误差向量。这些位置误差向量被存储在参考表中。
基于参考图案的真实规模的知识，可以用简单的方式为每种变焦设置确定真实变焦值β，并且还可以将该变焦值存储在参考表中。
随后，重复针对至少两种进一步的变焦设置的之前所描述的步骤。优选地，确定针对七种或九种变焦设置的位置误差向量，包括最小的和最大的变焦设置。
通过对来自各种变焦设置中的位置误差向量的高阶多项式进行插值以及通过为每个颜色通道参考图像确定十一种位置误差系数从参考表形成失真模型。另外，可以确定图像不稳定性系数，并且可以捕捉和存储相关联的放大率的变焦电机位置。
该失真模型(即，系数、放大率和可能地进一步的值)被存储在缩减的变焦表中。所述缩减的变焦表优选地包括四行并包含优选地三阶回归多项式的系数，这允许为任何所希望的放大率计算所述值。
可以通过针对任何所希望的放大率β使用下列多项式来扩展缩减的变焦表。
必须针对每个变焦位置i来确定失真系数的大小。与每个变焦位置i相关联的是放大率β。应当使用缩减的变焦表中的表项从β确定其大小。
在此，对于失真校正系数a：
am，n(i(β))＝am，n(i0＝1)+am，n(i0＝2)*β+am，n(i0＝3)*β2+am，n(i0＝4)*β3；
适用；其中，m代表三条颜色通道(红、绿、蓝)，并且n在各种情况下取从1至11的值；
并且对于图像稳定性校正系数I：
Im(i(β))＝Im(i0＝1)+Im(i0＝2)*β+Im(i0＝3)*β2+Im(i0＝4)*β3；
其中，m取坐标值X和Y，并且其中，i0＝1…3，这些是缩减的变焦表中的值。
Ix和Iy描述了中心物相对于所确定的图像中心的偏差，并且用于图像稳定性校正。
该变焦表可以被固定地计算和存储在系统的存储器中，或可以在运行时间从缩减的变焦表计算并且在如果这样的话优选地具有下列表格：
| i | β | … | … | aR,1 | aR,2 | … | aR,11 | aG,1 | aG,2 | … | aG,11 | aB,1 | aB,2 | … | aB,11 | Ix | Iy |
| 1 | |||||||||||||||||
| 2 | |||||||||||||||||
| 3 | |||||||||||||||||
| … | |||||||||||||||||
| N |
变焦表的长度取决于从最大转移至最小可实现的放大率的驱动的编码。在具有机械焦点调整的变焦系统中，这可以是驱动的或编码器的步数。在具有直接驱动的系统中，这是电机控制表中的表项。
该变焦表在此(在一个优选实施例中)具有N＝4501个表项要以0.001 的步长从β＝5转移至β＝0.5。高质量的图像校正从而对于任何可以想到地可能的变焦位置来说是可能的。
除了放大率β和校正因数a、I之外，每个放大率值的电机位置可以例如也被存储在变焦表中。
失真校正模型的确定是基于：瓦莱丽·V·马卡罗夫(Valeri V. Makarov)、丹尼尔·R·维也里特(Daniel R.Veillette)、格雷戈里·S·亨尼西(Gregory S.Hennessy)、和本杰明·F·莱恩(Benjamin F.Lane)的“用于矩形视野的天体测量仪器和正交模型的最坏失真(The Worst Distortions of Astrometric Instruments and OrthonormalModels for Rectangular Fields of View)”；美国华盛顿哥伦比亚特区，马萨诸塞大道3450号，美国海军气象天文台。
在显微镜的操作过程中根据本发明而编写的变焦表然后可以用来执行失真校正以及可能地还在“运作中”(在变焦过程中)进行图像稳定性校正，以及向用户提供校正后的图像，而不需要进行复杂的软件校正。
该方法通过逻辑单元被整合在光学引擎的硬件中并以即时模式和静止图像模式两种模式提供高质量的图像。由于硬件整合，该方法足够快以使用户在即时模式下不会注意到任何时移。
通常使用的本领域技术人员已知的校正方法(如去噪声、阴影校正、白平衡、颜色校正、图像稳定化及其他)也可用于此上下文中。然而，这不是绝对必需的，并且由于这个原因在此不再更详细地说明。
由于图像偏移校正，有利地保证了以固定的图像中心进行变焦。如果没有致动变焦，图像稳定性校正不是必需的。
由于极强大的失真校正，可以在某些环境下在数字显微镜中使用更简单的透镜组件，这些组件可以既便宜又非常快。
另一优点是，独立于生产公差，每个变焦阶段的准确放大率是可确定的。即使在物镜变化过程中，由于对存储在仪器中的缩减的变焦表的使用，这在不具有特殊量具的情况下是可能的。
下面更详细地解释了根据本发明的校正方法的一个可能的实施例。
根据本发明的校正方法应用于图像传感器所记录的每个图像。在此，校正必须应用于多种特征，如更大区域中的图像稳定化和图像旋转，而不是展示给用户或存储为图像。如果该方法是用硬件实现的，它会非常快。
在优选实施例中称为用户显示区域(UDR)的区域具有1600×1200个像素。校正范围区域或失真校正区域(DCR)包括1760×1320个像素的区域。此区域因此比最终图像近似地大10％。DCR处于接近所确定的图像中心的参考像素(RP)。在确定图像中心之后，在整个方法中参考像素是固定的。
