CN101216745B - 基于线阵ccd的光点平面位置探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度的光点平面位置探测系统。系统在被探测平面的法线方向，平行放置二个线阵CCD摄像机。二个线阵CCD摄像机的线阵CCD探测器相互垂直。第一台线阵CCD摄像机负责测量横向位置，第二台线阵CCD负责测量纵向位置。其中线阵CCD摄像机各包含一个球面成像镜头和一个柱面成像镜头，其中球面成像镜头为远心成像。柱面成像镜头把球面成像镜头所成的像二次成像到线阵CCD探测器上。通过这一方法可以大大提高光点在CCD探测器上的成像质量，提高了光点的定位精度。

Description

基于线阵CCD的光点平面位置探测系统

技术领域

本发明涉及一种基于线阵CCD的光点平面位置探测系统。可以实现对光点在二维平面内的位置进行精确探测。该系统可应用于如电子白板等需要进行光点位置探测的系统中。

背景技术

光点的坐标位置探测技术在很多很多领域都有着广泛的应用。比如在交互式电子白板系统中，其中的关键技术就在书写笔的位置探测。目前现有的位置探测技术包括红外线、超声波以及CCD探测器。红外线探测技术是把红外发光二极管一个接一个地安置于探测区域的一侧，与其相对的另一侧放置一排光电探测器。当物体遮挡住红外光时，光电探测器上会产生阴影，根据阴影的位置可计算出遮挡物的位置。但由于发光二级管和光电探测器的体积较大，在白板四周排列时发光管和探测器的个数有限，因此分辨率不是很高。此外由于发光二级管发出的光平行性较差，因此笔在探测器阵列上的阴影大小和遮挡物离探测器的远近有关系。这也影响了测量的精度。

采用CCD探测器的技术有几种，一是采用CCD面阵，在探测面的法线方向上安装CCD摄像机对探测面进行拍摄。其缺点是面阵CCD像元少，高分辨率面阵CCD价格昂贵，信号处理周期长，刷新频率比较低。另一种方法是采用CCD线阵，安装位置可以在探测面的侧面，也可以在白板法线方向。在法线方向拍摄光点位置需要水平和垂直方向的二个CCD探测器，分别探测光点在X和Y方向的坐标。目前报道的方法是采用一个摄像镜头，在摄像镜头后面放置一个半透半反镜，然后在半透半反镜二侧各放置一个柱面透镜。这一方法由于只采用了一个柱面透镜，并且没有考虑球面镜和柱面镜之间的相对位置关系，使得光点在CCD上成像质量较差，因而影响其探测精度。

本发明提出了一种采用二个相同的线阵CCD摄像机作为一组XY坐标探测系统，其中二个线阵CCD摄像机的线阵CCD探测器相互垂直。在每个线阵CCD摄像机中各采用了一个多片球面镜头和一个多片柱面镜头，使得光点的成像质量得到了极大的提高，大大地提高了光点位置的探测精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于线阵CCD的光点平面位置探测系统。

它包括第一线阵CCD摄像机、第二线阵CCD摄像机、第一CCD信号处理电路、第二CCD信号处理电路、第一线阵CCD芯片、第二线阵CCD芯片，第一线阵CCD摄像机后端设有第一线阵CCD芯片，第二线阵CCD摄像机后端设有第二线阵CCD芯片，第一线阵CCD摄像机与第一CCD信号处理电路相连接，第二线阵CCD摄像机与第二CCD信号处理电路相连接，第一线阵CCD摄像机与第二线阵CCD摄像机并行放置，并使的线阵CCD芯片处于水平方向，线阵CCD芯片处于垂直方向。

所述的线阵CCD摄像机包括球面成像镜头、柱面成像镜头和线阵CCD探测器，其中球面成像镜头为远心成像镜头，被探测光点的像成在球面成像镜头和柱面成像镜头之间，并且像上的主光线和像面垂直，柱面镜头把像成像在CCD探测器上。

所述的球面成像镜头至少包含二片或二片以上的球面透镜，柱面成像镜头至少包含二片或二片以上的柱面镜片，并且所有柱面镜片的无焦方向在同一方向上。

所述的线阵CCD探测器的中心放置在球面成像透镜的光轴上，线阵CCD探测器的阵列方向和柱面镜头的无焦方向垂直。

本发明提出的线阵CCD探测系统，其光学成像系统可以在很大的探测范围内均有较高的成像质量，并且不同的视场内其线状像不会发生模糊的现象，大大提高了探测精度。此外XY坐标探测只是使用了二个相同结构的线阵CCD摄像机，因此有利于标准化及成本的降低，简化了系统的复杂性。由于线阵CCD探测器较面阵CCD探测器有更高的线分辨率，所以可以极大地提高探测精度。如果需要进一步扩大探测的分辨率并且扩大探测的面积，可增加光点探测系统的个数，通过多个系统的位置的拼接实现高分辨率的探测。

