校準數字光學成像系統(tǒng)的方法、校正數字光學成像系統(tǒng)中像差的方法及數字光學成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于校準數字光學成像系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包括至少一個電動或編碼變焦系統(tǒng)和圖像傳感器，本發(fā)明涉及一種用于校正這種成像系統(tǒng)中的像差的方法，并涉及一種被配置成用于執(zhí)行根據本發(fā)明的這些方法的光學成像系統(tǒng)。在該校準方法中，在各種變焦設置中記錄參考物，并且使用之前確定的模型通過數字光學裝置逐像素地對該圖像進行校正。為此，確定了多個失真校正系數和多個圖像穩(wěn)定性校正系數。從該校正后的圖像確定該系統(tǒng)的真實的總放大率。在該校準過程中確定的該模型還用于校正該成像系統(tǒng)的操作過程中的像差。
【專利說明】校準數字光學成像系統(tǒng)的方法、校正數字光學成像系統(tǒng)中 像差的方法及數字光學成像系統(tǒng)
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于校準數字光學成像系統(tǒng)的方法、一種用于校正發(fā)生于各種光 學單元（具體用于具有變焦系統(tǒng)的數字光學成像系統(tǒng)的像差）的方法。另外，本發(fā)明涉及 一種數字光學成像系統(tǒng)，在該數字光學成像系統(tǒng)中實現此類方法。
[0002] 該數字光學成像系統(tǒng)優(yōu)選地是數字顯微鏡，該數字顯微鏡具有變焦系統(tǒng)和物鏡， 該變焦系統(tǒng)和該物鏡是可互換的。然而，該成像系統(tǒng)還可以是遠心的或其他沒有物鏡的變 焦系統(tǒng)，如例如用于各種測量任務。
[0003] 該說明書下面繼續(xù)從數字顯微鏡開始，然而該數字顯微鏡并不表示對本申請的任 何限制。
【背景技術】
[0004] 如果產生于物點的各種光線并沒有全部聚焦在一個像點，會產生像差。最重要的 像差是球面像差和色像差。通過由多個不同玻璃類型的透鏡所組成的系統(tǒng)對球面像差和色 像差進行校正，并且通過非球面透鏡或梯度透鏡對球面像差進行校正。玻璃板（平板）產 生隨著孔徑角的增大而增大的像平面偏移或銳度不足。
[0005] 使用透鏡的成像總是在或大或小的程度上遭受誤差。當透鏡數量增大時，校正是 可改進的。光學單元和載片的成本會增加。例如，在顯微圖像中產生彩色邊緣或所謂的像 場彎曲。通過巧妙地構造物鏡，可以在很大程度上排除此類像差。平面消色差透鏡、復消色 差透鏡是其示例。在復消色差物鏡中，通過物鏡中的不同透鏡的復雜安排在顯微圖像中抑 制彩色邊緣。校正平面消色差透鏡的方式為使得消除顯微圖像中通常出現的像場彎曲。
[0006] 在所有的物鏡當中，平面復消色差透鏡具有最復雜的構造。在這些物鏡中，大部分 地消除了如平面消色差透鏡中的像場彎曲。另外，在這些物鏡中通過非常復雜的構造防止 了通常發(fā)生的紅色和藍色條紋。所述物鏡非常昂貴并且主要用于要求最高的彩色顯微攝影 中。
[0007] 在變焦系統(tǒng)中，還產生由于變焦構造的定心差別而造成的像差（圖像不穩(wěn)定性）。
[0008]DE102 25 193A1披露了一種用于校準立體顯微鏡的放大率的方法，其中，旨在 能夠在初始校準的基礎上推導出整個放大率范圍上的校準。使用物鏡/目鏡參考測量對， 通過致動變焦來設置顯微鏡上所規(guī)定的實際放大率。對這種情況下存在的變焦的不同透鏡 的位置進行捕捉，并存儲標稱放大率值以用于每種變焦設置。通過將實際放大率與標稱放 大率進行計算性比較，計算出了用于校準整個變焦范圍的校正因數。
[0009] 在數字攝影中，可以手動地例如通過軟件對物鏡失真進行校正，其中，用于相機和 物鏡的大規(guī)模數據庫必須是可用的。在內部使用相機（例如索尼）的固件部分地執(zhí)行物鏡 校正（失真、色像差和漸暈）。
