用于校准数字光学仪器的方法和数字光学仪器技术

本发明专利技术涉及一种用于校准光学仪器的方法，该光学仪器包括至少一个电动变焦系统(16)、物镜(13)、图像传感器(06)和图像处理单元。该方法包括下列步骤：用参考物镜(10)建立该变焦系统(16)的校准数据DZRef并将其存储在该变焦系统(16)的内部存储器中；用参考变焦系统(09)建立该物镜(13)的校准数据DORef并将其存储在该物镜(13)的内部存储器中；读取该变焦系统(16)和该物镜(13)的内部存储器并将该校正数据DZRef和DORef应用于图像传感器所获取的图像的数字光学校正。本发明专利技术还涉及一种光学仪器，具体地，数字显微镜，可以将根据本发明专利技术的校准方法应用于该光学仪器。

【技术实现步骤摘要】
用于校准数字光学仪器的方法
本专利技术涉及一种用于校准光学仪器的方法，具体地，用于数字显微镜和模块化光学系统，这些光学仪器包括多个独立的变焦系统以及(可选地)多个物镜。另外，本专利技术涉及数字显微镜或数字光学系统，在该数字显微镜或数字光学系统中实现这种方法，或者说该数字显微镜或数字光学系统适用于根据本专利技术的方法的应用。
技术介绍
(即变焦系统的和物镜的)光学组件的生产公差会造成图像呈现的像差，不管这是物镜的还是特定变焦设置的实际放大率、图像稳定性离中心的偏离、图像失真、色差还是其他像差。像差是指从物点发射的各种光线并未全部聚焦在像点上。最重要的像差是球面像差和色像差。通过由多个不同玻璃类型的透镜所构成的系统对球面像差和色像差进行校正；通过非球面透镜或梯度透镜对球面像差进行校正。本领域技术人员已经认识到了进一步的校正选项，例如不晕透镜、分解透镜以用于减小入射角、具有更高折射率的玻璃类型、减小光瞳和其他选项。例如，玻璃板(平板)产生图像平面偏移或不清晰，这会随着孔径角的增大而增强。通过透镜的成像总是在不同程度上容易出错。例如，在显微图像中创造了彩色条纹或所谓的场曲率。通过物镜的巧妙设置可以大部分地排除此类像差。平面消色差透镜和复消色差透镜是这种情况的例子。在复消色差物镜的情况下，显微图像中的彩色边缘受到物镜中的不同透镜的复杂安排的抑制。校正平面消色差透镜的方式为使得消除显微图像中通常出现的场曲率。在所有的物镜当中，平面复消色差透镜具有最复杂的设计。在这些物镜中，场曲率被大部分地去除，如同平面消色差透镜的情况。另外，通常发生的红色和蓝色条纹在这些物镜中受到非常复杂的设计的抑制。这些物镜非常昂贵并且主要用于需求最高的彩色显微摄影中。在变焦系统中，由于变焦设计的定中心差异(图像稳定性误差)的存在，另外存在像差。此外，上述像差可以随着变焦范围而变化。制造公差具体在成像的质量中发挥着重大作用。在具有模块化设计的数字显微镜的情况下，具体由于变焦系统和物镜光学组件和其对应的公差，像差会叠加。DE10225193A1披露了一种用于校准立体显微镜的放大率的方法，其中，应当能够在第一校准的基础上推导出整个放大率范围上的校准。用物镜/目镜参考测量对，通过致动变焦而在显微镜上设置预定的实际放大率。对变焦的不同透镜的位置(在这种情况下存在)进行配准，并存储标称放大率值以用于每种变焦设置。通过实际放大率和标称放大率之间的计算性比较来计算校正因数，该校正因数用于校准整个变焦范围。这仅涉及关于真实放大率的校正。在数字摄影中，可以手动地通过例如软件对物镜失真进行校正，其中，用于相机和物镜的综合数据库必须是可用的。在内部使用相机(例如索尼)的固件部分地执行物镜校正(失真、色像差和渐晕)。DE10114757B4描述了一种具有变焦光学单元和数字相机的显微系统。在校正单元(PC)中对应于与对应的放大率相对应的图像校正数据对数字拍摄的图像进行校正。在此，图像校正数据是标准背景图像的摄影图像数据。针对每个像素执行与物像和该标准背景图像相对应的异或功能。DE102010025888A1披露了一种数字相机，该数字相机具有用于创建没有失真的数字图像的实现方法，该数字相机使得理想的图像失真能够分别适应现有的相机物镜。在该方法中，一旦被实验性地并后续地存储在所有具有相同物镜类型的数字相机中，就确定了用于每一类相机物镜的校正值。在此，失真函数取决于已设定的焦距和有待记录的物距，并且可以被建立为由常数所组成的二维矩阵并且存储在数字相机中。在此，可以从所存储的矩阵通过内插而建立这些因数。US2008/0239107A1和US2009/0268078A1披露了用于数字相机的失真校正方法，在这些方法中，将取决于变焦和聚焦设置的系数存储在表格中。在校正的过程中，通过用高阶多项式插值来建立中间值。在数字显微术和其他数字光学应用中，如果变焦未被直接整合在物镜中，物镜和变焦系统通常可以被配置在它们自己之间。也就是说，变焦系统可以与不同的物镜一起使用。由于变焦系统和物镜两者会造成不同的像差，需要不同的校正以实现令人满意的图像质量。
技术实现思路
本专利技术是基于详细说明了一种用于校准数字显微镜或不同光学系统的目的，该方法具体地简化了模块化系统的制造工艺，并且使得当物镜被改变时能够产生关于不同像差的快速且简单的校准。此外，所寻求的是提供一种具有这种校准逻辑的数字显微镜。根据本专利技术的方法针对通过数字显微镜(具有至少一个变焦系统和物镜作为光学模块)的模块化组件的适当的单独校准以简单且特别快速的方式实现校准的完整系统的目标，每种情况下分别具有参考物。先决条件是为变焦系统的任意位置分配单独的校准。如果以步进模式对变焦系统进行电动化或编码，通过变焦系统的驱动，该先决条件是可能的。在此，该方法包括下列步骤：用参考物镜建立该变焦系统的校准数据DZRef并将该校准数据DZRef存储在该变焦系统的内部存储器中。在进一步的步骤中，提出用参考变焦系统建立该物镜的校准数据DORef并将该校准数据DORef存储在该物镜的内部存储器中。随后，通过对图像传感器所获取的图像进行适当的数字光学校正来组合DZ和DO。这可以是与坐标变换相关的数学运算。首先，有待基于数字显微镜的具体优选的实施例对建立变焦系统的校准数据DZRef的步骤进行解释。该数字显微镜包括至少一个物镜、(经常或通常)电动变焦系统、图像传感器和用于图像处理的逻辑单元或图像处理单元。该逻辑单元被优选地与所谓的光学引擎中的变焦系统安排在一起，其中还封装有用于该变焦系统的一个或多个驱动控件、以及进一步的控制和评估组件。以可互换的方式将物镜安排在光学引擎上。该物镜有利地包括其自己的存储器和电子接口，可以通过该电子接口对该存储器进行读取。固有地，该数字显微镜还(以本身已知的方式)包括用于致动显微镜组件的控制单元和用于操作、图像观察和图像评估的输入/输出单元。不言而喻，在数字显微镜的情况下作为输入/输出单元的监视器、键盘和操作组件还可以作为与数字显微镜相连的分离组件是可用的。同样，该数字显微镜包括载物台(可以用电机驱动的方式将该载物台移开)、可选地可枢转的置物台、用于视觉外照明并可选地用于贯穿视觉照明的照明设备、以及多个在此未提到的进一步组件。由于变焦系统和物镜是具有不同的公差和像差的不同光学模块，并且其生产可选地以分散式的方式发生，需要进行独立的校准。然而，该方法还可以有利地用于物镜的或光学引擎的后续互换。在包含电动变焦系统的光学引擎(图像处理单元)的生产过程中，对可选地用于多个透镜组件的多个发动机的已定义电机增量而言，确定其真实变焦曲线。此外，建立该变焦系统的实际像差(如图像稳定性、光圈控制和失真校正)，并最终由此建立模型以用于放大率控制和图像校正。根据本专利技术，基于参考物镜对所有有待生产的新系统进行这种校准。这保证了总是以同样的方式对每个变焦系统进行校准。在生产这些物镜之后，在参考变焦系统上一致地对这些物镜进行校准。在该过程中，建立了与参考变焦系统相结合的真实放大率。有利的是，还获取并存储了具有参考物镜的参考变焦系统的校准数据。如果数字显微镜中的物镜后续被互换，所存储的变焦系统的校准数据可以用于使用存储在该物镜上的校准数据和已知的参考数据进行缩短的重校准。在每本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于校准数字光学仪器的方法，该数字光学仪器包括至少一个电动或编码变焦系统(16)、物镜(13)、图像传感器(06)和图像处理单元，该方法包括下列步骤：‑用参考物镜(10)建立该变焦系统(16)的校准数据DZRef并将其存储在该变焦系统(16)的内部存储器中；‑用参考变焦系统(09)建立该物镜(13)的校准数据DORef并将其存储在该物镜(13)的内部存储器中；‑读取该变焦系统(16)和该物镜(13)的内部存储器并将图像传感器所获取的图像的数字光学校正适用于该校准数据DZRef和DORef。

【技术特征摘要】
2013.08.03 DE 102013012987.71.一种用于校准数字光学仪器的方法，该数字光学仪器包括至少一个电动或编码变焦系统(16)、物镜(13)、图像传感器(06)和图像处理单元，该方法包括下列步骤：-用参考物镜(10)建立该变焦系统(16)的校准数据DZRef并将其存储在该变焦系统(16)的内部存储器中；-用参考变焦系统(09)建立该物镜(13)的校准数据DORef并将其存储在该物镜(13)的内部存储器中；-读取该变焦系统(16)和该物镜(13)的内部存储器并将图像传感器所获取的图像的数字光学校正适用于该校准数据DZRef和DORef。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，首先用该参考物镜(10)对该参考变焦系统(09)进行校准，其中，该参考物镜上存储有校准表(12)并且该参考变焦系统上存储有变焦表(11)。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该校准数据DZRef包括真实变焦曲线和具有多个校准...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰内斯·温特罗特，托马斯·米尔德，马克思·冯科，杜飞克·加布尔，约翰内斯·诺布里克，
申请(专利权)人：卡尔蔡司显微镜有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE