DE102007001010A1

DE102007001010A1 - Verfahren und Bilderfassungssystem zur achromatisierten Bildaufnahme von Objekten

Info

Publication number: DE102007001010A1
Application number: DE102007001010A
Authority: DE
Inventors: Frank Wippermann; Peter Dr. Schreiber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-01-02
Filing date: 2007-01-02
Publication date: 2008-07-10
Also published as: WO2008081000A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur achromatisierten Bildaufnahme von Objekten durch sequentielle Aufnahmen einzelner Bilder für verschiedene Wellenlängenbereiche. Ebenso betrifft die Erfindung ein hierfür geeignetes Bilderfassungssystem, mit einem Objektiv, einem Bildsensor zur sequentiellen Aufnahme von Bildern für verschiedene Wellenlängenbereiche sowie einer elektronischen oder softwaregestützten Bildnachbearbeitungseinheit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur achromatisierten Bildaufnahme von Objekten durch sequentielle Aufnahmen einzelner Bilder für verschiedene Wellenlängenbereiche. Ebenso betrifft die Erfindung ein hierfür geeignetes Bilderfassungssystem, mit einem Objektiv, einem Bildsensor zur sequentiellen Aufnahme von Bildern für verschiedene Wellenlängenbereiche sowie einer elektronischen oder softwaregestützten Bildnachbearbeitungseinheit.
In den letzten Jahren besteht eine immer stärkere Tendenz, auch kleinste elektronische Geräte mit einer Photographiefunktion auszustatten. Dieses Bestreben führt zu dem Erfordernis, Kamerasysteme mit möglichst kleiner Bauhöhe zu entwickeln, die so dann auch z. B. in Mobiltelefone oder PDA's integriert werden können. Gleichzeitig sollen diese Systeme aber auch möglichst einfach aufgebaut sein, so dass eine kostengünstige Herstellung möglich ist. Ebenso wirkt sich der Kostendruck auch auf die Auswahl der Materialien aus, so dass einfache Glas- oder Kunststoffmaterialien eingesetzt werden.
Aufgrund der dispersiven Eigenschaften der Glas- und Kunststoffmaterialien, die in Kameraobjektiven genutzt werden, treten chromatische Aberrationen auf, die zu einer Verschlechterung der Abbildungsqualität führen, sofern Strahlung eines breiten Frequenzspektrums abgebildet werden soll (z. B. VIS). Als chromatische Aberrationen treten Farblängs- und Querfehler auf, d. h. die Bilder unterschiedlicher Wellenlängen entstehen in unterschiedlichen Abständen entlang der optischen Achse des Objektivs und können unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe besitzen. Die Korrektur der chromatischen Aberrationen geht mit der Nutzung mehrerer Linsen verschiedener Materialien und damit steigender Komplexität des Linsensystems und folglich Herstellungspreis einher.
Der physikalische Hintergrund für chromatische Aberrationen beruht auf der Wellenlängenabhängigkeit der Brennweite einer Linse. Die Brennweite F' einer dünnen Linse unter Vernachlässigung der Linsendicke ist gegeben durch:
mit

r_i: = Krümmungsradien der Linsen,
n: = Brechungsindex des Materials.

Die Dispersion bewirkt hierbei die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex n = n(λ) wodurch auch eine Wellenlängenabhängigkeit der Brennweite gegeben ist f' = f'(λ).
Bei axialer Betrachtung lässt sich die Bildlage nach der folgenden Formel bestimmen:
mit a = Objektweite und a' = Bildweite.
Daraus ergibt sich eine Wellenlängenabhängigkeit der Bildweite α' = α'(λ), was zur Konsequenz hat, dass bei axialer Betrachtung nur für schmale Wellenlängenbereiche ein scharfes Bild entsteht.
Bei lateraler Betrachtung bestimmt sich der Abbildungsmaßstab nach folgender Gleichung:
mit y = Objekthöhe und y' = Bildhöhe.
Sowohl der Abbildungsmaßstab β' = β'(λ) als auch die Bildhöhe y' = y'(λ) sind somit wellenlängenabhängig und für jede Wellenlänge verschieden.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bildaufnahme bereitzustellen, mit dem ein vereinfachter Objektivaufbau ermöglicht wird und gleichzeitig eine Bildaufnahme ermöglicht, bei der chromatische Aberrationen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Bilderfassungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiter bildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zu einer von chromatischen Aberrationen freien Bildaufnahme von Objekten durch sequentielle Aufnahmen einzelner Bilder für verschiedene Wellenlängenbereiche mittels eines Objektivs und eines Bildsensors bereitgestellt. Die Achromatisierung wird dadurch erreicht, dass für die jeweiligen Wellenlängenbereiche eine Korrektur von Farblängsfehlern durch eine an den Wellenlängenbereich angepasste Fokussierung sowie eine Korrektur von Farbquerfehlern durch eine elektronische und/oder softwaregestützte Bildnachbearbeitung für die jeweiligen Wellenlängenbereiche erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit die Vereinfachung des Objektivaufbaus, da auf eine breitbandige Achromatisierung des Objektivs verzichtet werden kann. Somit können erfindungsgemäß preiswerte und kleinbauende Autofokus-Kameraobjekte hergestellt werden. Die mit Autofokusfunktion versehenen Objektive können sowohl Festbrennweiten als auch Zoomobjektive sein.
Das Verfahren beruht auf der sequentiellen Durchführung mehrerer Aufnahmen, wobei so für jede Einzelaufnahme für den jeweiligen Wellenlängenbereich eine Optimierung durchgeführt werden kann. Somit können die Farblängsfehler, die sich in einer Defokussierung des Bildes in einer bestimmten Wellenlänge äußern, verhindert werden.
Hinsichtlich der an den Wellenlängenbereich angepassten Fokussierung sind drei Varianten besonders bevorzugt.
Die erste Variante basiert auf einer adaptiven Linse, deren Brechkraft veränderbar ist. Als adaptive Linse bietet sich beispielsweise eine Flüssigkeitslinse an, deren Brechkraft über eine Änderung der Krümmungsradien der Flüssigkeitslinse gesteuert wird.
Eine zweite bevorzugte Variante sieht vor, dass die Fokussierung mittels mindestens einer axial in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes verschiebbaren Linse erfolgt. Hierbei handelt es sich um klassische Linsen mit fixer Form, die durch Verschiebung entlang der optischen Achse eine Fokussierung ermöglichen.
Eine dritte bevorzugte Variante sieht vor, dass die Fokussierung mittels eines axial in Richtung des Objektes bzw. der Bildebene verschiebbaren Bildsensors erfolgt. Bei dieser Variante bleibt somit das Objektiv mit der mindestens einen Linse statisch, während der Imager, d. h. der Bildsensor, verschoben werden kann. Ebenso ist es natürlich auch möglich, dass die zweite und die dritte Variante kombiniert werden, so dass sowohl das Objektiv als auch der Bildsensor verschoben werden können.
Die axiale Verschiebung der mindestens einen Linse und/oder des Bildsensors erfolgt vorzugsweise mit Hilfe einer Autofokuseinheit, wie sie üblicherweise verwendet wird.
Die Separation der Wellenlängebereiche kann durch eine sich zeitlich wechselnde Beleuchtung mit unterschiedlichen Wellenlängenspektren geringer spektraler Breite oder durch die Nutzung von Wellenlängenfiltern bei polychromatischer Strahlungsquelle, d. h. z. B. Weißlicht, erreicht werden.
Als Wellenlängenfilter werden hierbei vorzugsweise schaltbare oder rotierende Wellenlängenfilter eingesetzt.
Zur Aufnahme von Farbbildern ist es weiterhin bevorzugt, einen Bildsensor mit Wellenlängenfilter einzusetzen. Hierzu bieten sich insbesondere pixelierte Wellenlängenfilter in Bayerpattern-Anordnung an.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Bilderfassungssystem zu einer von chromatischen Aberrationen freien Bildaufnahme von Objekten bereitgestellt. Das Bilderfassungssystem enthält dabei ein Objektiv mit mindestens einer optischen Linse sowie einen Bildsensor zur sequentiellen Aufnahme von Bildern für verschiedene Wellenlängenbereiche sowie eine elektronische oder softwaregestützte Bildnachbearbeitungseinheit.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass als Objektiv auch ein solches eingesetzt werden kann, das chromatische Aberrationen aufweist, wodurch einfacher herstellbare Systeme als Objektiv eingesetzt werden können.
Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass die mindestens eine optische Linse eine adaptive Linse ist, deren Brechkraft veränderbar ist. Hierzu zählt beispielsweise eine Flüssigkeitslinse, deren Brechkraft über eine Änderung der Krümmungsradien der Flüssigkeitslinse steuerbar ist.
