BE1027429B1

BE1027429B1 - Werkwijze en apparaat voor het verkrijgen van een beeld met uitgebreide scherptediepte

Info

Publication number: BE1027429B1
Application number: BE20195772A
Authority: BE
Inventors: Niels Bosmans
Original assignee: Innovate Prec Besloten Vennootschap Met Beperkte Aansprakelijkheid
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2021-02-08
Also published as: EP4055421A1; WO2021089224A1

Abstract

De huidige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze om een beeld met uitgebreide scherptediepte te verkrijgen met een optisch apparaat dat een beeldvormend lenssysteem en een multifocale optische inrichting omvat. De werkwijze omvat het gebruik van de multifocale optische inrichting om een optische sterkte te variëren binnen een bereik, en waarbij het bereik van de optische sterkte is gedefinieerd in relatie tot de uitgebreide scherptediepte. De werkwijze omvat het moduleren, met behulp van een filter, van een amplitude van lichtstralen doorgelaten doorheen de multifocale optische inrichting, en het definiëren van een lichttransmissieprofiel geassocieerd aan de filter zodanig dat voor elke voorwerpsafstand binnen het bereik van de uitgebreide scherptediepte, een intensiteit van uit-focus lichtstralen in het beeldvlak is gereduceerd in vergelijking met een intensiteit van uit-focus lichtstralen bekomen zonder gebruik te maken van de filter. De uitvinding heeft ook betrekking op een optisch apparaat voor het vormen van een beeld met uitgebreide scherptediepte met behulp van een dergelijk multifocale optische inrichting en filter.

Description

WERKWIJZE EN APPARAAT VOOR HET VERKRIJGEN

VAN EEN BEELD MET UITGEBREIDE SCHERPTEDIEPTE Domein van de uitvinding De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een optisch apparaat voor het verkrijgen van een beeld met een uitgebreide scherptediepte. Meer in het bijzonder betreft het optische apparaten met een multifocale optische inrichting voor het uitbreiden van een scherptediepte, d.w.z. een scherptediepte die verder reikt dan de door diffractie beperkte scherptediepte. Het optische apparaat kan onderdeel zijn van een camerasysteem of kan een module zijn die kan worden gebruikt in combinatie met een camerasysteem of een ander beeldvormingsapparaat zoals een microscoop of telescoop. De optische inrichting volgens de onderhavige beschrijving kan voordelig worden gebruikt voor toepassingen in bijvoorbeeld geautomatiseerde inspectie, optische metrologie, optische herkenning van lettertekens, machine visie, robotica en dergelijke.

Achtergrond Camerasystemen omvatten typisch een lenssysteem en een sensor gekoppeld aan het lenssysteem. Een dergelijk lenssysteem is samengesteld voor het ontvangen van meerdere kegels met stralen afkomstig van een voorwerp en voor het overbrengen van ten minste een deel van de stralen van de kegels naar de sensor waar een beeld wordt gevormd. Een van de gekende problemen met de lenssystemen die in camera's worden gebruikt of in combinatie met andere optische apparaten worden gebruikt, zoals telescopen en microscopen, is dat de afgebeelde voorwerpen slechts scherp in beeld zijn over een beperkte voorwerpsafstand, waarbij de voorwerpsafstand de afstand tussen het voorwerp en het eerste optische element van het lenssysteem is. Deze beperkte afstand staat bekend als de scherptediepte (Depth Of Field, DOF) en is vooral belangrijk als 3D-voorwerpen moeten worden afgebeeld en waar de voorwerpen binnen een groot dieptebereik van het voorwerp moeten worden scherpgesteld om bijvoorbeeld inspecties uit te voeren.

De DOF is afhankelijk van de numerieke apertuur (NA) van het camerasysteem dat gelijk is aan n x sin(60/2) met © zijnde de maximale kegelhoek van een axiale kegel van lichtstralen die door het lenssysteem wordt geaccepteerd. De parameter n is de brekingsindex van het medium, die voor een camerasysteem meestal lucht is, maar bijvoorbeeld ook vacuüm of een edelgas kan zijn. Hoe kleiner de NA, hoe groter de DOF. De kegelhoek 6 die door het lenssysteem wordt geaccepteerd, wordt bepaald door de pupil van het lenssysteem, die in het algemeen wordt bepaald door een zogenaamde apertuur-stop die een cirkelvormige opening is.

Anderzijds is de optische resolutie van een camera, gedefinieerd als de minimale afstand tussen twee stralingspunten die door de camera nog kunnen worden onderscheiden als individuele punten, omgekeerd evenredig met de numerieke apertuur. Daarom, wanneer camerasystemen worden ontworpen, moet er dus over het algemeen een afweging worden gemaakt tussen DOF en resolutie.

Voor camerasystemen die een micrometerresolutie vereisen, d.w.z. een resolutie <10 um, bijvoorbeeld voor inspectiesystemen voor halfgeleiders of voor optische metrologie toepassingen met hoge-resolutie, wordt de DOF voornamelijk bepaald door de diffractie gelimiteerde scherptediepte (Diffraction Limited - Depth Of Field, DL- DOF) die gelijk is aan À x n/{(NA2), waarbij À de golflengte is van het licht dat wordt ontvangen door het lenssysteem.

Verschillende types van camerasystemen zijn voorgesteld om de scherptediepte uit te breiden voorbij de diffractielimiet en een uitgebreide scherptediepte (Extended Depth Of Field, EDOF) aan te bieden. De verhouding tussen EDOF en DL-DOF wordt de uitbreidingsverhouding genoemd. Voor toepassingen met hoge resolutie zijn over het algemeen camerasystemen met een uitbreidingsverhouding tussen 3 en 10 nodig.

Een gekend voorbeeld voor het uitbreiden van de DOF is het gebruik van meerdere camerasystemen met een verschillend brandpunt die naast elkaar zijn geplaatst om meerdere beelden met verschillende focus te bekomen. Deze camerasystemen hebben echter het nadeel dat ze groot, omslachtig en duur zijn.

Een verder voorbeeld om de scherptediepte uit te breiden is het gebruik van een dynamisch camerasysteem waarbij meerdere beelden achtereenvolgens worden genomen terwijl de brandpuntsafstand van het camerasysteem wordt gevarieerd door één of meer lenzen te verplaatsen. Een voorbeeld van een dynamisch multifocaal optische inrichting is een instelbare akoestische gradiëntlens (TAG) die kan worden gebruikt voor het periodiek variëren van de brandpuntsafstand. Een dergelijke TAG-lens is bijvoorbeeld beschreven in US10101572B2. De beelden verkregen met een dergelijk dynamisch camerasysteem vereisen verdere beeldverwerking om een definitief beeld te verkrijgen dat de vereiste kwaliteit in termen van contrast en resolutie heeft.

Een alternatieve benadering is om een passief camerasysteem te maken met een uitgebreide scherptediepte door een axicon te gebruiken. Een axicon is een multifocale optische inrichting dat is samengesteld om te focussen op een lijnsegment. In tegenstelling tot een standaardlens die een binnenkomende vlakke golf in één enkel brandpunt focust,

+ BE2019/5772 d.w.z. het focuspunt FP van de lens, focust een axicon een invallende vlakke golf op een lijnsegment op de optische as. Met andere woorden, het axicon wordt gekenmerkt doordat het een binnenkomende parallelle straal focust in een variabel brandpunt MFP;. De locatie van het variabele brandpunt MFP; langs de optische as k hangt af van de radiale afstand r tussen de binnenkomende parallelle straal en de optische as k.

Een voorbeeld van een camerasysteem dat een axicon gebruikt, wordt beschreven door Zhai et al. in Journal of Modern Optics, vol 56, nr. 11, 2009, pagina's 1304-1308. Zhai et al. stelt voor om een lineair axicon voor een CCD- camera te plaatsen. Een lineair axicon is een axicon dat een kegelvormig oppervlak heeft en waarbij de stralen onder een constante hoek worden gebroken. Omdat er geen focus is in één enkel punt maar op een lijnsegment en omdat de CCD-camera zich op een vaste positie langs het lijnsegment bevindt, moet het primaire beeld dat op de sensor wordt verkregen worden opgevat als een combinatie van meerdere onscherpe beelden. Zoals vermeld, hebben de resulterende primaire afbeeldingen van platte 2D-objecten een laag contrast en een slechte beeldresolutie. De primaire afbeeldingen zijn nadien verder digitaal bewerkt met behulp van een filteralgoritme en, zoals besproken in het document, hebben de nabewerkte afbeeldingen een contrast dat varieert met de positie van het object. Bovendien geven de nabewerkte afbeeldingen, zelfs voor deze eenvoudige 2D-objecten, geen constante resolutie over het hele gezichtsveld. Afbeeldingen die zijn verkregen met een optisch apparaat en die gebruikmaken van een multifocale inrichting om een scherptediepte uit te breiden, hebben over het algemeen een slechte kwaliteit, bijvoorbeeld de beelden

> BE2019/5772 hebben een laag contrast en hebben last van ruis en artefacten.

In US7593161B2 wordt een vergelijkbare benadering beschreven om de DOF uit te breiden, namelijk het plaatsen van een logaritmische asfeer voor een CCD-camera. De logaritmische asfeer heeft een vooraf bepaalde sferische aberratie en dit zorgt ervoor dat de stralen die door de asfeer gaan, focussen op verschillende brandpunten op de optische as. Voor het digitaal nabewerken van het primaire beeld dat met een dergelijk camerasysteem is verkregen, moet een iteratief algoritme “metric-parameter-maximum entropy” worden gebruikt. Een belangrijk nadeel van dit apparaat dat is beschreven in US7593161 is dat het algoritme voor het nabewerken van de primaire afbeeldingen complex is en dat het iteratieve karakter van dit algoritme een lange verwerkingstijd vereist. Daarom kan een dergelijk camerasysteem niet worden gebruikt voor toepassingen die een snelle beeldverwerking van minder dan 100 ms vereisen.

Samenvatting Het is een doel van de huidige uitvinding om een optisch apparaat aan te bieden voor het verkrijgen van een beeld met een uitgebreide scherptediepte, waarbij de nabewerking van het beeld dat in een focaal vlak wordt verkregen, kan worden uitgevoerd door een eenvoudiger en sneller algoritme, zodat nabewerking van de beelden kunnen worden uitgevoerd in minder dan 100 ms, of waarbij de nabewerking kan worden weggelaten. Een verder doel is het reduceren van artefacten als gevolg van beeldverwerking.

De huidige uitvinding wordt gedefinieerd in de bijgevoegde onafhankelijke conclusies. Voorkeurs uitvoeringsvormen worden gedefinieerd in de afhankelijke conclusies.

Volgens een eerste aspect van de uitvinding wordt een werkwijze aangeboden voor het verkrijgen van een afbeelding met een uitgebreide scherptediepte tussen een eerste voorwerpsafstand en een tweede voorwerpsafstand. De werkwijze omvat stappen van: het gebruik van een optisch apparaat voor het maken van een afbeelding van een voorwerp of een intermediaire afbeelding van een voorwerp in een beeldvlak, en waarbij het optische apparaat bestaat uit een beeldvormend lenssysteem en een multifocale optische inrichting, en de multifocale optische inrichting gebruiken voor het variëren van een optische sterkte van het optische apparaat binnen een bereik van optische sterktes, zodat een beeld gevormd in het beeldvlak overeenkomt met een sommatie van verschillende beelden verkregen bij verschillende optische sterktes, en waarbij het bereik van optische sterktes wordt gedefinieerd in relatie tot de uitgebreide scherptediepte.

De werkwijze heeft als kenmerk dat het omvat: het moduleren van een amplitude van lichtstralen doorgelaten doorheen de multifocale optische inrichting door gebruik te maken van een filter, en waarbij een tweedimensionaal lichttransmissieprofiel geassocieerd aan de filter een relatieve lichttransmissie doorheen de filter uitdrukt, het definiëren van het tweedimensionale lichttransmissie- profiel zodanig dat voor elke voorwerpsafstand binnen de uitgebreide scherptediepte een puntspreidingsfunctie (PSF) geassocieerd aan de voorwerpsafstand, een intensiteit in het beeldvlak heeft van uit-focus lichtstralen die gereduceerd is in vergelijking met een intensiteit van uit-focus lichtstralen zonder gebruik van de filter. Het is een voordeel dat door het aanbieden van een filter en het definiëren van een lichttransmissieprofiel zodanig dat voor elke voorwerpsafstand binnen het bereik van de uitgebreide sterktediepte, een intensiteit van uit-focus lichtstralen op het beeldvlak wordt verminderd, een variatie van een enveloppe van de puntspreidingsfuncties wordt verminderd en dat dus bij het definiëren van een model PSF, bijvoorbeeld een gemiddelde PSF over de gehele uitgebreide stektediepte, een realistischere modelbenadering van een PSF wordt verkregen die de PSF'’s weerspiegelt voor elk van de voorwerpsafstanden binnen de EDOF. Op deze manier worden artefacten die voortvloeien uit scherpe overgangen in de PSF's op bepaalde voorwerpsafstanden of variaties van de vorm van de verschillende PSF's aanzienlijk verminderd. In tegenstelling tot optische apparaten die behoren tot de stand van de techniek en die geen gebruik maken van de filter volgens de uitvinding worden wel artefacten waargenomen na bewerking van de afbeelding verkregen in het beeldvlak.

Bovendien, door het verminderen van de intensiteit van de uit-focus lichtstralen van de PSF voor elk van de voorwerpsafstanden binnen de EDOF, worden de breedte en de staarten van de PSF’s verminderd, wat resulteert in contrastverbetering en ruisonderdrukking.

Het is een voordeel dat, door het verstrekken van een filter met een lichttransmissieprofiel zoals beschreven in de conclusies, is de variatie van de vorm tussen de verschillende PSF'S klein en de nabewerking met behulp van een deconvolutie kan worden uitgevoerd met één enkel model PSF, bijvoorbeeld één enkele gemiddelde PSF geldig voor de gehele EDOF. Dit vereenvoudigt de nabewerking en verkort de tijd die nodig is om de afbeelding te verwerken.

Het voorwerp dat volgens de uitvinding met het optische apparaat moet worden afgebeeld, moet worden opgevat als een fysiek voorwerp of als een intermediair optisch beeld dat wordt gegenereerd door een primair optisch systeem. Vandaar dat het optische apparaat volgens de uitvinding op voordelige wijze kan worden gekoppeld aan bijvoorbeeld een telescoop of een microscoop die het intermediaire optische beeld genereert.

De eerste en tweede voorwerpsafstanden moeten worden opgevat als de voorwerpsafstanden van de uiteinden van de EDOF. Met andere woorden, per definitie van de EDOF, elk voorwerp dat zich tussen de eerste en tweede voorwerpsafstanden bevindt, moet in focus zijn op het afbeeldingsvlak. Over het algemeen is binnen de gehele EDOF een voorgeschreven beeldresolutie vereist.

In uitvoeringsvormen komen de eerste en de tweede voorwerpsafstand overeen met respectievelijk een eerste en een tweede optische sterkte van het optische apparaat. In deze uitvoeringsvormen omvat de werkwijze het definiëren van het bereik van de optische sterktes zodanig dat de optische sterktes tussen de eerste en de tweede optische sterkte een subbereik van het bereik van de optische sterktes zijn. Met andere woorden, het bereik van de optische sterktes die zijn gespecificeerd voor het optische apparaat is groter dan wat daadwerkelijk nodig is om de EDOF te beslaan. Het voordeel is dat dit het mogelijk maakt om, na de modulatie van de amplitude van de lichtstralen met de filter, puntspreidingsfuncties te bekomen die zachte staarten hebben zonder sterke intensiteit variaties.

