close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15777

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.04.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 02B 15/00 (2006.01)
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИ ОБРАБОТАННОГО
ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА И ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НЕГО
(21) Номер заявки: a 20100704
(22) 2010.05.11
(43) 2011.12.30
(71) Заявители: Государственное научное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси"; Научно-производственное
республиканское унитарное предприятие "КБТЭМ-ОМО" (BY)
(72) Авторы: Желтов Георгий Иванович;
Кабанов Владимир Викторович;
Гуревич Элла Семеновна; Иваненко
Владимир Афанасьевич; Крот Вадим Валентинович (BY)
BY 15777 C1 2012.04.30
BY (11) 15777
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатели: Государственное
научное учреждение "Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси"; Научнопроизводственное республиканское унитарное предприятие "КБТЭМ-ОМО"
(BY)
(56) US 7330316 B2, 2008.
SU 1425571 A1, 1988.
SU 1624388 A1, 1991.
SU 1527606 A1, 1989.
JP 2007/199612 A.
US 2005/046964 A1.
(57)
1. Способ получения оптически обработанного изображения объекта, включающий
экспонирование неподвижного или перемещающегося объекта, находящегося в пределах
рабочей дистанции, импульсным излучением, коллимацию рассеянного объектом излучения с помощью первой неподвижной линзы или группы линз и построение первого промежуточного изображения объекта в заданной плоскости, перенос первого промежуточного изображения с помощью подвижной вдоль оптической оси второй линзы или
группы линз в фиксированную плоскость второго промежуточного изображения для построения в ней соответствующего изображения и перенос второго промежуточного изображения с помощью третьей линзы или группы линз в фиксированную плоскость
приемника изображения для построения изображения объекта, причем параметры первой
и второй линз или групп линз выбирают в соответствии с соотношениями:
Фиг. 1
BY 15777 C1 2012.04.30
 d 

d ⋅d   d 
 d1 + d 2 − 1 2  ⋅ 1 − 3  + d 3 ⋅ 1 − 1  ≡ 0 ,
F1   F2 
 F1 

 d   d
d3 
 ;
α AD = 1 − 2  ⋅ 1 − 3 +
−
F
F
F
d

1  
2
1
2 
αAD–∆α ≤ αAD ≤ αAD + ∆α;
lmax ≥ d1 ≥ lmin;
d2 + d3 = const,
где d1 - расстояние от объекта до передней главной плоскости первой линзы или группы
линз;
d2 - расстояние от задней главной плоскости первой линзы или группы линз до передней главной плоскости второй группы линз;
d3 - расстояние от плоскости второго промежуточного изображения до ближайшей
главной плоскости второй группы линз;
F1 и F2 - фокусные расстояния первой и второй линзы или группы линз соответственно;
αAD и ∆α - соответственно линейное увеличение, с которым получено второе промежуточное изображение, и допустимая погрешность этого увеличения;
lmax и lmin - пределы изменения указанной рабочей дистанции,
при этом принимают d3 > 0 и d3 < 0 в случае действительного и мнимого второго промежуточного изображения соответственно.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что экспонирование объекта осуществляют
монохроматическим, в частности лазерным, излучением.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первое промежуточное изображение строят
мнимым или действительным.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что второе промежуточное изображение строят
действительным или мнимым.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что экспонирование объекта осуществляют видимым или инфракрасным излучением.
