SE517120C2 - Plenoptisk anordning för fokusering i strålgång, samt metod och användning av densamma - Google Patents

Description

20 25 30 n ~ a - .- - ~ - n .o 517 120 ø . . ø - . . . .- 2 miniatyr-linselement eller mycket små ljusöppningar, typiskt placerade i en skiva, som befinner sig i strålgången bakom objektivet. Grunderna för denna teknologi återges i artikeln ”Single Lens Stereo with a Plenoptic Camera” av Edward H. Adelson och John Y.A. Wang, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol 14, No 2, Feb 1992.

I kända plenoptiska system är miniatyroptiken fast placerad i eller i närheten av objektivets fokuseringsplan. Om hål i en platta används som miniatyroptik är de så små att de alstrar en spegelvånd avbildning via ett projektionscentrum enligt principen för camera obscura. Alternativt används miniatyrlinser för att åstadkomma en motsvarande avbildning. Bakom miniatyroptiken placeras en ljuskänslig yta, typiskt en CCD-sensor, för att fast och motta delbilderna på ett avstånd från miniatyroptiken, miniatyroptiken är placerad på ett fast avstånd från objektivet.

Med en sådan konventionell plenoptisk utrustning kan mer information utläsas vid en exponering än vad som är möjligt med en traditionell, icke plenoptisk utrustning. Detta uppnås genom att den plenoptiska avbildningen tillåter extrahering av information som föreligger över ett större område, nämligen i ett plan som sträcker sig vinkelrätt mot den optiska axeln, till skillnad från den traditionella avbildningen som endast innehåller informationen som är kopplad till tillståndet omkring fokuseringspunkten.

Annorlunda uttryckt kan man med den beskrivna plenoptiska tekniken vid en exponering erhålla motsvarande information som annars skulle kräva flera exponeringar varemellan den fotografiska filmen parallellförskjutits något i sitt plan.

Emellertid föreligger ytterligare optisk information i strålgången mellan ingångslins (objektiv) och avbildníngsytan. Det optiska snitt som motsvarar ett mot den optiska axeln vinkelrätt plan, dvs. ett plan som är parallellt med avbildníngsytan i den konventionella plenoptiska anordningen enligt ovan, skiljer sig i något avseende från varje annat sådant mot den optiska axeln 10 15 20 25 30 u - . - »a - u . n .n . n u. nu u _ 0 . n ::.:.:.. .. . . nao-~q-.u~.-u uno»- ø-N-i' . .. ... _.- ...- -- - - :~ :_ ~ .u 1".. ~- n» -flfl - ~ . . .~ n ... . - - u ~ I n - .n n nu . . . . . . . . e. 3 vinkelrätt plan som är förskjutet utefter den optiska axeln i förhållande till det första planet. Denna information kan inte registreras med konventionella plenoptiska anordningar. Detta medför också att en skarp detaljrik fotografisk bild på godtyckligt djup inte kan erhållas utan att växla optiskt snitt, dvs. genom objektivet ändra fokuseringens inställning. Inte heller kan bra djupmätningar göras utan att växla optiskt snitt.

Dessutom betraktas miniatyroptik av camera obscura-typ av fackmän inom området såsom opraktiska på grund av de stora ljusförlusterna.

Således saknas en optisk anordning som, vid en förvald inställning av ett objektiv tillåter såväl analys av ett bakom ett objektiv befintligt bildrum som omfokusering utan rubbning av objektivets förvalda inställning.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Enligt en första aspekt av föreliggande uppfinning är syftet att lösa ovan angivna problem genom att tillhandahålla en anordning, vars omfattning anges av patentkrav 1, vilken anordning möjliggör simultan registrering av visuell avbildning och djupinforrnation för senare informationsseparering och tredimensionell visualisering.

Anordningen enligt uppfinningen tillåter, genom sin rörliga öppningsförsedda fokuserande platta, att optiska utsnitt görs i det bildrum som föreligger bakom ett objektiv. Därvid erhålls motsvarande effekt som vid omfokusering med objektivet, men utan att objektívet behöver rubbas eller över huvud taget vara försett med en fokuserande anordning.

