УСТРОЙСТВО КОРРЕКЦИИ СФЕРИЧЕСКОЙ АБЕРРАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для коррекции сферической аберрации объектива оптико-электронного датчика (ОЭД) при разработке и исследовании систем технического зрения.

Известен способ и устройство для коррекции сферической аберрации и фокусирования (патент США №6091549, МКИ G 02 B 27/14; G 02 B 3/02, опубликованный 18.07.2000), состоящее из фокусирующей линзы и корректирующей линзы, разделенных воздушной прослойкой.

Недостатком этого устройства является низкая точность коррекции аберрации, обусловленная невозможностью точного подбора линз для заданной оптической системы, сложность их изготовления.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является объектив (патент РФ №2244330, МПК⁷ G 02 B 9/34; G 02 B 13/18, опубликованный 10.01.2005), содержащий положительный компонент, включающий двояковыпуклую линзу и отрицательную линзу в виде мениска, со стороны предмета, и отрицательный компонент, выполненный в виде мениска, со стороны изображения. В объективе на одну из оптических поверхностей линз положительного компонента нанесен голограммный оптический элемент оптической силой 0,01-0,1 оптической силы объектива, при этом характеристическое уравнение голограммного оптического элемента имеет вид V_Н=А₁у²+А₂у⁴+А₃у⁶, где А₁, А₂, А₃ - коэффициенты; у - высота на поверхности голограммного оптического элемента. Коэффициент A₁ пропорционален оптической силе голограммного оптического элемента, а коэффициенты А₂ и А₃ соответственно пропорциональны сферической аберрации положительного и отрицательного компонентов объектива. Отрицательный компонент со стороны изображения обращен к нему выпуклостью. Отрицательная линза положительного компонента расположена между двояковыпуклой линзой и предметом и обращена к предмету выпуклостью. При этом объектив снабжен дополнительным компонентом в виде двояковыпуклой линзы, размещенной между отрицательным и положительным компонентами.

Недостатком данного устройства является невозможность коррекции аберрации без введения в объектив дополнительных корректирующих элементов, что требует расчета коэффициентов корректирующих элементов, изменения конструкции объектива и увеличения его массогабаритных характеристик.

Технической задачей изобретения является обеспечение коррекции сферической аберрации при сохранении конструкции и массогабаритных характеристик любых объективов без введения в их конструкцию дополнительных элементов.

Задача решается тем, что в известное устройство, содержащее двояковыпуклую линзу, введены оптико-электронный датчик, блок ввода изображения, контроллер, причем линза оптически связана с ОЭД, выход ОЭД подключен к входу блока ввода изображения, выход которого соединен с входом контроллера, выход контроллера подключен к входу ОЭД.

Изобретение может быть использовано для улучшения качества получаемого изображения и соответствует критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема устройства коррекции сферической аберрации, на фиг.2 приведена схема хода лучей в объективе со сферической аберрацией, на фиг.3 показан ход лучей для точки вне оптической оси, на фиг.4 даны пояснения к процессу коррекции аберрации, на фиг.5 представлены алгоритмы, используемые при коррекции сферической аберрации.

Устройство содержит (фиг.1) ОЭД 1, двояковыпуклую линзу 2, блок ввода изображения 3, контроллер 4, причем линза 2 оптически связана с ОЭД 1, выход ОЭД 1 подключен к входу блока ввода изображения 3, выход которого соединен с входом контроллера 4, выход контроллера 4 подключен к входу ОЭД 1.

Устройство работает следующим образом. Изображение поступает через двояковыпуклую линзу 2 на ОЭД 1, с выхода которого аналоговый сигнал, характеризующий изображение, поступает на блок ввода изображения 3, обеспечивающий преобразование аналогового сигнала в цифровую форму, ввод изображения в контроллер 4. Контроллер 4 производит расчетные операции согласно алгоритмам на фиг.5 и коррекцию изображения.

Сферическая аберрация является одним из видов монохроматических аберраций и вызывает нарушение гомоцентричности пучков лучей, прошедших через оптическую систему при сохранении симметрии их относительно оптической оси. Проявления аберрации особенно сильно заметны в ночное время, когда изображение искажается в областях, близких к ярким источникам света.

Наличие сферической аберрации в системе приводит к тому, что изображение яркого точечного объекта искажается путем изменения яркости области вокруг объекта, называемой кружком рассеяния, радиусом R

где σ - апертурный угол [Теория оптических систем. Учебник для вузов / Б.Н.Бегунов, Н.П.Заказнов, С.И.Кирюшин, В.И.Кузичев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981. - С.157], g - продольная сферическая аберрация (фиг.2).

Продольная сферическая аберрация представляется многочленом:

где k₁, k₂ - постоянные для данной системы параметры, характеризующие аберрацию, m - радиус диафрагмы.

Для коррекции яркостей точек находят радиус R кружка рассеяния, внутри которого производят коррекцию.

Для определения радиуса R кружка рассеяния сферической аберрации составим систему уравнений, используя соотношения из треугольников MOS и SO^/P^/ (фиг.2) и выражения (1), (2):

где f - фокусное расстояние оптической системы.

Из системы уравнений получаем

Определяют радиус R кружка рассеяния в зависимости от значений радиуса диафрагмы и фокусного расстояния, после чего выявляют функциональную зависимость яркости I_абер(r) точек от расстояния r до центра кружка путем формирования тестового изображения от точечного источника света на темном фоне.

Зная радиус кружка рассеяния R и функцию I_абер(r) для заданной оптической системы, производят восстановление яркостей точек изображения любого яркого объекта, независимо от его формы по формуле:

где I_восст(х, у) - восстановленное значение яркости для точки с координатами (х, у), I(х, у) - значение яркости до коррекции.

Для источника света, лежащего вне оптической оси, искажение, вызванное сферической аберрацией, принимает вид эллипса, а не кружка (фиг.3а, б), большая ось которого направлена на центр кадра. Половина длины большой оси равна

где α - угол между направлением на источник света и главной оптической осью.

Определение угла α основано на геометрической модели ОЭД с передней плоскостью изображения:

где Х_ОЭД - половина длины приемника изображения ОЭД в метрах, Х - размер кадра изображения по горизонтали.

Таким образом, для повышения точности коррекции яркостей точек, расположенных вне главной оптической оси, вместо кружка рассеяния используется эллипс рассеяния.

Для коррекции сферической аберрации производят определение областей, где сферическая аберрация наиболее сильно проявляется. Затем корректируют яркости точек в найденных областях.

Определение областей, требующих коррекции, производят путем разбиения изображения на прямоугольники (фиг.4а), изменяют яркость изображения (фиг.4б) посредством управления коэффициента усиления ОЭД, для этого с выхода контроллера управляющий сигнал поступает на вход ОЭД, затем находят прямоугольные области, в которых яркость I_{cp i,j} изменилась незначительно по сравнению со средней яркостью изображения I_cp (фиг.4):

где I(х, y) - яркость пиксела в точке кадра (х, у), Y - размер кадра изображения по вертикали, х_i, y_j - координаты левой верхней вершины прямоугольника (фиг.4а), i, j - индекс начала анализируемого прямоугольника (фиг.4а), I_пор - пороговое значение яркости.

Алгоритм функционирования устройства коррекции сферической аберрации представлен на изображении на фиг.5б.

В начале выполнения алгоритма (блок 1, фиг.5б) вводят фокусное расстояние f, радиус диафрагмы m, параметры сферической аберрации k₁, k₂ и функциональную зависимость I(r), которую определяют по алгоритму на фиг.5а.

Затем по формуле (4) определяют радиус R кружка рассеяния при данных значениях f, m, k₁, k₂ (блок 2, фиг.5б).

В блоке 3 (фиг.5б) по формулам (8), (9), (10) определяют прямоугольники, в которых находятся области, требующие коррекции (фиг.4а).

В блоке 4 (фиг.5б) по формуле (5) производят восстановление яркостей точек, получая скорректированное изображение.

Для определения зависимости I(r) используют алгоритм, представленный на фиг.5а, согласно которому на основе введенных значений f, m, k₁, k₂ (блок 1, фиг.5а) определяют радиус R кружка рассеяния, внутри которого устанавливают зависимость I(r) яркостей точек от расстояния от центра кружка до этих точек (блок 3, фиг.5а).

В качестве блока ввода изображения могут быть использованы блоки ввода изображения, описанные в справочнике "Системы технического зрения" (Системы технического зрения: Справочник / В.И.Сырямкин, B.C.Титов. Ю.Г.Якушенков и др. // Под общей редакцией В.И.Сырямкина, B.C.Титова. Томск: МГП "РАСКО", 1992. 367 с.: ил.) на страницах 100-117 в главе 3.7 "Устройства ввода изображений в микроЭВМ", а также в патенте А.Е.Архипова, С.В.Дегтярева, А.Ф.Рубанова, B.C.Титова "Устройство для ввода изображения в ЭВМ" №2166790 МПК G 06 F 3/00.

Контроллер может быть реализован на базе микроЭВМ или персональной ЭВМ, описанных в справочнике "Системы технического зрения" (Системы технического зрения: Справочник / В.И.Сырямкин, B.C.Титов. Ю.Г.Якушенков и др. // Под общей редакцией В.И.Сырямкина, B.C.Титова. Томск: МГП "РАСКО", 1992. 367 с.: ил.) на cc.93-100 в главе 3.6 "Микропроцессоры и микроЭВМ для систем технического зрения". В частности, на с.94 в последнем абзаце написано: "Программное обеспечение микропроцессора служит для адаптации датчика оптической информации (видеокамеры) системы технического зрения к изменяющимся или перестраиваемым в процессе работы параметрам объекта и среды и делает возможным функционирование всех элементов преобразователя (устройства)."

Таким образом, изобретение позволяет программно корректировать искажения изображения, вызванные влиянием сферической аберрации, без введения в объектив корректирующих элементов, тем самым сохраняя габариты объективов, расширить область применения (устройство может быть использовано при коррекции сферической аберрации объективов видеокамер и фотоаппаратов без их разбора).

Устройство содержит двояковыпуклую линзу, оптико-электронный датчик, блок ввода изображения и контроллер. Двояковыпуклая линза оптически связана с датчиком, с выхода которого сигнал, характеризующий изображение, поступает на вход блока ввода изображения, выход которого соединен с входом контроллера. Контроллер производит определение радиуса кружка рассеяния, зависимости яркостей точек от расстояния от центра кружка рассеяния до этих точек, областей изображения, требующих коррекции, и восстановление яркостей точек для получения скорректированного изображения. Управляющий сигнал контроллера поступает на вход оптико-электронного датчика для управления его коэффициентом усиления и изменения яркости изображения. Обеспечивается коррекция сферической аберрации в изображении при сохранении конструкции и массогабаритных характеристик объективов без введения в их конструкцию дополнительных элементов. 5 ил.

Устройство коррекции сферической аберрации, содержащее двояковыпуклую линзу, отличающееся тем, что введены оптико-электронный датчик, блок ввода изображения и контроллер, причем двояковыпуклая линза оптически связана с оптико-электронным датчиком, с выхода которого сигнал, характеризующий изображение, поступает на вход блока ввода изображения, выход которого соединен с входом контроллера, который производит определение радиуса кружка рассеяния, зависимости яркостей точек от расстояния от центра кружка рассеяния до этих точек, областей изображения, требующих коррекции, и восстановление яркостей точек для получения скорректированного изображения, при этом управляющий сигнал контроллера поступает на вход оптико-электронного датчика для управления его коэффициентом усиления и изменения яркости изображения.