WO2008119405A1 - Prevention of halos around intense light sources for optical systems, particularly for night vision systems - Google Patents

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WO2008119405A1
WO2008119405A1 PCT/EP2008/000626 EP2008000626W WO2008119405A1 WO 2008119405 A1 WO2008119405 A1 WO 2008119405A1 EP 2008000626 W EP2008000626 W EP 2008000626W WO 2008119405 A1 WO2008119405 A1 WO 2008119405A1
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camera
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lens
image
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PCT/EP2008/000626
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Jörg Moisel
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Daimler Ag
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    • B60R2300/8053Details of viewing arrangements using cameras and displays, specially adapted for use in a vehicle characterised by the intended use of the viewing arrangement for bad weather conditions or night vision

Definitions

  • the invention relates to the problem of eliminating halos (glare phenomena) around intense light sources, such as in night vision assistants in motor vehicles (for example the "NightView” system from DaimlerChrysler)
  • Camera captured image it can occur from a camera system.
  • a halo is generally an unwanted effect, which is also referred to as a "halo" around very bright image objects around and can cause glare.
  • This problem of halos generally occurs in imaging systems in which an image is taken with a camera that includes a lens and an imager.
  • the problem of halation occurs in particular with images taken with night-vision systems, for example with a night-vision device based on the principle of residual light amplification, with or without illumination of the recorded scene.
  • the invention will hereinafter be considered to be the preferred one without restriction of generality Application example of a night vision system of a motor vehicle explained.
  • a night vision system also referred to as night vision assistants
  • a scene is taken with a camera and the image is displayed on a monitor for the driver.
  • pictures are kept in black and white.
  • the night-vision system is more sensitive than the human eye, so the driver can use the night-vision system to view things, e.g. People, obstacles or sources of danger that he would otherwise recognize worse, not or only much later.
  • a camera lens with a wavelength-dependent f-number is known, wherein the wavelength-dependent F-number is set by the radial and spectral profile of the transmissivity of at least one filter in the diaphragm.
  • Document DE 10 2004 030 661 A1 discloses an optical low-pass filter comprising a plurality of light-conducting optical fibers.
  • the document DE 100 17 185 A1 describes a camera with a non-linear dependence of an electrical output signal that can be generated by it on a brightness that can be received by the camera, in order to adapt the brightness dynamics and / or the contrast of the recorded image.
  • the invention has for its object to reduce the formation of halos, especially in night vision systems, or to avoid, with a low in practical application technical effort, without consuming or lengthy digital image processing methods are required.
  • a camera lens according to the invention in particular for a night vision system with a camera, preferably with an infrared-sensitive CMOS camera in a motor vehicle, which has a diffraction-limited point spreading function as a function of the lateral coordinate with respect to a direction perpendicular to the optical axis of the objective.
  • the lens comprises an optical intensity attenuator arranged in the imaging beam path which attenuates the light intensity in the beam path of the objective in a lateral direction according to a predetermined pupil function whose Fourier transform decreases with increasing lateral coordinate (x) in that, starting at a specific value x ', it is smaller than the diffraction-limited polychromatic point spread function of the objective without the intensity attenuator.
  • the polychromatic point spread function of the objective corresponds to the envelope of the monochrome point spread functions or corresponds to the smeared different monochrome point spread functions.
  • An exemplary possibility is given by the fact that the Fourier transform of the predetermined pupil function decreases more rapidly with increasing lateral coordinate (x) than the diffraction-limited polychromatic point spread function of the objective without the intensity attenuator.
  • x ' is preferably selected such that x ' corresponds to n times the pixel size and thus the lateral extent of a pixel of the image recording unit of the camera, where n ⁇ 20 and in particular n ⁇ 5 is selected. If n is chosen to be smaller, the halos will be so strong. With a choice of n between 10 and 20, a significant reduction in glare due to undesired halos can already be achieved, whereas with a value of n below 5, a very advantageous, particularly marked improvement in the reduction can be achieved.
  • the halos are not attributable to manufacturing defects or production limits of the objectives, as previously assumed, but are a principal consequence of the acquisition of images with a high contrast range or high dynamic range (HDR images), for example, using CMOS image recorders, ie to go back to physical limits.
  • HDR images high contrast range or high dynamic range
  • CMOS image recorders ie to go back to physical limits.
  • a special intensity attenuator e.g. a special aperture or filter to produce a steeply sloping point spreading function.
  • the invention has the advantage that a considerable image improvement is achieved without elaborate digital image processing, thus creating a cost-effective and rapid avoidance or reduction of halos.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the point spread function of a diffraction-limited point image in linear scale.
  • Fig. 2 shows the schematic diagram of a monochrome
  • FIG. 3 shows the basic representation of the point spread function of a diffraction-limited point image in linear scaling of FIG. 1 and a Gaussian function.
  • Fig. 4 shows the schematic diagram of a polychrome
  • FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of an intensity attenuator according to the invention.
  • FIG. 6 shows a second embodiment of an intensity attenuator according to the invention.
  • a special intensity attenuator e.g. a special aperture or filter to produce a steeply sloping point spreading function.
  • the point spread function 1 describes in the optics and image processing the effect of band-limiting influencing factors such as diffraction phenomena on diaphragms, aberrations and the influence of the sensor surface or aperture. It indicates how an idealized point-shaped object would be imaged by an optical system. For microscopes, the width of the point spread function limits the achievable resolution.
  • the point spread function 1 thus describes the response of an imaging system to a point light source or a point object.
  • Another common expression for the point spread function is system impulse response function.
  • the point spreading function can be considered in many contexts to be an extended blob representing an unresolved object.
  • the point spread function is the modulation transfer function in the spatial domain. It is a useful concept in the fields of Fourier optics, imaging in astronomy, electron microscopy, and other imaging techniques such as 3D microscopy (for example, in convocal laser scanning microscopy) and fluorescence microscopy.
  • the extent of expansion or smearing of the dot object in the image is a measure of the quality of the imaging system.
  • the imaging process is linear and is described by a linear system theory.
  • the image of an object can be calculated by decomposing the object into parts, mapping each part and the results be summed up.
  • the image is calculated as the sum of the point spread functions of all points. Since the point spread function is typically given entirely by the imaging system, the overall image can be described by the known optical properties of the system. This process is usually described by a convolution function. In image processing, for example in microscopy and astronomy, the knowledge of the pulse-spreading function of the imaging system is very important in order to recover the original image by unfolding it.
  • the Airy function 1 describes the appearance of a star, a point light source, when viewed with a telescope for a single wavelength (monochromatic light).
  • the ideal point image becomes a series of concentric waves forming the halo due to the limited aperture and wave nature of the light.
  • This process is also referred to as Airy function 1 and is shown in FIG. 1 for a single wavelength.
  • FIG. 1 shows the (normalized) intensity I as a function of the lateral coordinate x.
  • the first secondary maximum 3 and, as an indication, the second secondary maximum 4 can be recognized.
  • This classic function is reproduced in optics textbooks as in Fig. 1, which is entirely appropriate for the up to a few years ago used recording media and image sensor with reasonably linear characteristics.
  • a logarithmic representation of the point spread function 1 is more appropriate. This is shown in Fig. 2.
  • the Airy feature 1 seems to be much wider for a single wavelength.
  • this means that the point image of a very intense source is still very far from its actual location, i. is recognized by the image sensor or by a pixel of an image sensor at large lateral coordinates x, because the intensity I contained in these secondary maxima 3, 4, 5, 6, 7 etc. is also shown in the image.
  • the image size of a point object can easily be 50-100 pixels.
