透射光源下提升图像对比度的光学系统与图像采集装置

摘要

一种透射光源下提升图像对比度的光学系统，包括光源，依次位于光源产生的光路上的第一光阑、辅助透镜、聚光镜和第二光阑；第一光阑设置在光源处，用于调节有效光源的大小；辅助透镜用于使光源产生一个虚像，增大光源到聚光镜的距离，聚光镜用于将光源成像在成像系统镜头的入瞳处；第二光阑与聚光镜相贴安装，用于在成像系统的视野范围内控制有效观察范围的大小，避免杂散光对像面对比度的影响。一种图像采集装置，由光学系统、成像系统和载物台组成，成像系统位于载物台的上方，光学系统位于载物台的下方；所述光学系统为上述结构的光学系统。

说明书

技术领域

本发明属于图像采集和识别领域，特别涉及一种透射光源下提升图像对比度的光学系统与图像采集装置。

背景技术

在图像识别和处理领域，图像边缘的提取是重要的问题，因为图像边缘不清晰则不能从图像上将各物体分辨出来。例如，石油地质实验室的微观驱替刻蚀模型，实验中有饱和水、饱和油、在饱和油的情况下泵入水将油驱出等多种状态，这些动态过程的图像采集目前通常是用图2所示的装置或显微镜与摄像头相配合来完成。图2所示的装置由数字成像设备5、载物台7、散光板10和发光面11组成，光源通过散光板形成向各个方向亮度相等的面光源，对于模型上的任何一点都是一个明场与暗场的叠加，如图2中的C点，AB之间的部分为明场照明，AB以外的部分是暗场照明。由于明场使介质的分界面暗于周边的介质(如附图3所示)，而暗场使分界面亮于周边介质，因此模型中介质的分界面和介质的对比度很低，致使介质分界面的轮廓成像不清晰，难于从图像上获得油被驱出后水占据孔隙通道的情况(见图1(c))。

显微镜与摄像头相配合采集图像是将模型放置在显微镜下，摄像头通过显微镜进行图像采集，虽然显微镜具有足够的放大倍数，介质分界面的轮廓成像清晰，但存在的问题是视场较小，且光照均匀的范围就更，小因而不适用于大尺寸模型的图像采集。例如，图1(a)为显微镜下微观驱替刻蚀模型的局部图像，可以较为清晰地看到水将部分油驱出后模型中孔隙通道的边缘，图1(b)是2cm×1.5cm的微观驱替刻蚀模型在显微镜下成像的整体图像，呈现四角黑圈现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种透射光源下提升图像对比度的光学系统与图像采集装置，以解决在大视场下对被观测模型实现轮廓清晰、照度均匀性好的成像问题。

本发明所述透射光源下提升图像对比度的光学系统，包括光源，依次位于光源产生的光路上的第一光阑、辅助透镜、聚光镜和第二光阑；第一光阑设置在光源处，用于调节有效光源的大小；辅助透镜用于使光源产生一个虚像，增大光源到聚光镜的距离，聚光镜用于将光源成像在成像系统镜头的入瞳处；第二光阑与聚光镜相贴安装，用于在成像系统的视野范围内控制有效观察范围的大小，避免杂散光对像面对比度的影响。

上述光学系统中的聚光镜为透镜，其焦距f由下式确定：

[h_1min^-1+h₂^-1]^-1≤f≤[h_1max^-1+h₂^-1]^-1

式中，h₂为聚光镜至成像系统镜头的距离(即像距)，根据具体的视场和成像系统确定，h_1min是光源到聚光镜的距离的最小值(即物距的最小值)，h_1max是光源到聚光镜的距离的最大值(即物距的最大值)，h_1min和h_1max分别由下述公式确定：

$h_{1\min }={\left(\frac{l_m^2{h}_2^2\sqrt{n}}{l_m^2+h_2^2-h_2^2\sqrt{n}}\right)}^{\frac{1}{2}}$

$h_{1\max }={\left(\frac{l_m^2{h}_2^2}{l_m^2\sqrt{n}-h_2^2+h_2^2\sqrt{n}}\right)}^{\frac{1}{2}}$

式中，l_m为成像系统视场对角线长度的1/2，根据具体的视场和成像系统确定，n为成像物体表面亮度的最小值与最大值之比，0≤n≤1。

上述公式根据物面亮度均匀性要求，利用透镜成像原理结合本发明所述光学系统的光路组成推导可得。

为了使光源相对于聚光镜的各点亮度相同，本发明所述光学系统的光源为LED阵列和散光板组成的漫射光源，由于LED的主要能量集中在视角范围内，为使LED阵列发出的光线经散光板后形成亮度均匀的光源，LED阵列发出的光线在散光板处的照度需比较均匀，不能有明显的亮斑和暗斑。

为了减小光学系统的空间高度，本发明所述光学系统中设置了辅助透镜，所述辅助透镜优选色差小于1.5的透镜。

本发明所述图像采集装置，由光学系统、成像系统和载物台组成，成像系统位于载物台的上方，光学系统位于载物台的下方；所述光学系统为上述结构的光学系统。

为充分利用聚光镜的口径，本发明所述图像采集装置中，其载物台与光学系统中的第二光阑相贴安装。

本发明所述图像采集装置，其成像系统为数字成像设备，优选高分辨率、像面照度均匀性好的数字成像设备。通过调节成像系统与载物台的距离可调节视野范围，调节成像系统的镜头可以实现不同位置的聚焦。