6. Оптическая система для получения оптически обработанного изображения объекта,
содержащая источник импульсного излучения для экспонирования объекта, первую неподвижную линзу или группу линз для коллимации рассеянного объектом излучения и
построения первого промежуточного изображения объекта в заданной плоскости, вторую
подвижную вдоль оптической оси системы линзу или группу линз для переноса первого
промежуточного изображения в фиксированную плоскость второго промежуточного изображения с построением в ней соответствующего изображения, а также третью линзу или
группу линз для переноса второго промежуточного изображения в фиксированную плоскость приемника изображения, причем первая и вторая линзы или группы линз выполнены так, что их параметры удовлетворяют соотношениям:
 d 

d ⋅d   d 
 d1 + d 2 − 1 2  ⋅ 1 − 3  + d 3 ⋅ 1 − 1  ≡ 0 ,
F1   F2 
 F1 

 d   d
d3 
;
α AD = 1 − 2  ⋅ 1 − 3 +
F1   F2 F1 − d 2 

αAD – ∆α ≤ αAD ≤ αAD + ∆α;
lmax ≥ d1 ≥ lmin;
d2 + d3 = const,
где d1 - расстояние от объекта до передней главной плоскости первой линзы или группы
линз;
d2 - расстояние от задней главной плоскости первой линзы или группы линз до передней главной плоскости второй группы линз;
2
BY 15777 C1 2012.04.30
d3 - расстояние от плоскости второго промежуточного изображения до ближайшей
главной плоскости второй группы линз;
F1 и F2 - фокусные расстояния первой и второй линзы или группы линз соответственно;
αAD и ∆α - соответственно линейное увеличение, с которым получено второе промежуточное изображение, и допустимая погрешность этого увеличения;
lmax и lmin - пределы изменения рабочей дистанции до объекта,
при этом в указанных соотношениях d3 > 0 и d3 < 0 в случае действительного и мнимого
второго промежуточного изображения соответственно.
7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что источник излучения выполнен с возможностью создания потока монохроматического, в частности лазерного, излучения.
8. Система по п. 6, отличающаяся тем, что источник излучения выполнен с возможностью создания потока видимого или инфракрасного излучения.
Настоящее изобретение относится к оптике и может быть использовано в системах
биоидентификации, в частности, по радужной оболочке глаза, в метрологии, а также при
репортажной и художественной съемке.
Оптическая обработка изображений давно и широко известна.
Однако в обычных системах при изменении расстояния до объекта как авто-, так и
ручная фокусировка сопровождается изменением масштаба изображения, что в ряде случаев (биоидентификация, метрология и другие) представляется крайне нежелательным,
так как дополнительные меры для корректировки масштаба требуют дополнительного
времени, усложняют конструкцию, что в конечном счете приводит к ухудшению качества
изображения.
В настоящее время существует множество технических решений, направленных на
устранение этого недостатка и основанных на различных приемах.
Известны оптические системы, содержащие первую, вторую и третью группы линз,
первая и вторая из которых выполнены подвижными [например, патенты-аналоги фирмы
Панавижн Инк. US 6961188, публ. 05.02.2004, WO 2004/010199, публ. 29.01.2004,
TW 263797, публ. 11.10.2006]. В таких системах формируется одно промежуточное реальное изображение, которое может быть в дальнейшем увеличено.
Известны оптические системы с изменением масштаба изображения и автофокусом
[например, патенты US 4890132 фирмы Асахи Когаку Когио К.К., публ. 26.12.1989,
US 5055932 фирмы Виктор Кампани оф Джапан, Лтд., публ. 08.10.1991, BY 8411 ОАО
"Пеленг", публ. 30.08.2006, RU 2262727 Н.Е. Кунделевой и др., публикация 20.10.2005,
заявки US 2008204893 фирмы Самсунг Электромеканикс Ко ЛТД, публ. 28.08.2008 и
CN 101300525 фирмы Флекстроникс АП ЛЛС, публ. 05.11.2008]. Данные оптические системы выполнены с двумя отдельными подвижными группами линз для изменения масштаба и для фокусировки.
Известны оптические системы, содержащие несколько групп линз, хотя бы две из которых выполнены подвижными [например, патенты JP 60090318 фирмы Санкио Сеики
Сеисакушо КК, публ. 21.05.1985, JP 2071214 фирмы Копал Ко. Лтд., публ. 09.03.1990,
US 5748387 фирмы Ниппон Когаку КК, публ. 05.05.1998, US 7330316 фирмы Ниппон Когаку КК, публ. 12.02.2008]. В данных системах как изменение масштаба, так и коррекция
размера изображения осуществляется согласованным движением указанных подвижных
групп линз.
Наиболее близким аналогом как заявленного способа, так и заявленной оптической
системы является способ и оптическая система, раскрытые в патенте US 7330316 фирмы
Ниппон Когаку КК, публ. 12.02.2008. Оптическая система по патенту содержит источник
импульсного излучения для экспонирования объекта, первую линзу для коллимации излу-
3
BY 15777 C1 2012.04.30
чения, рассеянного объектом, вторую линзу для переноса первого промежуточного изображения в плоскость второго промежуточного изображения, третью линзу для переноса
второго промежуточного изображения в фиксированную плоскость приемника и приемник изображения. Хотя бы две из указанных линз выполнены подвижными. Способ оптической обработки изображения в данной системе предусматривает как изменение
масштаба, так и коррекцию размера изображения за счет согласованного движения указанных подвижных линз.
Недостатком такой оптической системы и соответствующего способа является сложность задачи по согласованию автономного движения двух (и более) линз или групп линз.
Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что существуют соотношения
параметров неподвижной и подвижной линз или групп линз, выбор которых позволяет
одновременно осуществлять автофокусировку и стабилизацию масштаба изображения передвижением только одной группы линз при нахождении или передвижении объекта в
пределах рабочего диапазона расстояний от первой линзы или группы линз.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание способа оптической обработки изображения и оптической системы, обеспечивающих автофокусировку и
стабилизацию масштаба изображения объекта при нахождении или перемещении этого
объекта вдоль оптической оси в пределах рабочей дистанции.
Поставленная задача решается следующим образом. Способ получения оптически обработанного изображения объекта, включающий экспонирование неподвижного или перемещающегося объекта, находящегося в пределах рабочей дистанции, импульсным
излучением, коллимацию рассеянного объектом излучения с помощью первой неподвижной линзы или группы линз и построение первого промежуточного изображения с помощью подвижной вдоль оптической оси второй линзы или группы линз в фиксированную
плоскость второго промежуточного изображения для построение в ней соответствующего
изображения, и перенос второго промежуточного изображения с помощью третьей линзы
или группы линз в фиксированную плоскость приемника изображения для построения
изображения объекта, причем параметры первой и второй линз или групп линз выбирают
в соответствии с соотношениями:

 d 
d ⋅d   d 
 d 1 + d 2 − 1 2  ⋅ 1 − 3  + d 3 ⋅ 1 − 1  ≡ 0 ,
F1   F2 

 F1 
 d   d
d3 
 ;
α AD = 1 − 2  ⋅ 1 − 3 +
−
F
F
F
d

1  
2
1
2 
αAD – ∆α ≤ αAD ≤ αAD + ∆α;
(3)
lmax ≥ d1 ≥ lmin;
d2 + d3 = const,
(4)
где d1 - расстояние от объекта до передней главной плоскости первой линзы или группы
линз,
d2 - расстояние от задней главной плоскости первой линзы или группы линз до передней главной плоскости второй группы линз,
d3 - расстояние от плоскости второго промежуточного изображения до ближайшей
главной плоскости второй группы линз,
F1 и F2 - фокусные расстояния первой и второй линзы или группы линз соответственно,
αAD и ∆α - соответственно линейное увеличение, с которым получено второе промежуточное изображение, и допустимая погрешность этого увеличения,
lmax и lmin - пределы изменения указанной рабочей дистанции,
при этом принимают d3 > 0 и d3 < 0 в случае действительного и мнимого второго промежуточного изображения соответственно.
4
BY 15777 C1 2012.04.30
Экспонирование объекта осуществляют монохроматическим, в частности лазерным,
излучением.
Первое промежуточное изображение строят мнимым или действительным.
Второе промежуточное изображение строят действительным или мнимым.
Экспонирование объекта осуществляют видимым или инфракрасным излучением.
Поставленная задача решена в оптической системе.