附图说明

图1是基于线阵CCD的光点平面位置探测系统结构示意图；

图2是本发明中线阵CCD摄像机光学系统原理图(俯视图)；

图3是本发明中线阵CCD摄像机光学系统原理图(侧视图)；

图4是本发明中线阵CCD探测器平面上的光点像形状和位置图；

图5是本发明中的线阵CCD摄像机光学成像系统具体实施案例；

图6是本发明中线阵CCD的信号处理电路的结构原理框图；

图中：第一线阵CCD摄像机1、第二线阵CCD摄像机2、第一CCD信号处理电路3、第二CCD信号处理电路4、第一线阵CCD芯片5、第二线阵CCD芯片6。

具体实施方式

如图1所示，基于线阵CCD的光点平面位置探测系统包括第一线阵CCD摄像机1、第二线阵CCD摄像机2、第一CCD信号处理电路3、第二CCD信号处理电路4、第一线阵CCD芯片5、第二线阵CCD芯片6，第一线阵CCD摄像机1后端设有第一线阵CCD芯片5，第二线阵CCD摄像机2后端设有第二线阵CCD芯片6，第一线阵CCD摄像机1与第一CCD信号处理电路3相连接，第二线阵CCD摄像机2与第二CCD信号处理电路4相连接，第一线阵CCD摄像机1与第二线阵CCD摄像机2并行放置，并使的线阵CCD芯片5处于水平方向，线阵CCD芯片6处于垂直方向。

如图2所示，线阵CCD摄像机包括一个球面成像镜头11、一个柱面成像镜头12和一个线阵CCD探测器5，其中球面成像镜头11为远心成像镜头。所述的线阵CCD探测器5的中心放置在球面成像透镜的光轴上，线阵CCD探测器13的阵列方向和柱面镜头12的无焦方向垂直。

工作时，被探测光点14的像15成在球面成像镜头11和柱面成像镜头12之间，并且光点像15上的主光线和像面16垂直。柱面镜头12再把像15成像在CCD探测器5上。

如图3所示，从图中可以看到，光点通过球面镜头11所成的像15再通过柱面镜头以后，由于在此方向上柱面镜头没有光焦度，所以光点不再成像，而是以直线传播到线阵CCD探测器5上。因此在CCD探测器平面内，光点通过柱面镜头12后的像17为一条直线。线阵CCD探测器5的阵列方向和柱面镜头12的无焦方向垂直。在探测区域内，直线像17和线阵CCD探测器5永远相交，使得线阵CCD探测器5可以得到光点的某一方向的坐标值。

如图4所示，给出了线阵CCD探测器5平面上的成像情况，其中横线为线阵CCD，竖线为光点的像17。被探测光点X坐标的变化导致直线像17的水平移动，被测光点Y值的变化导致直线像17在垂直方向的移动，但像17始终和线阵CCD探测器5相交，因此在探测范围内，不管Y如何变化，都可以探测到X坐标。

在线阵CCD摄像机中光学成像的质量关系到探测的精度。对于普通包含柱面镜的成像系统，当被测光点在光轴中心位置时，主光线和柱面镜片垂直，而Y不为0时，主光线和柱面镜片不垂直。由于柱面透镜在倾斜入射和垂直入射时光焦度不一样，导致无法使成像系统在不同的Y值下有同样好的成像质量。往往当Y值较大时，像面上的直线像17变差，且出现中间细二端粗的情况。因此当Y坐标值较大时，点的X坐标探测精度降低。本发明提出的成像光学系统首先通过远心球面成像镜头11把不同的Y坐标值下的光点14高质量地成像在柱面镜头12的前端。由于此时像15的主光线垂直像平面16，因此不同Y坐标的光点的主光线均垂直柱面镜头12，且光线分布基本相同，因此可以使得Y不为0的光点和Y＝0上的光点有相同的成像质量，大大提高了探测精度。

在上述的线阵CCD摄像机中，球面镜头11的镜片均为球面。柱面镜头12的镜片均为柱面，且柱面的方向相同，使得在Y方向上无焦距。球面镜头11和柱面镜头12的镜片个数至少分别在二片以上，片数越多，成像质量越佳。线阵CCD探测器5应安放在柱面镜头12的成像面上，并且线阵列方向在X方向上。