[0010] DE101 14 757B4描述了一種具有變焦光學單元和數字相機的顯微系統(tǒng)。在校正 單元（PC)中（根據對應的放大率）根據圖像校正數據對數字拍攝的圖像進行校正。圖像 校正數據在此是標準背景圖像的攝影圖像數據。針對每個圖像元件，執(zhí)行根據物像和標準 背景圖像的異或功能。
[0011]DE10 2010 025 888A1披露了一種數字相機，該數字相機具有一種用于生產無 失真的數字圖像的實現方法，該方法允許與各種情況下存在的相機物鏡匹配的最佳圖像失 真校正。在該方法中，一旦被實驗性地確定并后續(xù)地存儲在所有相同物鏡類型的數字相機 中，就確定了用于每一類相機物鏡的校正值。失真函數在此取決于已設定的焦距和離有待 記錄的物體的距離，并且可以被確定為來自常數的二維矩陣并存儲在數字相機中。在此，可 以從所存儲的矩陣通過插值而確定這些因數。
[0012] US2008/0239107A1和US2009/0268078A1披露了用于數字相機的失真校正方 法，在這些方法中，取決于變焦和焦點設置將系數存儲在表中。通過用高階多項式在校正的 過程中進行插值來確定中間值。
[0013] 在數字顯微術中，物鏡和變焦系統(tǒng)通常在彼此內部是可配置的。也就是說，變焦系 統(tǒng)可以與不同的物鏡一起使用。由于變焦系統(tǒng)和物鏡都會造成不同的像差，為了實現令人 滿意的圖像質量，不同的校正是必需的。
【發(fā)明內容】
[0014] 本發(fā)明基于詳述一種用于校準數字光學成像系統(tǒng)的方法的目的，該方法允許在操 作過程中校正像差。進一步的目的是對一種用于校正數字光學成像系統(tǒng)中的像差的方法和 這種數字光學成像系統(tǒng)的生產的詳述，該數字光學成像系統(tǒng)包括電動或編碼變焦系統(tǒng)以及 可能地物鏡，其中，圖像校正旨在發(fā)生于具有較高精確度和可靠性的所有變焦設置中。
[0015] 該目的是根據本發(fā)明通過具有獨立權利要求1和6的特征的方法并通過具有權利 要求11的特征的數字光學成像系統(tǒng)而實現的。
[0016] 在從屬權利要求中限定了有利的配置實施例。
[0017] 數字光學成像系統(tǒng)包括至少一個變焦系統(tǒng)、圖像傳感器和用于數字圖像處理的邏 輯單元。該成像系統(tǒng)可以例如是遠心的或其他沒有物鏡的變焦系統(tǒng)，或另外數字顯微鏡。
[0018] 該數字顯微鏡包括至少一個物鏡、電動變焦系統(tǒng)、該圖像傳感器和用于圖像處理 的該邏輯單元。該邏輯單元被優(yōu)選地與該變焦系統(tǒng)一起安排在所謂的光學引擎中，其中還 容納有用于該變焦系統(tǒng)的電機控件、以及進一步的控制和評估組件。物鏡被優(yōu)選地可互換 地安排在該光學引擎上。該物鏡有利地具有專用數據存儲器和電子接口，可以通過該電子 接口讀取所述數據存儲器。
[0019] 該數字顯微鏡當然還以本身已知的方式包括用于致動顯微鏡組件的控制單元和 用于操作、圖像觀察和評估的輸入/輸出單元。作為數字顯微鏡中的輸入/輸出單元的監(jiān) 視器、鍵盤、和操作組件還可以作為分離的組件存在的事實是明顯的。
[0020] 數字顯微鏡還優(yōu)選地具有使用電機可放置的載物臺、旋轉支架、用于反射照明并 可能用于透射照明的照明設備、以及在此未提及的進一步的組件。
[0021] 然而，所述組件并未直接與本發(fā)明相關，并因此在此處省略了詳細描述。
[0022] 該校正方法是基于分配給變焦的驅動控件的放大率和校正數據，該驅動控件可能 與相關聯的物鏡相連。
[0023] 當在圖像中心周圍致動變焦時，待成像的物體的尺寸旨在成比例地變化。以優(yōu)選 地最大和最小放大率對參考物進行成像。從圖像坐標的變化來講，具有此"中心點性質"的 那個圖像點是可確定的。這些圖像或記錄然后總是與此點對齊，并且與其對稱地對圖像場 進行評估。
【具體實施方式】
[0024] 為了在數字顯微鏡或另一成像系統(tǒng)中使用根據本發(fā)明的校正方法，首先所生產的 每個數字顯微鏡或成像系統(tǒng)需要初始校準過程，在該初始校準過程中，確定該變焦系統(tǒng)和 可能地物鏡的實際光學數據以及所產生的像差。
[0025] 對于所述初始校準過程而言，參考物被放置在載物臺上，這樣使得該參考物可以 被物鏡以已知的方式捕捉。該參考物具有參考圖案，該參考圖案具有多個固定地定義的參 考點。這些參考點優(yōu)選地是等距的，即，定位的方式為使得它們以定義的相等距離分布在該 參考物上。這些參考點優(yōu)選地形成行和列的陣列。
[0026] 參考物的特別優(yōu)選的實施例是鍍鉻的玻璃板，在該玻璃板中，在這些參考點處提 供多個孔。所述玻璃板然后被從遠離物鏡側照亮，即，使用透射照明法被觀察。
[0027] 在下一步驟中，致動該變焦系統(tǒng)的任一種第一變焦設置，其校正放大率因數（真 實變焦值3 )最初是未知的。優(yōu)選地，選擇最小的或最大的可能的放大率。在所述第一變焦 設置中，在圖像傳感器中記錄參考圖像。為此，參考物的參考圖案被成像在圖像傳感器上。
[0028] 當使用特別優(yōu)選的參考物時，參考圖像從而是黑色的，這些參考點然后在理想情 況下是白點。
[0029] 該參考圖像最初被分解為其三個顏色分量，并且在該過程中，產生三個彩色通道 參考圖像R&Rs，R?，并且優(yōu)選地將其存儲在暫時存儲器中。
[0030] 在下一步驟中，確定參考圖像的中心。這是通過將對應于參考圖案的理想圖像適 配在參考圖像中而完成的。在該過程中，所述理想圖像被移動并可能被旋轉，直到獲得兩圖 像之間的最小偏差。然后，確定圖像中心。優(yōu)選地使用綠色通道參考圖像1^進行此定中心， 因為綠色（或灰度色調中的綠色部分）對亮度感知、以及從而也對人眼中的對比度和銳度 感知的貢獻最大。
[0031] 最后，通過確定離理想圖像的高度和寬度的位置偏差為每個顏色通道參考圖像確 定這些參考點的n個位置誤差向量。這些位置誤差向量被存儲在參考表中。
[0032] 基于參考圖案的真實規(guī)模的知識，可以用簡單的方式為每種變焦設置確定真實變 焦值3，并且還可以將該變焦值存儲在參考表中。
[0033] 隨后，重復針對至少兩種進一步的變焦設置的之前所描述的步驟。優(yōu)選地，確定針 對七種或九種變焦設置的位置誤差向量，包括最小的和最大的變焦設置。
[0034] 通過對來自各種變焦設置中的位置誤差向量的高階多項式進行插值以及通過為 每個顏色通道參考圖像確定十一種位置誤差系數從參考表形成失真模型。另外，可以確定 圖像不穩(wěn)定性系數，并且可以捕捉和存儲相關聯的放大率的變焦電機位置。
[0035] 該失真模型（即，系數、放大率和可能地進一步的值）被存儲在縮減的變焦表中。 所述縮減的變焦表優(yōu)選地包括四行并包含優(yōu)選地三階回歸多項式的系數，這允許為任何所 希望的放大率計算所述值。
[0036] 可以通過針對任何所希望的放大率P使用下列多項式來擴展縮減的變焦表。
[0037] 必須針對每個變焦位置i來確定失真系數的大小。與每個變焦位置i相關聯的是 放大率0。應當使用縮減的變焦表中的表項從0確定其大小。
[0038] 在此，對于失真校正系數a:
【權利要求】
1. 一種用于校準數字光學成像系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包括至少一個電動或編碼變焦系統(tǒng) 和圖像傳感器，該方法包括下列步驟： -將參考物放置在該成像系統(tǒng)下方； -選擇該變焦系統(tǒng)的變焦設置并將其存儲在參考表中； -通過在該圖像傳感器上對該參考物進行成像來記錄參考圖像； -將該參考圖像劃分成至少三個顏色通道參考圖像Rk R。