Оптическая система для получения оптически обработанного изображения объекта,
содержащая источник импульсного излучения для экспонирования объекта, первую линзу
или группу линз для коллимации рассеянного объектом излучения и построения первого
промежуточного изображения объекта в заданной плоскости, вторую подвижную вдоль
оптической оси системы линзу или группу линз для переноса первого промежуточного
изображения в фиксированную плоскость второго промежуточного изображения с построением в ней соответствующего изображения, а также третью линзу или группу линз
для переноса второго промежуточного изображения в фиксированную плоскость приемника и приемник изображения, причем первая и вторая линзы или группы линз выполнены так, что их параметры удовлетворяют следующим соотношениям:

 d 
d ⋅d   d 
 d 1 + d 2 − 1 2  ⋅ 1 − 3  + d 3 ⋅ 1 − 1  ≡ 0 ,
F1   F2 

 F1 
 d   d
d3 
;
α AD = 1 − 2  ⋅ 1 − 3 +
F1   F2 F1 − d 2 

αAD–∆α ≤ αAD ≤ αAD + ∆α;
(3)
lmax ≥ d1 ≥ lmin;
d2 + d3 = const,
(4)
где d1 - расстояние от объекта до передней главной плоскости первой линзы или группы
линз,
d2 - расстояние от задней главной плоскости первой линзы или группы линз до передней главной плоскости второй группы линз,
d3 - расстояние от плоскости второго промежуточного изображения до ближайшей
главной плоскости второй группы линз,
F1 и F2 - фокусные расстояния первой и второй линзы или группы линз соответственно,
αAD и ∆α - соответственно линейное увеличение, с которым получено второе промежуточное изображение, и допустимая погрешность этого увеличения,
lmax и lmin - пределы изменения указанной рабочей дистанции,
при этом принимают d3 > 0 и d3 < 0 в случае действительного и мнимого второго промежуточного изображения соответственно.
Экспонирование объекта предпочтительно осуществляют монохроматическим, включая лазерное, излучением, особенно предпочтительно видимым или инфракрасным излучением.
Как первое промежуточное изображение, так и второе промежуточное изображение
может быть мнимым или действительным.
На чертежах представлены неограничивающие примеры реализации настоящего изобретения.
На фиг. 1 представлена возможная схема реализации заявленного изобретения, данная
для упрощения в приближении тонких линз. На фиг. 2 представлена расчетная схема, использованная для обоснования заявленного изобретения. На фиг. 3а и 3б приведена принципиальная схема одного из примеров реализации заявленной оптической системы в
приближении тонких линз с первым мнимым и вторым действительным изображением
объекта при различных его положениях. На фиг. 4 приведен пример реализации заявлен5
BY 15777 C1 2012.04.30
ной оптической системы в приближении тонких линз со вторым мнимым изображением.
На фиг. 5 показаны фотографии протяженного объекта, полученные с использованием оптической схемы, показанной на фиг. 3 (фиг. 5а), и с помощью обычного объектива с таким
же фокусным расстоянием (фиг 5б). На фиг. 6 показана промышленная реализация оптической системы для идентификации личности по радужной оболочке глаз с параметрами,
адекватными примеру реализации, показанному на фиг. 4.
Одинаковым элементам на всех чертежах присвоены одинаковые обозначения.
На фиг. 1 A - плоскость объекта Im0, расположенная на расстоянии d1 от входной поверхности 1-й неподвижной линзы (группы линз) L1 с фокусным расстоянием F1 (плоскости B). Величина d1 адекватна рабочей дистанции до объекта. Диапазон изменений d1
задается априори. Линза (группа линз) L1 формирует первое промежуточное изображение
Im1. Отрезок d2 и плоскость C отражают положение 2-й подвижной линзы (группы линз) с
фокусным расстоянием F2, формирующей 2-е промежуточное изображение Im2 в плоскости D.
Заявляемый способ со ссылкой на фиг. 1 включает следующие шаги:
экспонирование объекта A, перемещающегося или находящегося в пределах рабочей
дистанции ∆1 импульсным источником видимого или инфракрасного излучения;
коллимацию излучения, рассеянного объектом, с помощью первой неподвижной линзы L1 и построение первого мнимого или действительного промежуточного изображения
B, размер которого и расположение в пространстве определяются расстоянием 1 от объекта до входного зрачка оптической системы. При перемещении объекта вдоль оси будет
перемещаться и его первое, в примере по фиг. 1 - мнимое - изображение B. Вместе с перемещением изображения меняется и его размер - здесь длина стрелки;
перенос первого промежуточного изображения в фиксированную плоскость второго
промежуточного действительного или мнимого изображения C и построение указанного
второго промежуточного изображения с помощью подвижной группы линз L2, параметры
которой связаны с параметрами первой группы линз L1, а также рабочей дистанцией ∆1 и
погрешностью масштабирования ∆α, заданными математическими соотношениями (1)-(4),
обеспечивающими наряду с оптическим сопряжением системы объект A - фиксированная
плоскость C, стабилизацию линейного увеличения объекта (нормализацию). Независимо
от перемещения объекта A, его второе промежуточное изображение в фиксированной
плоскости C остается практически постоянным по величине (с небольшой погрешностью
∆α). То есть, если при перемещении объекта A его первое промежуточное изображение B
увеличивается в какое-то число раз, второе промежуточное изображение C в плоскости C
пропорционально уменьшается. Таким образом, размер второго промежуточного изображения C и его положение в пространстве остается стабильным;
перенос второго промежуточного изображения C и построение изображения объекта в
плоскости приемника изображения D (фотоматрица, передающая телевизионная трубка и
т.д.) с регулируемым вручную или автоматически масштабом (zooming) и сохранением
оптического сопряжения плоскостей C-D, что в конечном счете эквивалентно оптическому сопряжению плоскости объекта A и плоскости его финишного изображения D или,
иными словами, созданию в плоскости приемника сфокусированного изображения с фиксированным увеличением (масштабом).
Обоснование заявленного изобретения со ссылкой на фиг. 2.
Преобразование светового луча, распространяющегося в меридиональной плоскости
центрированной оптической системы, описывается в матричной форме следующим образом [A. Gerrard, J.M. Burch, Introduction to Matrix Methods in Optics. Publication John Willey
& Sons, London, New York, Toronto, 1976]:
α N β N y1
yN
y
⋅ ,
= MN ⋅ 1 =
(5)
u1 χ N δ N u1
un
6
BY 15777 C1 2012.04.30
i =1
M N = ∏ Mi ,
i= N
где |MN| - матрица передачи оптической системы, содержащей N элементов; y1 и u1 - радиальная и угловая координаты луча на входе оптической системы соответственно; yN и uN координаты луча на выходе оптической системы. Под элементами оптической схемы в
простейшем случае понимают отдельные сферические поверхности (тонкие линзы), а
также промежутки между ними, заполненные средой с показателем преломления n. В
формуле (5) |Mi| - матрица отдельного элемента оптической схемы.
На фиг. 2 A - плоскость объекта Im0, расположенная на расстоянии d1 от входной поверхности 1-й неподвижной линзы (группы линз) L1 с фокусным расстоянием F1 (плоскости
B). Величина d1 адекватна рабочей дистанции до объекта. Диапазон изменений d1 задается
априори. Линза (группа линз) L1 формирует первое промежуточное изображение Im1.
Аналогично отрезок d2 и плоскость C отражают положение 2-й подвижной линзы
(группы линз) с фокусным расстоянием F2, формирующей 2-е промежуточное изображение Im2 в плоскости D.
Для решения задачи, поставленной в заявляемом изобретении, положение плоскости
D не должно изменяться при изменении дистанции до объекта (d1), а вариации линейного
увеличения 2-го промежуточного изображения, определяемого как отношение y2/y1, не
должны выходить за пределы допустимой погрешности.
Второе промежуточное изображение переносится в плоскость фотоприемника G системой линз L3, которая в зависимости от конкретных условий может иметь как фиксированное, так и изменяемое фокусное расстояние F3, например, для независимого от
системы линз L1 и L2 управления масштабом финишного изображения Im3.
Матрица передачи |MAD| рассматриваемой оптической системы на участке A-D объединяет N = 5 элементов: интервал d1, линзу L1, промежуток d2, линзу L2 и отрезок D3.
В соответствии с формулой (5):
y1 α AD β AD y1
y2
⋅ , откуда y 2 = α AD ⋅ y1 + β AD ⋅ u 1 .
= M AD ⋅
=
(6)
u 1 χ AD δ AD u 1
u2
Здесь величины y1 и у2 соответствуют обозначениям, приведенным на фиг. 2.
