CN103297665A

CN103297665A - 图像采集系统

Info

Publication number: CN103297665A
Application number: CN2012100399898A
Authority: CN
Inventors: 庄佑华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2013-09-11

Abstract

本发明公开了一种图像采集系统，它采用了微机电技术（MEMS），并且提出了交替式图像采集方法。同时提出了预先指定镜头移动位置的工作方式。采用此方法，可以使图像采集系统采集到的图像质量更好，而且不影响图像采集的速度，因此该图像采集装置的工作效率更高。它包括依次设置的可移动镜头组、固定式镜头组、图像传感器芯片，图像传感器芯片与处理器通信，处理器用于采集和处理来自图像传感器的图像数据，用于条码解码或者字符识别；处理器通过MEMS芯片驱动电路驱动与可移动镜头组连接的MEMS芯片，可移动镜头组在轴向移动，从而与固定式镜头组组成了变聚焦位置或者焦距光学系统。

Description

图像采集系统

技术领域

本发明涉及一种图像采集系统。

背景技术

目前，图像采集装置已经广泛应用在条码扫描、光学字符识别等技术领域。按照是否可以改变聚焦位置，可以把图像采集系统分为固定聚焦位置和可变聚焦位置两种。按照是否可以改变焦距，可以把图像采集系统分为固定焦距和可变焦距两种。与固定聚焦位置或者固定焦距相比，可变聚焦位置和可变焦距的应用可以使系统的景深更大，因此采集到的图像清晰度更高。

为了实现可变聚焦位置或者可变焦距，通常采用音圈电机（VCM）、压电电机、液体镜头和液晶头技术。

以上各种技术各有其优缺点。如，目前应用最广泛的音圈电机技术的优点是成本低、速度快，但是它功耗大、寿命短、抗震动能力差，而且有磁滞现象。压电电机技术虽然速度快、没有磁滞现象，但是它的成本又太高，而且寿命也短。液体镜头技术的优点是功耗低，但是其可靠性不高。而液晶镜头技术的优点是可靠性高，但是其成本高、功耗大。

综上所述，实现更高性能的图像采集系统存在一定的技术障碍。

近几年，微机电技术（MEMS）从研究领域走向了实用。与以上技术相比，微机电技术（MEMS）有更多的优点。其优点主要是功耗低、速度快、体积小、可靠性高、价格低，无磁滞现象。因此，采用微机电技术（MEMS）的图像采集装置与传统装置相比，其性能更好、价格更低、稳定性更高。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种图像采集系统，它采用了微机电技术（MEMS），并且提出了交替式图像采集方法。同时提出了预先指定镜头移动位置的工作方式。采用此方法，可以使图像采集系统采集到的图像质量更好，而且不影响图像采集的速度，因此该图像采集装置的工作效率更高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种图像采集系统，它包括依次设置的可移动镜头组、固定式镜头组、图像传感器芯片，图像传感器芯片与处理器通信，处理器用于采集和处理来自图像传感器的图像数据，用于条码解码或者字符识别；处理器通过MEMS芯片驱动电路驱动与可移动镜头组连接的MEMS芯片，可移动镜头组在轴向移动，从而与固定式镜头组组成了变聚焦位置或者焦距光学系统。

所述MEMS芯片的可移动部件带动可移动镜头组沿轴向移动，移动镜头的时间和像素积分的时间错开，即交替进行；镜头移动时间T1小于等于两帧之间的间隔T2，完成聚焦位置的改变。

所述MEMS芯片的可移动部件带动可移动镜头组沿轴向移动，在其移动方向设有对应不同景深的指定的最佳成像位置，可移动镜头在指定的位置间移动换位，完成焦距的改变。

所述定式镜头组和可移动镜头组分别由一片或者多片镜片组成。

所述图像传感器芯片是CCD或CMOS芯片，将光信号转换为电信号，即图像数据；它的积分或者曝光方式分为三种，即全局快门、帘式快门和具有全局复位的帘式快门。

本方明所述的系统包括图像传感器芯片、固定式镜头组、可移动镜头组、MEMS芯片、MEMS芯片驱动电路和处理器组成，如图1所示。其中，固定式镜头组和可移动镜头组可以分别由一片或者多片镜片组成。MEMS芯片驱动电路用于驱动MEMS芯片。图像传感器芯片可以是CCD，也可以是CMOS。图像传感器可以把经过光学系统的外界光信号转换为电信号，即图像数据。处理器用于采集和处理来自图像传感器的图像数据，用于条码解码或者字符识别（OCR）。

MEMS芯片集成可沿轴向移动的可移动部件；而可移动镜头组安装于可移动部件之上。在MEMS芯片驱动电路的驱动之下，MEMS芯片的可移动部件将带动可移动镜头组沿轴向移动。可移动镜头组与固定式镜头组组成了光学系统，该光学系统具备可变聚焦位置或者焦距的功能。

美国DigitalOptics公司已经开发出了可以沿轴向进行大范围移动的MEMS芯片以及应用此芯片实现自动聚焦的光学模块。本发明把MEMS芯片与图像传感器的时序控制相结合，实现高速和高性能的图像采集系统。