  • the point image is thus outshined at the outer edge by the secondary maxima 3, 4, 5, 6, 7, etc., which also appear in the HDR image, it forms the HaIo. Aberrations broaden the point image even further.
  • the halo phenomena can not be eliminated even with a perfectly corrected and manufactured objective, since they are based on mechanisms of image acquisition of the image with high contrast values, ie the CMOS image recording, by which in the secondary maxima 3, 4, 5, 6, 7, etc., which are not interfering with image representation with a linear characteristic intensities I are shown in the image.
  • the maxima and minima shown by way of example occur only when using a single wavelength (monochromatic light). In non-monochromatic images, they are smeared or together form the envelope of the individual different wavelengths used, which is called a polychrome point spread function.
  • the solution according to the invention is essentially based on the fact that the diffraction-limited, incoherent point spread function can be calculated from the Fourier transformation of the pupil function (the aperture). Furthermore, it is known from astronomy that an annular pupil function, as e.g. for reflecting telescopes, the central area of the Airy function is narrowed. In scientific literature this is called apodization. Unfortunately, the point spread function of a mirror telescope falls even flatter.
  • a pupil function had to be found whose Fourier transform decreases significantly faster compared to the Airy function 1, at least for high lateral coordinates x, which is easy to implement and which leads to only low light losses.
  • the central area may well be slightly wider than the diffraction-limited point spread function 1; as long as it is not wider than a typical pixel this is not noticeable.
  • Such a pupil function is eg the Gaussian function 8 with the curve e ⁇ a ⁇ 2 . It has the pleasant property that its Fourier transform is again a Gaussian function 8.
  • a preferred pupil function or its Fourier transform is the Gaussian function 8.
  • the pupil function or its Fourier transform is one of the following functions or a combination of the following functions: rectangular, triangular or Bartlett, Blackman, Connes, Cosinus, Hamming, Hanning, Kaiser, Nuttall, Welch, power, logarithm or exponential function, preferably a Gaussian function.
  • the mentioned functions are known from the literature for the application of apodization in digital signal processing,
  • An intensity attenuator according to the invention can be designed, for example, as a diaphragm or as a filter 9.
  • the filter 9, as well as the aperture be a separate filter, which is set in front of, behind or in the lens, but it can also be formed as a coating, in particular as vapor deposition of a lens of the lens.
  • a Gaussian or other pupil function can be realized, for example, by the corresponding evaporation of an objective lens. If this were carried out correctly, as shown for example in FIG. 5, where the light attenuation of the filter 9 has a course in which the light attenuation increases from the optical axis to larger lateral coordinates x, then 50% light loss is to be expected. In practice, it is sufficient to apply an annular filter with a gradual profile only at the edge region, as shown in FIG. 6, where the filter 9 has an extended central region 10 in which the light is not attenuated. The filter 9 shown there has an annular course of the Light attenuation on.
  • a filter according to the invention has a more or less extended central region 10, in the Transmissivity is high, and to the peripheral areas, ie to larger lateral coordinates, a lower transmissivity.
  • An objective according to the invention can advantageously be used with a camera, with an objective and with an image recorder for recording the image imaged by the objective.
  • the camera is preferably an HDR camera designed as a CMOS camera with a high light intensity dynamic range and / or a high resolvable contrast ratio.
  • the imager may advantageously be a CMOS imager which has a high light intensity dynamic range and / or is designed to capture an image with a high contrast ratio.
  • the light intensity dynamic range of the camera and / or the image sensor may be more than 60 dB, preferably more than 75 dB, and more preferably more than 90 dB.
  • the contrast ratio that can be resolved by the camera and / or the image recorder can advantageously be more than 20,000: 1, preferably more than 50,000: 1, and preferably more than 80,000: 1.
  • the image recorder used can in principle have any, even a linear sensitivity. Preferred embodiments are those in which the image recorder and / or the image enhancement prefer a non-linear sensitivity has a logarithmic sensitivity.
  • a particularly preferred image sensor is a CMOS sensor.
  • a preferred field of application of the invention is night-vision systems, in particular infrared-sensitive night-vision systems in motor vehicles.
  • the night vision system can be equipped with or without illumination, for example, an infrared light illumination for illuminating the scene to be recorded.

Abstract

The invention relates to the problem of the formation of halos (glare) around intense light sources, particularly for night vision assistants in motor vehicles. To solve this problem, the invention proposes a special intensity reducer, e.g., a filter (9), which causes a strong drop in the point spread function of the objective.

Description

Vermeidung von Halos um intensive Lichtquellen bei optischen Systemen, insbesondere bei Nachtsichtsystemen Avoiding halos around intense light sources in optical systems, especially in night vision systems
Die Erfindung betrifft das Problem der Beseitigung von Halos (Blenderscheinungen) um intensive Lichtquellen, wie sie beispielsweise bei Nachtsichtassistenten in Kraftfahrzeugen (z.B. das System "NightView" von DaimlerChrysler) durchThe invention relates to the problem of eliminating halos (glare phenomena) around intense light sources, such as in night vision assistants in motor vehicles (for example the "NightView" system from DaimlerChrysler)
Scheinwerfer entgegenkommender Fahrzeuge in dem von einerHeadlights of oncoming vehicles in the one of
Kamera aufgenommenen Bild es von einem Kamerasystem auftreten können.Camera captured image it can occur from a camera system.
Ein HaIo ist allgemein ein ungewollter Effekt, der auch als "Heiligenschein" bezeichnet wird sich um sehr helle Bildobjekte herum bildet und eine Blendung bewirken kann. Dieses Problem von Halos bzw. Blenderscheinungen tritt allgemein in abbildenden Systemen auf, bei denen ein Bild mit einer Kamera aufgenommen wird, die ein Objektiv und einen Bildaufnehmer umfasst.A halo is generally an unwanted effect, which is also referred to as a "halo" around very bright image objects around and can cause glare. This problem of halos generally occurs in imaging systems in which an image is taken with a camera that includes a lens and an imager.
Das Problem der Halobildung tritt insbesondere bei Bildern auf, die mit Nachtsichtsystemen aufgenommen werden, beispielsweise mit einem Nachtsichtgerät, das auf dem Prinzip der Restlichtverstärkung basiert, mit oder ohne Beleuchtung der aufgenommenen Szene. Die Erfindung wird im folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit für das bevorzugte Anwendungsbeispiel eines Nachtsichtsystems eines Kraftfahrzeugs erläutert.The problem of halation occurs in particular with images taken with night-vision systems, for example with a night-vision device based on the principle of residual light amplification, with or without illumination of the recorded scene. The invention will hereinafter be considered to be the preferred one without restriction of generality Application example of a night vision system of a motor vehicle explained.
In einem solchen auch als Nachtsichtassistenten bezeichneten Nachtsichtsystem wird eine Szene mit einer Kamera aufgenommen und das Bild für den Fahrer auf einem Monitor dargestellt. In der Regel sind solche Bilder in schwarz-weiß gehalten. Das Nachtsichtsystem weißt eine größere Empfindlichkeit als das menschliche Auge auf, so dass der Fahrer mittels des Nachtsichtsystems Dinge, z.B. Personen, Hindernisse oder Gefahrenquellen erkennen kann, die er anderweitig schlechter, nicht oder erst viel später erkennen würde.In such a night vision system, also referred to as night vision assistants, a scene is taken with a camera and the image is displayed on a monitor for the driver. As a rule, such pictures are kept in black and white. The night-vision system is more sensitive than the human eye, so the driver can use the night-vision system to view things, e.g. People, obstacles or sources of danger that he would otherwise recognize worse, not or only much later.