Согласно [A. Gerrard], условием оптического сопряжения плоскостей А и D (объект его изображение) является равенство нулю параметра β матрицы передачи:
(7)
βAD = 0.
При выполнении условия (7), согласно формуле (6), выражение для линейного увеличения на отрезке AD принимает вид:
y2 = α .
AD
y1
(8)
Можно показать, что в параксиальном приближении для оптической системы, приведенной на фиг. 2, параметры αAD и βAD определяются следующими соотношениями:
 d   d
d3 
d d
d ⋅d
d
;
α AD = 1 − 2 − 3 − 3 + 2 3 = 1 − 2  ⋅ 1 − 3 +
(9)
F1 F1 F2 F1 ⋅ F2  F1   F2 F1 − d 2 
β AD = d1 + d 2 + d 3 −
d1 ⋅ d 2 d1 ⋅ d 3 d1 ⋅ d3 d 2 ⋅ d 3 d1 ⋅ d 2 ⋅ d 3
=
−
−
−
+
F1
F1
F2
F2
F1 ⋅ F2
 d 
 d 
d ⋅d
= β0 ⋅ 1 − 3  + d 3 ⋅ 1 − 1  , где β0 = d1 + d 2 − 1 2 .
F1
 F2 
 F1 
7
(10)
BY 15777 C1 2012.04.30
Здесь F1, F2 > 0, если сферическая поверхность выпуклая (положительная линза);
F1, F2 < 0, если сферическая поверхность вогнутая (отрицательная линза);
d3 > 0, если второе промежуточное изображение действительное;
d3 < 0, если второе промежуточное изображение мнимое.
Таким образом, для решения задачи, поставленной в заявляемом изобретении, необходимо потребовать выполнения следующих условий:
 d 
 d 
d ⋅d
β 0 ⋅ 1 − 3  + d 3 ⋅ 1 − 1  ≡ 0, где β 0 = d1 + d 2 − 1 2 ;
(1)
F1
 F1 
 F2 
 d   d
d3 
 ,
(2)
α AD − ∆α ≤ α AD ≤ α AD + ∆α, где α AD = 1 − 2  ⋅ 1 − 3 +
−
F
F
F
d

1  
2
1
2 
∆α
где
- предельно допустимая относительная погрешность линейного увеличения опα AD
тической системы в целом.
Очевидно также, что условия (1) и (2) должны быть дополнены требованием стабильности положения в пространстве второго промежуточного изображения (плоскость D на
фиг. 2) и независимости этого положения от вариаций расстояния d1. Это требование может быть выражено в следующей форме:
(3)
d2 + d3 = const.
В качестве начального условия для расчета задаются допустимая погрешность увеличения ∆α и границы рабочей дистанции ∆l:
l max ≥ d1 ≥ l min ; l max − l min = ∆l .
(4)
Уравнения (1-4) объединяют комплекс условий, необходимых для формирования в
плоскости фотоприемника изображения объекта с неизменным, фиксированным увеличением (масштабом) при перемещении указанного объекта вдоль оптической оси в пределах
заданной рабочей дистанции ∆l (формула (4)). Эти условия следующие:
1. Условие оптического сопряжения объекта и его второго промежуточного и, следовательно, финишного изображения - уравнение (1).
2. Условие стабильности линейного увеличения (масштаба) объекта - уравнение (2).
3. Условие постоянства пространственного положения второго промежуточного изображения - уравнение (3).
Система уравнений (1)-(4) имеет множество решений, что подтверждается приведенными ниже примерами реализации.
Пример 1
Оптическая система для фоторегистрации и последующей идентификации личности
по особенностям строения лица.
Оптическая система, представленная на фиг. 3а, 3б, обеспечивает фоторегистрацию
лица человека с постоянным увеличением в диапазоне дистанций от 700 до 1000 мм. Система регистрации и идентификации личности по особенностям строения лица в этом случае не требует масштабирования изображения при его первичной компьютерной
обработке и дополнительно позволяет использовать абсолютные размеры отдельных анатомических элементов в процессе распознавания.
Принцип работы оптической системы следующий.