Med anordningen erhålls en huvudsakligen normal avbildning av den iakttagna scenen, men till följd av gränseffekter mellan öppningarna erhålls djupberoende avvikelser som kan analyseras för exempelvis avståndsbedömning. Detta innebär att relativt djup kring flera optiska snitt i 10 15 20 25 30 517 120 a ~ \ a - . o . nu 4 bildrummet kan analyseras och sammanställas. Genom den rörliga fokuseringsskivan möjliggörs registrering av skillnader i bildinformation mellan två parallella plan som är förskjutna från varandra utefter den optiska axeln.

I en särskild utföringsform är fokuseringsplattan vrídbar omkring den optiska axeln för att därigenom registrera små olikheter mellan avbildningar utförda mot samma vinkelräta plan mot den optiska axeln, men med olika positioner för öppningarna i fokuseríngsplattan.

Enligt en andra aspekt av föreliggande uppfinning är syftet att lösa ovan angivna problem genom att tillhandahålla en metod för analys av bilddjup i ett bildrum mellan ett objektiv och ett okular, vars omfattning anges av patentkrav 7.

FIGURBESKRIVNING I det följande beskrivs föreliggande uppfinning närmare med hjälp av utföringsexempel. Hänvisning görs därvid till bifogade ritningar av vilka Fig. 1 är en schematisk perspektivvy av en fokuseringsplatta enligt uppfinningen, Fig. 2 är en vy framifrån av en del av en fokuseringsplatta enligt uppfinningen, visande en utföringsform av placering av öppningar, Fig. 3 är en tvärsnittsvy tagen utmed linje I-I i fig. 2, Fig. 4 är en förstorad tvärsnittsvy enligt fig. 3, Fig. 5 är en schematisk bild av en okularförsedd anordning enligt uppfinningen, Fig. 6 är en tvärsnittsvy tagen utmed linje II-II i fig.5, Fig. 7 är en tvärsnittsvy ovanifrån tagen genom aggregatet enligt fig. 1 Fig. 8 är en tvärsnittsvy ovanifrån som visar ljusintensiteten i avbildningsplanet vid ett första läge för fokuseringsskivan, 10 15 20 25 30 ljusintensiteten i Fig. 9 är en tvärsnittsvy ovanifrän som visar avbildningsplanet vid ett andra läge för fokuseringsskivan, Fig. 10 är en schematisk vy av en utföringsform med fiberoptík.

Samma detalj betecknas i olika figurer med samma hänvisningsnummer.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Såsom illustreras av fig. l, placeras enligt uppfinningen en med ljusgenomsläppande öppningar 5 försedd fokuseringsplatta 2 utefter ett objektivs 1 optiska axel OA, varvid plattan kan förflyttas utmed den optiska axeln i förhållande till objektivet. Detta illustreras schematiskt med att objektivet 1 är fast monterat på en stång 3 som är parallell med optiska axeln OA, och på vilken en vid fokuseringsplattan 2 fäst hylsa 4 är förskjutbart placerad. Objektivet kan utgöras av ett linssystem innefattande minst en lins eller en eller flera speglar.

Fokuseringsplattans syfte är att blockera en del av det ljus som faller in genom Objektivet. Det ej blockerade ljuset fortsätter genom fokuseringsplattans öppningar mot ett avbildningsplan AP. Med ”avbildningsplan” avses ett plan i bildrummet där ljusinformationen registreras. I avbildningsplanet placeras ett för olika utföringsformer specifikt ljusmottagande organ (ej visat i fig. 1), såsom fokalplanet till ett okular eller den ljusmottagande delen av en fiberoptisk kabel vars andra ände mynnar i fokalplanet till ett okular. Genom okularet kan bilden i avbildningsplanet iakttas eller registreras med exempelvis en kamera, vilket är en typisk användning av kameran.