Auf den von dem Monitor dargestellten Bildern werden jedoch nicht nur die dunklen, für das Auge allein nicht sichtbaren Objekte abgebildet, sondern auch helle Objekte wie intensive Lichtquellen. Bei solchen intensiven Lichtquellen, bei denen es sich insbesondere um Scheinwerfer entgegenkommender Fahrzeuge handeln kann, sind auf dem Monitor kreisförmige Halos um die Lichtquellen zu erkennen. Bei diesen Halos handelt es sich nicht nur um einen bloßen Schönheitsfehler des Systems, sondern sie vergrößern die abgebildeten Objekte scheinbar und tragen somit zu Überstrahlungen und zur Verminderung der Auflösung bei, sind also auch eine die Sicherheit und Brauchbarkeit des Nachtsichtsystems begrenzende Erscheinung.On the images displayed by the monitor, however, not only are the dark objects that are not visible to the eye alone displayed, but also bright objects such as intense light sources. In such intense light sources, which may in particular be headlights oncoming vehicles, circular halos can be seen around the light sources on the monitor. These halos are not merely a blemish of the system, but they seem to magnify the imaged objects, thus contributing to glare and reduction in resolution, and thus are a phenomenon limiting the safety and usefulness of the night vision system.
Obwohl ein hoher Entwicklungsaufwand für die Kameras und insbesondere für die Kameraobjektive betrieben wird, war es bisher nach dem Stand der Technik nicht möglich, diese Halos zu vermeiden oder mit geringem Aufwand zu beseitigen. Man ist bisher davon ausgegangen, dass die Ursache für diese Halos in verbleibenden Unzulänglichkeiten in der Objektivfertigung (z.B. Oberflächenrauhigkeiten) liegt, die nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand beseitigt werden können.Although a high development effort for the cameras and in particular for the camera lenses is operated, it has not been possible in the prior art to avoid these Halos or eliminate them with little effort. It has previously been assumed that the cause of these halos is remaining in the lens manufacturing shortcomings (Eg surface roughness) is that can not be eliminated or only with disproportionate effort.
Aus dem Dokument DE 10 2004 028 616 Al ist ein Kameraobjektiv mit einer wellenlängenabhängigen Blendenzahl bekannt, wobei die wellenlängenabhängige Blendenzahl durch den radialen und spektralen Verlauf der Transmissivität wenigstens eines Filters in der Blende eingestellt wird.From the document DE 10 2004 028 616 A1, a camera lens with a wavelength-dependent f-number is known, wherein the wavelength-dependent F-number is set by the radial and spectral profile of the transmissivity of at least one filter in the diaphragm.
Das Dokument DE 10 2004 030 661 Al offenbart einen optischen Tiefpassfilter, der eine Mehrzahl lichtleitender optischer Fasern aufweist.Document DE 10 2004 030 661 A1 discloses an optical low-pass filter comprising a plurality of light-conducting optical fibers.
Aus dem Dokument DE 699 01 677 T2 ist ein optisches Anti- Aliasing-Filter zur Verwendung in optischen Systemen bekannt, das eine Tiefpass-Filterung für Raumfrequenzen realisiert.From the document DE 699 01 677 T2 an optical anti-aliasing filter for use in optical systems is known, which realizes a low-pass filtering for spatial frequencies.
Das Dokument DE 100 17 185 Al beschreibt ein Kamera mit einer nicht linearen Abhängigkeit eines von ihr erzeugbaren elektrischen Ausgangssignals von einer von der Kamera empfangbaren Beleuchtungsstärke, um die Helligkeitsdynamik und/oder den Kontrast des aufgenommenen Bildes anzupassen.The document DE 100 17 185 A1 describes a camera with a non-linear dependence of an electrical output signal that can be generated by it on a brightness that can be received by the camera, in order to adapt the brightness dynamics and / or the contrast of the recorded image.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bildung von Halos, insbesondere in Nachtsichtsystemen, zu verringern oder zu vermeiden, und zwar mit einem in der praktischen Anwendung geringen technischen Aufwand, ohne dass aufwändige oder langwierige digitale Bildverarbeitungsverfahren erforderlich sind.The invention has for its object to reduce the formation of halos, especially in night vision systems, or to avoid, with a low in practical application technical effort, without consuming or lengthy digital image processing methods are required.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kameraobjektiv mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.The object is achieved by a camera lens with the features of claim 1. Preferred embodiments and further developments of the invention result from the dependent claims and the description below with associated drawings.
Eine erfindungsgemäßes Kameraobjektiv, insbesondere für ein Nachtsichtsystem mit einer Kamera vorzugsweise mit einer infrarotempfindlichen CMOS-Kamera in einem Kraftfahrzeug, das als Funktion der lateralen Koordinate, bezogen auf eine Richtung senkrecht zur optische Achse des Objektivs, eine beugungsbegrenzte Punktspreizfunktion (point spread function, Airy-Funktion) aufweist, zeigt also die Besonderheit, dass das Objektiv einen in dem Abbildungsstrahlengang angeordneten optischen Intensitätsabschwächer umfasst, der die in dem Strahlengang des Objektivs abgebildete Lichtintensität in lateraler Richtung gemäß einer vorgegebenen Pupillenfunktion abschwächt, deren Fouriertransformierte mit zunehmender lateraler Koordinate (x) derart abfällt, dass sie ab einem bestimmten Wert x' kleiner ist als die beugungsbegrenzte polychromatische Punktspreizfunktion des Objektivs ohne den Intensitätsabschwächer. Dabei entspricht die polychromatische Punktspreizfunktion des Objektivs der Einhüllenden der monochromen Punktspreizfunktionen beziehungsweise sie entspricht den verschmierten unterschiedlichen monochromen Punktspreizfunktionen. Eine beispielhafte Möglichkeit ist dadurch gegeben, dass die Fouriertransformierte der vorgegebenen Pupillenfunktion mit zunehmender lateraler Koordinate (x) schneller abfällt als die beugungsbegrenzte polychromatische Punktspreizfunktion des Objektivs ohne den Intensitätsabschwächer.A camera lens according to the invention, in particular for a night vision system with a camera, preferably with an infrared-sensitive CMOS camera in a motor vehicle, which has a diffraction-limited point spreading function as a function of the lateral coordinate with respect to a direction perpendicular to the optical axis of the objective. Function), thus shows the peculiarity that the lens comprises an optical intensity attenuator arranged in the imaging beam path which attenuates the light intensity in the beam path of the objective in a lateral direction according to a predetermined pupil function whose Fourier transform decreases with increasing lateral coordinate (x) in that, starting at a specific value x ', it is smaller than the diffraction-limited polychromatic point spread function of the objective without the intensity attenuator. In this case, the polychromatic point spread function of the objective corresponds to the envelope of the monochrome point spread functions or corresponds to the smeared different monochrome point spread functions. An exemplary possibility is given by the fact that the Fourier transform of the predetermined pupil function decreases more rapidly with increasing lateral coordinate (x) than the diffraction-limited polychromatic point spread function of the objective without the intensity attenuator.