Das Bilderfassungssystem kann vorzugsweise zusätzlich eine Steuereinheit zur axialen Verschiebung der mindestens einen optischen Linse in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes aufweisen. Ebenso ist es möglich, dass eine Steuereinheit zur axialen Verschie bung des Bildsensors in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes enthalten ist. Beide Varianten können auch miteinander kombiniert werden.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Bilderfassungssystems sieht vor, dass dieses mindestens eine Beleuchtungseinheit zur Erzeugung definierter Wellenlängenbereiche aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um mehrere Strahlungsquellen für diskrete Wellenlängenbereiche handeln. Als weitere bevorzugte Variante kann die Beleuchtungseinheit aus einer polychromatischen Strahlungsquelle bestehen, die mit mindestens einem Wellenlängenfilter kombiniert wird. Als Wellenlängenfilter kommen hierbei insbesondere schaltbare oder rotierende Wellenlängenfilter in Frage.
Zur Aufnahme von Farbbildern ist der Bildsensor vorzugsweise mit mindestens einem Wellenlängenfilter versehen, wobei es sich besonders bevorzugt um pixelierte Wellenlängenfilter in Bayerpattern-Anordnung handelt.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine erste erfindungsgemäße Variante.
2 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine zweite erfindungsgemäße Variante.
3 zeigt anhand einer schematischen Darstellung eine dritte erfindungsgemäße Variante.
4 zeigt anhand einer schematischen Darstellung die Wirkung der erfindungsgemäßen Bildnachbearbeitung.
5 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Gesamtverfahrens zur Bildaufnahme.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Variante gemäß Anspruch 5 dargestellt. Zur vereinfachten Darstellung besteht hier das Objektiv aus einer ersten Linse 1 sowie einer zweiten Linse 2 und einem Bildwandler bzw. Bildsensor 3, wobei die zweite Linse 2 axial in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes verschiebbar ist. Bei den sequentiellen Aufnahmen kann nun durch Bewegung der Linse 2 des Objektivs eine Fokussierung auf den entsprechenden Wellenlängenbereich erfolgen.
Aus der Zeichnung ist zu erkennen, dass Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge das Objektiv mit unterschiedlichen Winkeln verlassen und sich in unterschiedlichen Bildweiten schneiden. Bei normaler Dispersion wird Strahlung des blauen Wellenlängenbereichs stärker als Strahlung des grünen Wellenlängenbereichs und stärker als Strahlung des roten Wellenlängenbereichs gebrochen.
Im rechten Teil der Darstellung ist dann eine Draufsicht 4 des Bildwandlers 3 gezeigt, die die unterschiedliche Fokussierung für die einzelnen Wellenlängenbereiche verdeutlicht.
In 1a ist dabei die optimale Position für die Fokussierung für den roten Wellenlängenbereich dargestellt, in 1b die optimale Position für die Fokussierung für den grünen Wellenlängenbereich und in 1c die optimale Position für die Fokussierung für den blauen Wellenlängenbereich.
2 zeigt eine zweite Variante, bei der das Objektiv mit einer ersten Linse 1 und einer zweiten Linse 2 statisch ist, während der Bildsensor bzw. Bildwandler 3 axial in Richtung des Objektes bzw. der Bildebene verschiebbar ist. Dies entspricht der Variante gemäß Anspruch 6. Hier wird durch die Bewegung des Bildwandlers 3 eine Fokussierung für unterschiedliche Wellenlängenbereiche im sequentiellen Verfahren ermöglicht. Auch hier zeigen die 2a–2c die optimalen Positionen für die einzelnen Wellenlängenbereiche.
In 3 ist schematisch ein Kameraaufbau mit einem Objektiv enthaltend eine erste Linse 1 und eine zweite Linse 2 sowie einen Bildwandler 3, dargestellt. Bei Linse 1 handelt es sich um eine Linse, deren Brechkraft zur Fokussierung auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche angepasst werden kann. Eine derartige adaptive Linse ist z. B. eine Flüssigkeitslinse. Auch in dieser Zeichnung sind anhand der Draufsichten 4 die optimalen Positionen für die verschiedenen Wellenlängenbereiche untereinander dargestellt. Hierbei handelt es sich um die erfindungsgemäße Variante gemäß Anspruch 3.
Anhand von 4 wird die erfindungsgemäße Bildnachbearbeitung, die elektronischer oder softwaregestützter Natur sein kann, verdeutlicht. Zunächst besitzen Einzelbilder für verschiedene Wellenlängenbereiche (rot, grün, blau) unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe. Durch eine elektronische bzw. softwaregestützte Angleichung der Abbildungsmaßstäbe können dann Einzelbilder zu einem einzigen Farbbild überlagert wer den. Mit der erfindungsgemäßen Bildnachbearbeitung kann dann auch eine Verzeichnung, z. B. die hier in der Figur dargestellte kissenförmige Verzeichnung, ebenfalls korrigiert werden, wodurch das Optikdesign der Kamera vereinfacht wird.
5 verdeutlicht anhand eines Blockschaltbildes die Prozesskette zur Farbbildaufnahme. Hierbei bilden Kamera, d. h. Objektiv und Bildwandler, Bildauslegung, AF-Regelung und Aktuator, d. h. Stellglied, einen Regelkreis. Die dem Bildspeicher entnommenen Daten für die verschiedenen Wellenlängenbereiche (rot, grün, blau) werden durch die elektronische bzw. softwaregestützte Bildnachbearbeitung zum RGB-Bild umgesetzt.

