Hoe chromatische aberratie en vervorming het beeld beïnvloeden

1.chromatische aberratie

1.1 Wat is chromatische aberratie?

De chromatische aberratie wordt veroorzaakt door het verschil in doorlaatbaarheid van het materiaal. Natuurlijk licht bestaat uit het zichtbare lichtgebied met een golflengtebereik van 390 tot 770 nm, en de rest is het spectrum dat het menselijk oog niet kan zien. Omdat de materialen verschillende brekingsindices hebben voor verschillende golflengten van gekleurd licht, heeft elk gekleurd licht een andere beeldpositie en vergroting, wat resulteert in chromatisme van positie.

1.2 Hoe beïnvloedt chromatische aberratie de beeldkwaliteit

(1) Vanwege verschillende golflengten en brekingsindex van verschillende kleuren licht, kan het objectpunt niet goed worden scherpgesteld in EEN perfect beeldpunt, dus de foto zal wazig zijn.

(2) Ook zullen er door de verschillende vergrotingen van verschillende kleuren "regenbooglijnen" zijn aan de rand van de beeldpunten.

1.3 Hoe beïnvloedt chromatische aberratie het 3D-model?

Wanneer de afbeeldingspunten "regenbooglijnen" hebben, heeft dit invloed op de 3D-modelleringssoftware om met hetzelfde punt overeen te komen. Voor hetzelfde object kan het matchen van drie kleuren een fout veroorzaken vanwege de "regenbooglijnen". Wanneer deze fout zich groot genoeg ophoopt, zal dit "stratificatie" veroorzaken.

1.4 Hoe chromatische aberratie te elimineren?

Het gebruik van verschillende brekingsindex en verschillende dispersie van glascombinaties kan chromatische aberratie elimineren. Gebruik bijvoorbeeld glas met een lage brekingsindex en lage dispersie als bolle lenzen, en glas met een hoge brekingsindex en hoge dispersie als concave lenzen.

Zo'n combilens heeft een kortere brandpuntsafstand bij de middelste golflengte en een langere brandpuntsafstand bij de lange en korte golfstralen. Door de sferische kromming van de lens aan te passen, kunnen de brandpuntsafstanden van het blauwe en rode licht exact gelijk zijn, wat in feite de chromatische aberratie elimineert.

Secundair spectrum

Maar chromatische aberratie kan niet volledig worden geëlimineerd. Na gebruik van de gecombineerde lens wordt de resterende chromatische aberratie "secundair spectrum" genoemd. Hoe langer de brandpuntsafstand van de lens, hoe meer chromatische aberratie er overblijft. Daarom kan voor luchtonderzoek waarvoor zeer nauwkeurige metingen nodig zijn, het secundaire spectrum niet worden genegeerd.

In theorie, als de lichtband kan worden verdeeld in blauw-groene en groen-rode intervallen, en achromatische technieken worden toegepast op deze twee intervallen, kan het secundaire spectrum in principe worden geëlimineerd. Het is echter door berekening bewezen dat indien achromatisch voor groen licht en rood licht, de chromatische aberratie van blauw licht groot wordt; als achromatisch voor blauw licht en groen licht, wordt de chromatische aberratie van rood licht groot. Het lijkt erop dat dit een moeilijk probleem is en geen antwoord heeft, het hardnekkige secundaire spectrum kan niet volledig worden geëlimineerd.

Apochromatisch（APO）technisch

Gelukkig hebben theoretische berekeningen een manier gevonden voor APO, namelijk het vinden van een speciaal optisch lensmateriaal waarvan de relatieve spreiding van blauw licht naar rood licht erg laag is en die van blauw licht naar groen licht erg hoog.

Fluoriet is zo'n speciaal materiaal, de dispersie is erg laag en een deel van de relatieve dispersie ligt dicht bij veel optische glazen. Fluoriet heeft een relatief lage brekingsindex, is enigszins oplosbaar in water en heeft een slechte verwerkbaarheid en chemische stabiliteit, maar vanwege zijn uitstekende achromatische eigenschappen wordt het een kostbaar optisch materiaal.

Er zijn maar heel weinig puur bulkfluoriet dat kan worden gebruikt voor optische materialen in de natuur, in combinatie met hun hoge prijs en moeilijkheid om te verwerken, zijn fluorietlenzen synoniem geworden met hoogwaardige lenzen. Verschillende lensfabrikanten hebben kosten noch moeite gespaard om vervangers voor fluoriet te vinden. Fluor-kroonglas is er een van, en AD-glas, ED-glas en UD-glas zijn zulke vervangers.

De schuine camera's van Rainpoo gebruiken ED-glas met extreem lage dispersie als cameralens om aberratie en vervorming zeer klein te maken. Niet alleen vermindert de kans op gelaagdheid, maar ook het 3D-modeleffect is sterk verbeterd, wat het effect van de hoeken en gevel van het gebouw aanzienlijk verbetert.

2 (vervorming)

2.1 Wat is vervorming?

Lensvervorming is eigenlijk een algemene term voor perspectiefvervorming, dat wil zeggen vervorming veroorzaakt door perspectief. Dit soort vervorming zal een zeer slechte invloed hebben op de nauwkeurigheid van fotogrammetrie. Het doel van fotogrammetrie is immers om te reproduceren, niet te overdrijven, dus het is vereist dat foto's de ware schaalinformatie van de grondkenmerken zoveel mogelijk weergeven.

Maar omdat dit het inherente kenmerk van de lens is (convexe lens convergeert licht en concave lens divergeert licht), is de relatie uitgedrukt in optisch ontwerp: de raakvoorwaarde voor het elimineren van vervorming en de sinusvoorwaarde voor het elimineren van coma van het diafragma kan niet worden voldaan bij tegelijkertijd, dus vervorming en optische chromatische aberratie. Hetzelfde kan niet volledig worden geëlimineerd, alleen verbeterd.

In de bovenstaande afbeelding is er een proportionele relatie tussen de beeldhoogte en de objecthoogte, en de verhouding tussen beide is de vergroting.

In een ideaal beeldvormingssysteem wordt de afstand tussen het objectvlak en de lens vast gehouden en is de vergroting een bepaalde waarde, dus er is alleen een proportionele relatie tussen het beeld en het object, helemaal geen vervorming.

In het eigenlijke beeldvormingssysteem is de vergroting echter niet langer een constante op het beeldvlak van een paar geconjugeerde objecten, dat wil zeggen de vergroting in het beeld, aangezien de sferische aberratie van de hoofdstraal varieert met de toename van de veldhoek. midden van het beeld en de vergroting van de rand inconsistent zijn, verliest het beeld zijn gelijkenis met het object. Dit defect dat het beeld vervormt, wordt vervorming genoemd.

2.2 Hoe beïnvloedt vervorming de nauwkeurigheid?

Ten eerste zal de fout van AT (Aerial Triangulation) de fout van de dichte puntenwolk beïnvloeden, en dus de relatieve fout van het 3D-model. Daarom is het wortelgemiddelde kwadraat (RMS of Reprojection Error) een van de belangrijke indicatoren die objectief de uiteindelijke modelleringsnauwkeurigheid weerspiegelen. Door de RMS-waarde te controleren, kan de nauwkeurigheid van het 3D-model eenvoudig worden beoordeeld. Hoe kleiner de RMS-waarde, hoe hoger de nauwkeurigheid van het model.

2.3 Wat zijn de factoren die lensvervorming beïnvloeden?

brandpuntsafstand
Over het algemeen geldt: hoe langer de brandpuntsafstand van een lens met vast brandpunt, hoe kleiner de vervorming; hoe korter de brandpuntsafstand, hoe groter de vervorming. Hoewel de vervorming van de lens met ultralange brandpuntsafstand (telelens) al erg klein is, kan de brandpuntsafstand van de lens van de luchtonderzoekscamera in feite niet worden aangepast om rekening te houden met de vlieghoogte en andere parameters. zo lang.De volgende afbeelding is bijvoorbeeld een Sony 400 mm telelens. Je kunt zien dat de lensvervorming erg klein is, bijna onder controle binnen 0,5%. Maar het probleem is dat als je deze lens gebruikt om foto's te verzamelen met een resolutie van 1 cm, en de vlieghoogte al 820 m is. Het is volkomen onrealistisch om de drone op deze hoogte te laten vliegen.

Lensverwerking

Lensverwerking is de meest complexe en meest nauwkeurige stap in het lensproductieproces, waarbij minimaal 8 processen betrokken zijn. Het voorproces omvat nitraatmateriaal, vat vouwend zand, hangend slijpen, en het postproces omvat kerncoating-adhesie-inktcoating. De verwerkingsnauwkeurigheid en verwerkingsomgeving bepalen rechtstreeks de uiteindelijke nauwkeurigheid van optische lenzen.

Lage verwerkingsnauwkeurigheid heeft een fataal effect op beeldvervorming, wat direct leidt tot ongelijkmatige lensvervorming, die niet kan worden geparametriseerd of gecorrigeerd, wat de nauwkeurigheid van het 3D-model ernstig zal beïnvloeden.

Lensinstallatie

Afbeelding 1 toont de lenskanteling tijdens het installatieproces van de lens;

Figuur 2 laat zien dat de lens niet concentrisch is tijdens het installatieproces van de lens;

Afbeelding 3 toont de juiste installatie.