Hierdurch gelingt es, auf technisch wenig aufwändige Weise die optischen Eigenschaften des Objektives so zu verändern, dass der Einfluss von Anteilen der Punktspreizfunktionen mit einem lateralen Wert größer als x'merklich beschränkt ist und dadurch die schädlichen Halos zumindest merklich eingeschränkt sind. Dabei ist x 'vorzugsweise so gewählt, dass x'dem n-fachen der Pixelgröße und damit der lateralen Ausdehnung eines Pixels der Bildaufnahmeeinheit der Kamera entspricht, wobei n ≤ 20 und insbesondere n ≤ 5 gewählt ist. Wird n um so kleiner gewählt werden die Halos um so stärke verhindert. Bei einer Wahl von n zwischen 10 und 20 ist bereits eine deutliche Reduktion der Blendung aufgrund unerwünschter Halos erzielbar, wogegen bei einem Wert n unter 5 eine sehr vorteilhafte besonders ausgeprägte Verbesserung der Reduktion erreichbar ist.This makes it possible to modify the optical properties of the objective so that the influence of portions of the point spread functions is greater than x'merklich limited in a technically costly manner and thus the harmful halos at least noticeably limited are restricted. In this case, x 'is preferably selected such that x ' corresponds to n times the pixel size and thus the lateral extent of a pixel of the image recording unit of the camera, where n ≦ 20 and in particular n ≦ 5 is selected. If n is chosen to be smaller, the halos will be so strong. With a choice of n between 10 and 20, a significant reduction in glare due to undesired halos can already be achieved, whereas with a value of n below 5, a very advantageous, particularly marked improvement in the reduction can be achieved.
Im Rahmen der Erfindung wurde gefunden, dass die Halos nicht, wie bisher angenommen wurde, auf Fertigungsfehler oder Fertigungsgrenzen der Objektive zurückzuführen sind, sondern eine prinzipielle Folge des Aufnehmens von Bildern mit einem hohen Kontrastumfang bzw. mit hohem Dynamikbereich (HDR- Bilder) sind, beispielsweise unter der Verwendung von CMOS- Bildaufnehmern, also auf physikalisch bedingte Grenzen zurückgehen. Kern der Erfindung ist die Verwendung eines speziellen Intensitätsabschwächers, z.B. einer speziellen Blende oder eines Filters, zum Erzeugen einer stark abfallenden Punktspreizfunktion. Die Funktionsweise der Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren erläutert.Within the scope of the invention, it has been found that the halos are not attributable to manufacturing defects or production limits of the objectives, as previously assumed, but are a principal consequence of the acquisition of images with a high contrast range or high dynamic range (HDR images), for example, using CMOS image recorders, ie to go back to physical limits. At the heart of the invention is the use of a special intensity attenuator, e.g. a special aperture or filter to produce a steeply sloping point spreading function. The operation of the invention will be explained with reference to the accompanying figures.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine erhebliche Bildverbesserung ohne aufwändige digitale Bildverarbeitung erzielt wird, schafft also eine kostengünstige und schnelle Vermeidung oder Verringerung von Halos .The invention has the advantage that a considerable image improvement is achieved without elaborate digital image processing, thus creating a cost-effective and rapid avoidance or reduction of halos.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Dabei zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in FIGS. The features described therein may be used alone or in combination with each other to provide preferred embodiments of the invention. Showing:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Punktspreizfunktion eines beugungsbegrenzten Punktbildes in linearer Skalierung.Fig. 1 is a schematic representation of the point spread function of a diffraction-limited point image in linear scale.
Fig. 2 die Prinzipdarstellung einer monochromenFig. 2 shows the schematic diagram of a monochrome
Punktspreizfunktion eines beugungsbegrenzten Punktbildes von Fig. 1 in logarithmischer Skalierung.Point spreading function of a diffraction limited point image of Fig. 1 in logarithmic scale.
Fig. 3 die Prinzipdarstellung der Punktspreizfunktion eines beugungsbegrenzten Punktbildes in linearer Skalierung von Fig. 1 und eine Gauß-Funktion.3 shows the basic representation of the point spread function of a diffraction-limited point image in linear scaling of FIG. 1 and a Gaussian function.
Fig. 4 die Prinzipdarstellung einer polychromenFig. 4 shows the schematic diagram of a polychrome
Punktspreizfunktion sowie einer monochromen Punktspreizfunktion eines beugungsbegrenzten Punktbildes von Fig. 2 in logarithmischer Skalierung und die Gauß-Funktion von Fig. 3.Point spreading function and a monochrome point spread function of a diffraction-limited point image of FIG. 2 in logarithmic scaling and the Gaussian function of Fig. 3rd
Fig. 5 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Intensitätsabschwächers .5 shows a first exemplary embodiment of an intensity attenuator according to the invention.
Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Intensitätsabschwächers .6 shows a second embodiment of an intensity attenuator according to the invention.
Kern der Erfindung ist die Verwendung eines speziellen Intensitätsabschwächers, z.B. einer speziellen Blende oder eines Filters, zum Erzeugen einer stark abfallenden Punktspreizfunktion. Die Funktionsweise der Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren wie folgt erläutert.At the heart of the invention is the use of a special intensity attenuator, e.g. a special aperture or filter to produce a steeply sloping point spreading function. The operation of the invention will be explained with reference to the accompanying figures as follows.
Es ist bekannt, dass das Auflösungsvermögen optischer Instrumente und Geräte, wie beispielsweise Objektive, durch das beugungsbegrenzte Punktbild gegeben ist. In der Praxis ist die so genannte Punktspreizfunktion (point-spread- function, PSF) gegenüber dem beugungsbegrenzten Fall zusätzlich durch Aberrationen verbreitert. Sie kann aber zunächst als physikalische Grenze für nähere Betrachtungen des Halo-Problems verwendet werden.It is known that the resolving power of optical instruments and devices, such as lenses, is given by the diffraction limited point image. In practice, the so-called point spread function (PSF) is additionally widened by aberrations compared to the diffraction-limited case. But she can initially used as a physical boundary for closer consideration of the halo problem.
Die Punktspreizfunktion 1 beschreibt in der Optik und Bildverarbeitung die Wirkung von bandbegrenzenden Einflussfaktoren wie Beugungserscheinungen an Blenden, Abbildungsfehler und den Einfluss der Sensorfläche bzw. Apertur. Sie gibt an, wie ein idealisiertes punktförmiges Objekt durch ein optisches System abgebildet würde. Bei Mikroskopen begrenzt die Breite der Punktspreizfunktion die erreichbare Auflösung.The point spread function 1 describes in the optics and image processing the effect of band-limiting influencing factors such as diffraction phenomena on diaphragms, aberrations and the influence of the sensor surface or aperture. It indicates how an idealized point-shaped object would be imaged by an optical system. For microscopes, the width of the point spread function limits the achievable resolution.
Die Punktspreizfunktion 1 beschreibt also die Antwort eines abbildenden Systems auf eine Punktlichtquelle oder ein punktförmiges Objekt. Ein anderer gebräuchlicher Ausdruck für die Punktspreizfunktion ist System-Impulsantwort-Funktion. Die Punktspreizfunktion kann in vielen Zusammenhängen als ausgedehnter Klecks angesehen werden, der ein nicht aufgelöstes Objekt darstellt. Funktional ausgedrückt ist die Punktspreizfunktion die Modulationstransfer-Funktion im Raumbereich. Sie ist ein nützliches Konzept in Gebieten der Fourier-Optik, Bilderzeugung in der Astronomie, Elektronenmikroskopie und anderen Bildererzeugungstechniken wie 3D-Mikroskopie (beispielsweise in der konvokalen Laserscan-Mikroskopie) und der Fluoreszens-Mikroskopie . Das Ausmaß der Ausdehnung oder Verschmierung des Punktobjekts in dem Bild ist ein Maß für die Qualität des abbildenden Systems. Bei inkohärenten abbildenden Systemen ist der Bilderzeugungsprozess linear und wird durch eine lineare Systemtheorie beschrieben.The point spread function 1 thus describes the response of an imaging system to a point light source or a point object. Another common expression for the point spread function is system impulse response function. The point spreading function can be considered in many contexts to be an extended blob representing an unresolved object. Functionally expressed, the point spread function is the modulation transfer function in the spatial domain. It is a useful concept in the fields of Fourier optics, imaging in astronomy, electron microscopy, and other imaging techniques such as 3D microscopy (for example, in convocal laser scanning microscopy) and fluorescence microscopy. The extent of expansion or smearing of the dot object in the image is a measure of the quality of the imaging system. For incoherent imaging systems, the imaging process is linear and is described by a linear system theory.
