CN102998093A - 一种快速自动测焦装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速自动测焦装置及测量方法，利用固定距离的两束激光垂直通过透镜，光线经透镜折射后在透明光屏上形成两个模糊像点；然后，启动自动测焦系统，采样透镜与光屏的距离值、拍摄光屏上的像点、调用图像处理算法计算得出图像上两点间的距离、接着依据本发明提供的方法计算出光屏上两像点间的距离及所测透镜的焦距，最后通过显示屏输出焦距值。本发明能有效的提高测量焦距的手段，运算量小，速度快，方法简便易行，并且能达到较高的精度。

Description

一种快速自动测焦装置及测量方法

技术领域

本发明数据测量焦距领域，特别涉及一种适用于投影机镜头、摄像相机镜头、手机镜头、激光光学镜头等各类光学组件的生产测试中的一种快速自动测焦装置及测量方法。

背景技术

焦距是光学系统最重要的参数之一。在现代光学镜头的生产测试中需要测量工具越来越智能化：高效，快速和高精度。传统方法是手工测量，如放大率法、精密测角法、二次成像法等测量工作量大，调整复杂，测量过程繁琐，对测量环境要求高。而现代高精度焦距测量仪具有体积大，测量条件苛刻，功耗高，价格不菲等缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种快速自动测焦装置及测量方法，本测焦装置利用模糊的像点即可测定被测透镜的焦距，能克服传统测焦方法的缺陷，不仅操作简单，易于实现且具有测量方法简单易行、可靠性高等特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种快速自动测焦装置，包括配有均匀电阻的导轨和安装在导轨上的底座，底座通过固定按钮固定在导轨上，底座上安装有支架，快速自动测焦装置还包括处理器MCU、采样模块和A/D转换模块，所述底座包括第一底座、第二底座、第三底座和第四底座，所述第一底座的支架上端安装有激光源，所述第二底座的支架上端安放透镜，所述第三底座的支架上端安装有光屏，所述第四底座的支架上端安装有拍照设备；所述拍照设备通过数据线与处理器MCU连接，所述采样模块采集导轨上的均匀电阻丝的变化值，通过A/D转换模块与处理器MCU连接。