In de bovenstaande drie gevallen zijn de installatiemethoden in de eerste twee gevallen allemaal "verkeerde" montage, waardoor de gecorrigeerde structuur wordt vernietigd, wat resulteert in verschillende problemen zoals wazig, ongelijkmatig scherm en dispersie. Daarom is tijdens de verwerking en montage nog steeds een strikte precisiecontrole vereist.

Lens montage proces

Het lensassemblageproces verwijst naar het proces van de algehele lensmodule en de beeldsensor. De parameters zoals de positie van het hoofdpunt van het oriëntatie-element en de tangentiële vervorming in de camerakalibratieparameters beschrijven de problemen die worden veroorzaakt door de montagefout.

Over het algemeen kan een klein aantal montagefouten worden getolereerd (uiteraard, hoe hoger de montagenauwkeurigheid, hoe beter). Zolang de kalibratieparameters nauwkeurig zijn, kan de beeldvervorming nauwkeuriger worden berekend en kan vervolgens de beeldvervorming worden verwijderd. Trillingen kunnen er ook voor zorgen dat de lens enigszins beweegt en de lensvervormingsparameters veranderen. Dit is de reden waarom de traditionele luchtonderzoekscamera na verloop van tijd moet worden gerepareerd en opnieuw moet worden gekalibreerd.

2.3 De schuine cameralens van Rainpoo

Dubbele Gauβ structuur

Schuine fotografie stelt veel eisen aan de lens: klein van formaat, licht van gewicht, laag in beeldvervorming en chromatische aberratie, hoog in kleurweergave en hoog in resolutie. Bij het ontwerpen van de lensstructuur gebruikt de lens van Rainpoo een dubbele Gauβ-structuur, zoals weergegeven in de afbeelding:
De structuur is verdeeld in de voorkant van de lens, het diafragma en de achterkant van de lens. De voor- en achterkant kunnen "symmetrisch" lijken ten opzichte van het diafragma. Een dergelijke structuur zorgt ervoor dat sommige van de chromatische aberraties die aan de voor- en achterkant worden gegenereerd, elkaar opheffen, dus het heeft grote voordelen bij kalibratie en controle van de lensgrootte in de late fase.

Asferische spiegel

Voor een schuine camera die is geïntegreerd met vijf lenzen, als elke lens in gewicht verdubbelt, zal de camera vijf keer wegen; als elke lens in lengte verdubbelt, dan zal de schuine camera minstens twee keer zo groot worden. Daarom moeten bij het ontwerpen asferische lenzen worden gebruikt om een hoge beeldkwaliteit te verkrijgen en tegelijkertijd de aberratie en het volume zo klein mogelijk te houden.

Asferische lenzen kunnen het licht dat door het sferische oppervlak wordt verstrooid opnieuw focussen naar de focus, kunnen niet alleen een hogere resolutie verkrijgen, de kleurreproductiegraad hoog maken, maar kunnen ook aberratiecorrectie voltooien met een klein aantal lenzen, het aantal te maken lenzen verminderen de camera lichter en kleiner.

Vervormingscorrectie technisch

Door de fout in het assemblageproces zal de tangentiële vervorming van de lens toenemen. Het verminderen van deze montagefout is het vervormingscorrectieproces. De volgende afbeelding toont het schematische diagram van de tangentiële vervorming van een lens. Over het algemeen is de vervormingsverplaatsing symmetrisch ten opzichte van de linkerbenedenhoek - de rechterbovenhoek, wat aangeeft dat de lens een rotatiehoek heeft loodrecht op de richting, die wordt veroorzaakt door montagefouten.

Om de hoge beeldnauwkeurigheid en -kwaliteit te garanderen, heeft Rainpoo daarom een reeks strikte controles uitgevoerd op ontwerp, verwerking en montage:

In de vroege ontwerpfase, om de coaxialiteit van de lensassemblage te waarborgen, voor zover mogelijk om ervoor te zorgen dat alle lensinstallatievlakken door één klemming worden verwerkt;

②Gebruik van geïmporteerde draaigereedschappen van legeringen op zeer nauwkeurige draaibanken om ervoor te zorgen dat de bewerkingsnauwkeurigheid het IT6-niveau bereikt, vooral om ervoor te zorgen dat de coaxialiteitstolerantie 0,01 mm is;

③Elke lens is uitgerust met een set zeer nauwkeurige wolfraamstalen plugmeters op het binnenste cirkelvormige oppervlak (elke maat bevat ten minste 3 verschillende tolerantienormen), elk onderdeel wordt strikt geïnspecteerd en positietoleranties zoals parallelliteit en loodrechtheid worden gedetecteerd door een drie-coördinaten meetinstrument;

④Nadat elke lens is geproduceerd, moet deze worden geïnspecteerd, inclusief projectieresolutie en kaarttests, en verschillende indicatoren zoals de resolutie en kleurweergave van de lens.