I fig. 7 illustreras det bildrum som sträcker bakom objektivets fokalplan OF, varvid ljusstrålar representeras med pilförsedda linjer. En scen 31 som avbildas genom objektivet genererar en spegelvänd virtuell representation 32, som har en utsträckning i djupled, bakom objektivets fokalplan OF. Den med 10 15 20 25 30 51 7 12 o _ \ u I 191: o 6 föreliggande uppfinning tillhandahållna fokuserande anordningen 2 möjliggör fokusering inom detta virtuella bildrum, till skillnad från fokusering med objektivet som förändrar själva bildrummet.

Fokuseringsplattans 2 öppningar 5 formas med godtycklig lämplig geometri, men vid en utföringsform som föredras av tillverkningsskäl formas öppningarna som cirkulära hål i en skiva av opakt material, exempelvis grafit.

Det är väsentligt att öppningarna inte är så små att centralprojektion, av typen camera obscura, uppstår eller andra oönskade brytningsfenomen, såsom diffraktion.

Fokuseringsplattans yttre utformning och dess mått kan väljas för att passa den utrustning i vilken den skall användas, men typiskt görs plattan rund med en tjocklek av ca 50-200 um. Fokuseringsplattans tjocklek och ljusöppningarnas mått skall emellertid anpassas till varandra så att en huvudsakligen kontinuerlig avbildning erhålls i avbíldningsplanet.

En utföringsform av fokuseringsplattans ljusgenomsläppande öppningar visas i fig. 2 till 4. Enligt fig. 2 förses fokuseringsplattan 2 med öppningar 5 i form av genomgående hål i plattan fördelade i ett hexagonalt mönster, varvid kant- till-kantavståndet är S mellan ett hål och vart och ett av dess sex närmast intilliggande hål.

Vid utformning av en ljusöppning är det väsentligt att ljusöppningens väggar inte orsakar en störande inverkan i strålgången. I den i fig. 2 och 3 visade utföringsformen åstadkommes detta genom att hålen som löper genom plattan har en ingångsöppning med en diameter DI, och en utgångsöppning med en diameter DU som är större än DI, och däremellan varierar hålets diameter linjärt. Koniciteten väljs i förhållande till objektivets brännvidd och fokuseringsplattans arbetsområde utefter den optiska axeln så att hålets väggar inte skär strålgången. l0 15 20 25 30 2"-!"-^-.'~'.': .: .°'.:-".:-..".--A--;-" - :..':.'f_-t:': :~.:: :-':-:-. .' ' ' ""I-.-.o~... -.. ~' ß' 0 n a v: . z »o n... un., ~n_,,n" 0- 7 lngångsöppningen väljs så stor som möjligt i förhållande till den ljusblockerande ytan i syfte att erhålla en ljusstark avbildning, exempelvis med 50 um diameter. Enligt den i fig. 4 illustrerade utföringsformen är kant- till-kantavståndet S mellan ingångsöppningarna med diametern DI valt till S=20DI. Vinkel ot är konvinkeln för en symmetrisk ljuskon i bildrummet bakom objektivet, med sin längdaxel i objektivets optiska axel. Avståndet D mellan ett plan genom respektive ingångsöppning och avbildningsplanet AP väljs i utföringsformen till Dløcot(ot/ 2) för att erhålla en huvudsakligen kontinuerlig avbildníng i avbildningsplanet, och fokuseringsplattans tjocklek väljs till ett värde mindre än eller lika med D för att möjliggöra avbildning.

Det kan noteras att en utföringsform med hexagonalt utformade öppningar fördelade hexagonalt över fokuseringsplattan optiskt sett är att föredra framför den ovan illustrerade utföringsformen, men den ovan beskrivna utföringsformen bedöms ge en lättillverkad fokuseringsplatta med fullgod avbildning.