如图5所示，所述的球面成像镜头11至少包含二片或二片以上的球面透镜，柱面成像镜头12至少包含二片或二片以上的柱面镜片，并且所有柱面镜片的无焦方向在同一方向上。

图5为根据本发明实施的光学成像系统的具体案例。其中球面镜头11由6片球面镜片构成。柱面镜头12由4片柱面镜片构成。其中线阵CCD探测器5放置在柱面镜头成像面上，且和柱面方向垂直。线阵CCD探测器5可以采用2048分辨率的芯片，以提高探测的精度。根据这一具体实施的方案，光点在CCD上的直线像的线宽可以控制在8um左右，在探测距离为1365m的情况下，可探测光点的范围为826mmX590mm。

如图6所示。由于上述的第一CCD信号处理电路3、第二CCD信号处理电路4相同，这里只给出第一CCD信号采集电路3的电路原理。其中第一线阵CCD摄像机中的线阵CCD探测器5与域值触发器31、单片机35相连接，域值触发器31与单片机35相连接，脉冲信号发生器32与单片机35的第一路计数器33、第二路计数器34相连接。由线阵CCD探测器5测到的光点信号为一个脉冲信号。脉冲信号发生器32产生一个频率稳定的方波信号，并接到单片机35的第一路计数器33和第二路计数器34上。线阵CCD探测器5的光点信号接到脉冲发生器32，线阵CCD探测器5上的同步信号接到单片机35。由于光点信号有一个上升沿和下降沿，预先设定一个阈值电压，其值大致在光点脉冲峰值电压的一半左右。通过于域值触发器31后，会在光点脉冲信号的上升、下降沿的阈值位置产生二个脉冲信号，此脉冲作为单片机35的中断脉冲。测量中，当同步信号的脉冲发送到单片机35时，单片机35通知第一路计数器33和第二路计数器34同时开始对方波脉冲进行计数。当CCD的图像光点信号从低电平上升到预先设定的域值电压时，域值触发器31输出一个中断脉冲到单片机35，单片机35结束第一路计数器33对方波信号的计数。当CCD图像信号下降到预先设定的域值电压时，域值触发器31输出一个中断脉冲到单片机35，单片机35结束第二路计数器34对方波信号的计数。单片机35对二路计数器的计数值取平均值，即为CCD摄像机1从线阵CCD的起始位置扫描到光点峰值位置的时间，此时间作为CCD探测器测得的光点位置，并可以通过串口或USB口传输给外接的计算机。对于第一线阵CCD摄像机，测得的值为X坐标。对于第二线阵CCD摄像机，测得的值即为Y坐标。

对于大面积及更高分辨率的光点XY坐标的测量，可以把探测区域等分成若干个小区域，每个区域的中心法线方向各放置一组(即二个)线阵CCD摄像机，分别测量这一区域内的XY坐标。然后通过计算机把每个区域的XY坐标进行连接，就可以得到整个区域的光点坐标值。

Claims (1)

1.一种基于线阵CCD的光点平面位置探测系统，其特性在于包括第一线阵CCD摄像机(1)、第二线阵CCD摄像机(2)、第一CCD信号处理电路(3)、第二CCD信号处理电路(4)、第一线阵CCD芯片(5)、第二线阵CCD芯片(6)，第一线阵CCD摄像机(1)后端设有第一线阵CCD芯片(5)，第二线阵CCD摄像机(2)后端设有第二线阵CCD芯片(6)，第一线阵CCD摄像机(1)与第一CCD信号处理电路(3)相连接，第二线阵CCD摄像机(2)与第二CCD信号处理电路(4)相连接，第一线阵CCD摄像机(1)与第二线阵CCD摄像机(2)并行放置，并使得第一线阵CCD芯片(5)处于水平方向，第二线阵CCD芯片(6)处于垂直方向；所述的第一线阵CCD摄像机(1)、第二线阵CCD摄像机(2)均包括一个球面成像镜头(11)、一个柱面成像镜头(12)和一个线阵CCD探测器，其中球面成像镜头(11)为远心成像镜头，被探测光点(14)的像(15)成在球面成像镜头(11)和柱面成像镜头(12)之间，并且像(15)上的主光线和像面(16)垂直，柱面成像镜头(12)把像(15)成像在线阵CCD探测器上；所述的球面成像镜头(11)至少包含二片以上的球面透镜，柱面成像镜头(12)至少包含二片以上的柱面镜片，并且所有柱面镜片的无焦方向在同一方向上；所述的线阵CCD探测器的中心放置在球面成像透镜的光轴上，线阵CCD探测器的阵列方向和柱面成像镜头(12)的无焦方向垂直。

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