其中安放在第二底座的支架上端透镜可以为各种不同尺寸的透镜。

更进一步的，所述激光源内含有两束距离为10-100mm的激光，两束激光的距离可以根据透镜的大小进行设定。

更进一步的，所述安装在底座上的支架带有自由调节高度的可调旋钮。

更进一步的，所述第一底座及第四底座与导轨上的均匀电阻绝缘，所述第二底座及第三底座与导轨上的均匀电阻接通。

更进一步的，所述透镜支架为可调透镜支架，用于放置不同直径的透镜。

更进一步的，所述光屏为透明光屏，所述光屏与拍照设备间的距离是固定，该固定距离使得拍照设备的视角能覆盖整个光屏并能接收到清晰的像。

更进一步的，所述光屏、拍照设备、数据线和处理器MCU为固定封装设备；所述处理器MCU还连接有显示屏。

本发明的又提出一种应用于所述快速自动测焦装置的测量方法，包括以下步骤：

1）采用激光源内的两束激光垂直透过透镜，激光经透镜折射后在光屏上形成两个像点；

2）启动自动测焦装置，采样模块采集透镜与光屏的距离值，并通过A/D转换模块后传输至处理器MCU，采用拍照设备拍摄光屏上的两个像点并通过数据线传输至处理器MCU；

3）处理器MCU处理获得步骤1）光屏上两个像点的距离以及透镜焦距，并通过显示屏显示透镜的焦距值。

所述步骤2）中的采样模块采集透镜与光屏的距离值是通过采样模块采集第二底座与第三底座间的均匀电阻阻值，将电阻阻值换算成长度值。

所述步骤3）中透镜的焦距f：

当光屏与透镜的距离大于透镜焦距：

当光屏与透镜的距离小于透镜焦距：

当光屏与透镜的距离等于透镜焦距：f=v

其中：f为透镜（7）焦距，v为透镜（7）与光屏（8）间的距离，h为两束激光间的距离，a为光屏上两像点中心间的距离；

$a=\frac{u^{\′}-f^{\′}}{f^{\′}}*D^{\′}{E}^{\′};$

式中：u'为光屏（8）与拍照设备（9）间的距离，f为拍照设备（9）的焦距，D'E'为拍照设备（9）拍摄成像的两个光斑中心的距离。

所述D'E'通过以下方式确定：处理器MCU读取拍照设备（9）拍摄的图片，判断拍摄图像是否为灰度图像，若不是灰度图像则用rgb2gray函数转化为灰度图，然后二值化、反色；然后用追踪轮廓算法追踪圆的边界，检测出不规则圆的轮廓，得到其圆的轮廓坐标后用最小二乘法分别对两个光斑进行圆的拟合，圆的拟合后得到圆心坐标，最后通过两点间的距离公式计算出D'E'。

本发明的有益效果：本发明的测焦装置利用模糊的像点即可测定被测透镜的焦距，能克服传统测焦方法的缺陷，不仅操作简单，易于实现且具有测量方法简单易行、可靠性高等特点。

附图说明

图1为本发明的测焦装置的示意图；

图2为使用一束激光的原理图；

图3为使用两束激光的原理图；

图4为拍照设备的成像原理图；

图5为图像处理流程图；

图6为迭代法流程图；

图7为控制器运行流程；

图8为焦距测量的整体功能图。

具体实施方式

图1为本发明的测焦装置的示意图，一种快速自动测焦装置，包括配有均匀电阻的导轨(1)和安装在导轨(1)上的底座，底座通过固定按钮(6)固定在导轨(1)上，底座上安装有支架(4)，支架(4)带有自由调节高度的可调旋钮(6)，还包括处理器MCU(11)、采样模块(12)和A/D转换模块(13)，所述底座包括第一底座(51)、第二底座(52)、第三底座(53)和第四底座(54)，所述第一底座(51)的支架(4)上端安装有激光源(3)，所述第二底座(52)的支架(4)上端可以安放不同尺寸的透镜(7)，所述第三底座(53)的支架(4)上端安装有光屏(8)，所述第四底座(54)的支架(4)上端安装有拍照设备(9)；所述拍照设备(9)通过数据线(10)与处理器MCU(11)连接，所述采样模块(12)采集均匀电阻丝的变化值，通过A/D转换模块(13)与处理器MCU(11)连接。在本实施例中激光源(3)内含有两束固定距离为的激光。所述第一底座(51)及第四底座(54)与导轨(1)上的均匀电阻绝缘，所述第二底座(52)及第三底座(53)与导轨(1)上的均匀电阻接通。处理器MCU(11)还连接有显示屏。

一种应用于快速自动测焦装置的测量方法，包括以下步骤：

1）采用激光源(3)内的两束激光垂直透过透镜(7)，激光经透镜折射后在光屏(8)上形成两个像点；

2）启动自动测焦装置，采样模块（12）采集透镜与光屏（8）的距离值，并通过A/D转换模块（13）后传输至处理器MCU（11），采用拍照设备（9）拍摄光屏(8)上的两个像点并通过数据线（10）传输至处理器MCU（11）；

3）处理器MCU(11)处理获得步骤1）光屏（8）上两个像点的距离以及透镜（7）焦距，并通过显示屏显示透镜（7）的焦距值。

如图8所示,是本发明的快速自动测焦装置及方法的作业流程图。

步骤s1：激光源（3）内的两束激光垂直通过透镜（7），在光屏（8）上形成像点。

原理1，如图2，需要测定光心，把激光源（3）固定在B点且与光屏（8）之间不加透镜，激光垂直照射在光屏（8）上形成一点记为P，这时在其间加入透镜，调整透镜的位置使得B点发出的激光垂直通过透镜后与P点重合，此时B点的位置在通过光心的水平光轴上，固定透镜的位置，把激光垂直上移到A点，让激光垂直通过透镜。图2中PE处放置光屏（8），OC处放置透镜（7）。