Als Ergebnis der linearen Eigenschaft kann das Bild eines Objektes durch Zerlegen des Objekts in Teile berechnet werden, wobei jeder Teil abgebildet wird und die Ergebnisse aufsummiert werden. Wenn das Objekt in diskrete Punktobjekte unterschiedlicher Intensität aufgeteilt wird, wird das Bild als Summe der Punktspreizfunktionen aller Punkte berechnet. Da die Punktspreizfunktion typischerweise vollständig durch das abbildende System gegeben ist, kann das Gesamtbild durch die bekannten optischen Eigenschaften des Systems beschrieben werden. Dieser Prozess wird üblicherweise durch eine Faltungsfunktion beschrieben. Bei der Bildverarbeitung, beispielsweise in der Mikroskopie und Astronomie, ist die Kenntnis der Pulsspreizfunktion des abbildenden Systems sehr wichtig, um das Original-Bild durch Entfaltung wieder zu gewinnen.As a result of the linear property, the image of an object can be calculated by decomposing the object into parts, mapping each part and the results be summed up. When the object is divided into discrete point objects of different intensities, the image is calculated as the sum of the point spread functions of all points. Since the point spread function is typically given entirely by the imaging system, the overall image can be described by the known optical properties of the system. This process is usually described by a convolution function. In image processing, for example in microscopy and astronomy, the knowledge of the pulse-spreading function of the imaging system is very important in order to recover the original image by unfolding it.
Die Airy-Funktion 1 beschreibt das Aussehen eines Sterns, also einer Punktlichtquelle, beim Betrachten mit einem Teleskop für eine einzige Wellenlänge (monochromatisches Licht) . Das ideale Punktbild wird aufgrund der beschränkten Apertur und der Wellennatur des Lichts zu einer Reihe konzentrischer Wellen, die den HaIo bilden.The Airy function 1 describes the appearance of a star, a point light source, when viewed with a telescope for a single wavelength (monochromatic light). The ideal point image becomes a series of concentric waves forming the halo due to the limited aperture and wave nature of the light.
Es ist bekannt, dass die beugungsbegrenzte Punktspreizfunktion 1 für ein Objektiv mit kreisförmiger Blende den Verlauf y(r) = (2 x Jl (r) /r) x (2 x Jl(r)/r) hat, wobei Jl (r) die Besselfunktion erster Ordnung bezeichnet. Dieser Verlauf wird auch als Airy-Funktion 1 bezeichnet und ist in Fig. 1 für eine einzige Wellenlänge wiedergegeben. In Fig. 1 ist die (normierte) Intensität I als Funktion der lateralen Koordinate x dargestellt. Die Funktion hat bei x = 0 ein Hauptmaximum 2, an das sich mit zunehmender laterale Koordinate x Nebenmaxima anschließen. In der linearen Darstellung in Fig. 1 ist nur das erste Nebenmaximum 3 und andeutungsweise das zweite Nebenmaximum 4 zu erkennen. Diese klassische Funktion wird in Optik-Lehrbüchern wiedergegeben wie in Fig. 1, was auch völlig angemessen ist für die bis vor wenigen Jahren verwendeten Aufzeichnungsmedien und Bildaufnehmer mit einigermaßen linearer Charakteristik.It is known that the diffraction-limited point spread function 1 for a circular aperture lens has the profile y (r) = (2 x Jl (r) / r) x (2 x Jl (r) / r), where Jl (r) denotes the Bessel function of the first order. This process is also referred to as Airy function 1 and is shown in FIG. 1 for a single wavelength. FIG. 1 shows the (normalized) intensity I as a function of the lateral coordinate x. The function has a main maximum 2 at x = 0, followed by x secondary maxima as the lateral coordinate increases. In the linear representation in FIG. 1, only the first secondary maximum 3 and, as an indication, the second secondary maximum 4 can be recognized. This classic function is reproduced in optics textbooks as in Fig. 1, which is entirely appropriate for the up to a few years ago used recording media and image sensor with reasonably linear characteristics.
Für den Fall eines CMOS-Bildaufnehmers oder einer CMOS-Kamera ist aber eine logarithmische Darstellung der Punktspreizfunktion 1 angebrachter. Diese ist in Fig. 2 wiedergegeben. Hier erkennt man, dass die Airy-Funktion 1 für eine einzige Wellenlänge wesentlich breiter erscheint. Man erkennt die Nebenmaxima 3, 4, 5, 6, 7 usw. deutlicher. In der Praxis bedeutet dies, dass das Punktbild einer sehr intensiven Quelle auch noch sehr entfernt von ihrem eigentlichen Ort, d.h. bei großen lateralen Koordinaten x, vom Bildaufnehmer bzw. von einem Pixel eines Bildaufnehmers erkannt wird, weil die in diesen Nebenmaxima 3, 4, 5, 6, 7 usw. enthaltene Intensität I mit in dem Bild dargestellt wird. Bei einem Dynamikumfang in der Größenordnung von 100 dB kann somit die Bildgröße eines Punktobjektes, abhängig vom Öffnungsverhältnis der Kamera und der Pixelgröße, leicht 50- 100 Pixel betragen. Das Punktbild wird also am äußeren Rand durch die Nebenmaxima 3, 4, 5, 6, 7 usw., die auch in dem HDR-BiId erscheinen, überstrahlt, es bildet sich der HaIo. Aberrationen verbreitern das Punktbild noch weiter.In the case of a CMOS imager or a CMOS camera, however, a logarithmic representation of the point spread function 1 is more appropriate. This is shown in Fig. 2. Here you can see that the Airy feature 1 seems to be much wider for a single wavelength. One recognizes the secondary maxima 3, 4, 5, 6, 7 etc. more clearly. In practice, this means that the point image of a very intense source is still very far from its actual location, i. is recognized by the image sensor or by a pixel of an image sensor at large lateral coordinates x, because the intensity I contained in these secondary maxima 3, 4, 5, 6, 7 etc. is also shown in the image. With a dynamic range of the order of 100 dB, the image size of a point object, depending on the aperture ratio of the camera and the pixel size, can easily be 50-100 pixels. The point image is thus outshined at the outer edge by the secondary maxima 3, 4, 5, 6, 7, etc., which also appear in the HDR image, it forms the HaIo. Aberrations broaden the point image even further.
Daraus folgt, dass die Haloerscheinungen auch mit einem perfekt korrigierten und gefertigten Objektiv nicht zu beseitigen sind, da sie auf Mechanismen der Bildaufnahme des Bildes mit hohen Kontrastwerten, d.h. der CMOS-Bildaufnähme beruhen, durch welche die in den Nebenmaxima 3, 4, 5, 6, 7 usw. enthaltene, bei Bilddarstellung mit linearer Charakteristik nicht störenden Intensitäten I mit in dem Bild dargestellt werden. Die beispielhaft dargestellten Maxima und Minima treten dabei nur bei Verwendung einer einzigen Wellenlänge (monochromatisches Licht) auf. Bei nicht-monochromatischen Aufnahmen werden sie verschmiert bzw. bilden gemeinsam die einhüllende der einzelnen verschiedenen verwendeten Wellenlängen, welche als polychrome Punktspreizfunktion bezeichnet wird.It follows that the halo phenomena can not be eliminated even with a perfectly corrected and manufactured objective, since they are based on mechanisms of image acquisition of the image with high contrast values, ie the CMOS image recording, by which in the secondary maxima 3, 4, 5, 6, 7, etc., which are not interfering with image representation with a linear characteristic intensities I are shown in the image. The maxima and minima shown by way of example occur only when using a single wavelength (monochromatic light). In non-monochromatic images, they are smeared or together form the envelope of the individual different wavelengths used, which is called a polychrome point spread function.