Rb; -將理想圖像適配在該參考圖像中，并確定圖像中心的位置和取向； -在這些顏色通道參考圖像中的每一個中為該參考物的n個參考點確定位置誤差向 量； -將這些已確定的位置誤差向量存儲在參考表中； -針對至少三種不同的變焦設置重復之前所述的這些步驟。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過下列步驟從該參考表編寫針對i個基本 變焦階段的基本變焦表： -針對每個顏色通道參考圖像，從這些參考點的這些位置誤差向量確定多個失真校正 系數am，n，這些失真校正系數描述了該參考圖案的變形，其中，m = [R，G，B]且n =丨…11 ; -確定多個圖像穩(wěn)定性校正系數Ix、IY，這些圖像穩(wěn)定性校正系數描述了該參考圖案的 圖像穩(wěn)定性的偏差。
3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，通過根據下列規(guī)則確定這些失真校正系數 am，n而從該基本變焦表編與變焦表： am,n(i ( ^ )) =am,n(i〇=D +am；n(i〇=2) * & +am；n(i°=3) * & 2+am；n(i°=4) * ^ 3〇
4. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，通過根據下列規(guī)則確定這些圖像穩(wěn)定性校 正系數I而從該基本變焦表編寫變焦表： Im (i ⑷）=Im(i〇=l) +Im (i〇=2) * 3 +Im (i〇=3) * 3 2+Im (i0=4) * 3 3。
5. 如權利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，對于每種變焦設置而言，確定真實 變焦值3并將其存儲在該參考表中并可能存儲在該變焦表中。
6. -種用于校正數字光學成像系統(tǒng)中的像差的方法，該系統(tǒng)包括至少一個變焦系統(tǒng)和 圖像傳感器，其中，包括之前所確定的變焦階段的多個校正系數的變焦表被存儲在該成像 系統(tǒng)中，該方法包括下列步驟： -捕捉物象； -暫時存儲該物象； -捕捉該變焦系統(tǒng)的變焦設置； -為這種變焦設置確定多個失真校正系數； -使用這些失真校正系數以及可能地這些圖像穩(wěn)定性校正系數對該物象進行逐像素的 校正； -輸出校正后的物象。
7. 如權利要求6所述的方法，進一步包括為這種變焦設置確定多個圖像穩(wěn)定性校正系 數的步驟，其中，還使用這些圖像穩(wěn)定性校正系數進行該物象的該逐像素的校正。
8. 如權利要求6或7所述的方法，其特征在于，該物像的校正區(qū)域被選定為比該圖像傳 感器的傳感器區(qū)域更小。
9. 如權利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，使用下列關系進行該逐像素的校 正：
10. 如權利要求6至9之一所述的方法，其特征在于，該逐像素的校正包括像素數據的 插值。
11. 如權利要求6至10之一所述的方法，其特征在于，在校正之后進行真實放大率的確 定和輸出和/或存儲。
12. -種數字光學成像系統(tǒng)，具有變焦系統(tǒng)、圖像記錄傳感器和用于數字圖像處理的邏 輯單元，其中，該邏輯單元被配置成用于執(zhí)行如權利要求6至11之一所述的方法。
13. 如權利要求12所述的成像系統(tǒng)，其特征在于，該成像系統(tǒng)是包括物鏡的數字顯微 鏡，其中，多個縮減的變焦表被存儲在該物鏡和該變焦系統(tǒng)中并且在校準方法和/或校正 方法中被該邏輯單元所讀取。
【文檔編號】H04N5/232GK104349055SQ201410367611
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權日:2013年8月3日
【發(fā)明者】約翰內斯·溫特羅特, 托馬斯·米爾德, 馬克思·馮科, 杜飛克·加布爾 申請人:卡爾蔡司顯微鏡有限公司