Claims

Verfahren zu einer von chromatischen Aberrationen freien Bildaufnahme von Objekten durch sequentielle Aufnahmen einzelner Bilder für verschiedene Wellenlängenbereiche mittels eines Objektivs und eines Bildsensors, wobei für die jeweiligen Wellenlängenbereiche eine Korrektur von Farblängsfehlern durch eine an den Wellenlängenbereich angepasste Fokussierung und eine Korrektur von Farbquerfehlern durch eine elektronische und/oder softwaregestützte Bildnachbearbeitung für die jeweiligen Wellenlängenbereiche erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Objektiv mit chromatischen Aberrationen eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung mittels mindestens einer adaptiven Linse erfolgt, deren Brechkraft veränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Linse eine Flüssigkeitslinse ist, deren Brechkraft über eine Änderung der Krümmungsradien der Flüssigkeitslinse gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung mittels mindestens einer axial in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes verschiebbaren Linse erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung mittels eines axial in Richtung des Objektes bzw. der Bildebene verschiebbaren Bildsensors erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verschiebung der mindestens einen Linse und/oder des Bildsensors über eine Autofokuseinheit gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separation der Wellenlängebereiche durch zeitlich wechselnde Beleuchtung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separation der Wellenlängebereiche durch Einsatz mindestens eines Wellenlängenfilters bei Verwendung von poly chromatischen Strahlungsquellen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Wellenlängenfilter schaltbare oder rotierende Wellenlängenfilter eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme von Farbbildern ein Bildsensor mit Wellenlängenfilter eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Wellenlängenfilter ein pixeliertes Wellenlängenfilter in Bayerpattern-Anordnung eingesetzt wird.
Bilderfassungssystem zu einer von chromatischen Aberrationen freien Bildaufnahme von Objekten mit einem Objektiv enthaltend mindestens einer optischen Linse, einem Bildsensor zur sequentiellen Aufnahme von Bildern für verschiedene Wellenlängenbereiche sowie einer elektronischen oder softwaregestützten Bildnachbearbeitungseinheit.
Bilderfassungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv chromatische Aberrationen aufweist.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optische Linse eine adaptive Linse ist, deren Brechkraft veränderbar ist.
Bilderfassungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Linse eine Flüssigkeitslinse ist, deren Brechkraft über eine Änderung der Krümmungsradien der Flüssigkeitslinse steuerbar ist.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilderfassungssystem zusätzlich eine Steuereinheit zur axialen Verschiebung der mindestens einen optischen Linse in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes aufweist.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilderfassungssystem zusätzlich eine Steuereinheit zur axialen Verschiebung des Bildsensors in Richtung der Bildebene bzw. des Objektes aufweist.
Bilderfassungssystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilderfassungssystem mindestens eine Beleuchtungseinheit zur Erzeugung definierter Wellenlängenbereiche aufweist.
Bilderfassungssystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit aus mehreren Strahlungsquellen für diskrete Wellenlängenbereiche besteht.
Bilderfassungssystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit aus einer polychromatischen Strahlungsquelle und mindestens einem Wellenlängenfilter besteht.
Bilderfassungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wellenlängenfilter ein schaltbarer oder rotierender Wellenlängenfilter ist.
Bilderfassungssystem nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufnahme von Farbbildern der Bildsensor mit mindestens einem Wellenlängenfilter versehen ist.
Bilderfassungssystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenfilter ein pixeliertes Wellenlängenfilter in Bayerpattern-Anordnung ist.