WO2008081000A1 - Method and image recording unit for achromatic image recording of objects - Google Patents

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WO2008081000A1 PCT/EP2008/000007 EP2008000007W WO2008081000A1 WO 2008081000 A1 WO2008081000 A1 WO 2008081000A1 EP 2008000007 W EP2008000007 W EP 2008000007W WO 2008081000 A1 WO2008081000 A1 WO 2008081000A1
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lens
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image acquisition
wavelength
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Frank Wippermann
Peter Schreiber
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a method for achromati- sized 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.
  • chromatic aberrations Due to the dispersive properties of glass and plastic materials that are used in camera objective ', chromatic aberrations occur, which lead to a deterioration of image quality, if radiation of a wide frequency spectrum is to be imaged (eg VIS). As chromatic aberrations occur Farblhacks- and transverse errors, ie the images of different wavelengths arise at different distances along the optical axis of the lens and can have different magnifications. The correction of the chromatic aberrations is accompanied by the use of several lenses of different materials and thus increasing complexity of the lens system and consequently manufacturing price.
  • the physical background for chromatic aberrations is based on the wavelength dependence of the focal length of a lens.
  • the focal length F 1 of a thin lens neglecting the lens thickness is given by:
  • n refractive index of the material.
  • the image position When viewed axially, the image position can be determined according to the following formula:
  • magnification is determined according to the following equation:
  • a method for image acquisition of objects free of chromatic aberrations by sequential recording of individual images for different wavelength ranges by means of an objective and an image sensor.
  • Achromatization is achieved by correcting chromatic aberrations for the respective wavelength ranges by means of focusing adapted to the wavelength range and by correcting lateral chromatic aberrations by means of electronic and / or software-assisted image post-processing for the respective wavelength ranges.
  • the inventive method thus allows the simplification of Obj ektiv substances, since it can be dispensed with broadband achromatmaschine the lens.
  • inexpensive and small-scale autofocus camera objects can be produced according to the invention.
  • the autofocused lenses can be both fixed and zoom lenses.
  • the method is based on the sequential execution of several images, so that an optimization can be carried out for each individual image for the respective wavelength range.
  • an optimization can be carried out for each individual image for the respective wavelength range.
  • the first variant is based on an adaptive lens whose refractive power is changeable.
  • an adaptive lens for example, offers a liquid lens whose refractive power is controlled by a change in the Krümmungsra- diene of the liquid lens.
  • a second preferred variant provides that the focusing takes place by means of at least one axially displaceable in the direction of the image plane or the object lens.
  • These are classic lenses with a fixed shape, which allow focusing by displacement along the optical axis.
  • a third preferred variant provides that the focusing takes place by means of an image sensor displaceable axially in the direction of the object or the image plane.
  • the lens with the at least one lens remains static while the imager, i. the image sensor, can be moved.
  • the second and the third variant are combined, so that both the lens and the image sensor can be moved.
  • the axial displacement of the at least one lens and / or the image sensor is preferably carried out by means of an autofocus unit, as is commonly used.
  • the separation of the wavelength ranges can be achieved by a time-varying illumination with different wavelength spectra of small spectral width or by the use of wavelength filters with a polychromatic radiation source, ie for example white light.
  • Switchable or rotating wavelength filters are preferably used as wavelength filters here.
  • an image sensor For taking color images, it is further preferred to use an image sensor with wavelength filter.
  • Pixelated wavelength filters in Bayerpattern arrangement are particularly suitable for this purpose.
  • an image acquisition system for an image acquisition of objects free of chromatic aberrations is likewise provided.
  • the image acquisition 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.
  • the objective also to be used which has chromatic aberrations, as a result of which systems which can be produced more easily can be used as the objective.
  • the at least one optical lens is an adaptive lens whose refractive power is changeable.
  • these include, for example, a liquid lens whose refractive power can be controlled by changing the radii of curvature of the liquid lens.
  • the image acquisition system may preferably additionally have a control unit for the axial displacement of the at least one optical lens in the direction of the image plane or of the object. It is also possible that a control unit for axial displacement tion of the image sensor in the direction of the image plane or the object is included. Both variants can also be combined with each other.
  • a further preferred variant of the image acquisition system according to the invention provides that it has at least one illumination unit for generating defined wavelength ranges.
  • This may be, for example, multiple radiation sources for discrete wavelength ranges.