水平方向上调节光屏8的第三底座53，这时光屏8上有两个像点其中一个是P点，另一个像点为E点，像点不必是清晰的，这样很大程度上节省了测焦时间。利用几何关系，其理论推导的过程为：

当光屏8与透镜间的距离大于f时，

△FPE中， $\frac{A^{\′}{B}^{\′}}{\mathrm{PE}}=\frac{F{B}^{\′}}{\mathrm{FP}}---\left(1\right)$

△OCF∽△B'A'F， $\frac{\mathrm{OC}}{A^{\′}{B}^{\′}}=\frac{\mathrm{OF}}{F{B}^{\′}}---\left(2\right)$

由式(1)乘以式(2)可得： $\frac{\mathrm{OC}}{\mathrm{PE}}=\frac{\mathrm{OF}}{\mathrm{FP}}---\left(3\right)$

如图2所示，带入图中各线段的数据(|OC|=h,|OF|=f，|PE|=a,|OP|=v)可得

$f=\frac{v}{a+h}*h---\left(4\right)$

其中f为透镜(7)焦距，v为透镜(7)与光屏(8)间的距离，h是两束激光的距离，a为光屏(8)上两像点中心间的距离；

同理可得，当光屏(8)放在OF之间时，

$f=\frac{v}{h-a}*h---\left(5\right)$

当光屏（8）刚好放置在F点时，点F与点P重合，此时|OF|即为焦距，f＝v。

原理2：如图3，利用两束平行激光，不需要测光心；在A点和B点分别固定一个激光源垂直通过透镜，由于激光束的良好聚光性，它们在光屏（8）上分别形成像点E和像点D。图3中PE处放置光屏（8），OC处放置透镜（7）。

利用三角形相似原理，有如下结论：

如图3当光屏（8）与透镜间的距离|OP|>f时，

△OCF∽△PEF, $\frac{\mathrm{OF}}{\mathrm{PE}}=\frac{\mathrm{CF}}{\mathrm{EF}}---\left(6\right)$

△CMF∽△DEF， $\frac{\mathrm{CM}}{\mathrm{DE}}=\frac{\mathrm{CF}}{\mathrm{EF}}---\left(7\right)$

由(6)、(7)可得： $\frac{\mathrm{CM}}{\mathrm{DE}}=\frac{\mathrm{OF}}{\mathrm{PF}}---\left(8\right)$

入数据|AB|=h,|OF|=f，|DE|=a,|OP|=v，可得：

$f=\frac{\mathrm{hv}}{h+a}---\left(9\right)$

同理，当|OP|<f时， $f=\frac{\mathrm{hv}}{h-a}---\left(10\right)$

当点D和点E重合时，|OP|=f即OP的长度为焦距，f＝v。

根据原理1和2的推导过程，不难发现两者具有相同的结论，这从另一个角度验证了本发明的正确性，在本实施例中采用两束激光。

步骤s2：测焦装置通过采样模块（12）采样透镜（7）与光屏（8）的距离值。主要功能是：根据读取到的第二底座（52）与第三底座（53）间导轨（1）上的均匀电阻值换算出光屏（8）与透镜（7）间的实际距离v。其原理是，均匀电阻丝的电阻值与其长度成正比的关系，把长度测量转换成电阻量的测量，经过A/D模块（13）把数据输入处理器MCU（11）。

步骤s3：拍摄光屏（8）上的像点；启动拍照设备（9）对光屏（8）上的图像进行拍照，图像通过串口数据线输入到处理器MCU（11）。

步骤s4：处理器MCU（11）对图像进行图像处理；由于两束激光间的距离h为定值，光屏（8）与透镜（7）间的距离v可自动测量，关键点为光屏（8）上两像点的距离a的测定，采取如下方法，如图4，DE为透明光屏上接收到的两个模糊像点中心间的距离，MN为拍照设备（9），光屏（8）与拍照设备（9）间的距离为定值u'，其中D'E'为所拍的图像上两清晰光斑中心点间的距离。它们之间满足如下关系：