Ein möglicher Ausweg wäre die oben angesprochene nachgeschaltete digitale Bildverarbeitung, die aber einen beträchtlichen Aufwand an Rechenleistung und damit Steuergerätekosten und auch Bildverarbeitungszeit benötigen würde.A possible solution would be the above-mentioned downstream digital image processing, but would require a considerable amount of processing power and thus ECU costs and image processing time.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert im Wesentlichen darauf, dass sich die beugungsbegrenzte, inkohärente Punktspreizfunktion aus der Fouriertransformation der Pupillenfunktion (der Blende) berechnen lässt. Weiterhin ist aus der Astronomie bekannt, dass eine ringförmige Pupillenfunktion, wie sie z.B. für Spiegelteleskope vorliegt, den zentralen Bereich der Airy-Funktion verschmälert. In der wissenschaftlichen Literatur wird dies als Apodization bezeichnet. Leider fällt die Punktspreizfunktion eines Spiegelteleskops dafür noch flacher.The solution according to the invention is essentially based on the fact that the diffraction-limited, incoherent point spread function can be calculated from the Fourier transformation of the pupil function (the aperture). Furthermore, it is known from astronomy that an annular pupil function, as e.g. for reflecting telescopes, the central area of the Airy function is narrowed. In scientific literature this is called apodization. Unfortunately, the point spread function of a mirror telescope falls even flatter.
Im Rahmen der Erfindung musste also eine Pupillenfunktion gefunden werden, deren Fouriertransformierte im Vergleich zur Airy-Funktion 1 deutlich schneller abfällt, zumindest für hohe laterale Koordinaten x, die einfach zu realisieren ist und die nur zu geringen Lichtverlusten führt. Der zentrale Bereich darf dabei durchaus etwas breiter sein als die beugungsbegrenzte Punktspreizfunktion 1; solange er nicht breiter ist als ein typisches Pixel fällt dies nicht auf. Eine solche Pupillenfunktion ist z.B. die Gauß-Funktion 8 mit dem Verlauf e~aχ2. Sie hat die angenehme Eigenschaft, dass ihre Fouriertransformierte wiederum eine Gauß-Funktion 8 ist. Diese fällt insgesamt wesentlich steiler ab als die Airy- Funktion 1 und ist ab einem bestimmten lateralen Wert χv kleiner als die polychrome Punktspreizfunktion aus den unterschiedlichen monochromen Punktspreizfunktionen, wie in den Fig. 3 und 4 zu erkennen ist. Dies führt allerdings zu einer an sich unerwünschten Verbreiterung des zentralen Bereichs. Die exakten Parameter sind dabei von untergeordneter Bedeutung, wichtig ist dass die in der Praxis gewählte Funktion prinzipiell stärker abfällt als die polychrome Punktspreizfunktion oder/und damit ab einem lateralen Wert x' die sich aus der vorgegebenen Pupillenfunktion ergebende Punktspreizfunktion (PSF) kleiner insbesondere deutlich kleiner ist als die polychrome Punktspreizfunktion ohne Intensitätsabschwächer.In the context of the invention, therefore, a pupil function had to be found whose Fourier transform decreases significantly faster compared to the Airy function 1, at least for high lateral coordinates x, which is easy to implement and which leads to only low light losses. The central area may well be slightly wider than the diffraction-limited point spread function 1; as long as it is not wider than a typical pixel this is not noticeable. Such a pupil function is eg the Gaussian function 8 with the curve e ~ aχ2 . It has the pleasant property that its Fourier transform is again a Gaussian function 8. Overall, this falls much steeper than the Airy function 1 and, at a certain lateral value χ v, is smaller than the polychrome point spread function from the different monochrome point spread functions, as can be seen in FIGS. 3 and 4. However, this leads to an undesirable broadening of the central area. The exact parameters are of subordinate importance, it is important that the function selected in practice decreases in principle more than the polychrome point spread function and / or thus from a lateral value x 'resulting from the given pupil function point spread function (PSF) smaller in particular significantly smaller is the polychrome point spread function without intensity attenuator.
Aus der Fig. 4 wird deutlich, dass es nicht erforderlich ist, dass die Pupillenfunktion bzw. ihre Fouriertransformierte für alle lateralen Koordinaten größer als ein vorgegebener lateraler Wert x' kleiner oder wesentlich kleiner als die polychrome Punktspreizfunktion 10 aus einer Mehrzahl von monochromen Punktspreizfunktionen 1 ist. Eine Haloverringerung wird erzielt, sobald typischerweise eine oder mehrere der Nebenmaxima 3, 4, 5, 6, 7 usw. der monochromen Punktspreizfunktionen 1 unterdrückt werden und damit die Werte der Pupillenfunktion also für die entsprechenden lateralen Koordinaten x kleiner oder wesentlich kleiner als die polychrome Punktspreizfunktion 10 ist.It is clear from FIG. 4 that it is not necessary for the pupil function or its Fourier transform for all lateral coordinates to be greater than a predetermined lateral value x 'to be smaller or substantially smaller than the polychrome point spread function 10 from a plurality of monochrome point spread functions 1 , Halo ringing is achieved as soon as typically one or more of the sub-maxima 3, 4, 5, 6, 7, etc. of the monochrome point spread functions 1 are suppressed and thus the values of the pupil function x are smaller or substantially smaller than the polychrome point spread function for the corresponding lateral coordinates x 10 is.
Wie oben erläutert wurde, kann es unschädlich sein, wenn der zentrale Bereich der Pupillenfunktion bzw. ihrer Fouriertransformierten etwas breiter als die beugungsbegrenzte polychrome Punktspreizfunktion 10 ist.As explained above, it can be harmless if the central area of the pupil function or its Fourier transform is slightly wider than the diffraction limited polychrome point spreading function 10.
Eine bevorzugte Pupillenfunktion bzw. ihre Fouriertransformierte ist die Gauß-Funktion 8. Andere vorteilhafte Ausbildungen können darin bestehen, dass die Pupillenfunktion bzw. ihre Fouriertransformierte eine der folgenden Funktionen oder eine Kombination der folgenden Funktionen ist: Rechteck-, Dreieck- bzw. Bartlett-, Blackman- , Connes-, Cosinus-, Hamming-, Hanning-, Kaiser-, Nuttall-, Welch-, Potenz-, Logarithmus- oder Exponential-Funktion, vorzugsweise eine Gauß-Funktion. Die genannten Funktionen sind aus der Literatur zur Anwendung der Apodization in der digitalen Signalverarbeitung bekannt,A preferred pupil function or its Fourier transform is the Gaussian function 8. Other advantageous embodiments can consist in that the pupil function or its Fourier transform is one of the following functions or a combination of the following functions: rectangular, triangular or Bartlett, Blackman, Connes, Cosinus, Hamming, Hanning, Kaiser, Nuttall, Welch, power, logarithm or exponential function, preferably a Gaussian function. The mentioned functions are known from the literature for the application of apodization in digital signal processing,
Ein erfindungsgemäßer Intensitätsabschwächer kann beispielsweise als Blende oder als Filter 9 ausgebildet sein. Dabei kann der Filter 9, ebenso wie die Blende, ein separater Filter sein, der vor, hinter oder in das Objektiv gesetzt ist, er kann aber auch als Beschichtung, insbesondere als Bedampfung einer Linse des Objektivs ausgebildet sein.An intensity attenuator according to the invention can be designed, for example, as a diaphragm or as a filter 9. In this case, the filter 9, as well as the aperture, be a separate filter, which is set in front of, behind or in the lens, but it can also be formed as a coating, in particular as vapor deposition of a lens of the lens.
Eine Gauß-förmige oder andere Pupillenfunktion ist z.B. durch die entsprechende Bedampfung einer Objektivlinse zu realisieren. Würde dies korrekt ausgeführt, wie z.B. in Fig. 5 dargestellt, wo die Lichtabschwächung des Filters 9 einen Verlauf hat, bei dem die Lichtabschwächung von der optischen Achse zu größeren lateralen Koordinaten x hin zunimmt, so ist mit 50% Lichtverlust zu rechnen. In der Praxis reicht es aus, nur am Randbereich einen ringförmigen Filter mit graduellem Verlauf aufzubringen, wie er in Fig. 6 dargestellt ist, wo der Filter 9 einen ausgedehnten zentralen Bereich 10 aufweist, in dem das Licht nicht abgeschwächt wird. Der dort gezeigte Filter 9 weist einen ringförmigen Verlauf der Lichtabschwächung auf. Die Breite dieses Ringes 11 ergibt sich aus einer Abwägung der verbleibenden Lichtstärke des Objektivs und der Größe, auf welche die Halos begrenzt sein sollen sowie der tolerierbaren Breite des Hauptmaximums 2. Allgemein hat ein erfindungsgemäßer Filter einen mehr oder weniger ausgedehnten zentralen Bereich 10, in dem die Transmissivität hoch ist, und zu den peripheren Bereichen hin, d.h. zu größeren lateralen Koordinaten, eine geringere Transmissivität .A Gaussian or other pupil function can be realized, for example, by the corresponding evaporation of an objective lens. If this were carried out correctly, as shown for example in FIG. 5, where the light attenuation of the filter 9 has a course in which the light attenuation increases from the optical axis to larger lateral coordinates x, then 50% light loss is to be expected. In practice, it is sufficient to apply an annular filter with a gradual profile only at the edge region, as shown in FIG. 6, where the filter 9 has an extended central region 10 in which the light is not attenuated. The filter 9 shown there has an annular course of the Light attenuation on. The width of this ring 11 results from a consideration of the remaining light intensity of the lens and the size to which the halos are to be limited and the tolerable width of the main maximum 2. In general, a filter according to the invention has a more or less extended central region 10, in the Transmissivity is high, and to the peripheral areas, ie to larger lateral coordinates, a lower transmissivity.
Ein erfindungsgemäßes Objektiv kann vorteilhafterweise mit einer Kamera, mit einem Objektiv und mit einem Bildaufnehmer zum Aufnehmen des von dem Objektiv abgebildeten Bildes, verwendet werden. Bevorzugt ist die Kamera eine als CMOS- Kamera ausgebildete HDR-Kamera mit einem hohen Lichtintensitäts-Dynamikbereich und/oder einem hohen auflösbaren Kontrastverhältnis. Der Bildaufnehmer kann vorteilhafterweise ein CMOS-Bildaufnehmer sein, der einen hohen Lichtintensitäts-Dynamikbereich aufweist und/oder zum Aufnehmen eines Bildes mit einem hohen Kontrastverhältnis ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Lichtintensitäts- Dynamikbereich der Kamera und/oder des Bildaufnehmers mehr als 60 dB, bevorzugt mehr als 75 dB und besonders bevorzugt mehr als 90 dB betragen. In anderen Anwendungsfällen kann vorteilhafterweise das von der Kamera und/oder dem Bildaufnehmer auflösbare Kontrastverhältnis mehr als 20.000:1, bevorzugt mehr als 50.000:1 und bevorzugt mehr als 80.000:1 betragen.An objective according to the invention can advantageously be used with a camera, with an objective and with an image recorder for recording the image imaged by the objective. The camera is preferably an HDR camera designed as a CMOS camera with a high light intensity dynamic range and / or a high resolvable contrast ratio. The imager may advantageously be a CMOS imager which has a high light intensity dynamic range and / or is designed to capture an image with a high contrast ratio. For example, the light intensity dynamic range of the camera and / or the image sensor may be more than 60 dB, preferably more than 75 dB, and more preferably more than 90 dB. In other applications, the contrast ratio that can be resolved by the camera and / or the image recorder can advantageously be more than 20,000: 1, preferably more than 50,000: 1, and preferably more than 80,000: 1.
Der verwendete Bildaufnehmer kann prinzipiell ein beliebige, auch eine lineare Empfindlichkeit aufweisen. Bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen der Bildaufnehmer und/oder die Bildverstärkung eine nichtlineare Empfindlichkeit, bevorzugt eine logarithmische Empfindlichkeit aufweist. Ein besonders bevorzugter Bildaufnehmer ist ein CMOS-Sensor.The image recorder used can in principle have any, even a linear sensitivity. Preferred embodiments are those in which the image recorder and / or the image enhancement prefer a non-linear sensitivity has a logarithmic sensitivity. A particularly preferred image sensor is a CMOS sensor.
Ein bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Nachtsichtsysteme, insbesondere infrarotempfindliche Nachtsichtsysteme in Kraftfahrzeugen. Dabei kann das Nachtsichtsystem mit oder ohne Beleuchtung, beispielsweise einer Infrarotlicht-Beleuchtung, zum Beleuchten der aufzunehmenden Szene ausgestattet sein. A preferred field of application of the invention is night-vision systems, in particular infrared-sensitive night-vision systems in motor vehicles. In this case, the night vision system can be equipped with or without illumination, for example, an infrared light illumination for illuminating the scene to be recorded.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Punktspreizfunktion bzw. Airy-Funktion1 point spread function or Airy function
2 Hauptmaximum2 main maximum
3 Erstes Nebenmaximum3 First secondary maximum
4 Zweites Nebenmaximum4 Second secondary maximum
5 Dritte Nebenmaximum5 Third secondary maximum
6 Viertes Nebenmaximum6 Fourth secondary maximum
7 Fünftes Nebenmaximum7 fifth secondary maximum
8 Gauß-Funktion8 Gaussian function
9 Filter9 filters
10 Zentraler Bereich10 Central area
11 Ring11 ring
I Intensität x laterale Koordinate I intensity x lateral coordinate

Claims

Patentansprüche claims
1. Kameraobjektiv, insbesondere für ein Nachtsichtsystem in einem Kraftfahrzeug mit einer Kamera, das als Funktion der lateralen Koordinate (x) , bezogen auf eine Richtung senkrecht zur optische Achse des Objektivs, eine beugungsbegrenzte Punktspreizfunktion (point spread funktion, PSF ), (1) hat dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv einen in dem Abbildungsstrahlengang angeordneten optischen Intensitätsabschwächer umfasst, der die in dem Strahlengang des Objektivs abgebildete Lichtintensität (I) in lateraler Richtung gemäß einer vorgegebenen Pupillenfunktion abschwächt, so dass die sich dadurch ergebende Punktspreizfunktion (PSF) mit zunehmender lateraler Koordinate (x) ab einem bestimmten Wert x' kleiner ist als die beugungsbegrenzte polychromatische Punktspreizfunktion (1) des Objektivs ohne den Intensitätsabschwächer.1. A camera lens, in particular for a night vision system in a motor vehicle with a camera, which as a function of the lateral coordinate (x), relative to a direction perpendicular to the optical axis of the lens, a diffraction-limited point spread function (PSF), (1) characterized in that the lens comprises an optical intensity attenuator arranged in the imaging beam path, which attenuates the light intensity (I) imaged in the beam path of the objective in a lateral direction according to a predetermined pupil function, so that the resultant point spread function (PSF) increases with increasing lateral intensity Coordinate (x) is smaller than the diffraction-limited polychromatic point spread function (1) of the objective without the intensity attenuator from a certain value x '.
2. Kameraobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass x'dem n-fachen der Pixelgröße einer Bildaufnahmeeinheit der Kamera entspricht und n ≤ 20, insbesondere n ≤ 5 ist. 2. Camera lens according to claim 1, characterized in that x 'corresponds to n times the pixel size of an image recording unit of the camera and n ≤ 20, in particular n ≤ 5.
3. Kameraobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pupillenfunktion bzw. ihre Fouriertransformierte eine der folgenden Funktionen oder eine Kombination der folgenden Funktionen ist: Rechteck-, Dreieck- bzw. Bartlett-, Blackman-, Connes-, Cosinus-, Hamming-, Hanning-, Kaiser-, Nuttall-, Welch-, Potenz-, Logarithmus- oder Exponential-Funktion, vorzugsweise eine Gauß-Funktion (8) .3. Camera lens according to one of the preceding claims, characterized in that the pupil function or its Fourier transform is one of the following functions or a combination of the following functions: Rectangle, Triangle or Bartlett, Blackman, Connes, Cosinus, Hamming, Hanning, Kaiser, Nuttall, Welch, power, logarithm or exponential function, preferably a Gaussian function (8).
4. Kameraobjektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Intensitätsabschwächer als Filter (9) oder Blende ausgebildet ist.4. Camera lens according to one of the preceding claims, characterized in that the intensity attenuator is designed as a filter (9) or aperture.
5. Kameraobjektiv nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (9) ein separater Filter ist, der vor, hinter oder in das Objektiv gesetzt ist.5. Camera lens according to the preceding claim, characterized in that the filter (9) is a separate filter, which is placed in front, behind or in the lens.
6. Kameraobjektiv nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende eine separate Blende ist, die vor, hinter oder in das Objektiv gesetzt ist.6. Camera lens according to claim 4, characterized in that the aperture is a separate aperture, which is set before, behind or in the lens.
7. Kameraobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (9) oder die Blende als Beschichtung, insbesondere als Bedampfung einer Linse des Objektivs ausgebildet ist.7. Camera lens according to one of claims 4 to 6, characterized in that the filter (9) or the diaphragm is formed as a coating, in particular as vapor deposition of a lens of the lens.
8. Kameraobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (9) oder die Blende einen ringförmigen Verlauf der Lichtabschwächung aufweist. 8. Camera lens according to one of claims 4 to 7, characterized in that the filter (9) or the diaphragm has an annular profile of the light attenuation.
9. Kameraobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtabschwächung des Filters (9) oder der Blende einen Verlauf hat, bei dem die Lichtabschwächung von der optischen Achse zu größeren lateralen Koordinaten (x) hin zunimmt.9. Camera lens according to one of claims 4 to 8, characterized in that the light attenuation of the filter (9) or the diaphragm has a course in which the light attenuation from the optical axis to larger lateral coordinates (x) increases towards.
10. Kameraobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtabschwächung des Filters (9) oder der Blende einen graduellen Verlauf hat, bei dem die Lichtabschwächung von der optischen Achse zu größeren lateralen Koordinaten (x) hin zunimmt.10. Camera lens according to one of claims 4 to 9, characterized in that the light attenuation of the filter (9) or the diaphragm has a gradual course, in which the light attenuation of the optical axis to larger lateral coordinates (x) increases towards.
11. Kameraobjektiv nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (9) oder die Blende einen zentralen Bereich (10) aufweist, in dem das Licht nicht abgeschwächt wird.11. Camera lens according to one of claims 4 to 10, characterized in that the filter (9) or the diaphragm has a central region (10) in which the light is not attenuated.
12. Kamera, mit einem Objektiv und mit einem Bildaufnehmer zum Aufnehmen des von dem Objektiv abgebildeten Bildes, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.12. A camera with a lens and with an image sensor for receiving the image imaged by the lens, characterized in that it comprises a lens according to one of the preceding claims.
13. Kamera nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der Pupillenfunktion bzw. ihrer Fouriertransformierten für diejenigen lateralen Koordinaten (x) , die der Ausdehnung eines typischen Pixels des Bildaufnehmers entsprechen, größer sind als die Werte der Punktspreizfunktion (1) für diese lateralen Koordinaten (x) .A camera according to the preceding claim, characterized in that the values of the pupil function or its Fourier transform for those lateral coordinates (x) which correspond to the extent of a typical pixel of the image recorder are greater than the values of the point spreading function (1) for them lateral coordinates (x).
14. Kamera nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine HDR-Kamera mit einem hohen Lichtintensitäts-Dynamikbereich und/oder einem hohen auflösbaren Kontrastverhältnis ist. 14. A camera according to any one of claims 12 to 13, characterized in that it is an HDR camera with a high light intensity dynamic range and / or a high resolvable contrast ratio.
15. Kamera nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer ein HDR- Bildaufnehmer ist, der einen hohen Lichtintensitäts- Dynamikbereich aufweist und/oder zum Aufnehmen eines Bildes mit einem hohen Kontrastverhältnis ausgebildet ist .A camera according to the preceding claim, characterized in that the imager is an HDR imager which has a high light intensity dynamic range and / or is adapted to capture an image having a high contrast ratio.
16. Kamera nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtintensitäts- Dynamikbereich der Kamera und/oder des Bildaufnehmers mehr als 60 dB, bevorzugt mehr als 75 dB und besonders bevorzugt mehr als 90 dB beträgt.16. A camera according to any one of claims 12 to 15, characterized in that the light intensity dynamic range of the camera and / or the image sensor is more than 60 dB, preferably more than 75 dB and more preferably more than 90 dB.
17. Kamera nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Kamera und/oder dem Bildaufnehmer auflösbare Kontrastverhältnis mehr als17. A camera according to any one of claims 12 to 16, characterized in that the resolvable by the camera and / or the image sensor contrast ratio more than
20.000:1, bevorzugt mehr als 50.000:1 und bevorzugt mehr als 80.000:1 beträgt.20,000: 1, preferably more than 50,000: 1 and preferably more than 80,000: 1.
18. Kamera nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer und/oder die Bildverstärkung eine nichtlineare Empfindlichkeit, bevorzugt eine logarithmische Empfindlichkeit aufweist.18. A camera according to any one of claims 12 to 17, characterized in that the image sensor and / or the image enhancement has a non-linear sensitivity, preferably a logarithmic sensitivity.
19. Kamera nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildaufnehmer ein CMOS- Sensor ist.19. A camera according to any one of claims 12 to 18, characterized in that the image sensor is a CMOS sensor.
20. Kamera nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine infrarotempfindliche Kamera eines Nachtsichtsystems ist. 20. A camera according to any one of claims 12 to 19, characterized in that it is an infrared-sensitive camera of a night vision system.
21. Kamera nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachtsichtsystem eine Beleuchtung, vorzugsweise eine Infrarotlicht-Beleuchtung, zum Beleuchten der aufzunehmenden Szene umfasst.21. Camera according to the preceding claim, characterized in that the night vision system comprises a lighting, preferably an infrared light illumination, for illuminating the scene to be recorded.
22. Kamera nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kamera eines Nachtsichtsystems in einem Kraftfahrzeug ist. 22. A camera according to any one of claims 20 to 21, characterized in that it is a camera of a night vision system in a motor vehicle.
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