  • the illumination unit can consist of a polychromatic radiation source, which is combined with at least one wavelength filter.
  • switchable or rotating wavelength filters come into consideration as wavelength filters.
  • the image sensor is preferably provided with at least one wavelength filter, with particular preference being given to pixellated wavelength filters in Bayerpattern arrangement.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first variant according to the invention.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second variant of the invention.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a third variant according to the invention.
  • 4 shows a schematic representation of the effect of the image post-processing according to the invention.
  • FIG. 5 shows a block diagram of the overall method according to the invention for image acquisition.
  • Fig. 1 a variant according to the invention according to claim 5 is shown.
  • the objective here consists of a first lens 1 and a second lens 2 and an image converter or image sensor 3, the second lens 2 being displaceable axially in the direction of the image plane or of the object.
  • the sequential recordings can now be done by moving the lens 2 of the lens focusing on the corresponding wavelength range.
  • a top view 4 of the image converter 3 is then shown, which illustrates the different focussing for the individual wavelength ranges.
  • FIG. 1 a shows the optimum position for the focusing for the red wavelength range
  • FIG. 1 b the optimum position for the focusing for the green wavelength range
  • in FIG Fig. Ic the optimal position for focusing for the blue wavelength range.
  • FIG. 2 shows a second variant in which the objective with a first lens 1 and a second lens 2 is static, while the image sensor or image converter 3 is axially displaceable in the direction of the object or the image plane.
  • the movement of the image converter 3 makes it possible to focus for different wavelength ranges in the sequential method.
  • the Fign. 2a-2c the optimal positions for the individual wavelength ranges.
  • FIG. 3 schematically shows a camera structure with a lens comprising a first lens 1 and a second lens 2 and an image converter 3.
  • Lens 1 is a lens whose refractive power can be adjusted to focus on different wavelength ranges.
  • Such an adaptive lens is e.g. a liquid lens.
  • the optimal positions for the different wavelength ranges are shown with reference to the plan views 4. This is the variant according to the invention according to claim 3.
  • the image post-processing according to the invention which may be of electronic or software-supported nature, is illustrated.
  • individual images for different wavelength ranges red, green, blue
  • image scales By an electronic or software-based adjustment of the image scales individual images can then be superimposed to a single color image. the.
  • a distortion for example the pincushion distortion shown here in the figure, can then also be corrected, whereby the optical design of the camera is simplified.
  • FIG. 5 illustrates the process chain for color image recording on the basis of a block diagram.
  • camera i. Lens and image converter
  • image design i. Lens and image converter
  • AF control and actuator i. Actuator
  • a control loop a control loop.
  • the data taken from the image memory for the different wavelength ranges red, green, blue

Abstract

The invention relates to a method for achromatic image recording of objects by sequential recording of individual images for different wavelength ranges. The invention likewise relates to an image recording system which is suitable for this purpose, having an objective, an image sensor for sequential recording of images for different wavelength ranges, and an electronic or software-based image post-processing unit.

Description

Verfahren und BilderfassungsSystem zur achromatisier- ten Bildaufnahme von Objekten Method and image acquisition system for achromatized image acquisition of objects
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur achromati- sierten 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 achromati- sized 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.
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 einge- setzt werden.In recent years, there is an increasing tendency to equip even the smallest electronic devices with a photograph function. This endeavor leads to the requirement to develop camera systems with as small a height as possible, which can then also be integrated eg in mobile phones or PDAs. At the same time, however, these systems should also be as possible be simple, so that a cost-effective production is possible. Likewise, the cost pressure also affects the choice of materials, so that simple glass or plastic materials are used.
Aufgrund der dispersiven Eigenschaften der Glas- und Kunststoffmaterialien, die in Kamera'objektiven 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 Mate- rialien und damit steigender Komplexität des Linsensystems und folglich Herstellungspreis einher.Due to the dispersive properties of glass and plastic materials that are used in camera objective ', chromatic aberrations occur, which lead to a deterioration of image quality, if radiation of a wide frequency spectrum is to be imaged (eg VIS). As chromatic aberrations occur Farblängs- and transverse errors, ie the images of different wavelengths arise at different distances along the optical axis of the lens and can have different magnifications. The correction of the chromatic aberrations is accompanied by the use of several lenses of different materials and thus increasing complexity of the lens system and consequently manufacturing price.