本发明所述图像采集装置，其使用方法如下：首先将第二光阑的大小调节至与物面要求的视野范围相同，然后调节成像系统，使成像系统能以最大分辨率对物面视野范围成清晰的图像，继后调节光源和第一光阑的高度，使光源通过聚光镜能成像在成像系统镜头的入瞳处，最后调节第一光阑的大小，使像的大小与成像系统镜头的入瞳大小相同，以保证没有暗场照明、达到最佳的成像效果，并且充分利用了物镜的通光孔径。如此调节好的系统能得到边缘轮廓清晰的高对比度、大视场的图像。

为了适应不同的视野范围，可上下移动成像系统，为了保证光源成像在成像系统镜头入瞳处，光源与第一光阑应随成像设备的移动而移动。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述光学系统，其结构可将光源成像在成像系统镜头的入瞳处，避免了暗场照明、充分利用了明场照明，因而可在透射光源下提升图像的对比度，与成像系统配合，获取到原本对比度很低的物体(孔隙)边缘轮廓的清晰图像。

2、本发明所述图像采集装置与现有图像采集装置相比，直接成像的清晰度大幅度提高，对大模型(6cm×6cm)实现了轮廓清晰、照度均匀性好的直接成像(即不通过显微镜进行图像采集)，为使用高清显微图像作为分析对象的应用领域提供了保障。

附图说明

图1是现有图像采集装置对微观驱替刻蚀模型采集到的图像，图1中，(a)图是通过显微镜进行图像采集得到的局部图像；(b)图是通过显微镜进行图像采集得到的整体图像；(c)图是现有大尺寸微观图像采集装置采集到的局部图像。

图2是现有大尺寸微观图像采集装置的结构示意图，图中表示出了光源的明场和暗场效应。

图3是图2中的图像采集装置对微观驱替刻蚀模型进行图像采集时，模型中的孔隙边缘在透射式明场照明下的光学原理图。

图4是本发明所述透射光源下提升图像对比度的光学系统的结构示意图。

图5是本发明所述图像采集装置的结构示意图。

图6是本发明所述图像采集装置对微观驱替刻蚀模型采集到的图像，图6中，(a)图是非均质微观驱替刻蚀模型在饱和水状态的局部图像，(b)图是均质微观驱替刻蚀模型在饱和水状态的局部图像，(c)图是6cm×6cm均质微观驱替刻蚀模型在饱和水状态的整体图像。

图中，1-岩石颗粒、2-油占据的孔隙通道(岩石颗粒间隙)、3-水占据的孔隙通道(岩石颗粒间隙)、4-孔隙通道边缘(水或油占据的孔隙通道与岩石颗粒的交界)、5-数字成像设备、6-数字成像设备镜头的入瞳、7-载物台、8-暗场照明、9-明场照明、10-散光板、11-发光面、12-第二光阑、13-聚光镜、14-辅助透镜、15-第一光阑、16-光源、17-光源经过辅助透镜后形成的虚像。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所述透射光源下提升图像对比度的光学系统与图像采集装置作进一步说明。

实施例1

本实施例中，透射光源下提升图像对比度的光学系统如图4所示，由光源16及依次位于光源产生的光路上的第一光阑15、辅助透镜14、聚光镜13和第二光阑12组成。光源16为LED阵列和散光板组成的漫射光源，散光板用支架支撑，LED阵列安装在散光板下面，第一光阑15放置在散光板上表面；辅助透镜14的色差为1.2，组装时用支架支撑；聚光镜13为透镜，组装时用支架支撑，第二光阑12放置在聚光镜上。关于聚光镜13的焦距，要结合成像系统与所采集图像的对象(模型)，根据本说明书发明内容部分记载的聚光镜焦距计算公式(见本说明书第2页)计算确定，此内容在实施例2中予以说明。

实施例2

本实施例中，图像采集装置的结构如图5所示，由光学系统、成像系统和载物台7组成，成像系统通过支架安装在载物台7的上方，光学系统安装在载物台7的下方。光学系统为实施例1所述的结构，成像系统为高分辨率、像面照度均匀性好的数字成像设备5。

对于尺寸不大于6cm×6cm的微观驱替刻蚀模型，当其物面亮度的最大值与最小值之比n为0.73≤n≤1时，若光学系统中的聚光镜到成像系统镜头的距离h2的可变化范围为10cm～20cm、光源16至聚光镜13的距离h1的变化范围为7cm～94cm，则根据聚光镜焦距计算公式所计算出的聚光镜焦距f的取值范围为81mm～86m，可在f的取值范围内选取一个具体的焦距值购买或加工聚光镜，本实施例选取焦距85mm的透镜做聚光镜。光学系统中，第一光阑15的大小随数字成像设备的光圈的大小而改变，第二光阑12的大小与微观驱替刻蚀模型要求的视野范围相同。

使用本实施例所述图像采集装置对微观驱替刻蚀模型采集到的图像见图6，从图6可以看出，本实施例所述图像采集装置对6cm×6cm的大尺寸微观驱替刻蚀模型实现了轮廓清晰、照度均匀性好的直接成像。

本发明不限于上述实施例，本发明所述提升图像对比度的光学系统和图像采集装置可用于透射光源下各种模型的图像采集，使用时可根据模型的尺寸、模型物面亮度的波动强弱确定光学系统中的聚光镜到成像系统镜头的距离h2的变化范围、光源16至聚光镜13的距离h1的变化范围和聚光镜13的焦距。