Объект Im0 (плоскость A) расположен (или перемещается) вдоль оси оптической системы в пределах рабочей дистанции d1–d1' = ∆1. Отрицательная линза (система линз) L1
(плоскость B) строит первое мнимое промежуточное изображение Im1. Величина и локализация Im1 на оптической оси изменяется при перемещении объекта и зависит от расстояния d1 до объекта Im0. Первое промежуточное изображение Im1 переносится с
помощью подвижной положительной линзы (системы линз) L2 (плоскость C) в плоскость
8
BY 15777 C1 2012.04.30
D. Положение плоскости D на оси фиксировано, а построенное таким образом второе промежуточное изображение Im2 является действительным. Выполнение условий (1)-(4) (См.
формулу изобретения) обеспечивает формирование в плоскости D изображения Im2 с
практически постоянным увеличением α ± ∆α (где ∆α - малая величина). Выбор расстояния может осуществляться вручную (при фиксированном положении объекта) или автоматически в режиме автофокусировки (движущийся объект). Второе стабилизированное
по величине и локализации изображение Im2 переносится системой линз L3 (плоскость E)
на поверхность фотоприемника, например, ПЗС-матрицы (плоскость G, изображение Im3)
для регистрации и последующей компьютерной обработки.
Параксиальный расчет рассматриваемой оптической системы по формулам (1)-(4) для
рабочей дистанции 1000 мм < d1 < 700 мм дает следующие параметры:
фокусное расстояние первой линзы (группы линз) F1 = –588 мм;
фокусное расстояние второй линзы (группы линз) F2 = + 294 мм;
положение 2-го промежуточного изображения d2 + d3 = 882 мм;
при изменении дистанции до объекта от 700 до 1000 мм расстояние между линзами
(группами линз) L1 и L2 (величина d2) варьируется от 188,2 до 102,9 мм.
При указанных параметрах и условиях линейное увеличение второго промежуточного
изображения составляет минус 0,62 ± 0,01 при перемещении объекта вдоль оси в пределах
рабочей дистанции.
Фокусное расстояние группы линз L3 и положение этой группы на оптической оси определяется конкретными параметрами матрицы фотоприемника и требованиями к финишному увеличению объектива в целом.
Результат работы описанного примера реализации заявленного изобретения представлен на фиг. 5а, в то время как на фиг. 5б - контрольное изображение, полученное в близких условиях с помощью обычного объектива. Для увеличения глубины резкости
использована последовательная покадровая съемка и последующая интеграция изображений с использованием программы Helicon Focus.
Регистрируемая ширина объектов на фиг. 5а в соответствии с формулой изобретения
практически не зависит от расстояния до объектива. Этот эффект здесь является основой
зрительной иллюзии уширения (в общем случае - увеличения размеров) объекта по мере
удаления от наблюдателя. В действительности (это легко проверить простым измерением)
такого уширения нет. Эффект может быть использован в художественной фотографии,
репортажной киносъемке и других аналогичных случаях.
Пример 2
Система фоторегистрации для последующей идентификации личности по радужной
оболочке глаз.
Рассматриваемая система объектив - камера, представленная на фиг. 4, может обеспечить фоторегистрацию радужки глаз человека с постоянным увеличением в диапазоне
дистанций от 205 до 305 мм. Она, как и в предыдущем примере, не требует масштабирования изображения при его первичной компьютерной обработке, что сокращает время,
необходимое для идентификации личности и способствует повышению качества финишного изображения. Диапазон применений рассматриваемой системы может быть существенно расширен. В частности, она может оказаться полезной в метрике движущихся
микрообъектов, в художественной фотографии и других областях.
Здесь входная неподвижная положительная линза L1 (плоскость B) строит первое виртуальное действительное изображение (на рисунке не показано) объекта A. Это изображение трансформируется подвижной отрицательной линзой L2 в мнимое второе
промежуточное изображение, локализованное в плоскости D. Пространственное положение плоскости D фиксировано. Выполнение условий (1)-(4) обеспечивает формирование в
плоскости D изображения с постоянным увеличением α ± ∆α (где ∆α - малая величина, не
зависящая от дистанции, до объекта). Второе, в данном случае мнимое изображение пере9
BY 15777 C1 2012.04.30
носится на матрицу фотоприемника G с помощью третьей линзы L3. Рассчитанные в параксиальном приближении параметры оптической схемы - фокусные расстояния линз и их
положение в пространстве приведены на фиг. 4. В скобках указаны размеры, соответствующие максимуму рабочей дистанции до объекта. Расчетное значение увеличения второго промежуточного изображения при изменении рабочей дистанции до объекта в пределах
205-305 мм не выходит за пределы A = + 0,2 ± 0,005. Увеличение линзы L3 на отрезке второе промежуточное изображение - изображение на матрице фотоприемника G равно - 1,1.