Fokuseringsplattan placeras huvudsakligen vinkelrätt mot obj ektivets optiska axel OA förhållande till infästningsanordning. En utföringsform av sådan montering illustreras i fig. 5 (se ñg 1) via en i objektivet förskjutbar och 6, där ett objektiv ll med en gängad infästningshylsa är fastskruvad i en tub 17. l tuben är en hylsa 18 införd så att hylsan är förskjutbar i tuben enligt principen för en tubkikare. En kuggstång 19 är fast fäst mot hylsans 18 ytteryta i hylsans längdriktning. Kuggstångens kuggar skjuter ut genom en längsgående öppning 20 i tuben 17 så att ett fram- och återmatningsorgan, i ñg. 5 och 6 illustrerad med ett kugghjul 21, kan bringa hylsan 18 att röras ut och in i tuben 17 utmed objektivets optiska axel OA. I hylsans 18 yttre ände är ett okular 22 monterat med en gängad infåstningshylsa 23. Vidare är hylsan 18 invändigt gängad, och en inre hylsa 24, som har en utvändig gänga, är inskruvad i hylsan 18. Vidare har den inre hylsan 24 i sin ena ände en fläns 25 mot vilken en fokuseringsplatta 12 är fast infäst, exempelvis med epoxilim eller en extra inskruvad plasthylsa (ej visat). Genom att vrida den 10 15 20 25 30 I! 517 1 2 Û :.-..:-_.,_¿_. Q ~:...:. .u “___-In .Än .Zßaz .ß ~ --- '~-- H . ., . ... -. I 5 ' 1" I',.'_.~..'_ _-__I¿._ :_ .. .n .,._ .;_' .. I I :n p: . , . _ ... l-n 0 Oil IIII - 8 inre hylsan 24 mot den yttre hylsan 18 under sammanbyggnaden kan avståndet mellan fokuseringsplattan 12 ställas in på önskat sätt mot okularets 22 fokalplan, så att ett valt avbildningsplan (ej visat i fig 5) befinner sig i okularets fokalplan. Den inre hylsan 24 kan därefter låsas mot den yttre hylsan 18, t ex med låslack.

Vid användning av en anordning enligt fig. 5 och 6 regleras fokuseringsplattans läge genom vridning av kugghjulet 21. Därvid fokuseras den i avbildningsplanet föreliggande avbildningen mot olika djup i den betraktade scenen, vilket kan observeras genom okularet. Denna effekt skall nu beskrivas mer detaljerat.

Enligt uppfinningen väljs fokuseringsplattans position utefter den optiska axeln så att denna befinner sig inom det virtuella bildrum som föreligger bakom objektivet, dvs. från objektivet betraktat bortom objektivets fokalplan, såsom framgår av fig. 7. Vidare år fokuseringsplattan förskjutbar inom detta bildrum.

I bildrummet föreligger en virtuell tredimensionell representation av den scen mot vilken objektivet är riktat. Då fokuseringsplattan förskjuts genom bildrummet löper avbildningsplanet genom denna virtuella representation, så att beroende på fokuseringsplattans läge framställs olika delar av representationen mer eller mindre skarpai avbildningsplanet.

Fig. 8 och 9 ljusintensiteten I från ett objekt 41 i den virtuella representationen för två illustrerar den i avbildningsplanet AP registrerbara olika positioner för fokuseringsplattan 2 med dess öppningar 5, varvid den ena positionen framgår av fig. 8 och den andra av fig. 9. Ljusstrålar representeras med pilförsedda linjer, och intensitetsfördelningen illustreras schematiskt med ett diagram i högra delen av respektive figur. 10 15 20 25 30 u . , ”_ n. .:.:»_.:_ -__ ^-.- .~ t» -.: i H' 0 I -ï _-\- .~ ..- o.

"° .M7 -ß- - ~ -fl -'~~ _~.-.I . .. u ' . '. -w nu .o I -. _, . , . s .u- ' ,' I. u . f v' .. 4 , 9 Fig. 8 och 9 illustrerar också hur en variabel fokusering av den avbildade scenen uppnås utan behov av fokusering med objektivet. I själva verket kan med uppfinningen fokusering åstadkommas även vid ett objektiv som i sig självt helt saknar fokuserande anordning.

Den betraktade således i varvid avbildningen är uppbyggd av delbilder från varje öppning i fokuseringsplattan. scenen återges avbildningsplanet, Delbilderna ansluter i det närmaste kant i kant med varandra så att den totala bild som föreligger i avbildningsplanet uppvisar avsevärd likhet med en motsvarande avbildning i en konventionell optisk utrustning. Men ljusknippen som härrör från ljuskoner ett stycke framför fokuseringsplattan ger upphov till oskärpa, så kallad ”blur circle", med därav följande förlust av upplösning. Oskärpan orsakas av avvikelser från lokalt relativt djup kring det plan i bildrummet där fokuseringen är utförd. Fokuseringsplattans opaka delar ger emellertid effekten att de oskarpa ljuskonerna huggs av. Oskärpa omvandlas till i varierande grad oskarpa periodiska mönster i avbildningsplanet där skarpa kanter, linjer eller punkter uppträder i något plan i bildrummet.

Såsom vidare illustreras av fig. 8 och 9 faller, då fokuseringsplattan 2 förskjuts något utmed den optiska axeln OA, andra delar av det genom objektivet infallande strålknippet mot avbildningsplanet AP. Därvid är den totala avbildningen i avbildningsplanet i stort sett densamma som före förskjutningen, men en förändring av de ovan beskrivna avvikelserna inträder, samtidigt som skärpefokus förflyttas till ett annat djup i den avbildade scenen. Exempelvis faller ljusstrålar från objektet 41 i ñg. 8 genom flera öppningar 5A-C och ger upphov till en relativt oskarp avbildning och därtill djupberoende mönster, medan i ett annat läge, enligt ñg. 9, ljusstrålar från samma objekt faller endast genom en öppning 5 i fokuseringsplattan varvid dessa ljusstrålar ger en skarp avbildning i avbildningsplanet. 10 15 20 25 30 lill .. n °'° »°'° -ll I* “n ",,po 'Én .z s. n..n, 00 n ø . . u .- n ' s . _, ~ -~ o I o . «_ 4,» u Q . _ 'o v.. . . n. .- ._ _-,~ .u n u. -. s :H Juan. . u. p 0. .. __ h.. n. . n v .. .fn nu .v f - ' . ..-n u..

° .- H ~ o o - u ° n 'f-u "- .-.~ 10 Företrädesvis kopplas fokuseringsplattan till ett lämpligt positionsregistrerande organ för bestämning av dess läge i förhållande till objektivet. Det blir därigenom möjligt att relatera en exponering till fokuseringsplattans aktuella position, och att vid olika exponeringar för 3-D- mätningar relatera dessa till varandra.

Sådana positionsreglerande och positionsregistrerande organ är kända för fackmannen, och kan exempelvis erhållas från Melles Griot AB, Täby, Sverige eller Physik Instrumente GmbH år Co, Waldbronn, Tyskland.

I en vidareutvecklad utföringsform är fokuseringsplattan vridbar omkring objektivets optiska axel, varvid vid användning analyserbara förändringar av de djupberoende oskärpemönstren kan göras för ett och samma fokuseringsavstånd. Att i en strålgång införa en vridbar skiva är inte nytt i sig, och lämpliga organ för detta, med eller utan positionsåterkoppling, är tillgängliga från Melles Griot.

I det föregående har uttrycket ”exponeras” använts för att beteckna en avbildning vid en given inställning av fokuseringsskivan enligt uppfinningen. Även om detta uttryck antyder en avbildning med en kamera så skall uttrycket ”exponeras” emellertid även förstås såsom innefattande visuellt betraktande genom okularet av ljuset i avbildningsplanet för en viss inställning av fokuseringsplattan.

En sådan anordning har i det föregående beskrivits med hänvisning till fig. 5 och 6, varvid ett okular är så anordnat att dess fokalplan sammanfaller med avbildningsplanet. I en i fig. 10 illustrerad särskild utföringsform, exempelvis anpassad för endoskopiska tillämpningar, leds ljuset från avbildningsplanet AP till okularet 6 via en fiberoptisk ledning 7.

Föreliggande uppñnning tillåter således att en volym, av det bildrum som föreligger mellan objektivet och okularet kan analyseras utefter den optiska 10 15 20 517 120 ll axeln, till skillnad från tidigare kända plenoptiska utrustningar som endast tillåter att ett plan i motsvarande bildrum analyseras.

Vidare är föreliggande uppfinning anpassad för att återge en för ögat direkt iakttagbar avbildning av den scen mot vilken objektivet är riktat.

Det är givetvis uppenbart för fackmannen att ytterligare modifieringar och utföringsformer är möjliga inom ramen för den i patentkraven definierade uppfinningen, såsom exempelvis icke plana fokuseringsplattor, multipla okular, ytterligare justerings- och lägesregistrerande anordningar för fokuseringsplattans position, olika typer av registrerande organ efter eller före okularet etc.

I en särskild, ej illustrerad utföringsform är fokuseringsplattans öppningar kombinerade med ett transparent och färgat material, varvid våglângdsberoende analyser möjliggörs. En sådan utföringsform kan exempelvis realiseras genom att fokuseringsskivan utförs som en tunn täckskiva, i vilken öppningar är utförda, placerad vid en kontinuerlig transparent färgad skiva av glas eller plast. På motsvarande sätt kan även ett polariserande filter anbringas.

Claims (8)

lO 15 20 25 -:~-.':'.: -'...'.' .".. .':. --:-_:::::.:. .sv n. n . ~~~ "'.- '-...-..- . 'Ä , ~..--.o.' .",' .,_,.,, ...- .I o. - - . n , ' ,, __ u.. 12 PATENTKRAV

1. Anordning för fokusering placerad utmed den optiska axeln (OA) för ett ljussamlande organ (1), och mellan det ljussamlande organet (1) och ett ljusmottagande organ (6, 7, 22), varvid den fokuserande anordningen innefattar en opak platta (2, 12) försedd med ett flertal ljusgenomslåppande öppningar (5), k ä n n e t e c k n a d a v att plattan (2, 12) är kopplad till organ (4, 19, 21) för reglering av plattans (2, 12) position utefter den optiska axeln (OA).

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att åtminstone en ljusgenomsläppande öppning (5) i plattan (2, 12) är utförd som ett koniskt format genomgående hål, varvid hålets mot det ljussamlande organet (1) riktade ingångsöppning har mindre diameter (DI) än den mot det ljusmottagande organet riktade utgångsöppningen diameter (DU).

3. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d a v att det ljusmottagande organet innefattar ett okular (6, 22).

4. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d a v att det ljusmottagande organet innefattar en fiberoptisk ledare (7).

5. Anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d a v att plattan (2) därtill är vridbart anordnad omkring den optiska axeln (OA). 10 15 20 25 _, ._ _ _ . _ Û ...i.,.._._-. ; :~ ;-_^;:~_:.- .?~.. ... 1! I nu nl ~-»~ l 13

6. Öppningsförsedd platta (2, 12) för användning i anordning enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d a v att de ljusgenomsläppande öppningarna (5) är tillräckligt stora för att huvudsakligen undvika centralprojektion via öppningarna.

7. Metod för analys av bilddjup i ett bildrum mellan ett objektiv (1) och ett okular (6) kännetecknad av stegenatt i strålgången vinkelrätt mot objektivets optiska axel (OA) placera en utefter den optiska axeln förskjutbar opak platta (2, 12) som är försedd med ljusgenomsläppande öppningar (5), förflytta plattan (2, 12) utefter den optiska axeln (OA), registrera valda positioner för plattan (2, 12), registrera genom plattans öppningar (5) och okular mottagna avbildningar vid de valda positionerna, och att de registrerade avbildningarna jämförs med varandra och i förhållande till de registrerade positionerna för plattan.

8. Användning av opak platta (2, 12) försedd med ljusgenomsläppande öppningar (5) för bedömning av ett bilddjup, varvid plattan är placerad i en strålgång mellan ett objektiv (1) och ett okular (6) och avbildningar av ljus som passerar de ljusgenomsläppande öppningarna registreras, k ä n n e t e c k n a d a v att plattan (2, 12) vid bilddjupbestämningen placeras på olika avstånd utefter objektivets axel (OA).