Der physikalische Hintergrund für chromatische Aberrationen beruht auf der Wellenlängenabhängigkeit der Brennweite einer Linse. Die Brennweite F1 einer dünnen Linse unter Vernachlässigung der Linsendicke ist gegeben durch:The physical background for chromatic aberrations is based on the wavelength dependence of the focal length of a lens. The focal length F 1 of a thin lens neglecting the lens thickness is given by:
Figure imgf000004_0001
mit r± = Krümmungsradien der Linsen, n = Brechungsindex des Materials.
Figure imgf000004_0001
with r ± = radii of curvature of the lenses, n = refractive index of the material.
Die Dispersion bewirkt hierbei die Wellenlängenab- hängigkeit des Brechungsindex n=n(λ) wodurch auch eine Wellenlängenabhängigkeit der Brennweite gegeben ist f'=f'(λ).In this case, the dispersion causes the wavelength dependence of the refractive index n = n (λ), which also gives a wavelength dependence of the focal length is f '= f' (λ).
Bei axialer Betrachtung lässt sich die Bildlage nach der folgenden Formel bestimmen:When viewed axially, the image position can be determined according to the following formula:
_L-J__I_L-J__I
mit a = Objektweite und a' = Bildweite.with a = object width and a '= image width.
Daraus ergibt sich eine Wellenlängenabhängigkeit der Bildweite a' = a'{λ), was zur Konsequenz hat, dass bei axialer Betrachtung nur für schmale Wellenlängenbereiche ein scharfes Bild entsteht.This results in a wavelength dependence of the image width a '= a' {λ), which has the consequence that when viewed axially only for narrow wavelength ranges a sharp image.
Bei lateraler Betrachtung bestimmt sich der Abbildungsmaßstab nach folgender Gleichung:In a lateral view, the magnification is determined according to the following equation:
a y mit y = Objekthöhe und y' = Bildhöhe.a y with y = object height and y '= image height.
Sowohl der Abbildungsmaßstab ß' = ß'\λ) als auch die Bildhöhe
Figure imgf000005_0001
sind somit wellenlängenabhängig und für jede Wellenlänge verschieden.Both the magnification ß '= ß' \ λ) and the image height
Figure imgf000005_0001
are thus wavelength-dependent and different for each wavelength.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bildaufnahme bereitzustellen, mit dem ein vereinfachter Objektivaufbau ermöglicht wird und gleichzeitig eine Bildaufnahme ermög- licht, bei der chromatische Aberrationen vermieden werden.Proceeding from this, it was an object of the present invention to provide a method for image acquisition, with which a simplified lens construction is made possible and at the same time an image recording made light, 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 .This object is achieved by the method with the features of claim 1 and the image capture system with the features of claim 13. The further dependent claims show advantageous further education.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zu einer von chromatischen Aberrationen freien Bildaufnahme von Objek- ten 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, a method is provided for image acquisition of objects free of chromatic aberrations by sequential recording of individual images for different wavelength ranges by means of an objective and an image sensor. Achromatization is achieved by correcting chromatic aberrations for the respective wavelength ranges by means of focusing adapted to the wavelength range and by correcting lateral chromatic aberrations by means of electronic and / or software-assisted image post-processing for the respective wavelength ranges.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit die Vereinfachung des Obj ektivaufbaus, da auf eine breitban- dige 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 Obj ektivaufbaus, since it can be dispensed with broadband achromatisierung the lens. Thus, inexpensive and small-scale autofocus camera objects can be produced according to the invention. The autofocused lenses can be both fixed and 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 several images, so that an optimization can be carried out for each individual image for the respective wavelength range. Thus, the longitudinal chromatic aberrations, which manifest themselves in a defocusing of the image in a certain wavelength, can be prevented.
Hinsichtlich der an den Wellenlängenbereich angepass- ten Fokussierung sind drei Varianten besonders bevor- zugt . 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 Krümmungsra- dien der Flüssigkeitslinse gesteuert wird.With regard to the focusing adapted to the wavelength range, three variants are particularly preferred. The first variant is based on an adaptive lens whose refractive power is changeable. As an adaptive lens, for example, offers a liquid lens whose refractive power is controlled by a change in the Krümmungsra- diene of the liquid lens.