△ODE∽△OD'E', $\frac{\mathrm{DE}}{D^{\&prime;}{E}^{\&prime;}}=\frac{u^{\&prime;}}{v^{\&prime;}}---\left(11\right)$

△FMN∽△FD'E'， $\frac{\mathrm{MN}}{D^{\&prime;}{E}^{\&prime;}}=\frac{\mathrm{of}}{F{P}^{\&prime;}}---\left(12\right)$

同时，拍照设备（9）成像满足高斯成像公式：

$\frac{1}{f^{\&prime;}}=\frac{1}{u^{\&prime;}}+\frac{1}{v^{\&prime;}}---\left(13\right)$

由式(11)、(12)、(13)且MN=DE=a，OF=f'，OP′＝v'，则有：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{\mathrm{DE}}{D^{\&prime;}{E}^{\&prime;}}=\frac{u^{\&prime;}-f^{\&prime;}}{f^{\&prime;}}---\left(14\right)$

即对应因子a，D'E'的测定过程如流程图5：

11）处理器MCU（11）读取拍照设备（9）拍摄的图像并判断输入的图像是否为灰度图像，若是彩色图像，则利用RGB三个通道分量的权重和将RGB彩色图像转化为灰度图像，其公式为：

grayscale values=0.2989*R+0.5870*G+0.1140*B    (15)

12）得到的灰度图像再进行二值化处理，本实施例采用的是二值化迭代法如流程图6，利用全局阈值把光斑与背景区别开来，处理结果为光斑为白色，背景为黑色。迭代法原理为：预先设置一个阈值T，对图像中灰度值大于T值的所有像素点求平均数T1，对图像中灰度值小于T值的像素点求出灰度平均值为T2。当|T1-T2|<Δ(Δ为设定的精度)时，为最佳阈值，否则取T=（T1+T2）/2循环上述比较操作。预先设置的阈值T=(T_max+T_min)/2（其中T_max为图像的最大灰度值，T_min为最小灰度值），精确度Δ为0.5。找到最佳阈值后，将图像中大于或等于该阈值的像素值赋值为1，否则赋值为0，从而完成二值化的处理过程。

13）用轮廓跟踪算法追踪圆的边界，检测出不规则圆的轮廓，取得圆的轮廓坐标。

14）对得到的圆的轮廓坐标用最小二乘法分别对两个光斑进行圆的拟合，拟合后得到圆心的坐标和半径，其R²=(x-A)²+(y-B)²    （16）

式中R为圆的半径，A，B分别为圆心的横坐标与纵坐标；利用圆的坐标根据最小二乘法来推导出圆心的坐标和圆的半径，具体过程如下：

R²=x²-2Ax+A²+y²-2By+B²        （17）

令a=-2A                       （18）

b=-2B                         （19）

c=A²+B²-R²                    （20）

则圆方程变为：x²+y²+ax+by+c=0 （21）

只要求出参数α，b，c就可以求出圆心坐标与圆的半径

$A=\frac{a}{-2}---\left(22\right)$

$B=\frac{b}{-2}---\left(23\right)$

$R=\frac{1}{2}\sqrt{a^2+b^2-4c}---\left(24\right)$

样本(X_i，Y_i)，i∈(1,2,3,4,…,N)点到圆心的距离为d_i：

$d_i^2={(X_i-A)}^2+{(Y_i-B)}^2---\left(25\right)$

点(X_i，Y_i)到圆边界的距离的平方与半径平方的差为：

令Q(a,b,c)为

的平方和

求出参数a，b，c使得Q(a，b，c)的值最小。

平方差Q(a,b,c)大于0，因此函数存在大于或等于0的极小值，极大值为无穷大。

F(a,b,c)对a,b,c求偏导，令偏导等于0，得到极值点，比较所有极值点的函数值即可得到最小值。

$\frac{\&PartialD;Q(a,b,c)}{\&PartialD;a}=\mathrm{\&Sigma;}2(X_i^2+Y_i^2+a{X}_i+b{Y}_i+c)X_i=0---\left(28\right)$