Таким образом, финишное увеличение объекта равно 0,22.
Пример 3
Промышленная реализация системы фоторегистрации, рассмотренной в примере 2.
Образец объектива для системы фоторегистрации радужной оболочки глаз, представленной на фиг. 6, рассчитан с использованием данных, приведенных в примере 2, он изготовлен в промышленных условиях и испытан. Как и в предыдущем случае, на фиг. 5 в
скобках приведены параметры, соответствующие максимальной рабочей дистанции. Обозначения SHi и SHi' соответствуют передним и задним главным плоскостям групп линз L1 ,
L2, L3. Объектив ахроматизирован в ближней инфракрасной области спектра.
Система, показанная на фиг. 6, содержит три группы линз, вторая из которых установлена с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и апертурную диафрагму.
Первая линза первой группы I - положительный мениск 1, обращенный вогнутостью к
плоскости объектов.
Вторая линза склеена из положительной двояковыпуклой линзы 2 и отрицательной
двояковогнутой линзы 3.
Третья линза - отрицательный мениск 4, обращенный вогнутостью к плоскости объектов.
Вторая группа линз II выполнена склеенной из двух линз - отрицательной двояковогнутой линзы 5 и положительного мениска 6, обращенного выпуклостью к плоскости объектов.
Третья группа линз III также выполнена склеенной из двух линз - положительной
двояковыпуклой линзы 7 и отрицательного мениска 8, обращенного вогнутостью к плоскости объектов.
Апертурная диафрагма расположена между второй и третьей группами линз.
Предложенный объектив рассчитан для работы в спектральном интервале длин волн
λ = (650÷890) нм. Масштаб изображения β = –0,22x, числовая апертура в пространстве
изображений NA' = 0,08, диаметр рабочего поля изображения 2Y' = 3,3 мм. Рабочий диапазон расстояний от первой поверхности первого компонента до плоскости объектов равен 300÷400 мм. Плоскость изображений расположена на расстоянии 50 мм от последней
поверхности третьего компонента и остается постоянной при изменении расстояния до
плоскости объектов.
В таблице приведены результаты технических испытаний объектива, по примеру 2,
показанного на фиг. 6. Испытательный стенд включал последовательно расположенные на
оптической скамье светодиодный источник подсветки в спектральном интервале 650 ± 20 нм,
прозрачную мирру № 4 в качестве объекта фоторегистрации, испытуемый объектив в
комплекте с CMOS-камерой с разрешением фотоматрицы 1600x1200 пикселей. Объект
последовательно перемещался вдоль оптической оси в пределах рабочей дистанции. Фокусировка объектива и определение увеличения осуществлялись по предельно высокому
разрешению изображения мирры. Номинальный масштаб изображения (увеличение) равен
0,22.
10
BY 15777 C1 2012.04.30
Расстояние от объек- Разрешение объектита до объектива, мм
ва, лин/мм
300
320
340
360
380
400
175
125
175
175
175
175
Изменение масштаба Изменение масштаба
изображения гориизображения вертизонталь, %
каль, %
0
0
+ 0,985
+ 0,985
+ 1,724
+ 1,724
0
+ 2,217
+ 0,985
+ 0,985
+ 2,217
0
Результаты испытаний показывают, что нестабильность масштаба изображения при перемещении объекта вдоль оптической оси в пределах рабочей дистанции не превышает
2,5 %.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
11
BY 15777 C1 2012.04.30
Фиг. 5а
Фиг. 5б
Фиг. 6
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
12
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 503 Кб
Теги
by15777, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа