CN109443705B - 一种基于计算成像的光学镜头数值孔径测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于计算成像的光学镜头的数值孔径测量方法。该方法具体为：搭建数值孔径测量的显微光路***；然后调节数值孔径测量的光路***中被拍摄物体与相机的相对位置，得到一张高动态范围的显微图像；根据得到图像内被拍摄物体的尺寸，结合相机像元大小计算出***放大倍数；把得到的图像进行数字图像处理得到一个具有圆形轮廓的频率图，再进行图像处理计算出圆形的直径；根据圆形的直径结合光路中感光元件像元尺寸、***放大倍数、照明光中心波长等参数计算出镜头的数值孔径。本发明能够对生活中任意的镜头进行数值孔径的测量，其操作过程简单，测量精度高，并且通过计算得到数值孔径，很少需要人为观测，有效地避免了引入额外的误差。

Description

一种基于计算成像的光学镜头数值孔径测量方法
技术领域
本发明涉及镜头数值孔径测量的应用领域，具体涉及一种基于计算成像的光学镜头的数值孔径测量方法及***。
背景技术
数值孔径NA是光学镜头非常重要的一个技术指标，反映了光学***收集光的能力，并且在显微镜头中，数值孔径也决定了***的最小分辨能力。
实际应用中，对于数值孔径的测量通常采用数值孔径计进行测量，存在测量过程繁琐、精度低、需要人工观测、对人眼观测能力要求高等问题。特别是当数值孔径较大时，需要借助辅助物镜来操作，操作过程比较复杂。并且数值孔径计只局限于测量显微物镜的数值孔径，不具有普适性。
计算成像是最近几年发展起来的学科，通过简单的光路得到一些图像，对获得的图像进行一系列的计算处理就能获取很多人们需要的有用信息。
发明内容
为此，本发明的目的在于提供一种基于计算成像的光学镜头的数值孔径测量方法，该方法能够简单精确的测量计算出任意光学镜头的数值孔径。
本发明采用的技术方案如下：
步骤一，搭建光路***，光路***依次包括LED点光源、带有刻度标识的透明被拍摄物体、待测数值孔径镜头和感光器件；
步骤二，调节光路***中被拍摄物体与感光器件之间的相对位置，使两者位置共轭，由感光器件得到一张高动态范围的显微图像；
步骤三，根据显微图像内被拍摄物体的尺寸，结合感光器件像元大小计算出光路***的放大倍数；
步骤四，把得到的显微图像中心截取一部分，然后对截取的图像进行数字图像处理，得到频率域的图像，再对图像进行取对数运算，在图像内会产生一个明显圆形轮廓；
步骤五，把步骤四图像内的圆形轮廓进行模糊处理和边缘提取，计算出圆形的直径；
步骤六，根据圆形的直径结合光路***中感光器件像元尺寸、步骤二得到的放大倍数、照明光中心波长以及截取图像像素大小计算出待测数值孔径镜头的数值孔径。
本发明的优点在于：
(1)测量光路简单，操作过程简单，测量精度高，并且通过计算得到数值孔径，很少需要人为观测，有效地避免了引入额外的误差。
(2)能够对任意的镜头进行数值孔径的测量，包括但不限于显微物镜、照相机镜头、手机镜头、单透镜、透镜组、摄远镜头。
附图说明
图1为测量镜头数值孔径的光路示意图；
图2(a)为对高动态范围图像中心截取一部分，进行傅里叶变化以及取对数运算后的圆形轮廓的图，(b)为进行高斯模糊和边缘提取后得到的将圆形边缘显示出来的圆形边缘图；
图3为对测量计算数值孔径处理过程的流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方法，以清楚展现本发明的特点。
如图1所示，测量镜头数值孔径的光学***包括：一个LED点光源、一个带有长度标识的可透光的被拍摄物体、待测数值孔径的镜头和一个单色感光相机(即成像器件)，上述元件依次放置构成一个显微成像***。
其中，LED点光源距离被拍摄物体距离为60mm～80mm。LED点光源的纵向位置处于光轴中心处。被拍摄物体与待测镜头的距离在待测镜头的一倍焦距到两倍焦距之间。待测镜头到相机感光元件的距离在待测镜头的两倍焦距以外。
本实施例中，LED点光源的光谱范围为任意可见光范围，光谱宽度为10nm～25nm。被拍摄物体为带有长度标识的可以透光的物体，包括但不限于塑料直尺、玻璃标尺、分辨率板。待测的镜头可以为任意生活中常见的光学镜头，包括但不限于显微物镜、照相机镜头、手机镜头、单透镜、透镜组、摄远镜头。相机为CCD或者CMOS传感器，为单色相机，相机可以为高动态范围相机(大于等于10bit)或者一般普通的8bit相机。
如果相机采用普通动态范围(8bit)的相机，那么在得到图像的拍摄过程中，需要连续采集过曝光、正常曝光、欠曝光的3张图像，进行HDR(High-Dynamic Range)处理，得到一张高动态范围图像。HDR是一种成熟的图像合成得到高动态范围的技术手段，这里不再赘述。如果相机采用高动态范围相机则可直接拍摄一张得到高动态范围图像，无需HDR过程。
本实施例的一种基于计算成像的任意光学镜头数值孔径测量方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤一，搭建如图1所示的数值孔径测量的显微光路***；
步骤二，微调节被拍摄物体和照相机的相对位置使其共轭，使得相机上可以得到被拍摄物体的清晰的像。相机曝光拍摄得到一张高动态范围的黑白图像。
步骤三，已知被拍摄物体的单位刻度长度为L，在图像上对应的单位刻度长度所占的像素个数为M，相机传感器最小单元尺寸长度(像元大小)为a,则可计算得到***放大倍数为：Mag＝M*a/L。
步骤四，从图像中心截取一块像素大小为N*N的图像f(x,y)，其中x,y＝0,1,2,3,...,N-1，代表空间位置的变量(坐标)，N的大小为300～500。将图像f(x,y)进行离散傅里叶变化得：
其中u,v＝0,1,2,3,...,N-1，代表频率域的变量(频率的空间位置坐标)。
然后对频率域的图像进行取对数运算得：
Flog(u,v)＝log(1+F(u,v))
这时候得到的频率域图像中心就会产生一个比较明显的圆形轮廓，如图2(a)所示。
步骤五，然后对当前图像的圆形轮廓进行高斯模糊处理，得到一个模糊的整体图像：
其中是高斯函数，x,y是空间位置坐标，u,v为代表频率的空间位置坐标，σ是高斯函数的方差，代表卷积。
对模糊的整体图像再进行梯度边缘提取算法：
其中表示求梯度运算。
得到如图2(b)所示的边缘亮度图，可以得到该圆形轮廓直径所占的像素的个数D。
步骤六，根据下面公式，计算得到待测镜头的数值孔径：
NA＝D*λ*Mag/(2*a*N)
其中NA为求出的数值孔径，D处理后图像圆形轮廓的直径所占像素个数，λ为LED点光源的发光中心波长，Mag为***的放大倍数，a为相机传感器的像元大小，N为进行图像处理前截取的像素大小。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于计算成像的光学镜头数值孔径测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，搭建光路***，光路***依次包括LED点光源、带有刻度标识的透明被拍摄物体、待测数值孔径镜头和感光器件；
步骤二，调节光路***中被拍摄物体与感光器件之间的相对位置，使两者位置共轭，由感光器件得到一张高动态范围的显微图像；
步骤三，根据显微图像内被拍摄物体的尺寸，结合感光器件像元大小计算出光路***的放大倍数；
步骤四，把得到的显微图像中心截取一部分，然后对截取的图像进行数字图像处理，得到频率域的图像，再对图像进行取对数运算，在图像内会产生一个明显圆形轮廓；
步骤五，把步骤四图像内的圆形轮廓进行模糊处理和边缘提取，计算出圆形轮廓的直径；
步骤六，根据圆形轮廓的直径结合光路***中感光器件像元尺寸、步骤三得到的放大倍数、光源的发光中心波长以及截取图像像素大小计算出待测数值孔径镜头的数值孔径：
NA＝D*λ*Mag/(2*a*N)
其中D为经步骤五处理后的圆形轮廓直径所占的像素的个数，λ为光源的发光中心波长，Mag为光路***的放大倍数，a为感光器件最小像元大小，N为步骤四截取的图像像素大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于计算成像的光学镜头数值孔径测量方法，其特征在于，所述LED点光源距离被拍摄物体的距离为60mm～80mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于计算成像的光学镜头数值孔径测量方法，其特征在于，被拍摄物体与待测数值孔径镜头的距离为镜头的一倍焦距到两倍焦距之间；待测数值孔径镜头与感光器件的距离大于镜头的两倍焦距。
4.根据权利要求1所述的一种基于计算成像的光学镜头数值孔径测量方法，其特征在于，所述步骤三中，被拍摄物体的单位刻度长度为L，在图像上对应的单位刻度长度所占的像素个数为M，感光器件最小像元大小为a，则可计算得到光路***的放大倍数为：Mag＝M*a/L。
5.根据权利要求1所述的一种基于计算成像的光学镜头数值孔径测量方法，其特征在于，所述步骤四中，从显微图像中心截取一块像素大小为N*N的图像f(x,y)，其中x,y＝0,1,2,3,...,N-1，代表空间位置坐标，将图像f(x,y)进行离散傅里叶变化得：
其中u,v＝0,1,2,3,...,N-1，代表频率的空间位置坐标；
然后对频率域的图像进行取对数运算得：
Flog(u,v)＝log(1+F(u,v))
这时候得到的频率域图像中心就会产生一个比较明显的圆形轮廓。
6.根据权利要求1所述的一种基于计算成像的光学镜头数值孔径测量方法，其特征在于，所述步骤五中，对图像的圆形轮廓进行高斯模糊处理，得到一个模糊的整体图像：
其中是高斯函数，x,y是空间位置坐标，u,v为代表频率的空间位置坐标，σ是高斯函数的方差，代表卷积；
然后对模糊的整体图像再进行梯度边缘提取算法：
其中表示求梯度运算；
得到边缘亮度图，能够得到圆形轮廓直径所占的像素的个数D。
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