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 takes place by means of at least one axially displaceable in the direction of the image plane or the object lens. These are classic lenses with a fixed shape, which allow focusing by displacement along the optical axis.
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 takes place by means of an image sensor displaceable axially in the direction of the object or the image plane. Thus, in this variant, the lens with the at least one lens remains static while the imager, i. the image sensor, can be moved. Likewise, it is of course also possible that the second and the third variant are combined, so that both the lens and 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 by means of an autofocus unit, as is commonly 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. Als Wellenlängenfilter werden hierbei vorzugsweise schaltbare oder rotierende Wellenlängenfilter eingesetzt .The separation of the wavelength ranges can be achieved by a time-varying illumination with different wavelength spectra of small spectral width or by the use of wavelength filters with a polychromatic radiation source, ie for example white light. Switchable or rotating wavelength filters are preferably used as wavelength filters here.
Zur Aufnahme von Farbbildern ist es weiterhin bevorzugt, einen Bildsensor mit Wellenlängenfilter einzusetzen. Hierzu bieten sich insbesondere pixelierte Wellenlängenfilter in Bayerpattern-Anordnung an.For taking color images, it is further preferred to use an image sensor with wavelength filter. Pixelated wavelength filters in Bayerpattern arrangement are particularly suitable for this purpose.
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 se- quentiellen Aufnahme von Bildern für verschiedene Wellenlängenbereiche sowie eine elektronische oder softwaregestützte Bildnachbearbeitungseinheit .According to the invention, an image acquisition system for an image acquisition of objects free of chromatic aberrations is likewise provided. The image acquisition 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 Objek- tiv auch ein solches eingesetzt werden kann, das chromatische Aberrationen aufweist, wodurch einfacher herstellbare Systeme als Objektiv eingesetzt werden können .In this case, it is particularly advantageous for the objective also to be used which has chromatic aberrations, as a result of which systems which can be produced more easily can be used as the objective.
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 Flüssig- keitslinse steuerbar ist.A preferred variant provides that the at least one optical lens is an adaptive lens whose refractive power is changeable. These include, for example, a liquid lens whose refractive power can be controlled by changing the radii of curvature of the liquid lens.
Das Bilderfassungssystem kann vorzugsweise zusätzlich eine Steuereinheit zur axialen Verschiebung der mindestens einen optischen Linse in Richtung der BiId- ebene 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 have a control unit for the axial displacement of the at least one optical lens in the direction of the image plane or of the object. It is also possible that a control unit for axial displacement tion of the image sensor in the direction of the image plane or the object is included. 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 further preferred variant of the image acquisition system according to the invention provides that it has at least one illumination unit for generating defined wavelength ranges. This may be, for example, multiple radiation sources for discrete wavelength ranges. As a further preferred variant, the illumination unit can consist of a polychromatic radiation source, which is combined with at least one wavelength filter. In particular, switchable or rotating wavelength filters come into consideration as wavelength filters.
Zur Aufnahme von Farbbildern ist der Bildsensor vorzugsweise mit mindestens einem Wellenlängenfilter versehen, wobei es sich besonders bevorzugt um pixe- lierte Wellenlängenfilter in Bayerpattern-Anordnung handelt .For recording color images, the image sensor is preferably provided with at least one wavelength filter, with particular preference being given to pixellated wavelength filters in Bayerpattern arrangement.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungs- gemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.Reference to the following figures, the inventive subject matter is to be explained in more detail, without wishing to limit this to the specific embodiments shown here.
Fig. 1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine erste erfindungsgemäße Variante.Fig. 1 shows a schematic representation of a first variant according to the invention.
Fig. 2 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine zweite erfindungsgemäße Variante.Fig. 2 shows a schematic representation of a second variant of the invention.
Fig. 3 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine dritte erfindungsgemäße Variante. Fig. 4 zeigt anhand einer schematischen Darstellung die Wirkung der erfindungsgemäßen Bildnachbearbeitung.Fig. 3 shows a schematic representation of a third variant according to the invention. 4 shows a schematic representation of the effect of the image post-processing according to the invention.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Gesamtverfahrens zur Bildaufnahme.5 shows a block diagram of the overall method according to the invention for image acquisition.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Variante gemäß Anspruch 5 dargestellt. Zur vereinfachten Darstellung besteht hier das Objektiv aus einer ersten Linse 1 sowie einer zweiten Linse 2 und einem Bildwandler bzw. Bildsensor 3, wobei die zweite Linse 2 axial in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes verschiebbar ist. Bei den sequentiellen Aufnahmen kann nun durch Bewegung der Linse 2 des Objektivs eine Fokussierung auf den entsprechenden Wellenlängenbereich erfolgen.In Fig. 1 a variant according to the invention according to claim 5 is shown. For simplified illustration, the objective here consists of a first lens 1 and a second lens 2 and an image converter or image sensor 3, the second lens 2 being displaceable axially in the direction of the image plane or of the object. In the sequential recordings can now be done by moving the lens 2 of the lens focusing on the corresponding wavelength range.
Aus der Zeichnung ist zu erkennen, dass Strahlen un- terschiedlicher 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 Wellenlängen- bereichs und stärker als Strahlung des roten Wellenlängenbereichs gebrochen.It can be seen from the drawing that beams of different wavelengths leave the objective at different angles and intersect at different image widths. With normal dispersion, radiation of the blue wavelength range is refracted more strongly than radiation of the green wavelength range and stronger than radiation of the red wavelength range.
Im rechten Teil der Darstellung ist dann eine Draufsicht 4 des Bildwandlers 3 gezeigt, die die unter- schiedliche Fokussierung für die einzelnen Wellenlängenbereiche verdeutlicht.In the right part of the illustration, a top view 4 of the image converter 3 is then shown, which illustrates the different focussing for the individual wavelength ranges.
In Fig. Ia ist dabei die optimale Position für die Fokussierung für den roten Wellenlängenbereich darge- stellt, in Fig. Ib die optimale Position für die Fokussierung für den grünen Wellenlängenbereich und in Fig. Ic die optimale Position für die Fokussierung für den blauen Wellenlängenbereich.FIG. 1 a shows the optimum position for the focusing for the red wavelength range, in FIG. 1 b the optimum position for the focusing for the green wavelength range and in FIG Fig. Ic the optimal position for focusing for the blue wavelength range.
Fig. 2 zeigt eine zweite Variante, bei der das Objek- tiv mit einer ersten Linse 1 und einer zweiten Linse 2 statisch ist, während der Bildsensor bzw. Bildwandler 3 axial in Richtung des Objektes bzw. der Bildebene verschiebbar ist. Dies entspricht der Variante gemäß Anspruch 6. Hier wird durch die Bewegung des Bildwandlers 3 eine Fokussierung für unterschiedliche Wellenlängenbereiche im sequentiellen Verfahren ermöglicht. Auch hier zeigen die Fign. 2a-2c die optimalen Positionen für die einzelnen Wellenlängenbereiche .FIG. 2 shows a second variant in which the objective with a first lens 1 and a second lens 2 is static, while the image sensor or image converter 3 is axially displaceable in the direction of the object or the image plane. This corresponds to the variant according to claim 6. Here, the movement of the image converter 3 makes it possible to focus for different wavelength ranges in the sequential method. Again, the Fign. 2a-2c the optimal positions for the individual wavelength ranges.
In Fig. 3 ist schematisch ein Kameraaufbau mit einem Objektiv enthaltend eine erste Linse 1 und eine zweite Linse 2 sowie einen Bildwandler 3, dargestellt. Bei Linse 1 handelt es sich um eine Linse, deren Brechkraft zur Fokussierung auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche angepasst werden kann. Eine derartige adaptive Linse ist z.B. eine Flüssigkeitslinse. Auch in dieser Zeichnung sind anhand der Draufsichten 4 die optimalen Positionen für die verschiedenen WeI- lenlängenbereiche untereinander dargestellt. Hierbei handelt es sich um die erfindungsgemäße Variante gemäß Anspruch 3.FIG. 3 schematically shows a camera structure with a lens comprising a first lens 1 and a second lens 2 and an image converter 3. Lens 1 is a lens whose refractive power can be adjusted to focus on different wavelength ranges. Such an adaptive lens is e.g. a liquid lens. In this drawing too, the optimal positions for the different wavelength ranges are shown with reference to the plan views 4. This is the variant according to the invention according to claim 3.
Anhand von Fig. 4 wird die erfindungsgemäße Bildnach- bearbeitung, die elektronischer oder softwaregestützter Natur sein kann, verdeutlicht. Zunächst besitzen Einzelbilder für verschiedene Wellenlängenbereiche (rot, grün, blau) unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe. Durch eine elektronische bzw. softwaregestützte Angleichung der Abbildungsmaßstäbe können dann Einzelbilder zu einem einzigen Farbbild überlagert wer- den. Mit der erfindungsgemäßen Bildnachbearbeitung kann dann auch eine Verzeichnung, z.B. die hier in der Figur dargestellte kissenförmige Verzeichnung, ebenfalls korrigiert werden, wodurch das Optikdesign der Kamera vereinfacht wird.Based on FIG. 4, the image post-processing according to the invention, which may be of electronic or software-supported nature, is illustrated. First, individual images for different wavelength ranges (red, green, blue) have different image scales. By an electronic or software-based adjustment of the image scales individual images can then be superimposed to a single color image. the. With the image post-processing according to the invention, a distortion, for example the pincushion distortion shown here in the figure, can then also be corrected, whereby the optical design of the camera is simplified.
Fig. 5 verdeutlicht anhand eines Blockschaltbildes die Prozesskette zur Farbbildaufnahme. Hierbei bilden Kamera, d.h. Objektiv und Bildwandler, Bildauslegung, AF-Regelung und Aktuator, d.h. Stellglied, einen Regelkreis . Die dem Bildspeicher entnommenen Daten für die verschiedenen Wellenlängenbereiche (rot, grün, blau) werden durch die elektronische bzw. softwaregestützte Bildnachbearbeitung zum RGB-BiId umgesetzt. 5 illustrates the process chain for color image recording on the basis of a block diagram. Here, camera, i. Lens and image converter, image design, AF control and actuator, i. Actuator, a control loop. The data taken from the image memory for the different wavelength ranges (red, green, blue) are converted to the RGB image by the electronic or software-supported image post-processing.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zu einer von chromatischen Aberrationen freien Bildaufnahme von Objekten durch sequentielle Aufnahmen einzelner Bilder für verschiedene Wellenlängenbereiche mittels eines Ob- jektivs und eines Bildsensors, wobei für die jeweiligen Wellenlängenbereiche eine Korrektur von Farblängsfehlern durch eine an den Wellenlängenbereich angepasste Fokussierung und eine Korrektur von Farbquerfehlern durch eine elektronische und/oder softwaregestützte Bildnachbearbeitung für die jeweiligen Wellenlängenbereiche erfolgt.1. A method for chromatic aberration-free image recording of objects by sequential images of individual images for different wavelength ranges by means of an objective and an image sensor, wherein for the respective wavelength ranges correction of longitudinal chromatic aberrations by a wavelength range adjusted focusing and a correction of lateral chromatic aberrations is carried out by an electronic and / or software-supported image post-processing for the respective wavelength ranges.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Objektiv mit chromatischen Aberrationen eingesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a lens is used with chromatic aberrations.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung mittels mindestens einer adaptiven Linse er- folgt, deren Brechkraft veränderbar ist.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the focusing by means of at least one adaptive lens follows, whose refractive power is variable.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Linse eine Flüssigkeitslinse ist, deren Brechkraft über eine Änderung der Krümmungsradien der Flüssigkeitslinse gesteuert wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that the adaptive lens is a liquid lens whose refractive power is controlled by a change in the radii of curvature of the liquid lens.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung mittels mindestens einer axial in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes verschiebbaren Linse erfolgt. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the focusing takes place by means of at least one axially displaceable in the direction of the image plane or the object lens.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung mittels eines axial in Richtung des Objektes bzw. der Bildebene verschiebbaren Bildsensors erfolgt .6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the focusing takes place by means of an axially displaceable in the direction of the object or the image plane image sensor.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verschiebung der mindestens einen Linse und/oder des Bildsensors über eine Autofokuseinheit gesteuert wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the axial displacement of the at least one lens and / or the image sensor is controlled via an autofocus unit.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separation der8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the separation of the
Wellenlängebereiche durch zeitlich wechselnde Beleuchtung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche erfolgt .Wavelength ranges by temporally changing illumination of different wavelength ranges takes place.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separation der Wellenlängebereiche durch Einsatz mindestens ei- nes Wellenlängenfilters bei Verwendung von polychromatischen Strahlungsquellen erfolgt.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the separation of the wavelength ranges by using at least one Wavelength filter when using polychromatic radiation sources takes place.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Wellenlängenfilter schaltbare oder rotierende Wellenlängenfilter eingesetzt werden.10. The method according to claim 9, characterized in that switchable or rotating wavelength filters are used as the wavelength filter.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme von Farbbildern ein Bildsensor mit Wellenlängenfilter eingesetzt wird.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an image sensor with wavelength filter is used to record color images.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Wellenlängenfilter ein pixeliertes Wellenlängenfilter in Bayerpattern-Anordnung eingesetzt wird.12. The method according to claim 11, characterized in that a pixelated wavelength filter in Bayerpattern arrangement is used as a wavelength filter.
13. Bilderfassungssystem zu einer von chromatischen Aberrationen freien Bildaufnahme von Objekten mit einem Objektiv enthaltend mindestens einer optischen Linse, einem Bildsensor zur sequentiellen Aufnahme von Bildern für verschiedene Wellenlängenbereiche sowie einer elektronischen oder softwaregestützten Bildnachbearbeitungseinheit.13. Image acquisition system for a chromatic aberration-free image recording of objects with a lens comprising at least one optical lens, an image sensor for the sequential recording of images for different wavelength ranges and an electronic or software-based image post-processing unit.
14. Bilderfassungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv chromatische Aberrationen aufweist. 14. Image acquisition system according to claim 13, characterized in that the lens has chromatic aberrations.
15. Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 13 oder 14 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optische Linse eine adaptive Linse ist, deren Brechkraft veränderbar ist.15. Image acquisition system according to one of claims 13 or 14, characterized in that the at least one optical lens is an adaptive lens whose refractive power is variable.
16. Bilderfassungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Linse eine Flüssigkeitslinse ist, deren Brechkraft über eine Änderung der Krümmungsradien der Flüssigkeitslinse steuerbar ist.16. image acquisition system according to claim 15, characterized in that the adaptive lens is a liquid lens whose refractive power is controllable via a change in the radii of curvature of the liquid lens.
17. Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilderfassungssystem zusätzlich eine Steuereinheit zur axialen Verschiebung der mindestens einen optischen Linse in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes aufweist .17. Image acquisition system according to one of claims 13 to 16, characterized in that the image acquisition system additionally comprises a control unit for the axial displacement of the at least one optical lens in the direction of the image plane or of the object.
18. Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilderfassungssystem zusätzlich eine Steuereinheit zur axialen Verschiebung des Bildsensors in Richtung der18. Image acquisition system according to one of claims 13 to 17, characterized in that the image acquisition system additionally comprises a control unit for the axial displacement of the image sensor in the direction of
Bildebene bzw. des Objektes aufweist.Image plane or of the object.
19. Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilderfassungssystem mindestens eine Beleuchtungseinheit zur Erzeugung definierter Wellenlängenbereiche aufweist .19. Image acquisition system according to one of claims 13 to 18, characterized in that the image acquisition system at least one illumination unit for generating defined wavelength ranges having .
20. Bilderfassungssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungs- einheit aus mehreren Strahlungsquellen für diskrete Wellenlängenbereiche besteht.20. Image acquisition system according to claim 19, characterized in that the illumination unit consists of a plurality of radiation sources for discrete wavelength ranges.
21. Bilderfassungssystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungs- einheit aus einer polychromatischen Strahlungsquelle und mindestens einem Wellenlängenfilter besteht.21. Image acquisition system according to claim 19 or 20, characterized in that the illumination unit consists of a polychromatic radiation source and at least one wavelength filter.
22. Bilderfassungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine22. Image acquisition system according to claim 21, characterized in that the at least one
Wellenlängenfilter ein schaltbarer oder rotierender Wellenlängenfilter ist.Wavelength filter is a switchable or rotating wavelength filter.
23. Bilderfassungssystem nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme von23. Image acquisition system according to claim 21 or 22, characterized in that for receiving
Farbbildern der Bildsensor mit mindestens einem Wellenlängenfilter versehen ist.Color images of the image sensor is provided with at least one wavelength filter.
24. Bilderfassungssystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenfilter ein pixeliertes Wellenlängenfilter in Bayerpattern-Anordnung ist. 24. Image acquisition system according to claim 23, characterized in that the wavelength filter is a pixelated wavelength filter in Bayerpattern arrangement.
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