对于DCR的每个像素位置(x，y)而言，使用逻辑单元中的存储器中所存储的之前所确定的模型如下计算对应的“校正的”位置(xd，yd)。
其中，使用了三个颜色通道参考图像红、绿、蓝的索引m，并且r是半径，其中，
此处的像素坐标是定义在从-1至1的范围内的标准化坐标。
使用优选地线性插值模型，作为初始像素位置(x，y)的结果计算处于计算出的校正后的位置处的图像值。在此，在各种情况下考虑了相邻像素。
针对所有三个颜色通道参考图像重复此流程，该图像通过叠加颜色通道而被重组，并被裁剪至UDR以及显示和/或存储。
在校正后的位置(xd，yd)位于DCR外的情况下，像素被设置为零或“黑色”。
已裁剪的图像的中心坐标取决于可能必须考虑的静态参考像素、图像稳定性校正和任何可能激活的图像稳定化算法。
Claims (12)
1.一种用于校正数字光学成像系统中的像差的方法，该系统包括至少一个变焦系统和图像传感器，其中，包括之前所确定的变焦阶段的多个校正系数的变焦表被存储在该成像系统中，该方法包括下列步骤：
-捕捉物象；
-暂时存储该物象；
-捕捉该变焦系统的变焦设置；
-为这种变焦设置确定多个失真校正系数；
-为这种变焦设置确定多个图像稳定性校正系数的步骤；
-使用这些失真校正系数以及这些图像稳定性校正系数对该物象进行逐像素的校正；以及
-输出校正后的物象。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该物象的校正区域被选定为比该图像传感器的传感器区域更小。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述失真校正系数使用下列关系进行该逐像素的校正：
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其中，(xdist,m,ydist,m)＝校正后的像素位置，m＝[红，绿，蓝]，am,1-am,11＝失真校正系数，(x,y)＝初始像素位置，并且
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该逐像素的校正包括像素数据的插值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在校正之后进行真实放大率的确定和输出和/或存储。
6.如权利要求1所述的方法，其中获得所述变焦表包括：
-将参考物放置在该成像系统下方，所述参考物具有参考图案；
-选择该变焦系统的变焦设置并将其存储在参考表中；
-通过在该图像传感器上对该参考物进行成像来记录参考图像；
-将该参考图像划分成至少三个颜色通道参考图像RR RG RB；
-将理想图像适配在该参考图像中，并确定图像中心的位置和取向；
-在这些颜色通道参考图像中的每一个中为该参考图案的n个参考点确定位置误差向量；
-将这些已确定的位置误差向量存储在参考表中；
-针对至少三种不同的变焦设置重复之前所述的这些步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，通过下列步骤从该参考表编写针对i个基本变焦阶段的基本变焦表：
-针对每个颜色通道参考图像，从这些参考点的这些位置误差向量确定多个失真校正系数am,n，这些失真校正系数描述了该参考图案的变形，其中，m＝[R，G，B]且n＝1…11；
-确定多个图像稳定性校正系数IX、IY，这些图像稳定性校正系数描述了该参考图案的图像稳定性的偏差。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过根据下列规则确定这些失真校正系数am，n而从该基本变焦表编写变焦表：
am，n(i(β))＝am，n(i0＝1)+am，n(i0＝2)*β+am，n(i0＝3)*β2+am，n(i0＝4)*β3
其中β＝真实变焦值，i＝变焦位置。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，通过根据下列规则确定这些图像稳定性校正系数I而从该基本变焦表编写变焦表：
Im(i(β))＝Im(i0＝1)+Im(i0＝2)*β+Im(i0＝3)*β2+Im(i0＝4)*β3
其中β＝真实变焦值，i＝变焦位置。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，对于每种变焦设置而言，确定真实变焦值β并将其存储在该参考表中并存储在该变焦表中。
11.一种数字光学成像系统，具有变焦系统、图像记录传感器和用于数字图像处理的逻辑单元，其中，该逻辑单元被配置成用于执行如权利要求1所述的方法。
12.如权利要求11所述的成像系统，其特征在于，该成像系统是包括物镜的数字显微镜，其中，多个缩减的变焦表被存储在该物镜和该变焦系统中并且在校准方法和/或校正方法中被该逻辑单元所读取。
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