In uitvoeringsvormen, is de multifocale inrichting een straalafhankelijk multifocale optische inrichting met een brandpuntsafstand die varieert met een straal ten opzichte van een optische as van de multifocale optische inrichting. In deze uitvoeringsvormen, dragen een eerste brandpuntsafstand van de multifocale inrichting aan een eerste straal van de multifocale inrichting en een tweede brandpuntsafstand van de multifocale inrichting aan een tweede straal van de multifocale inrichting, bij aan respectievelijk de eerste en de tweede optische sterkte van het optische apparaat. In het algemeen is de eerste straal kleiner dan de tweede straal. Een voorbeeld van een dergelijk straalafhankelijk multifocale inrichting is een axicon.

In andere uitvoeringsvormen is de multifocale optische inrichting een straalonafhankelijk multifocale optisch inrichting, bij voorkeur is de straalonafhankelijke multifocale optische inrichting één van: een instelbare akoestische gradiëntlens, een diffractielens, een vloeibare lens of een lens met chromatische aberratie.

In uitvoeringsvorm bestaat de werkwijze volgens de uitvinding uit: het beeld gevormd op het beeldvlak deconvolueren met behulp van een deconvolutie-algoritme, en waarbij het deconvolutie-algoritme gegevens gebruikt die een model puntspreidingsfunctie uitdrukken of die een wiskundige benadering gebruikt die een model puntspreidingsfunctie uitdrukt, en waarbij de model puntspreidingsfunctie elk van de verschillende punt- spreidingsfuncties die zijn gekoppeld aan de verschillende voorwerpsafstanden binnen de uitgebreide scherptediepte voorstelt. De model puntspreidingsfunctie is bijvoorbeeld een gemiddelde puntspreidingsfunctie van de verschillende puntspreidingsfuncties binnen de EDOF.

In uitvoeringsvormen wordt het tweedimensionale lichttransmissieprofiel gespecificeerd met één of meerdere eendimensionale lichttransmissiecurves. Een dergelijke eendimensionale lichttransmissiecurve drukt een relatieve lichttransmissie doorheen de filter uit als functie van een radiale afstand, gemeten in een radiale richting ten opzichte van een filter referentieas. In sommige uitvoeringsvormen waarbij het tweedimensionale lichttransmissie profiel axiaal-symmetrisch is ten opzichte van de filter referentieas, kan het profiel worden gespecificeerd met één eendimensionale lichttransmissiecurve.

De puntspreidingsfuncties die worden gebruikt om te controleren of de intensiteit van de uit-focus lichtstralen op het beeldvlak wordt verminderd in vergelijking met een intensiteit van uit-focus lichtstralen zonder gebruik van de filter, moeten worden geïnterpreteerd als op-de-as punt spreidingsfuncties. Een puntspreidingsfunctie op-de-as komt overeen met een PSF die ankomstig is van een puntbron gelocaliseerd op een optische as van het optische apparaat.

Volgens een tweede aspect van de uitvinding, wordt een optisch apparaat voorzien voor het maken van een beeld van een voorwerp, of van een intermediaire afbeelding van een voorwerp, in een beeldvlak en voor het verkrijgen van een beeld met een uitgebreide scherptediepte tussen een eerste voorwerpsafstand en een tweede voorwerpsafstand. Het optisch apparaat omvat een beeldvormend lenssysteem en een multifocale optische inrichting. De multifocale inrichting is geconfigureerd voor het variëren van een optische sterkte van het optische apparaat binnen een bereik van optische sterktes, zodat een afbeelding gevormd in het beeldvlak overeenkomt met een sommatie van beelden verkregen bij verschillende optische sterktes, en waarbij het bereik van optische sterktes wordt gedefinieerd in relatie tot de uitgebreide scherptediepte.

Het optische apparaat wordt gekenmerkt doordat het optische apparaat een filter bevat die is samengesteld voor het moduleren van een amplitude van lichtstralen doorgelaten doorheen de multifocale optische inrichitng, en waarbij een tweedimensionaal lichttransmissieprofiel dat aan de filter is geassocieerd, een relatieve lichttransmissie doorheen de filter uitdrukt.

Een relatieve lichttransmissie wordt bijvoorbeeld uitgedrukt als een procentuele waarde, bijvoorbeeld een lichttransmissie met een waarde tussen 0% en 100%.

Het optische apparaat wordt verder gekenmerkt doordat het lichttransmissieprofiel zodanig is samengesteld dat voor elke van de voorwerpsafstanden binnen de uitgebreide scherptediepte een puntspreidingsfunctie geassocieerd aan de voorwerpsafstand een intensiteit heeft van uit-focus lichtstralen op het beeldvlak dat gereduceerd is in vergelijking met een intensiteit van uit-focus lichtstralen zonder de filter.

In uitvoeringsvorm omvat het lichttransmissie profiel a) een monotoon toenemend gedeelte dat gaat van een eerste lichttransmissiewaarde op een eerste radiale afstand tot een tweede lichttransmissie waarde op een tweede radiale afstand, en b) een monotoon afnemende gedeelte die gaat van een derde lichttransmissiewaarde op een derde radiale afstand tot een vierde lichttransmissiewaarde op een vierde radiale afstand. En waarbij r1 < r2 S r3 < ra, met ri, T2, r3, ra zijnde respectievelijk de eerste, de tweede, de derde en de vierde radiale afstand, en waarbij T1/T:2 “ 0.5 en T4/T3 < 0.5 met T:1,T2,T3 en T4 overeenkomend met respectievelijk de eerste, tweede, derde en vierde lichttransmissie waarde. Met andere woorden, dit type lichttransmissie is een ringvormig lichttransmissieprofiel.

In sommige uitvoeringsvormen zijn het monotoon toenemende gedeelte en het monotoon afnemende gedeelte respectievelijk een strikt monotoon toenemende gedeelte en een strikt monotoon afnemende gedeelte.

In uitvoeringsvorme zijn, (r2-r1)/ (ra4a-r1) > 0.1 en/of (ra4- r3) / (ra-ri) > 0.1, bij voorkeur (r2-ri) / (ra-r1) > 0.2 en/of (ra-r3) / (ra4a-ri) > 0.2, met meer voorkeur (r2-r1) / (r4-ri1) > 0.3 en/of (ra4-r3) / (ra-r1) > 0.3.

In verdere uitvoeringsvormen zijn, 0 S Ti /max(T2,T3) <

0.5 en 0 < T4/max{(T2,T3) < 0.5, en waarbij max (T2,T3) een functie is die de maximale waarde tussen Ta en Ts selecteert.

In andere uitvoeringsvormen wordt in plaats van een ringvormig lichttransmissieprofiel een open-apertuur transmissie profiel gebruikt waarbij de transmissiewaarde op de optische as k van de filter een hoge transmissie waarde heeft. In deze uitvoeringsvorm bestaat het licht- transmissieprofiel uit een monotoon afnemend gedeelte die gaat van een eerste lichttransmissie waarde op een eerste radiale afstand tot een tweede lichttransmissie waarde op een tweede radiale afstand die groter is dan de eerste radiale afstand. De verhouding T2/T1 is gelijk aan of kleiner dan 0.5, waarbij T1 en T2 respectievelijk de eerste en tweede lichttransmissiewaarde zijn. Bij voorkeur is een lichttransmissie in een gebied tussen de optische as van het filter en de eerste radiale afstand gelijk aan de eerste lichttransmissie waarde of is deze binnen de 20%, bij voorkeur binnen de 10%, gelijk aan de eerste lichttransmissie waarde.

In uitvoeringsvorm volgens de uitvinding, wordt het tweedimensionale lichttransmissie profiel zodanig gedefinieerd dat, voor elke voorwerpsafstand binnen de uitgebreide scherptediepte, een oppervlakte-integraal, genomen in het beeldvlak, van een genormaliseerde puntspreidingsfunctie geassocieerd aan de voorwerpsafstand kleiner is dan een oppervlakte-integraal van een corresponderende genormaliseerde puntspreidingsfunctie verkregen zonder filter. Vandaar, aangezien de oppervlakte-integraal van de genormaliseerde PSF’s verkregen met de filter kleiner zijn dan de oppervlakte-integraal van de genormaliseerde PSF'’s zonder filter, de intensiteit van de uit-focus lichtstralen op het beeldvlak bij het gebruik van een filter lager zijn dan zonder het gebruik van een filter.

Zoals hierboven vermeld, moeten de genormaliseerde puntspreidingsfuncties die worden gebruikt voor de vergelijking met en zonder gebruik van de filter, worden geïnterpreteerd als op-de-as puntspreidingsfuncties.

Korte beschrijving van de tekeningen Deze en verdere aspecten van de uitvinding zullen bij wijze van voorbeeld nader worden toegelicht, met verwijzing naar de begeleidende tekeningen waarbij: Fig.l illustreert schematisch de vorming van puntspreidingsfuncties als gevolg van een multifocale optische inrichting waarbij een optische sterkte radiaal varieert, Fig.2 illustreert puntspreidingsfuncties voor een optisch apparaat dat bestaat uit een straal-afhankelijke multifocale inrichting en een afbeelding van een voorwerp dat zonder filter is bekomen voor drie verschillende voorwerpsafstanden binnen de EDOF en met en zonder beeldverwerking; Fig.3 illustreert schematisch de vorming van puntspreidingsfuncties die voortvloeien uit een straal-onafhankelijk multifocale optische inrichting, Fig.4 illustreert puntspreidingsfuncties van een optisch apparaat dat bestaat uit een multifocale inrichting en een afbeelding van een voorwerp bekomen met een filter volgens de uitvinding voor drie verschillende voorwerpsafstanden binnen de EDOF en met en zonder beeldverwerking; Fig.5 illustreert een voorbeeld van een PSF die is verkregen met een optisch apparaat dat een straal-

afhankelijke multifocale optische inrichting omvat, met en zonder filter volgens de uitvinding;

Fig.6 illustreert puntspreidingsfuncties voor een optisch apparaat dat bestaat uit een straal-onafhankelijk multifocale inrichting, en zonder en met een filter volgens de uitvinding;

Fig.7 illustreert beelden die zijn verkregen met een optisch apparaat dat bestaat uit een straal- onafhankelijk multifocale inrichting, met en zonder filter en met en zonder beeldverwerking;

Fig.8 illustreert een voorbeeld van een PSF die is verkregen met een optisch apparaat dat bestaat uit een straal-onafhankelijk multifocale optische inrichting, met en zonder filter volgens de uitvinding ;

Fig.9 illustreert schematisch een uitvoeringsvorm van een optisch apparaat volgens de uitvinding,

Fig.10a tot Fig.10i illustreren voorbeelden van lichttransmissieprofielen van een filter van een optisch apparaat volgens de uitvinding;

Fig.lla tot en met Fig.lld illustreren verdere voorbeelden van lichttransmissieprofielen van een filter van een optisch apparaat volgens de uitvinding;

Fig.12a en Fig.12b vertonen twee uitvoeringsvormen van een optisch apparaat bestaande uit een plano-concave lens voor het verminderen van astigmatisme aberraties,

Fig.l2c toont een optisch apparaat bestaande uit een axicon met een concaaf oppervlak,

Fig.13 illustreert schematisch een uitvoeringsvorm van een optisch apparaat, waarbij het beeldvormend lenssysteem bestaat uit een eerste en een tweede lensgroep,

Fig.14 illustreert schematisch de combinatie van een telescoop lens met een uitvoeringsvorm van een optisch apparaat volgens de huidige uitvinding, Fig.15a tot Fig.15c illustreren voorbeelden van de eerste en de vierde radiale afstanden die geassocieerd zijn aan een transmissieprofiel van een filter volgens de uitvinding zoals waargenomen in een filtervlak Xr- Yr.

De figuren zijn niet op schaal getekend. In het algemeen worden identieke componenten aangeduid in de figuren met dezelfde referentiecijfers.

Gedetailleerde beschrijving van uitvoeringsvormen Volgens een eerste aspect van de uitvinding wordt een werkwijze aangeboden voor het verkrijgen van een beeld met een uitgebreide scherptediepte (EDOF). De werkwijze maakt gebruik van een optisch apparaat om een beeld van een voorwerp, of van een intermedair beeld van een voorwerp, te vormen in een beeldvlak. Het optisch apparaat bestaat uit een beeldvormend lenssysteem en een multifocale optische inrichting voor het variëren van een optische sterkte over een bereik van optische sterktes. De werkwijze gebruikt verder een filter voor het moduleren van een amplitude van lichtstralen die doorheen de multifocale optische inrichting zijn doorgelaten.

Volgens een tweede aspect van de uitvinding is een optisch apparaat 1, zoals schematisch geïllustreerd in Fig.9, voor het verkrijgen van een beeld met uitgebreide scherptediepte aangeboden, en waarbij het optisch apparaat een beeldvormend lenssysteem 20, een multifocale optische inrichting 30 en een filter 50 omvat, en waarbij de filter geconfigureerd is voor het moduleren van een amplitude van de lichtstralen die hoorheen de multifocale optische inrichting 30 zijn gegaan.

Een beeld met een uitgebreide scherptediepte, EDOF, moet worden geïnterpreteerd als een beeld met een scherptediepte die verder reikt dan de scherptediepte, DOF, die is verkregen met een optisch apparaat met één focuspunt waar de DOF wordt beperkt door diffractie. In het algemeen wordt de EDOF verkregen met behoud van een resolutie binnen de EDOF die dezelfde is als de resolutie van het optische apparaat met één focuspunt. Zoals hierboven besproken, de verhouding tussen de EDOF en de door diffractie beperkte DOF wordt de uitbreidingsverhouding genoemd. De optische apparaten die in de huidige beschrijving worden overwogen, zijn apparaten met een uitbreidingsverhouding van ten minste een factor 3, bij voorkeur ten minste een factor 5.

De puntspreidingsfunctie van een optisch apparaat moet worden opgevat als de respons van het optische apparaat op een puntbron of puntvoorwerp. De respons van de puntbron kan bijvoorbeeld worden waargenomen in een beeldvlak van het optische apparaat. Een optisch apparaat dat de scherptediepte uitbreidt met behulp van een multifocale optische inrichting, kan worden gekenmerkt door de puntspreidingsfuncties in het beeldvlak te observeren die het resultaat zijn van puntbronnen gelocaliseerd op verschillende voorwerpsafstanden binnen de uitgebreide scherptediepte.

Het concept van een puntspreidingsfunctie gebruikt in de huidige beschrijving voor het kenmerken van het optische apparaat en het maken van bijvoorbeeld vergelijkingen van PSF's met en zonder filter moeten worden opgevat als een op-de-as concept van een puntspreidingsfunctie, d.w.z. een PSF die afkomstig is van een puntbron gelocaliseerd op een optische as van het optisch apparaat.

Wanneer een driedimensionaal voorwerp of een landschap wordt afgebeeld met een EDOF lenssysteem of camera, is de afbeelding in het beeldvlak samengesteld uit verschillende PSF'S die zijn geassocieerd aan verschillende voorwerpsafstanden.

Alvorens gedetailleerde uitvoeringsvormen van de uitvinding te beschrijven, worden de puntspreidingsfuncties, PSF'S, verkregen met een optisch apparaat dat een multifocale optische inrichting omvat zonder de filter volgens de uitvinding, eerst besproken. Inderdaad, de huidige uitvinding is, althans gedeeltelijk, gebaseerd op de uitvinders observatie en analyse van bepaalde artefacten die werden waargenomen in optische apparaten behorende tot de stand van de techniek en die gebruik maken van een multifocale inrichtings.

PSF”S die het resultaat zijn van multifocale optische inrichtingen Een eerste categorie multifocale optische inrichtingen zijn straal-afhankelijke multifocale inrichtingen met een brandpuntsafstand die varieert met een straal met betrekking tot een optische as van de multifocale optische inrichting. Met andere woorden, de bijdrage van de brandpuntsafstand van de multifocale optische inrichting aan de totale optische sterkte van het optische apparaat, bestaande uit het beeldvormend lenssysteem en de multifocale inrichtings, varieert met een straal van de multifocale inrichting. Een voorbeeld van een dergelijke multifocale optische inrichting van de eerste categorie is een axicon, zoals een lineaire of een logaritmische axicon.

In Fig.l zijn drie puntspreidingsfuncties PSF, PSF: en PSF3, zoals waargenomen in een beeldvlak IP, schematisch weergegeven voor respectievelijk drie voorwerpsafstanden

ODi, OD: en OD3 binnen een EDOF van het optische apparaat dat gevormd is door een beeldvormend lenssysteem 20 en een multifocale optische inrichting 30, en waarbij de optische sterkte varieert met een radiale afstand tot de optische as.

De eerste voorwerpsafstand OD: en de tweede voorwerps afstand OD: definiëren de uiteinden van de EDOF zodanig dat de EDOF wordt gedefinieerd als een afstandsbereik dat gelijk is aan het verschil tussen OD; en OD». In dit illustratieve voorbeeld komen de drie weergegeven voorwerpsafstanden OD1, OD2 en OD3 overeen met de locaties van respectievelijk drie puntbronnen S1, S2 en S3. In het bovenste deel van Fig.l bevindt de puntbron S1 zich op de voorwerpsafstand OD: die overeenkoment met een eerste uiteinde van de EDOF, terwijl in het onderste paneel de puntbron S2 zich op de voorwerpsafstand OD: bevindt, overeenkomend met een tweede uiteinde van de EDOF. De puntbron S3 bevindt zich in het midden van de EDOF op voorwerpsafstand OD:.

Zoals afgebeeld op Fig.l, variëren de enveloppes van de puntspreidingsfuncties PSF,, PSF: en PSF3 afkomstig van verschillende voorwerpsafstanden, van voorwerpsafstand tot voorwerpsafstand. Dit is het gevolg van het feit dat voor een bepaalde voorwerpsafstand ODi, de resulterende puntspreidingsfunctie PSF: verschillende bijdragen PSFc omvatten, zoals schematisch geïllustreerd op Fig.l, en deze verschillende bijdragen variëren met de voorwerpsafstand.

Bijvoorbeeld, voor het bovenste paneel dat op Fig.l wordt getoond, worden met de optische sterkte van het multifocaal optisch apparaat dat overeenkomt met de voorwerpsafstand OD1, lichtstralen van een puntbron S1 op het beeldvlak IP gefocussed. Aangezien het multifocale optische apparaat echter ook andere optische sterktes heeft, zullen ook lichtstralen van de puntbron S1 naar andere focale vlakken parallel met het beeldvlak worden gefocussed. Voor een multifocale optische inrichting waarbij de optische sterkte varieert met een radiale afstand tot de optische as, zal, ter hoogte van een apertuur van de multifocale optische inrichting, elke ring van lichtstralen die een bepaalde straal heeft, worden gefocussed in een ander focaal vlak. In het bovenste deel van Fig.l1, zullen lichtstralen van een buitenste ring van een apertuur ter hoogte van het multifocale optische apparaat, worden gefocussed in het beeldvlak IP, terwijl lichtstralen van een ring met een kleinere straal zullen worden gefocussed op een focaal vlak dat zich dichter bij de multifocale optische inrichting bevindt. Als gevolg, voor een bepaalde voorwerpsafstand ODi, heeft de overeenkomstige PSF; bijdragen van zowel gefocust licht als van uit-focus licht en dus bij de beeldvorming van een voorwerp is het verkregen beeld van het voorwerp in het beeldvlak IP wazig.

Daarom wordt in de praktijk het beeld dat in het beeldvlak wordt verkregen bij het gebruik van een multifocale inrichting verwerkt en wordt een deconvolutie, bijvoorbeeld een bekende Wiener deconvolutie, uitgevoerd, waarbij rekening wordt gehouden met een model puntspreidingsfunctie, zoals bijvoorbeeld een gemiddelde puntspreidingsfunctie PSFav.

Een probleem met voorgaande optische apparaten behorende tot de stand van de techniek, is echter dat als gevolg van de model PSF of de gemiddelde PSFay genomen voor het uitvoeren van de deconvolutie, er artefacten verschijen op het verwerkte beeld. Ter illustratie van deze artefacten worden op het bovenste paneel van Fig. 2 PSF’s weergegeven van een optisch apparaat dat een straal-afhankelijke multifocale inrichting omvat. De PSF's getoond op deze figuren zijn genormaliseerde PSF's, d.w.z. op de verticale as wordt een genormaliseerde intensiteit In uitgezet als functie van een aantal pixels P in het beeldvlak van een detector.

De maximale genormaliseerde intensiteit is dus gelijk aan 1 voor elk van de PSF’s die wordt weergegeven.

In Fig.2 zijn drie afbeeldingen IMA;i, IMA: en IMA3 genomen met dit optische apparaat voor een voorwerp dat zich bevindt op de drie voorwerpsafstanden ODi, OD2 en OD3 die corresponderen met de twee uiteinden en een middenpositie van de EDOF.

In dit voorbeeld is de EDOF gelijk aan 1.2 mm.

Het voorwerp dat op de drie voorwerpsafstanden is geplaatst,

is een zogenaamde Siemens-ster, in dit voorbeeld met een grootte van 6.9 x 6.9 mm?, wat een gekend voorwerp is voor het controleren van de resolutie van optische apparaten.

De drie afbeeldingen IMA:, IMA; en IMA3 weergegeven in Fig.2 zijn de onbewerkte beelden die in het beeldvlak zijn verkregen, d.w.z. beelden vóór verwerking met een deconvolutie-algoritme.

Op Fig.2 wordt slechts een kwart van het gevormde beeld van de Siemens-ster weergegeven.

De beelden IMB;i, IMB, en IMB3 zijn de corresponderende beelden verkregen na deconvolutie van de onbewerkte beelden met een gemiddelde puntspreidingsfunctie PSFav, zijnde het gemiddelde van de puntspreidingsfuncties PSF; verkregen op de voorwerpsafstanden OD; binnen de EDOF.

In dit voorbeeld wordt voor elk van de afbeeldingen een resolutie van 3.5 micrometer verkregen.

Zoals afgebeeld in Fig.2, komen artefacten 5 voor op de verwerkte beelden IMB,;, IMB2 en IMB3. De artefacten 5 drukken een waas of schaduw uit in de witte driehoeken.

De oorsprong van deze artefacten 5 is het gevolg van het feit dat de gemiddelde puntspreidingsfunctie PSFav, voor enkele van de indiviudele puntspreidingsfuncties PSF: gekoppeld aan een bepaalde voorwerpsafstand binnen de EDOF, niet representatief is of er te veel van afwijkt.

Als gevolg van de verschillende bijdragen PSFc voor het vormen van een individuele puntspreidingsfunctie, kunnen scherpe overgangen optreden in de enveloppes van deze puntspreidingsfuncties. Deze scherpe overgangen zijn bijvoorbeeld duidelijk zichtbaar in de puntspreidingsfuncties PSF: en PSF3 op Fig. 1. Als gevolg hiervan kan de gemiddelde puntspreidingsfunctie PSFav gebruikt voor het maken van de deconvolutie niet nauwkeurig zijn voor alle voorwerpen die gelocaliseerd zijn in de uitgebreide scherptediepte.

Een soortgelijk probleem doet zich voor wanneer de multifocale optische inrichting een multifocale optische inrichting van een tweede categorie is, namelijk straal- onafhankelijke multifocale inrichtingen waarbij de optische sterkte niet varieert met een straal tot de optische as. Voorbeelden van multifocale optische inrichtingen van deze tweede categorie zijn een instelbare akoestische gradiëntlens, bekend als een TAG-lens, een diffractielens, een vloeibare lens of een lens met chromatische aberratie. In Fig.3, zijn drie puntspreidingsfuncties PSF, PSF2 en PSF3, schematisch weergegeven voor respectievelijk drie wvoorwerpsafstanden ODi, OD, en OD: binnen een EDOF van het optische apparaat dat een multifocale optische inrichting van de tweede categorie omvat. Voor dit soort optische apparaten, bijvoorbeeld een TAG- lens, wordt elke straal bij een apertuur van de multifocale optische inrichting naar elk van de brandpunten van het optische apparaat gericht. Daarom kan voor een gegeven voorwerpsafstand OD:, binnen de EDOF, de vorming van de puntspreidingsfunctie PSF; op een beeldvlak worden beschouwd als een sommatie van PSF's in het beeldvlak die verkregen zijn met een conventionele beeldvormende lens door het een puntvoorwerp in en uit de focus te scannen aan beide zijden van het {focaal vlak. Zoals afgebeeld in Fig.3, puntvoorwerpen die uit focus zijn, genereren een schijfvormige PSF bijdrage met een meer of mindere uniforme intensiteit die omgekeerd evenredig is met het oppervlak van de schijf. Wanneer het puntvoorwerp dichter bij het focaal vlak van de beeldvormende lens komt, convergeert de schijf naar een punt bijdrage met een straal beperkt door de diffractielimiet.

Als gevolg van de bijdrage van zowel in-focus en uit- focus licht aan de puntspreidingsfuncties PSF;, bijvoorbeeld PSF1, PSF: of PSF3 weergegeven in Fig. 3, wordt een hoge intensiteit in het midden van de PSF waargenomen en de intensiteit daalt met toenemende straal. Omdat de scherptediepte eindig is, heeft de intensiteit van de grootste schijf die door een puntvoorwerp aan de rand van de DOF is gemaakt een eindige positieve waarde. Daarom wordt de PSF afgesneden vanaf een bepaalde straal, wat zorgt voor een scherpe overgang in de PSF. Bovendien varieert de radiale positie van deze overgang als het puntvoorwerp een translatie beweging maakt langs de axiale richting. Het resulterende effect is een PSF die varieert over de scherptediepte.

Verdere voorbeelden van puntspreidingsfuncties van een optisch apparaat, bestaande uit een straal-onafhankelijk multifocale inrichting, worden weergegeven in Fig.6 waar een genormaliseerde intensiteit is uitgezet als functie van een pixelnummer. Het bovenste en onderste deel van Fig.6 illustreert PSF’s, bekomen met respectievelijk zonder en met een filter volgens de uitvinding en dit voor verschillende voorwerpsafstanden ODi, OD2 en OD,. Deze voorwerpsafstanden komen overeen met de voorwerpsafstanden zoals afgebeeld op Fig.3. Zoals getoond in de bovenste panelen in Fig.6, als er geen filter wordt gebruikt, varieert de vorm van de puntspreidingsfunctie met de wvoorwerpsafstand en een gemiddelde puntspreidingsfunctie weergegeven met een streepjeslijn vertegenwoordig niet nauwkeurig elk van de individuele puntspreidingsfuncties.

In Fig.7 worden beelden weergegeven die zijn verkregen met een optisch apparaat dat een straal-onafhankelijk multifocale inrichting omvat. De twee bovenste afbeeldingen IMAsr en IMByr worden verkregen zonder filter. De afbeelding IMANF is de ruwe afbeelding zonder beeldverwerking en afbeelding IMBuwr wordt verkregen na deconvolutie van afbeelding IMAur. Op het beeld IMBwr worden artefacten 5 waargenomen als gevolg van het feit dat de gemiddelde PSF gebruikt voor de deconvolutie niet representatief is voor alle PSF’s binnen de EDOF. De artefacten 5 in de afbeelding zijn zichtbaar in de witte driehoeken waar dubbele contourlijnen zichtbaar zijn.

Samenvattend, wanneer ofwel een multifocale optische inrichting van de eerste categorie, zoals een axicon, of een multifocale optische inrichtng van de tweede categorie zoals een TAG-lens, worden gebruikt, dan genereerd een deconvolutie van de ruwe afbeelding gemaakt in het beeldvlak van het optische apparaat met een gemiddelde PSFav, artefacten vanwege het {feit dat er geen gemiddelde puntspreidingsfunctie kan worden gevonden die representatief is voor elk van de individuele puntspreidingsfuncties overeenkomend met de verschillende afstanden binnen de EDOF.

Werkwijze, algemeen Volgens het eerste aspect van de uitvinding wordt een werkwijze aangeboden voor het verkrijgen van een beeld met een uitgebreide scherptediepte. De uitgebreide scherptediepte wordt gedefinieerd tussen een eerste voorwerpsafstand en een tweede voorwerpsafstand die overeenkomt met de uiteinden van de EDOF. De eerste voorwerpsafstand en de tweede voorwerpsafstand die de uiteinden van de EDOF definiëren, worden bijvoorbeeld afgebeeld op Fig.l en Fig.3 en zijn respectievelijk aangegeven met OD; en OD2. De werkwijze omvat een stap van het gebruik maken van een optisch apparaat om in een beeldvlak IP een beeld te vormen van een voorwerp of een intermediair beeld van een voorwerp. Het optische apparaat omvat ten minste een beeldvormend lenssysteem 20 en een multifocale optische inrichting 30. De multifocale optische inrichting 30 wordt gebruikt voor het variëren van een optische sterkte binnen een bereik van optische sterktes. Op deze manier komt een beeld die op het beeldvlak is gevormd overeen met een som van beelden die zijn verkregen bij verschillende optische sterktes binnen het bereik van optische sterktes. Het bereik van de optische sterktes van de multifocale optische inrichting is gedefinieerd in relatie tot de vereiste uitgebreide scherptediepte.

De werkwijze volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat het een stap omvat van het gebruik maken van een filter 50 voor het moduleren van een amplitude van lichtstralen doorgelaten doorheen de multifocale optische inrichting 30. Een tweedimensionaal lichttransmissie profiel is geassocieerd aan de filter 50 en drukt een relatieve lichttransmissie doorheen de filter uit.

De werkwijze wordt verder gekenmerkt doordat het een stap omvat van het zodanig definiëren van het tweedimensionale lichttransmissie profiel, dat voor elke voorwerpsafstand OD; binnen de uitgebreide scherptediepte, een puntspreidingsfunctie PSF; geassocieerd met de voorwerpsafstand ODi een intensiteit van uit-focus lichtstralen op het beeldvlak heeft dat wordt verminderd in vergelijking met een intensiteit van uit-focus lichtstralen zonder gebruik te maken van de filter.

Als gevolg van deze reductie van uit-focus lichtstralen, zijn de scherpe overgangen in sommige van de enveloppes van de individuele puntspreidingsfuncties PSF; geassocieerd aan een bepaalde voorwerpsafstand, bijvoorbeeld PSF en PSF3 weergegeven op Fig.l en Fig.3, sterk verminderd en de variatie van de enveloppes tussen de verschillende individuele puntspredingsfuncties PSF; wordt gereduceerd.

Dit wordt bijvoorbeeld geïllustreerd in Fig.5, waarbij een puntspreidingsfunctie zonder filter PSFyr wordt vergeleken met een puntspreidingsfunctie PSFr verkregen met een filter, wat aantoont dat de scherpe overgangen sterk gereduceerd zijn bij gebruik van de filter volgens de uitvinding en een zachtere en smallere curve wordt verkregen.

Op deze manier, bij het definiëren van een model puntspreidingsfunctie, zoals een gemiddelde puntspreidingsfunctie PSFav, voor het maken van een deconvolutie, heeft de model puntspreidingsfunctie een enveloppe die representatief is voor elk van de individuele puntspreidingsfuncties PSF; geassocieerd aan elk van de voorwerpsafstanden binnen de EDOF.

Dit wordt geïllustreerd op Fig.4, met de puntspreidingsfuncties PSF; verkregen met een optisch apparaat volgens de uitvinding, d.w.z. met behulp van een filter zoals hierboven gedefinieerd en waarbij een beeld wordt gemaakt van dezelfde Siemens Star voorwerpen, zoals gebruikt in Fig.2. De beelden verkregen vóór de verwerking zijn IMA, IMA: en IMA3 en de beelden verkregen na verwerking met behulp van een deconvolutie-algoritme en een gemiddelde puntspreidingsfunctie PSFav zijn de afbeeldingen met referentie IMB1, IMB2 en IMB:3. In tegenstelling tot de verwerkte afbeeldingen getoond in Fig.2, worden er geen artefacten waargenomen op de verwerkte afbeeldingen die worden getoond in Fig.4. In feite zijn de ruwe afbeeldingen IMA1, IMA: en IMA3, die in het beeldvlak zijn verkregen vóór de verwerking, van een veel hogere kwaliteit qua contrast en resolutie in vergelijking met de beelden die worden verkregen wanneer geen filter wordt gebruikt, en in sommige gevallen, afhankelijk van de vereiste contrast en de resolutie, is de verwerking met een deconvolutie-algoritme niet absoluut noodzakelijk.

De voorbeelden van afbeeldingen in Fig.4 die met een filter zijn verkregen, zijn beelden die zijn verkregen met een optisch apparaat dat een straal-afhankelijke multifocale inrichting omvat. Het effect van het verminderen van de hierboven beschreven artefacten met behulp van een filter volgens de uitvinding wordt echter ook waargenomen bij gebruik van een straal-onafhankelijk multifocale inrichting. Dit wordt verder geïllustreerd in Fig. 6 waar in de onderste panelen, PSF'S worden getoond bij het gebruik van een filter volgens de uitvinding. Wanneer gebruik wordt gemaakt van een filter, zijn de PSF's zachter en wordt de variatie over de voorwerpsafstand verkleind. De gemiddelde PSF die wordt verkregen voor het deconvolueren van de ruwe beelden wordt weergegeven als een stippellijn en deze gemiddelde PSF verkregen met een filter is een betere representatie voor elk van de individuele PSF's binnen het gehele bereik van de EDOF. In Fig.8, wordt een PSF, met en zonder filter, weergegeven in meer detail, wat aantoont dat met de filter, de PSF smaller is aangzien de staarten worden gereduceerd. Deze verbeterde PSF'S verkregen bij het gebruik van een filter wordt weerspiegeld bij het maken van een beeld van een voorwerp zoals geïllustreerd in de onderste panelen van Fig.7. De twee onderste afbeeldingen IMAr en IMBr zijn verkregen met een filter volgens de uitvinding. In het beeld IMBr, dat verkregen is na deconvolutie van beeld IMA, zijn de artefacten waargenomen in het beeld IMBwr sterk gereduceerd of geëlimineerd.

De vakman zal het tweedimensionale transmissieprofiel definiëren door rekening te houden met de categorie en het type multifocale optische inrichting dat wordt gebruikt.

Inderdaad, zoals afgebeeld in Fig.l en Fig.3, zijn de enveloppes van de puntspreidingsfuncties afhankelijk van de categorie van de gebruikte multifocale optische inrichting.

Zoals hierboven vermeld, wordt in het algemeen de tweedimensionale lichttransmissieprofiel gespecificeerd met één of meerdere eendimensionale lichttransmissiecurves T, waarbij elke eendimensionale lichttransmissiecurve T een relatieve lichttransmissie doorheen de filter uitdrukt als functie van een radiale afstand, gemeten in een radiale richting R ten opzichte van een filter referentieas k.

Verschillende uitvoeringsvormen van filters en de bijbehorende transmissiecurves zullen verder worden besproken.

Optisch apparaat voor het maken van EDOF beelden Volgens het tweede aspect van de uitvinding is er een optisch apparaat voorzien voor het verkrijgen van een uitgebreide scherptediepte.

Een voorbeeld van een dergelijk optisch apparaat 1 wordt schematisch weergegeven in Fig.9. Het optische apparaat 1 omvat een beeldvormend lenssysteem 20 voor het maken van een beeld in een beeldvlak IP van een voorwerp of van een intermediair beeld van een voorwerp.

Een beeldvormend lenssysteem moet worden opgevat als elk lenssysteem dat geschikt is voor het ontvangen van lichtstralen van punten van een voorwerp, een landschap of van een intermediair beeld van een voorwerp dat wordt gevormd door een ander optisch apparaat, en voor het overbrengen en focussen van de ontvangen lichtstralen in een beeldvlak IP.

Het optische apparaat 1 omvat verder een multifocale optische inrichting 30 geconfigureerd voor het variëren van een optische sterkte van het optische apparaat binnen een bereik van optische sterktes zodanig dat een afbeelding gevormd op het beeldvlak overeenkomt met een sommatie van beelden verkregen bij verschillende optische sterktes binnen het bereik van optische sterktes. Het multifocale optische apparaat 30 kan van de eerste of van de tweede categorie multifocale optische apparaten zijn zoals hierboven besproken.

Het bereik van de optische sterktes van het multifocale optische apparaat wordt gedefinieerd in relatie tot het bereik van de uitgebreide scherptediepte. Inderdaad, zoals gekend in de stand van de techniek, als gevolg van het bereik van optische sterktes die een scherptediepte in het beeldvlak vergroten, is de scherptediepte aan de voorwerpszijde uitgebreid tot een bereik dat verder rijkt dan de door diffractie beperkte sterktediepte. Afhankelijk van de vereiste EDOF, zal de vakman bepalen welk bereik van optische sterktes nodig zijn om de vereiste EDOF te bekomen.

Het optisch apparaat volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat het optisch apparaat een filter bevat die geconfigureerd is voor het moduleren van een amplitude van lichtstralen die doorgelaten zijn doorheen de multifocale optische inrichting 30. Een tweedimensionaal lichttransmissieprofiel is geassocieerd aan de filter. Dit tweedimensionale lichttransmissieprofiel is zodanig geconfigureerd dat voor elk van de voorwerpsafstanden binnen de uitgebreide scherptediepte, een intensiteit van uit- focus lichtstralen op het beeldvlak wordt gereduceerd in vergelijking met een intensiteit van uit-focus lichtstralen zonder filter. Met andere woorden, dezelfde {filter is geconfigureerd voor het verminderen van de uit-focus lichtstralen voor elk van de voorwerpsafstanden binnen de uitgebreide scherptediepte.

De filter die wordt gebruikt in combinatie met de multifocale optische inrichting moet worden geïnterpreteerd als een passieve filter die is geconfigureerd voor het wijzigen van de verschillende individuele puntspreidings functies PSF; geassocieer aan de voorwerpsafstanden ODi binnen de EDOF. Bijvoorbeeld, de individuele puntspreidingsfuncties PSF1, PSF; en PSF3 weergegeven op Fig.l en Fig.3, en die corresponderen met respectievelijk de drie voorwerpsafstanden OD1, OD2 en OD3, zullen elk van hen worden aangepast door de filter volgens de uitvinding. Welke transmissieprofielen er moeten worden gebruikt voor een bepaalde multifocale optisch inrichting en hoe puntspreidingsfuncties worden gewijzigd door de filter zal verder worden besproken.

Uit-focus lichtstralen Lichtstralen afkomstig van een puntbron worden over het algemeen gefocusseerd in een punt in het beeldvlak, of meer precies op een airy-schijf wanneer er rekening wordt gehouden met de beperking door diffractie. Zoals hierboven besproken en geïllustreerd in Fig.l en Fig.3, wanneer echter een optisch apparaat met een multifocale optische inrichting wordt gebruikt, dan hebben de puntspreidingsfuncties PSF; verschillende bijdragen van zowel in-focus lichtstralen en uit-focus lichtstralen.

De intensiteit van de uit-focus lichtstralen moet worden geïnterpreteerd als een intensiteit per eenheid van oppervlak in het beeldvlak of een intensiteit per eenheid van ruimtehoek. Om te bepalen of een intensiteit van uit- focus lichtstralen in het beeldvlak wordt gereduceerd bij het gebruik van een filter volgens de uitvinding, moeten de genormaliseerde puntspreidingsfuncties met en zonder filter volgens de uitvinding met elkaar worden vergeleken.

De PSF is een tweedimensionaal intensiteitsprofiel van lichtstralen waargenomen in het beeldvlak en dat de intensiteit van de lichtstralen uitdrukt die het beeldvlak doorkruisen. Zoals hierboven vermeld, zijn de lichtstralen afkomstig van een puntbron en ontvangt het optisch apparaat een kegel van lichtstralen van de puntbron. In uitvoeringsvormen wordt de lichtintensiteit bijvoorbeeld uitgedrukt in eenheden van W/m? of in een andere geschikte eenheid.

De PSF's die worden gebruikt om te bepalen of de uit- focus lichtstralen van een optisch apparaat met behulp van een filter volgens de uitvinding worden verminderd in vergelijking met het niet gebruiken van de filter, moet worden geïnterpreteerd als op-de-as PSF's, d.w.z. PSF’s die het resultaat zijn van een puntbron gelegen op de optische as van het optisch apparaat.

Zoals hierboven vermeld, kunnen de lichtintensiteiten van de PSF’s ook worden genormaliseerd. De genormaliseerde intensiteiten van de PSF’s zijn intensiteiten die worden genormaliseerd met betrekking tot de intensiteit van het centrumpunt, in het midden van de PSF. Dit wordt bijvoorbeeld geïllustreerd op Fig.5 en Fig.8, waarbij een genormaliseerde PSF-intensiteit in het beeldvlak wordt weergegeven, verkregen met en zonder filter volgens de uitvinding. De in Fig.5 en Fig.8 getoonde curves zijn dwarsdoorsneden van de PSF.

De abscis op Fig.5 en Fig.8 is een radiale afstand tot het midden van de PSF, waarbij het centrum wordt bepaald door de hoofdstraal van de lichtkegel. In dit voorbeeld wordt de abscis uitgedrukt als een aantal pixels, terwijl de ordinaat van Fig.5 en Fig.8 de genormaliseerde intensiteit van de totale lichtstralen is, zoals gedetecteerd op een bepaalde afstand tot het centrum van de PSF. Zoals hierboven beschreven, stellen Fig.5 en Fig.8 een voorbeeld voor van een PSF verkregen met een optisch apparaat dat respectievelijk een straal-afhankelijke en een straal- onafhankelijk multifocale optische inrichting omvat. Zoals weergegeven op Fig.5 en Fig.8, wanneer geen filter wordt gebruikt, hebben de staarten van de PSF, getoond met een gestippelde lijn, een hogere genormaliseerde intensiteit in vergelijking met de PSF verkregen met een filter, weergegeven met een volle lijn. Het feit dat de staarten van de gestippelde lijn, d.w.z. de PSF zonder filter, een hogere genormaliseerde intensiteitswaarde hebben dan de volle lijn, d.w.z. de PSF met filter, drukt uit dat het uit-focus licht bij het gebruik van een filter wordt gereduceerd in vergelijking met het niet gebruiken van een filter. Met andere woorden, de verhouding tussen de intensiteit in het midden van de PSF en de intensiteit in de staarten van de PSF is hoger bij het gebruik van een filter dan zonder een filter.

Om PSF'S te vergelijken om te bepalen of de uit-focus lichtstralen worden verlaagd, kunne ofwel berekende ofwel gemeten PSF'’s gebruikt worden.

Om te bepalen of de intensiteit van de uit-focus lichtstralen in het beeldvlak worden verlaagd bij het gebruik van een filter in vergelijking met het niet gebruiken van een filter, kunnen de genormaliseerde PSF’s verkregen met en zonder filter worden uitgezet op een zelfde grafiek, zoals bijvoorbeeld gedaan in Fig.5 en Fig.8. Men kan dan een verschil bepalen tussen de twee curves om te evalueren of de lichtstralen die niet in focus zijn, gereduceerd zijn. Als de curve van de genormaliseerde PSF verkregen met een filter, d.w.z. de volle lijn in het voorbeeld op Fig. 5 en Fig. 8,

onder de cruve ligt van de genormaliseerde PSF verkregen zonder een filter, d.w.z. de stippellijn in het voorbeeld in Fig.5 en Fig.8, dan wordt geconcludeerd dat de uit-focus lichtstralen worden verminderd.

Als de curve die wordt verkregen met filter niet helemaal onder de curve is die zonder filter is verkregen, bijvoorbeeld als de uiteinden van de staarten of sommige delen van de staart van de curve die met de filter is verkregen boven de curve ligt die zonder filter is verkregen, dan moet een nauwkeuriger vergelijking worden uitgevoerd door een integraalberekening uit te voeren, zoals hieronder besproken.

Ook als het PSF- intensiteitsprofiel in het beeldvlak niet axiaal symmetrisch zou zijn, moet een nauwkeurigere vergelijking worden gemaakt op basis van de hieronder beschreven integraal berekening.

Om een dergelijke nauwkeurigere vergelijking van intensiteiten van uit-focus lichtstralen te maken, kan een integraal van de genormaliseerde PSF'S verkregen met en zonder filter worden bepaald voor een aantal PSF'S binnen de EDOF en de corresponderende PSF'S kunnen worden vergeleken.

Als de integraal van de genormaliseerde PSF intensiteit waarden in het beeldvlak verkregen met een filter kleiner is dan de integraal van de corresponderende genormaliseerde PSF intensiteit waarden verkregen zonder filter, dan wordt geconcludeerd dat de uit-focus lichtstralen worden gereduceerd.

Een dergelijke integraal van de PSF moet worden opgevat als een oppervlakte integraal in het beeldvlak van de waargenomen genormaliseerde lichtintensiteiten.

Wanneer een axiaal-symmetrische genormaliseerde puntspreidings- functie PSF (r) wordt verondersteld dan kan de integraal worden uitgedrukt als: SS 2xmxrxPSF(Ddr, met r een radiale afstand tot de optische as.

Als alternatief, als de genormaliseerde PSF niet volledig axiaal-symmetrisch is, dan kan de integraal ook worden uitgedrukt als een oppervlakte integraal binnen het beeldvlak die gelijk is aan, ff PSF (x,y)dxdy, waarbij x en y de coördinaten zijn van een eerste X en een tweede as Y van een coördinatensysteem van het beeldvlak.

Om aan te tonen dat de reductie van het uit-focus licht wordt verkregen voor elk van de voorwerpsafstanden binnen de EDOF, kan de vergelijking worden uitgevoerd voor een aantal PSF’ S die voorwerpsafstanden binnen de EDOF hebben. De vergelijking kan bijvoorbeeld worden gedaan voor drie voorwerpsafstanden, de twee uiterste voorwerpsafstanden die de EDOF definiëren en één voorwerpsafstand in het midden van de EDOF.