$\frac{\&PartialD;Q(a,b,c)}{\&PartialD;b}=\mathrm{\&Sigma;}2(X_i^2+Y_i^2+a{X}_i+b{Y}_i+c)Y_i=0---\left(29\right)$

$\frac{\&PartialD;Q(a,b,c)}{\&PartialD;c}=\mathrm{\&Sigma;}2(X_i^2+Y_i^2+a{X}_i+b{Y}_i+c)=0---\left(30\right)$

令 $C=(\mathrm{N\&Sigma;}{X}_i^2-\mathrm{\&Sigma;}{X}_i\mathrm{\&Sigma;}{X}_i)---\left(31\right)$

D=(N∑X_iY_i-∑X_i∑Y_i)        (32)

$E=\mathrm{N\&Sigma;}{X}_i^3+\mathrm{N\&Sigma;}{X}_i{Y}_i^2-\mathrm{\&Sigma;}(X_i^2+Y_i^2)\mathrm{\&Sigma;}{X}_i---\left(33\right)$

$G=(\mathrm{N\&Sigma;}{Y}_i^2-\mathrm{\&Sigma;}{Y}_i\mathrm{\&Sigma;}{Y}_i)---\left(34\right)$

$H=\mathrm{N\&Sigma;}{X}_i^2{Y}_i+\mathrm{N\&Sigma;}{Y}_i^3-\mathrm{\&Sigma;}(X_i^2+Y_i^2)\mathrm{\&Sigma;}{Y}_i---\left(35\right)$

解方程组，可得

Ca+Db+E=0                   (36)

Da+Gb+H=0                   (37)

$a=\frac{\mathrm{HD}-\mathrm{EG}}{\mathrm{CG}-D^2}---\left(38\right)$

$b=\frac{\mathrm{HC}-\mathrm{ED}}{D^2-\mathrm{CG}}---\left(39\right)$

$c=-\frac{\mathrm{\&Sigma;}(X_i^2+Y_i^2)+\mathrm{a\&Sigma;}{X}_i+\mathrm{b\&Sigma;}{Y}_i}{N}---\left(40\right)$

最后得出A，B，R的估计拟合值：

$A=\frac{a}{-2}---\left(41\right)$

$B=\frac{b}{-2}---\left(42\right)$

$R=\frac{1}{2}\sqrt{a^2+b^2-4c}---\left(43\right)$

15）最后通过两点间的距离公式计算出两圆心间的距离。两点(A1,B1)和(A2,B2)间的距离公式为：

$d=\sqrt{{(A_1-A_2)}^2+{(B_1-B_2)}^2}---\left(44\right)$

步骤s5：由于步骤s4已经计算出D'E'的距离，处理器MCU11读取D'E'的值代入公式(14)即可计算出光屏上两像点间的中心距即a。

步骤s6：计算焦距f，处理器MCU11读取步骤s5计算出的a值，然后进行计算：

21）判断两光斑是否重合，若重合则该点即为焦点，满足f＝v；

若不重合且光屏上两像点的距离小于两激光源间的距离即a<h时，先假定光屏8所处的位置大于一倍焦距f处，选取公式（9）计算出f的值，比较f与v值的大小：

①当f＞v，则表明光屏8位置小于一倍焦距f，采用步骤s7进行检验与修正焦距f，选取公式（10）计算焦距f的值。

②当f＜v，则公式（9）计算的结果是正确的。

22）若两光斑不重合且a>h，则选取公式（9）进行计算。

步骤s8，MCU读取计算出的f值并控制显示设备以十进制方式显示焦距f的值。

Claims (10)

1.一种快速自动测焦装置，包括配有均匀电阻的导轨（1）和安装在导轨（1）上的底座，底座通过固定按钮（6）固定在导轨（1）上，底座上安装有支架（4），其特征在于还包括处理器MCU（11）、采样模块（12）和A/D转换模块（13），所述底座包括第一底座（51）、第二底座（52）、第三底座（53）和第四底座（54），所述第一底座（51）的支架（4）上端安装有激光源（3），所述第二底座（52）的支架（4）上端安装透镜（7），所述第三底座（53）的支架（4）上端安装有光屏（8），所述第四底座（54）的支架（4）上端安装有拍照设备（9）；所述拍照设备（9）通过数据线（10）与处理器MCU（11）连接，所述采样模块（12）采集导轨（1）上的均匀电阻的变化值，通过A/D转换模块（13）与处理器MCU（11）连接。

2.根据权利要求1所述快速自动测焦装置，其特征在于所述激光源（3）内含有两束距离为10-100mm的激光。

3.根据权利要求1所述快速自动测焦装置，其特征在于所述安装在底座上的支架（4）带有自由调节高度的可调旋钮（2）。

4.根据权利要求1所述快速自动测焦装置，其特征在于所述第一底座（51）及第四底座（54）与导轨（1）上的均匀电阻绝缘，所述第二底座（52）及第三底座（53）与导轨（1）上的均匀电阻接通。

5.根据权利要求1所述快速自动测焦装置，其特征在于所述光屏（8）为透明光屏，所述光屏（8）与拍照设备（9）间的距离是固定，该固定距离使得拍照设备（9）的视角能覆盖整个光屏（8）并能接收到清晰的像。

6.根据权利要求1所述快速自动测焦装置，其特征在于所述光屏（8）、拍照设备（9）、数据线（10）和处理器MCU（11）为固定封装设备；所述处理器MCU（11）还连接有显示屏。

7.一种应用于权利要求1至6所述快速自动测焦装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1）采用激光源（1）内的两束激光垂直透过透镜（7），激光经透镜（7）折射后在光屏（8）上形成两个像点；

2）启动自动测焦装置，采样模块（12）采集透镜（7）与光屏（8）的距离值，并通过A/D转换模块（13）后传输至处理器MCU（11），采用拍照设备（9）拍摄光屏（8）上的两个像点并通过数据线（10）传输至处理器MCU（11）；

3）处理器MCU（11）处理获得步骤1）光屏（8）上两个像点的距离以及透镜（7）焦距，并通过显示屏显示透镜的焦距值。

8.根据权利要求7所述测量方法，其特征在于所述步骤2）中的采样模块（12）采集透镜与光屏的距离值是通过采样模块（12）采集第二底座（52）与第三底座（53）间的均匀电阻阻值，将电阻阻值换算成长度值。

9.根据权利要求8所述测量方法，其特征在于所述步骤3）中透镜（7）的焦距f：

当光屏与透镜的距离大于透镜焦距：

当光屏与透镜的距离小于透镜焦距：

当光屏与透镜的距离等于透镜焦距：f=v；

其中，f为透镜（7）焦距，v为透镜（7）与光屏（8）间的距离，h为两束激光间的距离，a为光屏（8）上两像点的距离；

$a=\frac{u^{\&prime;}-f^{\&prime;}}{f^{\&prime;}}*D^{\&prime;}{E}^{\&prime;};$

式中：u'为光屏（8）与拍照设备（9）的距离，f′为拍照设备（9）的焦距，D'E'为拍照设备（9）拍摄成像的两个像点中心间的距离。

10.根据权利要求9所述测量方法，其特征在于所述D'E'通过以下方式确定：处理器MCU（11）读取拍照设备（9）拍摄的图片，判断拍摄图像是否为灰度图像，若不是灰度图像则用rgb2gray函数转化为灰度图，然后二值化、反色；然后用追踪轮廓算法追踪圆的边界，检测出不规则圆的轮廓，得到其圆的轮廓坐标后用最小二乘法分别对两个光斑进行圆的拟合，圆的拟合后得到圆心坐标，最后通过两点间的距离公式计算出两圆心间的距离。

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