Zoals hieronder verder wordt besproken, wordt het tweedimensionale lichttransmissieprofiel over het algemeen gespecificeerd met één of meer eendimensionale lichttransmissie curves T. In deze uitvoeringsvormen omvat de werkwijze voor het definiëren van het tweedimensionale lichttransmissieprofiel stappen van het iteratief veranderen van één of meerdere parameters van de één of meer eendimensionale lichttransmissie curves T die het tweedimensionale lichttransmissie profiel specificeren. En, voor een veelvoud van voorwerpsafstanden binnen de uitgebreide scherptediepte, omvat de werkwijze verdere stappen van, het bepalen met en zonder filter van een intensiteitsprofiel in het beeldvlak van een puntspreidings functie geassocieerd aan de voorwerpsafstand, het vergelijken van de intensiteitsprofielen van de puntspreidingsfuncties verkregen met en zonder filter, op basis van de vergelijking bepalen of een intensiteit van uit-focus lichtstralen bij gebruik van de filter wordt gereduceerd in vergelijking met een intensiteit van de uit- focus lichtstralen zonder gebruik van het filter.

Filter en filterproductie In uitvoeringsvormen is de filter een zogenaamde neutrale dichtheidsfilter. Verschillende fabrikanten bieden op maat gemaakte filters met een vereist transmissieprofiel. De filter is bijvoorbeeld gemaakt door een dun laagje van laag reflecterende chroom bovenop een glazen substraat toe te voegen. Het transmissieprofiel wordt vervolgens gemaakt door selectief de laag chroom te etsen, zodat de lokale optische dichtheid van de laag chroom overeenkomt met de gewenste transmissieverhouding.

In uitvoeringsvormen kan de filter worden samengesteld uit meerdere filterelementen waarbij elk filterelement bijdraagt tot de vorming van het lichttransmissieprofiel.

In andere uitvoeringsvormen wordt de filter gevormd door twee polariserende elementen en het gecombineerd gebruik van deze twee polariserende elementen maakt het mogelijk om een vereiste tweedimensionaal lichttransmissieprofiel te definiëren dat, zoals hierboven besproken, toelaat om voor elke voorwerpsafstand OD; binnen de uitgebreide scherptediepte, een intensiteit van uit-focus lichtstralen in het beeldvlak IP te verminderen in vergelijking met een intensiteit van uit-focus lichtstralen zonder de filter te gebruiken.

In optische apparaten die dergelijke polariserende elementen bevatten, wordt een eerste polariserend element geplaatst in een pupilvlak van het optisch apparaat en varieert de polarisatiehoek % van de invallende stralen tussen de 0° en 180°, waarbij de hoek © afhangt van de radiale afstand R ten opzichte van de referentieas k. Een tweede polariserend element wordt geplaatst tussen het eerste polariserende element en het beeldvlak IP van het optische apparaat, waar bijvoorbeeld een beeldsensor wordt geplaatst. Het tweede polariserende element bestaat uit een lineaire polarisator met een polarisatiehoek a. Het tweede element laat de binnenkomende stralen door afhankelijk van de polarisatierichting Û van de binnenkomende stralen en de polarisatierichting œ van het tweede element. In uitvoeringsvormen kan de resulterende transmissie van lichtstralen worden uitgedrukt volgens de vergelijking: T=cos(3-0)?2 . De polarisatiehoeken Î en @& van beide elementen worden zodanig gedefinieerd dat het vereiste transmissieprofiel wordt verkregen.

In alternatieve uitvoeringsvormen met een filter gevormd door twee polariserende elementen, wordt het eerste element op een pupilvlak van het optische apparaat geplaatst en wordt het tweede element tussen het eerste element en het voorwerp geplaatst. De transmissievergelijking blijft dezelfde, maar het eerste element vermindert nu de intensiteit van de stralen. Ook met deze uitvoeringsvorm wordt door het adequaat definiëren van de polarisatiehoeken voor beide elementen het vereiste transmissieprofiel verkregen.

Multifocale optische inrichtingen De uitvinding is niet beperkt tot een specifieke multifocale optische inrichting voor het uitbreiden van een scherptediepte die verder reikt dan de door refractie beperkte scherptediepte. Zoals hierboven besproken, kunnen twee belangrijke categorieën worden onderscheiden.

In uitvoeringsvormen wordt de multifocale inrichting zodanig geconfigureerd dat de eerste en de tweede voorwerpsafstand die de uiteinden van de EDOF definieert, corresponderen met respectievelijk een eerste en een tweede optische sterkte van het optisch apparaat. Het bereik van optische sterktes van het optisch apparaat wordt dan zodanig gedefinieerd dat de optische sterktes tussen de eerste en de tweede optische sterkte een subbereik vormen van het bereik van de optische sterktes van het multifocale apparaat. Met andere woorden, het bereik van optische sterktes van het optische apparaat is breder dan het bereik van optische sterktes die nodig zijn om de EDOF te beslaan.

De eerste categorie van multifocale apparaten omvat het gebruik van een straal-afhankelijke multifocale optische inrichting waarbij de optische sterkte varieert met een straal ten opzichte van de optische as van de multifocale inrichting. Bijvoorbeeld, wordt er in Zhai et al., waarnaar hierboven wordt verwezen, een axicon bekendgemaakt voor een uitgebreide scherptediepte. In octrooi US7593161B2 wordt een lens-axicon beschreven die is gemaakt van één of meerdere lenzen die zijn aangepast met een faseplaat om een vooraf bepaalde hoeveelheid sferische aberratie te genereren. Deze axicon-type multifocale optische inrichtingen zijn geschikt voor het optisch apparaat volgens de huidige uitvinding, waarbij een specifieke filter wordt gecombineerd met de multifocale optische inrichting om de puntspreidingsfuncties voor elk van de voorwerpsafstanden binnen de EDOF te wijzigen.

De eerste categorie van multifocale optische inrichtingen moet worden gebruikt met een filter met een ringvormig apertuur transmissieprofiel, zoals hieronder nader wordt besproken.

In uitvoeringsvormen zijn een eerste en een tweede straal van de straal-afhankelijke multifocale optische inrichting 30 geassocieerd aan respectievelijk de eerste en de tweede optische sterkte van het multifocale apparaat. Met andere woorden, een eerste brandpuntsafstand van de multifocale inrichting bij de eerste straal en een tweede brandpuntsafstand van de multifocale inrichting bij de tweede straal draagt bij aan respectievelijk de eerste en tweede optische sterkte van het optische apparaat dat wordt gevormd door het beeldvormend lenssysteem en de multifocale inrichting. Vandaar dat de multifocale inrichting zodanig is geconfigureerd dat het optische apparaat, dat wordt gevormd door de combinatie van het beeldvormend lenssysteem en de multifocale optische inrichting, het subbereik beslaat van optische sterktes dat is geassocieerd aan de EDOF, d.w.z. het subbereik van optische sterktes tussen de eerste en het tweede optische sterkte.

In uitvoeringsvormen waarbij de optische sterkte tussen de eerste en het tweede optische sterkte, d.w.z. de optische sterkte dat aan de EDOF is geassocieerd, een subbereik is van de totale optische sterkte van het optische apparaat, omvat de multifocale optische inrichting een derde en een vierde straal, zodat de derde straal kleiner is dan de eerste straal en de vierde straal groter is dan de tweede straal. Deze derde en vierde straal van de multifocale inrichting zijn dan geassocieerd aan de uiterste optische sterktes die het totale bereik van optische sterktes van het optische apparaat definiëren.

Met de tweede categorie multifocale optische inrichtingen, d.w.z. straal-onafhankelijke multifocale inrichtingen, treedt geen variatie op van de optische sterkte in functie van de straal. Een voorbeeld van een dergelijk multifocale optische inrichting is een TAG-lens zoals beschreven in US10101572B2.

Over het algemeen heeft de multifocale optische inrichting een bijbehorende optische as en in de uitvoeringsvorm getoond in Fig.9, valt de optische as van de multifocale optische inricting 30 samen met de optische as k van de filter 50 en valt ook samen met de optische as van het beeldvormend lenssysteem 20. In andere uitvoeringsvormen met bijvoorbeeld spiegels komt de optische as van de multifocale optische inrichting niet noodzakelijkerwijs overeen met de optische as van de filter

50. De vakman zal de vorm van de multifocale optische inrichting definiëren, bijvoorbeeld bij het ontwerpen van een axicon, als functie van de beeldvormingsvereisten in termen van de vereiste uitbreidingsverhouding voor de EDOF en de vereiste resolutie. Beschouw bijvoorbeeld een optisch apparaat dat een optische resolutie van 3.5 um vereist en een vergroting van een factor twee voor een voorwerp op een afstand van 50 mm van een eerste lensgroep van het beeldvormend lenssysteem, en gebruik makend van een 2/3" camerasensor in het beeldvlak IP van het optisch apparaat. De DOF voor een dergelijke configuratie bij het gebruik van een normaal camerasysteem zou 60 um zijn. Door echter een camerasysteem te gebruiken volgens de uitvinding met een multifocale optische inrichting zoals bijvoorbeeld een lineair axicon met een kegel hoek van 0.5° en een apertuur-stop met een diameter van 7.0 mm gelegen in de apex van de lineaire axicon, wordt een DOF uitbreidingsverhouding van 10 bereikt, met behoud van de vereiste resolutie over de DOF. Ringvormige apertuur transmissiecurves Zoals hierboven vermeld, wordt het tweedimensionale lichttransmissieprofiel over het algemeen gespecificeerd met één of meer eendimensionale lichttransmissie curves T. Als het tweedimensionale lichttransmissieprofiel axiaal- symmetrisch is, dan wordt de transmissie doorheen de filter gespecifieerd wordt door een enkele eendimensionale lichttransmissiecurve T. De eendimensionale lichttransmissiecurve T die aan de filter 50 is geassocieerd, kan volledig gespecificeerd worden door een transmissiewaarde uit te drukken in functie van een radiale afstand gemeten in een radiale richting R ten opzichte van de filter referentieas k geassocieerd met de filter 50. De waarde van de lichttransmissie kan een relatieve lichttransmissiewaarde zijn, bijvoorbeeld uitgedrukt als procentuele waarde tussen 0% en 100%. Een nultransmissie waarde komt overeen met het volledig blokkeren van het licht.

De lichttransmissiecurve T wordt bepaald door bijvoorbeeld de puntspreidingsfuncties te berekenen als functie van een voorwerpsafstand binnen de uitgebreide scherptediepte van het optische apparaat, met en zonder filter, en door parameters van de transmissiecurve van de filter te variëren en het iteratief herberekenen van de PSF's totdat een enkele optimale transmissiecurve wordt verkregen die het uit-focus licht voor elk van de voorwerpsafstanden binnen de EDOF verminderd.

De basisvormen en bijbehorende parameters van de transmissiecurves die geschikt zijn voor de filter worden hieronder besproken en de gedetailleerde parameters worden bepaald met inachtneming van het specifieke type van multifocale optische inrichting en de beeldvormingseigenschappen van het beeldvormend lenssysteem en de EDOF van het optische apparaat.

Een eerste type lichttransmissiecurves zijn ringvormige apertuur transmissiecurves.

Een ringvormige apertuur transmissiecurve moet worden opgevat als een transmissie curve waarbij ofwel een centraal gebied rond de optische as van de filter een nul lichttransmissie heeft, d.w.z. dat licht wordt geblokkeerd of waarbij een centraal gebied rond de optische as een transmissiewaarde heeft die veel lager is dan een maximale transmissie waarde bij een bepaalde straal, bijvoorbeeld gelijk aan of minder dan 20% van de maximale transmissiewaarde, zodat een ringvormige apertuur transmissiecurve wordt gevormd.

De ringvormige apertuur transmissiecurve is een curve die moet worden gebruikt met een multifocale optische inrichting van de eerste categorie van multifocale optische inrichtingen die hierboven zijn besproken. In sommige uitvoeringsvormen kan de ringvormige apertuur ook worden gebruikt in combinatie met een multifocale optische inrichting van de tweede categorie.

Verschillende voorbeelden van ringvormige transmissie curves worden weergegeven in Fig. 10a tot Fig. 10i. Zoals geïllustreerd in al deze figuren, bestaat de lichttransmissiecurve T uit een monotoon toenemend gedeelte dat gaat van een eerste lichttransmissie waarde Ti op een eerste radiale afstand rı tot een tweede lichttransmissie waarde T2 op een tweede radiale afstand ra, en een monotoon afnemend gedeelte van een derde lichttransmissie waarde T3 bij een derde radiale afstand r3 tot vierde lichttransmissie waarde Ta op een vierde radiale afstand ra. In deze uitvoeringsvormen zijn, r < r2 “ r3 < r4, met ri, ro, r3, ra respectievelijk de eerste, de tweede, de derde en de vierde radiale afstand, en T,/T, < 0.5 en T,/T3 SS 0.5 met Ti, T:2, T3 en T4 overeenkomend met respectievelijk de eerste, tweede, derde en vierde lichttransmissiewaarde.

In uitvoeringsvormen die een straal-afhankelijke multifocale inrichting omvatten, worden de eerste, tweede, derde en vierde radiale afstanden van de lichttransmissie- curve zodanig gedefinieerd dat lichtstralen die de multifocale optische inrichting bij de eerste straal onderscheppen of verlaten, de filter onderscheppen tussen de eerste ri en de tweede r2 radiale afstand en lichtstralen die de multifocale optische inrichting 30 bij de tweede straal onderscheppen of verlaten, onderscheppen de filter tussen de derde rs en de vierde r, radiale afstand. De eerste en tweede straal van de multifocale inrichting zijn

+1 BE2019/5772 de radii die zijn geassocieerd met de eerste en tweede optische sterkte dat het subbereik van optische sterktes definieert, zoals hierboven gedefinieerd. In Fig.10b, Fig. 10e, Fig.10h en Fig.10i, komt een delta-bereik van radiale afstanden, aangegeven door /ARror, overeen met de filter radiaal afstanden die worden onderschept door lichtstralen die bijdragen tot de EDOF.

In de uitvoeringsvormen getoond in Fig.l0a tot Fig.10i, is de hoge transmissie waarde ofwel gelijk aan T2 of aan Ts, verkregen bij respectievelijke straal r2 en r3. In uitvoeringsvormen zoals afgebeeld op Fig. 10b, Fig. 10c en Fig.10e tot Fig.10i, zijn de waarden Ta, of T3 gelijk.

Het monotoon toenemende gedeelte en het monotoon afnemende gedeelte van de lichttransmissiecurve is niet noodzakelijk een lineair stijgende of lineair afnemend gedeelte met radiale afstand. Inderdaad, de overgangen van de eerste naar de tweede radiale afstand en de overgangen van de derde naar de vierde radiale afstand kunnen ook een zachtere, niet-lineaire curve hebben, zoals geïllustreerd in Fig.10h en Fig.l10i.

In de uitvoeringsvormen weergegeven op Fig.l0a tot Fig.10i, is het monotoon toenemende gedeelte en het monotoon afnemende gedeelte respectievelijk een strikt monotoon toenemend gedeelte en een strikt monotoon afnemend gedeelte. Echter, in andere uitvoeringsvormen, zijn het monotoon toenemende gedeelte en het monotoon afnemende gedeelte niet noodzakelijkerwijs strikt monotoon toenemend of strikt monotoon afnemend. Bijvoorbeeld, het toenemende gedeelte van rı naar ra en het afnemende gedeelte van r3 naar ra kunnen geleidelijk worden uitgevoerd in kleine stapjes.

In uitvoeringsvormen is de lichttransmissie in een centraal gebied tussen de optische as k van de filter en de eerste radiale afstand ri binnen het volgende bereik: 0 < Trix [Fr] < 1.2 x Ti, met Trix [r] overeenkomend met de lichttransmissie in een gebied tussen de eerste radiale afstand en de optische as van de filter. In sommige uitvoeringsvormen, zoals bijvoorbeeld afgebeeld op Fig. 10a tot Fig.10e, is de lichttransmissie in het gehele centrale gebied tussen de optische as k van de filter en de eerste radiale afstand ri nul. Deze centrale obscuratie of sterke vermindering van lichtstralen afkomstig uit het middengebied rond de optische as, elimineert achtergrondlicht dat wordt verspreid over het gehele beeldvlak IP en dat niet bijdraagt aan de beeldvorming, bijvoorbeeld lichtstralen van buiten de EDOF-regio. De centrale obscuratie of sterke reductie van de lichttransmissie zorgt voor een hogere resolutie en een hoger contrast.

In uitvoeringsvormen, waarbij r2 < rs, is ofwel de lichttransmissie in een gebied tussen de tweede en de derde radiale afstand constant, d.w.z. met T2 = T3, of de lichttransmissie in deze regio is slechts verschillend met een kleine hoeveelheid. Een voorbeeld van een bereik is : 0.8 x (T2 + T3) /2 S Tra-ra[r] S 1.2 x (T2 + T3) /2, met Trz r3s[r] overeenkomend met de licht transmissie in de regio tussen de tweede en de derde radiale afstand. In andere uitvoeringsvormen is de lichttransmissie in de regio tussen de tweede en de derde radiale afstand in het volgende bereik: 0.9 x (T2 + T3)/2 S Tra-ra[r] S 1.1 x (T2 + T3)/2. In uitvoeringsvormen wordt de radiale breedte tussen ra en ri en de radiale breedte tussen r, en r3 geoptimaliseerd en deze breedten hebben optimale waarden bepaald in het volgende bereik: (r2-r1) / (ra r1) > 0.1 en/of (ra -r3) / (ra -r1) > 0.1. Deze breedtes zijn geoptimaliseerd ten opzichte van de vorm van de PSF verkregen voor verschillende voorwerps afstanden binnen de EDOF wanneer er geen filter wordt gebruikt. In andere uitvoeringsvormen hebben de radiale breedte tussen ra en r; en de radiale breedte tussen ra en r3 waarden in het bereik: (r2-r1) / (ra ri) > 0.2 en/of (ra-r3) / (ra-r1) > 0.2. In verdere uitvoeringsvormen kunnen deze breedten groter zijn, zodanig dat: (rz2-r1) / (ra-ri) > 0.3 en/of (ra4-r3) / (ra-ri) > 0.3.

In uitvoeringsvormen worden de transmissie waarden van T1 en Ts geoptimaliseerd met betrekking tot de transmissie waarden van Ta en T3; en worden de transmissiewaarden zodanig bepaald dat OS T1/Max(T2, T3)<0.5 en/of OST4/Max{(T2, T:)<0.5, met Max (T2,T3) zijde een functie die selecteert tussen de maximale waarde tussen T2 en Ts. In andere uitvoerings- vormen, O<T,/Max (T2, T3) <0.3 en/of OST,/Max (T2,T3)<0.3.

In uitvoeringsvorm is het tweedimensionale lichttransmissieprofiel axiaal-symmetrisch. Dit wordt geïllustreerd in Fig.15a, waarbij de radiale afstand ri en r4, die een radiale afstand is ten opzichte van de referentieas k, wordt uitgezet zoals waargenomen in een filter vlak Xr-Yr, waarbij het filter vlak orthogonaal is met de referentieas k die aan de filter is geassocieerd. In deze uitvoeringsvormen blijven voor elke dwarsdoorsnede van het lichttransmissieprofiel met een vlak dat de referentieas k omvat, de radiale afstanden ri en ra hetzelfde. In andere uitvoeringsvormen, zoals afgebeeld op Fig.15b en Fig.

15c, is de lichttransmissiecurve niet axiaal symmetrisch en kunnen de waarden rı en rı zoals waargenomen in het filter vlak Xr-Yr variëren. Voor deze uitvoeringsvormen moet meer dan één eendimensionale lichttransmissiecurve T worden gespecificeerd voor een aantal radiale richtingen om de gehele tweedimensionale lichttransmissie curve uit te drukken.

Open-apertuur transmissiecurves

Een transmissie curve met open apertuur moet worden opgevat als een transmissie curve waarbij de transmissie waarde op de optische as k van de filter een hoge transmissie waarde heeft. Voorbeelden van dergelijke curves worden afgebeeld op Fig.lla tot Fig.lld. De transmissie curve met open apertuur wordt bi] voorkeur gebruikt in combinatie met de tweede categorie multifocale optische apparaten die hierboven zijn besproken, bijvoorbeeld voor gebruik met een TAG-lens.

In elk van de uitvoeringsvormen getoond op Fig.lla tot Fig.lld, bestaat de lichttransmissie curve T uit een monotoon afnemend gedeelte dat gaat van een eerste lichttransmissie waarde T1 op een eerste radiale afstand r1 tot een tweede lichttransmissie waarde Ta, op een tweede radiale afstand r2 groter dan de eerste radiale afstand ri. De lichttransmissie in een gebied tussen de optische as k van de filter 50 en de eerste radiale afstand rı is bijvoorbeeld gelijk aan de eerste lichttransmissie waarde T1, zoals afgebeeld op Fig.lla en Fig.llc. In andere uitvoeringsvormen is de lichttransmissie in het gebied tussen de optische as k en de radiale afstand ri niet noodzakelijkerwijs constant en is een kleine variatie mogelijk, zoals geïllustreerd in Fig.11b. In uitvoeringsvormen is de lichttransmissie in deze regio bijvoorbeeld gelijk aan de eerste lichttransmissie waarde T1 binnen de 20%, bij voorkeur binnen de 10%. In de uitvoeringsvorm getoond in Fig.lld is de eerste radiale afstand nul en de eerste lichttransmissiewaarde komt overeen met de lichttransmissiewaarde die op de optische as k van de filter wordt waargenomen.

In uitvoeringsvormen worden de eerste en de tweede radiale afstand zodanig geoptimaliseerd dat 0.2 < (r2-r1) /r2

< 1, bij voorkeur 0.4 < (r2-r1)/r2 S 1, met meer voorkeur 0.6 <(r2-r1) /ra € 1. Om de reductie van het uit-focus licht in het beeldvlak te optimaliseren, worden de transmissiewaarden T1 en T: verder geoptimaliseerd, zodanig dat 0 < (T2/T1) < 0.5, bij voorkeur 0 € (T2/Ti) < 0.3, met meer voorkeur O £ (T2/Ti)<

0.1. Beelvormend lenssysteem Zoals hierboven vermeld, moet het beeldvormend lenssysteem van het optisch apparaat volgens de huidige beschrijving worden opgevat als elk lenssysteem dat geschikt is voor het ontvangen van lichtstralen afkomstig van punten van een voorwerp of afkomstig van een intermediair beeld van een voorwerp en voor het scherpstellen van de ontvangen lichtstralen in een beeldvlak IP. Meer specifiek, ontvangt het beeldvormend lenssysteem kegels van lichtstralen afkomstig van punten van een voorwerp of landschap en het beeldvormend lenssysteem brengt vervolgens deze kegels van lichtstralen over op de beeldsensor waar ze worden gefocusseerd en waar een omgekeerde beeld van het voorwerp of het landschap wordt gevormd. Welke kegels van lichtstralen door het lenssysteem worden geaccepteerd, wordt bepaald door de pupil van het lenssysteem.

In uitvoeringsvormen, zoals schematisch afgebeeld in Fig.13, omvat het beeldvormend lenssysteem een eerste lens groep 20a die is geconfigureerd voor het ontvangen van kegels 5a, 5b, 5c van lichtstralen afkomstig uit punten van het voorwerp 3a, 3b, 3c of van het tussenliggende beeld van een voorwerp en voor het overbrengen van de kegels 5a, 5b, 5c naar de multifocale optische inrichting 30. Een tweede lensgroep 20b is geconfigureerd voor, voor elk van de kegels 5a, 5b, 5c van lichtstralen overgebracht naar de multifocale optische inrichting 30, het ontvangen van lichtstralen 5a', 5b', Sc! doorgelaten doorheen de multifocale optische inrichting 30, en het focussen van de doorgelatein lichtstralen 5a', 5b’, 5c' naar het beeldvlak IP voor het vormen van het beeld van het voorwerp.

In uitvoeringsvormen, zoals geïllustreerd in Fig.13, omvat de tweede lens groep 20b een voorste brandvlak FFP: dat samenvalt met een pupilvlak PP om om die manier een beeld- telecentrisch lenssysteem te vormen. Met andere woorden, de filter wordt geplaatst op een afstand gelijk aan de voorste brandpuntsafstand f2+ van de tweede lens groep. Het voordeel van het gebruiken van een telecentrische beeldvormende lens, is dat ongeacht de voorwerpsafstand binnen de EDOF, er geen variatie in de vergroting van het voorwerp dat wordt afgebeeld.

In uitvoeringsvorm zijn de eerste lens groep 20a en een deel van de multifocale optische inrichting 30 geconfigureerd voor het vormen van een gecombineerd focal vlak CFP dat samenvalt met het pupilvlak PP waar de filter wordt geplaatst. Op deze manier wordt een voorwerp- telecentrische lens gevormd.

Met het optische apparaat volgens de uitvinding bestaande uit een multifocale optische inrichting, worden elk van de puntvoorwerpen 3a, 3b, 3c schematisch weergegeven in Fig.13, gefocussed op overeenkomstige lijnsegmenten La, Lo en Le die in wezen parallel met de optische as k lopen, in het geval van een beeld-telecentrische opstelling zoals hierboven besproken. Zoals schematisch afgebeeld in Fig.13, bevinden deze drie lijnsegmenten La, Lo en Le zich op een andere positie ten opzichte van het beeldvlak IP. Een voorwerp dat zich verder van de eerste lensgroep bevindt binnen de uitgebreide scherptediepte, zoals puntvoorwerp 3a, resulteert in een lijnsegment dat zich dichter bij de

+7 BE2019/5772 tweede lensgroep bevindt dan het resulterende lijnsegment van een voorwerp dat zich dichter bij de eerste lensgroep bevindt, zoals puntvoorwerp 3b. Het nemen van twee voorwerpen die elk zich aan een uiteinde van de scherptediepte bevinden, zoals bijvoorbeeld de voorwerpen 3a en 3b in Fig.13, resulteert in twee lijnsegmenten die elkaar deels overlappen. Het beeldvlak IP, waarbij bijvoorbeeld een sensor van een camera kan worden geplaatst, bevindt zich bij voorkeur in het midden van dit overlappende gebied.

Voor elk van de lijnsegmenten wordt het beginpunt van het lijnsegment bepaald door de positie van het brandpunt dat zich het dichtst bij de tweede lensgroep bevindt dat nog steeds leidt tot een bevredigende resolutie. Deze resolutie wordt bepaald door analyse van de PSF op een speciaal software platform, of door analytische vergelijkingen. Het eindpunt van het lijnsegment wordt op soortgelijke wijze gedefinieerd door de positie van het brandpunt te bepalen met een bevredigende resolutie die het verst van de tweede lensgroep verwijderd ligt.

Locatie van de filter In uitvoeringsvorm valt de filter van het optische apparaat volgens de uitvinding bij voorkeur samen met een pupilvlak of grenzend aan een pupilvlak van het beeldvormend lenssysteem.

Zoals bekend in de stand van de techniek, omvat elk beeldvormend lenssysteem ten minste één pupilvlak die loodrecht staat op een optische as van het lenssysteem en die een locatie langs de optische as definieert waarin een echte pupil of een afbeelding van een pupil wordt gevormd. Een voorbeeld van een pupilvlak is het vlak waarin een apertuur-stop wordt geplaatst. Een apertuur-stop is bijvoorbeeld een ringvormig element of een diafragma dat een opening vormt en die een acceptatie kegelhoek definieert voor een kegel van lichtstralen met een kegelas die samenvalt met de optische as van het beeldvormend lenssysteem. De opening die wordt gevormd door de apertuur-stop wordt over het algemeen een bepalende pupil of een echte pupil genoemd.

Afhankelijk van de specifieke uitvoeringsvorm van het beeldvormend lenssysteem en de locatie van de apertuur-stop met betrekking tot de lenzen van het lenssysteem, kan de apertuur-stop afgebeeld worden langs het lenssysteem op een of meer posities langs de optische as om zo afgebeelde pupils te vormen en dus bijkomende pupilvlakken te vormen. Er kan bijvoorbeeld een apertuur-stop worden geplaatst bij de ingang van het lenssysteem en afgebeeld worden op een pupilvlak van het lenssysteem dat zich langs de optische as bevindt.

In optica wordt een pupilvlak over het algemeen gedefinieerd als een vlak waarin de zogenaamde hoofdstralen van de beeldvormende lichtkegels zich kruisen op de optische as. De hoofdstralen kunnen worden beschouwd als overeenkomend met de centrale straal van de beeldvormende lichtkegels. Met andere woorden, op de pupilvlakken hebben alle beeldvormende kegels, d.w.z. lichtkegels die door het lenssysteem worden geaccepteerd, een gemeenschappelijke kegelsnede bij het kruisen van een pupilvlak.

Vandaar dat het beeldvormend lenssysteem van het optische apparaat volgens de uitvinding ten minste een pupilvlak PP omvat dat, zoals afgebeeld op Fig.9, de filter 50 kruist of grenst aan de filter 50. Zoals hierboven vermeld, definieert het pupilvlak een locatie langs de optische as van de filter waarin een pupil wordt gevormd. Het pupilvlak waar de filter 50 wordt geplaatst, kan een pupilvlak stroomopwaarts of stroomafwaarts van de multifocale inrichting zijn.

In uitvoeringsvormen vormt de filter 50 een apertuur-stop die de pupil in het pupilvlak PP definieert. Met andere woorden, de buitenste radiale afstand in de transmissiecurve T waar de transmissiewaarde nul wordt, definieert de binnenste radiale grens van de apertuur-stop.

Bij gebruik van een multifocale inrichting is een pupilvlak over het algemeen aangrenzend aan of kruist het de multifocale inrichting. In uitvoeringsvormen waarbij een axicon wordt gebruikt als een multifocale inrichting, kan het pupilvlak bijvoorbeeld de optische as van de multifocale inrichting kruisen bij de apex van het axicon. De filter 50 kan vervolgens worden geplaatst in hetzelfde pupilvlak dat de apex van de axicon kruist. In andere uitvoeringsvormen kan de filter op een ander pupilvlak stroomopwaarts of stroomafwaarts van de axicon worden geplaatst.

In een uitvoeringsvorm waarin een TAG-lens wordt gebruikt als een multifocale inrichting, moet de filter 50 ook in een pupilvlak worden geplaatst. Bijvoorbeeld voor de uitvoeringsvorm van een optisch apparaat bestaande uit een TAG-lens zoals afgebeeld op Fig.3 van octrooidocument US10101572B2, kan de filter 50 bijvoorbeeld worden geplaatst in een pupilvlak bestaande tussen de objectieflens en de TAG-lens.

In uitvoeringsvormen waarin de filter 50 bestaat uit meerdere filterelementen die bijdragen tot het tweedimensionale transmissieprofiel van de filter, kan een eerste filterelement bijvoorbeeld in een eerste pupil vlak worden gelocaliseerd zijn en een tweede filterelement kan gelocaliseerd zijn in een tweede pupilvlak.

Optisch apparaat met middelen voor het verminderen van astigmatisme

In sommige uitvoeringsvormen bestaat het optische apparaat 1 volgens de uitvinding bijkomend uit middelen astigmatisme te verminderen, wat een aberratie is als gevolg van het gebruik van de multifocale optische inrichting 30. In uitvoeringsvormen omvat het optische apparaat 1 een plano- concave lens 35 stroomopwaarts of stroomafwaarts van de multifocale optische inrichting 30, zoals schematisch wordt geïllustreerd in Fig.12a en Fig.12b.

In uitvoeringsvormen kan het optische apparaat meerdere plano-concave lenzen bevatten, bijvoorbeeld een eerste en tweede plano-concave lens die respectievelijk stroomopwaarts en stroomafwaarts van de multifocale inrichting is gepositioneerd.

In andere uitvoeringsvormen, waarbij de multifocale optische inrichting een axicon omvat, bestaat de axicon uit een oppervlak 35a met een plano-concave vorm zoals afgebeeld in Fig.12c.

In sommige uitvoeringsvormen kan de filter 50 worden bevestigd aan de plano-concave lens 35. Toepassingen Het optische apparaat volgens de uitvinding is vooral geschikt om te gebruiken met een camerasysteem.

Een dergelijk camerasysteem bestaat naast het optische apparaat volgens de uitvinding, uit een beeldsensor zodanig geconfigureerd dat het beeldvlak IP van het beeldvormend lenssysteem 20 samenvalt met een detectievlak van de beeldsensor.

De camera omvat verder een beeld- verwerkingseenheid dat een deconvolutie-algoritme omvat voor het verwerken van een op het detectievlak verkregen beeld en voor het afleveren van een gedeconvolueerd beeld.

In uitvoeringsvormen omvat de beeldverwerkingseenheid gegevens, bijvoorbeeld opgeslagen in een geheugen van de verwerkingseenheid, die een model puntspreidingsfunctie voorstellen. In uitvoeringsvormen is de verwerkingseenheid geconfigureerd voor het genereren van een wiskundige vergelijking die een model van de puntspreidingsfunctie voorstelt. De wiskundige vergelijking kan bijvoorbeeld gebruik maken van de gegevens die zijn geassocieerd aan de model puntspreidingsfunctie. In uitvoeringsvormen komt de gemiddelde model puntspreidingsfunctie, die gebruikt wordt door de verwerkingseenheid voor het uitvoeren van de deconvolutie, overeen met een gemiddelde van verschillende puntspreidingsfuncties PSF; geassocieerd aan verschillende voorwerpsafstanden OD; binnen de uitgebreide scherptediepte.

De beeldsensor van het camerasysteem volgens de uitvinding bestaat meestal uit een CCD of een CMOS-apparaat dat tot de stand van de techniek behoort. De pixels van de sensor van het CCD-of CMOS-apparaat zijn bij voorkeur gerangschikt als een tweedimensionale array. Als alternatief kan, afhankelijk van de specifieke toepassing van de camera, ook een eendimensionale array worden gebruikt.

De beeldverwerkingseenheid van de camera bestaat meestal uit een gegevensverwerker en een geheugen voor het opslaan van een softwareprogramma en de gegevens die de puntspreidingsfunctie voorstellen. Bij voorkeur omvat de beeldverwerkingseenheid ook een scherm, zoals een LCD-scherm of een ander type scherm, voor het visualiseren van het beeld dat na deconvolutie is verkregen.

Met het camerasysteem volgens de uitvinding, kan de puntspreidingsfunctie worden benaderd door één enkele wiskundige vergelijking. Inderdaad, met het camerasysteem volgens de uitvinding, is de PSF, nodig om een deconvolutie van de afbeelding verkregen in het beeldvlak uit te voeren, dezelfde, onafhankelijk van de voorwerpsafstand binnen de EDOF. Op deze manier wordt de wiskundige benadering om het gedeconvolueerde beeld te verkrijgen vereenvoudigd en wordt de berekeningssnelheid verhoogd.

Door het optimaliseren van de transmissiecurve van de filter, heeft, in sommige uitvoeringsvormen, de afbeelding verkregen in het beeldvlak voldoende resolutie en contrast en hoeft het niet te worden gedeconvolueerd.

Het optische apparaat volgens de uitvinding kan op voordelige wijze worden gekoppeld aan bijvoorbeeld een telescoop of een microscoop. In deze uitvoeringsvormen genereert de telescoop of de microscoop een intermediair optisch beeld dat vervolgens verder wordt afgebeeld, met het beeldvormend lenssysteem van het optische apparaat volgens de huidige uitvinding, in het beeldvlak. In deze uitvoeringsvormen kan het optische apparaat volgens de uitvinding worden beschouwd als een uitbreidingsmodule om te worden gekoppeld aan een bestaand optisch instrument zoals een telescoop of een microscoop.

Een voorbeeld van een telescopisch systeem 300 bestaande uit een telescoop lensgroep 200 en een optisch apparaat volgens de uitvinding wordt schematisch afgebeeld in Fig.14. In dit voorbeeld bestaat de telescoop lensgroep 200 uit een objectief lens 210 met een objectief beeldvlak IMPors en een tussenliggende lens 220 die een intermediair beeld vormt op een beeldvlak IMP. Deze intermediaire afbeelding wordt vervolgens verder afgebeeld door het lenssysteem 20a, 20b van het optische apparaat volgens de uitvinding om een resulterende afbeelding in een beeldvlak IP te vormen. In het voorbeeld op Fig.14 bevindt zich een beeldsensor 40 op het beeldvlak IP voor het verkrijgen van de resulterende afbeelding. Vele alternatieve uitvoeringsvormen kunnen worden gerealiseerd. De tussenliggende lens 220 kan bijvoorbeeld een lens zijn die het oogstuk van de telescoop vervangt of het kan een extra lens zijn naast het oogstuk van de telescoop en worden geconfigureerd om, in combinatie met het oogstuk, een intermediair beeld te creëren op het beeldvlak IMP. In het voorbeeld in Fig.14, bestaat de telescoop lensgroep 200 uit een apertuur-stop 55 bij de ingang van de telescoop die de ingangspupil van de telescoop definieert. Vandaar, in dit voorbeeld, is het niet nodig om een speciale apertuur-stop in het optische apparaat volgens de uitvinding te zetten, alleen de filter 50 met een filter transmissieprofiel zoals hierboven besproken moet worden geïnstalleerd. In dit voorbeeld komt de pupil, die in het pupilvlak PP van het optisch apparaat 1 volgens de uitvinding is gevormd, overeen met een afbeelding van de apertuur-stop 55 van de telescoop lensgroep 200. In deze uitvoeringsvorm wordt de afmeting van de filter en het transmissieprofiel van de filter geconfigureerd in overeenstemming met het beeld van de apertuur-stop van de telescoop.

De onderhavige uitvinding is beschreven in termen van specifieke uitvoeringsvormen, die illustratief zijn voor de uitvinding en niet als beperkend moeten worden opgevat.

Vakmannen zullen begrijpen dat de huidige uitvinding niet wordt beperkt door wat in het bijzonder is aangetoond en/of beschreven en dat alternatieven of gewijzigde uitvoeringsvormen kunnen worden ontwikkeld in het licht van de algemene leer van deze bekendmaking. Het gebruik van het werkwoord "omvatten", evenals de respectievelijke vervoegingen, sluit de aanwezigheid van andere elementen dan deze vermeld niet uit. Het gebruik van het artikel "een", "het" of "de" voorafgaand aan een element sluit de aanwezigheid van een veelvoud van dergelijke elementen niet uit.

Claims

Conclusies

1. Een werkwijze voor het verkrijgen van een beeld met een uitgebreide scherptediepte tussen een eerste voorwerpsafstand en een tweede voorwerpsafstand, de werkwijze omvat: e gebruik maken van een optisch apparaat (1) om in een beeldvlak (IP) een beeld te vormen van een voorwerp of van een intermediair beeld van een voorwerp, en waarbij het optische apparaat (1) bestaat uit een beeldvormend lenssysteem (20) en een multifocale optische inrichting (30), e gebruik maken van de multifocale optische inrichting (30) om een optische sterkte van het optisch apparaat (1) te variëren binnen een bereik van optische sterktes zodat een beeld gevormd in het beeldvlak (IP) overeenkomt met een sommatie van beelden verkregen met verschillende optische sterktes, en waarbij het genoemde bereik van optische sterktes is gedefinieerd in relatie tot de genoemde uitgebreide scherptediepte, met het kenmerk dat de genoemde werkwijze verder omvat: e het moduleren van een amplitude van lichtstralen doorgelaten doorheen de multifocale optische inrichting (30) door gebruik te maken van een filter (50), en waarbij een tweedimensionaal lichttransmissieprofiel geassocieerd aan de filter (50) een relatieve lichttransmissie doorheen de filter uitdrukt, e het definiëren van het tweedimensionale lichttransmissieprofiel zodanig dat voor elke voorwerpsafstand (ODi) binnen de uitgebreide scherptediepte, een puntspreidingsfunctie (PSF;) geassocieerd aan de voorwerpsafstand (OD;) een

>> BE2019/5772 intensiteit van uit-focus lichtstralen heeft in het beeldvlak (IP) die gereduceerd is in vergelijking met een intensiteit van uit-focus lichtstralen wanneer de filter niet wordt gebruikt.

2. Een werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het genoemde tweedimensionale lichttransmissieprofiel wordt gespecificeerd met één of meerdere eendimensionale lichttransmissiecurves (T), en waarbij elke eendimensionale lichttransmissiecurve (T) een relatieve lichttransmissie uitdrukt doorheen de filter als functie van een radiale afstand gemeten in een radiale richting (R) ten opzichte van een filterreferentie-as (k), de werkwijze omvat e het definiëren van het tweedimensionale lichttransmissieprofiel zodanig dat elk van de één of meerdere eendimensionale lichttransmissiecurves (T) omvat a) een monotoon toenemend gedeelte dat van een eerste lichttransmissiewaarde (T1) op een eerste radiale afstand (ri) naar een tweede lichttransmissiewaarde (T2) op een tweede radiale afstand (r2) gaat, b) een monotoon afnemend gedeelte dat van een derde lichttransmissiewaarde (T3) op een derde radiale afstand (rs) tot een vierde lichttransmissiewaarde (T4) op een vierde radiale afstand (r4) gaat, en waarbij ri < r2S r3 < Tra, met ri, ro, rs, Fa respectievelijk zijnde de eerste, de tweede, de derde en de vierde radiale afstand, en waarbij T:1/T2 S 0.5 en T4/T3 S 0.5 met Ti, T2, Ts en T4 overeenkomend met respectievelijk de eerste, tweede, derde en vierde lichttransmissiewaarde.

3. Een werkwijze volgens conclusie 2, waarbij de lichttransmissie in een gebied tussen de filterreferentie-as (k) van de filter en de eerste radiale afstand (r1) binnen een bereik ligt: O € Trrr[r] S 1.2 x Ti, waarbij Tr1x[r] overeenkomt met de genoemde transmissie in een gebied tussen de eerste radiale afstand (rl) en de filterreferentie-as (k) van de filter.

4. Een werkwijze volgens conclusie 2 of conclusie 3, waarbij de eerste, tweede, derde en vierde radiale afstanden zodanig worden bepaald dat (r2-ri) / (ra-ri) > 0.1 en/of (r,—r3)/(ra—ri) > 0.1, bij voorkeur, (r2-r1) / (ra4-r1) > 0.2 en/of (ra4-r13) / (rar) > 0.2 met meer voorkeur, (r2-r1) / (ra4-ri) > 0.3 en/of (r4-r3) / (r4-r1) > 0.3.

5. Een werkwijze volgens één van de conclusies 2 tot 4, waarbij de eerste, tweede en derde lichttransmissiewaarde zodanig worden bepaald dat 0 < Ti/max(T2,T3) < 0.5 en O0 < T,/max (T2, T3) < 0.5, bij voorkeur, 0 < T1i/max(T:,T3) < 0.3 en 0 < T,/max (T2, T3) < 0.3, en waarbij max (T2,T3) een functie is die de maximale waarde tussen T2 en T3 selecteert.

6. Fen werkwijze volgens één van de conclusies 2 tot 5, waarbij de genoemde eerste en de genoemde tweede voorwerpsafstand overeenkomen met respectievelijk een eerste en een tweede optische sterkte van het optisch apparaat, en waarbij de werkwijze omvat e het definiëren van het genoemde bereik van optische sterktes zodanig dat optische sterktes tussen genoemde eerste en tweede optische sterkte een subbereik vormen van het genoemd bereik van optische sterktes.

7. Een werkwijze volgens conclusie 6, waarbij de multifocale optische inrichting (30) een straalafhankelijk multifocale optische inrichting is die een brandpuntsafstand heeft die varieert met een straal ten opzichte van een optische as van de multifocale optische inrichting, en waarbij een eerste brandpuntsafstand van de multifocale inrichting bij een eerste straal en een tweede brandpuntsafstand van de multifocale inrichting bij een tweede straal bijdragen tot respectievelijk de eerste en de tweede optische sterkte van het optisch apparaat, en waarbij de eerste straal kleiner is dan de tweede straal.

8. Een werkwijze volgens conclusie 7, verder omvattende e het definiëren van genoemde eerste, tweede, derde en vierde radiale afstanden van de één of meer eendimensionale lichttransmissiecurves (T) zodanig dat lichtstralen die de multifocale optische inrichting (30) onderscheppen of verlaten bij genoemde eerste straal, de filter (50) onderscheppen tussen de eerste (ri) en de tweede (r2) radiale afstand en lichtstralen die genoemde multifocale optische inrichting (30) bij genoemde tweede straal onderscheppen of verlaten,

de filter tussen de derde (rs) en vierde (ra) radiale afstand onderscheppen.

9. Fen werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies waarbij de genoemde multifocale optische inrichting een axicon omvat zoals een lineaire axicon of een logaritmische axicon.

10. Een werkwijze volgens conclusie 1, waarbij het tweedimensionale lichttransmissieprofiel wordt gespecificeerd met een of meer eendimensionale lichttransmissiecurves (T), en waarbij elke eendimensionale lichttransmissiecurve (T) een relatieve lichttransmissie uitdrukt doorheen de filter als functie van een radiale afstand gemeten in een radiale richting (R) ten opzichte van een filterreferentie-as (k), de werkwijze omvat e het definiëren van het tweedimensionale lichttransmissieprofiel zodanig dat elk van de één of meer eendimensionale lichttransmissiecurves (T) een monotoon afnemend gedeelte omvat dat gaat van een eerste lichttransmissiewaarde (T1) op een eerste radiale afstand (ri) tot een tweede lichttransmissiewaarde (Ta) op een tweede radiale afstand (r2) groter dan genoemde eerste radiale afstand (ri), en waarbij T2/T; © 0.5 met T1 en T2 zijnde respectievelijk genoemde eerste en tweede lichttransmissiewaarde, bij voorkeur is een lichttransmissie in een gebied tussen de filterreferentie-as (k) van de filter (50) en de eerste radiale afstand (r1) gelijk aan de eerste lichttransmissiewaarde (T1) of gelijk aan de

> BE2019/5772 eerste lichttransmissiewaarde (Ti) binnen de 20%, bij voorkeur binnen de 10%.

11. Een werkwijze volgens conclusie 10 waarbij

12. Een werkwijze volgens conclusie 10 of conclusie 11 waarbij 0 € (T2a/T1i) < 0.5, bij voorkeur 0 S (T2/T1) < 0.3, met meer voorkeur 0 S (T2/T1) < 0.1, en waarbij T1 en T2 overeenkomen met respectievelijk de genoemde eerste en tweede lichttransmissiewaarde.

13. Een werkwijze volgens één van de conclusies 1 tot 6 of volgens één van de conclusies 10 tot 12, waarbij de multifocale optische inrichting (30) een straalonafhankelijke multifocale optische inrichting is, bij voorkeur is de straalonafhankelijke multifocale optische inrichting één van: een instelbare akoestische gradiëntlens, een diffractielens, een vloeibare lens of een lens met chromatische aberratie.

14. Een werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies waarbij het genoemde optisch apparaat een uitbreidingsverhouding van ten minste een factor 3, bij voorkeur ten minste een factor 5, heeft, en waarbij de uitbreidingsverhouding wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de genoemde uitgebreide scherptediepte en een door diffractie beperkte scherptediepte verkregen met een beeldvormend lenssysteem zonder een multifocale optische inrichting maar met een zelfde optische resolutie als het optisch apparaat met de uitgebreide scherptediepte.

15. Een werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies omvattende: e het deconvolueren van het beeld gevormd in het beeldvlak (IP) met behulp van een deconvolutie- algoritme, en waarbij het deconvolutie-algoritme gegevens gebruikt die een model van een spreidingsfunctie uitdrukken of een mathematische benadering gebruikt die een model van een puntspreidingsfunctie uitdrukt, en waarbij het model van de puntspreidingsfunctie representatief is voor elk van de verschillende puntspreidingsfuncties (PSF;) geassocieerd met de verschillende voorwerpafstanden (OD;) binnen de uitgebreide scherptediepte.

16. Een werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies waarbij het tweedimensionale lichttransmissieprofiel wordt gespecificeerd met één of meer eendimensionale lichttransmissiecurves (T), en waarbij het definiëren van het tweedimensionale lichttransmissieprofiel omvat e het iteratief variëren van een of meer parameters van de één of meer eendimensionale lichttransmissiecurves (T) die het tweedimensionale lichttransmissieprofiel specificeren, en e voor een aantal voorwerpafstanden binnen de uitgebreide scherptediepte, het bepalen in het beeldvlak, met en zonder filter, van een intensiteitsprofiel van een puntspreidingsfunctie geassocieerd met de voorwerpafstand, het vergelijken van de bekomen intensiteitsprofielen van de puntspreidingsfuncties verkregen met en zonder filter, uit genoemde vergelijking bepalen of een intensiteit van uit-focus lichtstralen bij gebruik van de filter verminderd is in vergelijking met een intensiteit van uit-focus lichtstralen zonder gebruik van de filter.

17. Een werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies waarbij het tweedimensionale lichttransmissieprofiel zodanig is gedefinieerd dat bij gebruik van de filter, voor elke voorwerpsafstand (OD;) binnen de uitgebreide scherptediepte een oppervlakte-integraal in het beeldvlak (IP) van een genormaliseerde puntspreidingsfunctie geassocieerd met de voorwerpsafstand (OD;) kleiner is dan een oppervlakte- integraal van een overeenkomstige genormaliseerde puntspreidingsfunctie verkregen zonder de filter te gebruiken.

18. Een optisch apparaat (1) om in een beeldvlak (IP) een beeld te vormen van een voorwerp of van een intermediaire beeld van een voorwerp, en voor het verkrijgen van een beeld met een uitgebreide scherptediepte tussen een eerste voorwerpsafstand en een tweede voorwerpsafstand, het optisch apparaat omvattende e een beeldvormend lenssysteem (20), e een multifocale optische inrichting (30) samengesteld voor het variëren van een optische sterkte van het optisch apparaat (1) binnen een bereik van optische sterktes zodat een beeld gevormd in het beeldvlak overeenkomt met een sommatie van beelden verkregen met verschillende optische sterktes, en waarbij genoemd bereik van optische sterktes wordt gedefinieerd in relatie tot genoemde uitgebreide scherptediepte, met het kenmerk dat het genoemde optisch apparaat (1) omvat e een filter (50) samengesteld voor het moduleren van een amplitude van lichtstralen doorgelaten doorheen de multifocale optische inrichting (30), en waarbij een tweedimensionaal lichttransmissieprofiel geassocieerd met de filter een relatieve lichttransmissie door de filter uitdrukt, en dat het tweedimensionale lichttransmissieprofiel zodanig is samengesteld dat voor elk van de voorwerpsafstanden (OD;) binnen de uitgebreide scherptediepte, een puntspreidingsfunctie (PSF;) geassocieerd met de voorwerpsafstand (OD;) een intensiteit heeft van uit-focus lichtstralen in het beeldvlak die gereduceerd is in vergelijking met een intensiteit van uit-focus lichtstralen zonder de filter.

19. Een optisch apparaat volgens conclusie 18, waarbij het tweedimensionale lichttransmissieprofiel is gespecificeerd met één of meer eendimensionale lichttransmissiecurves (T), en waarbij elke eendimensionale lichttransmissiecurve (T) een relatieve lichttransmissie doorheen de filter uitdrukt als functie van een radiale afstand gemeten in een radiale richting (R) ten opzichte van een filterreferentie-as (k), en waarbij elk van de één of meer eendimensionale lichttransmissiecurves (T) omvat a) een monotoon toenemend gedeelte dat van een eerste lichttransmissiewaarde (T1) op een eerste radiale afstand (ri) naar een tweede lichttransmissiewaarde (T2) op een tweede radiale afstand (ra) gaat, b) een monotoon afnemend gedeelte dat gaat van een derde lichttransmissiewaarde (Ts) op een derde radiale afstand (rs) naar een vierde lichttransmissiewaarde (T:) op een vierde radiale afstand (rs) en waarbij ri < r2S r3< Tra, met ri, ro, rs, rı zijde respectievelijk de eerste, de tweede, de derde en de vierde radiale afstand, en waarbij T1/T, S 0.5 en Ta4/T3 < 0.5 met Ti,T,,T3 en T4 overeenkomend met respectievelijk de eerste, tweede, derde en vierde lichttransmissiewaarde.

20. Een optisch apparaat volgens conclusie 19 waarbij de lichttransmissie in een gebied tussen de filterreferentie-as (k) van de filter en de eerste radiale afstand (ri) binnen een bereik ligt: O € Trixkl[r] S 1.2 x Ti, waarbij Tr1x[r] overeenkomt met de genoemde lichttransmissie in een gebied tussen de eerste radiale afstand en de filterreferentie-as van de filter.

21. Een optisch apparaat volgens conclusie 19 of conclusie 20 waarbij ra < r3 en waarbij een lichttransmissie in een gebied tussen de tweede en de derde radiale afstand in een bereik ligt tussen:

0.8 x(T2 + T3) /2 S Tra-ra[r] S 1.2 x(T2 + T3)/2, bij voorkeur in een bereik:

0.9 x(T2 + T3) /2 S Tra-ra[r] S 1.1 x(T2 + Ts) /2,

met Tr2-r3a[r] overeenkomend met de genoemde lichttransmissie in een gebied tussen de tweede en derde radiale afstand.

22. Een optisch apparaat volgens één van conclusies 19 tot 21 waarbij (r2-rı) / (ra ri) > 0.1 en/of (ra-rı)/(ra-rı) > 0.1; bij voorkeur, (r2-rı) /(ra-rı) > 0.2 en/of (ra r3) / (r4-r1) > 0.2; met meer voorkeur, (r2-r1) / (ra-r1) > 0.3 en/of (r,-r3)/(ra-ri) > 0.3 .

23. Een optisch apparaat volgens één van conclusies 19 tot 22 waarbij 0 < Ti/max(T2,T3) < 0.5 en 0 < T4/max (T2, T3) < 0.5, bij voorkeur, 0 < Ti/max(T2,T3) < 0.3 en 0 < T,/max (T2, T3) < 0.3, en waarbij max (T2,T3) een functie is die een maximum waarde selecteert tussen Ta en Ts.

24. Een optisch apparaat volgens één van conclusies 19 tot 23 waarbij de genoemde eerste en tweede voorwerpsafstand overeenkomen met respectievelijk een eerste en een tweede optische sterkte van het optisch apparaat, en waarbij de optische sterktes tussen genoemde eerste en tweede optische sterkte een subbereik vormen van optische sterktes van het genoemd bereik van optische sterktes.

25. Een optisch apparaat volgens conclusie 24, waarbij de multifocale optische inrichting (30) een straalafhankelijke multifocale optische inrichting is met een brandpuntsafstand die varieert met een straal ten opzichte van een optische as van de multifocale optische inrichting, en waarbij een eerste brandpuntsafstand van de multifocale optische inrichting bij een eerste straal en een tweede brandpuntsafstand van de multifocale optische inrichting bij een tweede straal bijdragen tot respectievelijk de eerste en de tweede optische sterkte van het optisch apparaat, en waarbij de eerste straal kleiner is dan genoemde tweede straal, en waarbij genoemde eerste, tweede, derde en vierde radiale afstanden van de één of meer eendimensionale lichttransmissiecurves (T) zodanig zijn gedefinieerd dat lichtstralen die de multifocale optische inrichting (30) onderscheppen of verlaten bij genoemde eerste straal onderschept worden door de filter tussen de eerste (ri) en de tweede (ra) radiale afstand en dat lichtstralen die de multifocale optische inrichting (30) onderscheppen of verlaten bij de genoemde tweede straal onderschept worden door de filter tussen de derde (rs) en de vierde (r4) radiale afstand.

26. Een optisch apparaat volgens één van conclusies 18 tot waarbij de multifocale optische inrichting een axicon omvat, zoals een lineaire axicon of een 25 logaritmische axicon.

27. Een optisch apparaat volgens conclusie 18 waarbij het tweedimensionale lichttransmissieprofiel is gespecificeerd met een of meerdere eendimensionale lichttransmissiecurves (T), en waarbij elke eendimensionale lichttransmissiecurve (T) een relatieve lichttransmissie uitdrukt doorheen de filter als functie van een radiale afstand gemeten in een radiale richting (R) ten opzichte van een filterreferentie-as (k), en waarbij elk van de één of meerdere eendimensionale lichttransmissiecurves (T) een monotoon afnemende gedeelte omvat dat gaat van een eerste lichttransmissiewaarde (T1) op een eerste radiale afstand (ri) naar een tweede lichttransmissiewaarde (Ta) op een tweede radiale afstand (r2) groter dan genoemde eerste radiale afstand (ri), en waarbij T2/T; © 0.5 met T1 en T2 zijnde respectievelijk genoemde eerste en tweede lichttransmissiewaarde, en bij voorkeur waarbij een lichttransmissie in een gebied tussen de filterreferentie-as (k) van de filter (50) en de eerste radiale afstand (ri) gelijk is aan genoemde eerste lichttransmissiewaarde (Ti) of gelijk is aan genoemde eerste lichttransmissiewaarde (Ti) binnen de 20%, bij voorkeur binnen 10%.

28. Een optisch apparaat volgens conclusie 27 waarbij

29. Een optisch apparaat volgens conclusie 27 of conclusie 28 waarbij O0 € (T2 / T1) < 0.5, bij voorkeur O0 S (T2 / Ti) < 0.3, met meer voorkeur 0 S (T2 / Ti) < 0.1, en waarbij Ti en T2 overeenkomen met respectievelijk genoemde eerste en tweed lichttransmissiewaarde.

30. Een optisch apparaat volgens één van de conclusies 18 tot 24 of volgens één van de conclusies 27 tot 29, waarbij de multifocale optische inrichting (30) een straalonafhankelijke multifocale optische inrichting is, bij voorkeur is de multifocale optische inrichting één van: een instelbare akoestische gradiëntlens, een diffractielens, een vloeibare lens of een lens met chromatische aberratie.

31. Een optisch apparaat volgens één van conclusies 18 tot 30 omvattende middelen om astigmatisme afwijkingen gegenereerd door de multifocale optische inrichting (30) te verminderen, bij voorkeur genoemde middelen omvatten een plano-concave lens (35) of de genoemde multifocale optische inrichting (30) omvat een oppervlak met een plano-concave vorm.

32. Een optisch apparaat volgens één van conclusies 18 tot 31 omvattende een pupilvlak (PP) dat de filter kruist of dat grenst aan de filter (50), en waarbij het pupilvlak een locatie definieert langs de optische as van het optisch apparaat waar een pupil wordt gevormd.

33. Een optisch apparaat volgens conclusie 32 waarbij de genoemde filter (50) een apertuur-stop vormt die de pupil in het pupilvlak (PP) definieert.

34. Een optisch apparaat volgens één van conclusies 18 tot 32 waarbij het tweedimensionale lichttransmissieprofiel zodanig is gedefinieerd dat, voor elke voorwerpsafstand (OD;) binnen de uitgebreide scherptediepte, een oppervlakte-integraal in het beeldvlak (IP) van een genormaliseerde puntspreidingsfunctie geassocieerd met de voorwerpsafstand (OD;) kleiner is dan een oppervlakte- integraal van een overeenkomstige genormaliseerde puntspreidingsfunctie verkregen zonder filter.

35. Een camerasysteem omvattende e een optisch apparaat (1) volgens één van de conclusies 18 tot 34, e een beeldsensor die zodanig is samengesteld dat een detectievlak van de beeldsensor samenvalt met het beeldvlak (IP) van het beeldvormend lenssysteem (20), e een beeldverwerkingseenheid omvattende een deconvolutie-algoritme voor het verwerken van een beeld verkregen op genoemd detectievlak van de beeldsensor en voor het afleveren van een gedeconvolueerd beeld, en waarbij genoemde beeldverwerkingseenheid gegevens omvat die een model van een puntspreidingsfunctie uitdrukken en/of waarbij de verwerkingseenheid is samengesteld voor het genereren van een wiskundige vergelijking die een model van een puntspreidingsfunctie uitdrukt, en waarbij het model van de puntspreidingsfunctie representatief is voor elk van de verschillende puntspreidingsfuncties (PSF;) geassocieerd met de verschillende objectafstanden (OD;) binnen de uitgebreide scherptediepte.

36. Een microscoopsamenstel omvattende e een microscoop samengesteld voor het vormen van een intermediair beeld van een voorwerp, e een optisch apparaat volgens één van de conclusies 18 tot 34 gekoppeld met de microscoop om het genoemde intermediair beeld doorheen het beeldvormend lenssysteem (20) in beeld te brengen en om een beeld in het beeldvlak (IP) te vormen.

37. Een telescoopsamenstel (300) omvattende e een telescoop (200) die een intermediair beeld van een voorwerp vormt,

e een optisch apparaat volgens één van de conclusies 18 tot 34, waarbij het optische apparaat gekoppeld is met de genoemde telescoop om het genoemde intermediair beeld doorheen het beeldvormend lenssysteem (20) in beeld te brengen en om een beeld in het beeldvlak (IP) te vormen.