本发明的工作原理：

图像传感器的积分或者曝光方式分为三种，即全局快门、帘式快门和具有全局复位的帘式快门。三种快门方式都可以按照图2所示的简化时序来表示。

在可变聚焦位置或者可变焦距的系统中，移动镜头需要一定的时间。如果在移动镜头的同时，图像传感器像素也在积分，则得到的图像不均匀，甚至变形。如图3所示，在随机式的运行模式下，镜头移动的时间和像素积分时间随机发生，它们发生重叠的概率很高。图3中的第n+1幅图像会模糊或者变形。

如果让移动镜头的时间和像素积分的时间错开，即交替进行，则不会使图像质量下降。如果镜头移动时间长，我们将不得不降低图像传感器的帧率，如图4所示。如果镜头移动时间T1不比不降低帧率时的两帧之间的间隔T2长，就不会降低图像传感器的帧率，如图5所示。这种情况下，图像传感器可以以更高的帧率工作，发挥最大的效率，从而使得该图像系统性能最佳。

另外，在条码扫描和光学字符识别应用中，通常不需要从近处至无穷远的景深，而是把有效范围集中在从系统窗口开始的一段距离。这种情况下，我们不需要频繁的移动镜头或者通过图像评估来进行自动对焦或者变焦。我们只需要指定几个位置，让可移动镜头组在指定的几个位置上移动，此时系统的最佳的成像位置也可以确定。如图6所示，X、Y和Z分别为对应可移动镜头组的三个位置时的最佳成像位置。对应不同的最佳成像位置，其景深可以由图7表示。D1、D2和D3分别对应三个位置的景深，则系统的景深D为三个景深的叠加。

同时，我们也可以指定可移动镜头组在几个指定位置（如X、Y和Z）之间移动的顺序，如Y->X->Z->Y->X->Z…, Y->Z->X->Y->Z->X…, Y->Y->X->Z->Y->Y-> X->Z…,等。这种指定镜头移动位置和指定移动顺序的方式可以节省自动聚焦或者自动变焦所需要的图像评估的时间，从而提高系统进行图像采集的效率。

本发明的有益效果是：采用MEMS技术，可以使图像采集系统功耗低、体积小、可靠性高、价格低、效率高、景深大。采用交替式的曝光和高速镜头移动方法，可以使系统的图像采集速度快、图像质量高。采用指定镜头移动位置的方法，可以简化系统工作模式、节省系统计算时间，从而进一步提高系统的工作效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图像传感器积分时序图。

图3为随机运行式图像传感器积分时序与低速镜头移动时序匹配图。

图4为交替式图像传感器积分时序与低速镜头移动时序匹配图。

图5为交替式图像传感器积分时序与高速镜头移动时序匹配图。

图6为最佳的成像位置确定图。

图7为对应不同的最佳成像位置的景深图。

其中，1.MEMS芯片，2.可移动镜头组，3.固定式镜头组，4.MEMS芯片驱动电路，5.图像传感器芯片，6.处理器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

本系统由图像传感器芯片5、固定式镜头组3、可移动镜头组2、MEMS芯片1、MEMS芯片驱动电路4、处理器6及相应的存储器和外围电路组成。图像传感器芯片5采用Aptina公司的一百三十万像素的CMOS图像传感器芯片。该芯片采用了帘式曝光工作方式。

其中固定式镜头组3由三片光学镜片组成，可移动镜头组2由一片光学镜片组成。可移动镜头组2安装在MEMS芯片1上。MEMS芯片1放置于固定式镜头组3前方。

对于镜头的移动，预先设定了两个位置。在实际工作中，可移动镜头组2在两个位置上进行切换。每采集一幅图像，切换一次镜头位置。处理器6对每次采集到的图像进行条码解码或者光学字符识别。解码或者识别结果可以存放在存储器中，也可以传输至外部设备。

实施例2：

在实施例1中，我们可以进一步配置图像传感器积分的时序。在当前图像积分完毕之后，移动可移动镜头组2至另一个指定位置，图像传感器进入下一帧的积分过程；下一帧积分完毕后，移动可移动镜头组2至前一个指定位置，图像传感器进入再下一帧的积分过程。如此类推。

Claims

1.一种图像采集系统，其特征是，它包括依次设置的可移动镜头组、固定式镜头组、图像传感器芯片，图像传感器芯片与处理器通信，处理器用于采集和处理来自图像传感器的图像数据，用于条码解码或者字符识别；处理器通过MEMS芯片驱动电路驱动与可移动镜头组连接的MEMS芯片，可移动镜头组在轴向移动，从而与固定式镜头组组成了变聚焦位置或者焦距光学系统。

2.如权利要求1所述的图像采集系统，其特征是，所述MEMS芯片的可移动部件带动可移动镜头组沿轴向移动，移动镜头的时间和像素积分的时间错开，即交替进行；镜头移动时间T1小于等于两帧之间的间隔T2，完成聚焦位置的改变。

3. 如权利要求2所述的图像采集系统，其特征是，所述移动镜头的时间不降低图像传感器的最大帧率。

4.如权利要求1所述的图像采集系统，其特征是，所述MEMS芯片的可移动部件带动可移动镜头组沿轴向移动，在其移动方向设有对应不同景深的指定的最佳成像位置，可移动镜头在指定的位置间移动换位，完成焦距的改变。

5.如权利要求1或2或3所述的图像采集系统，其特征是，所述定式镜头组和可移动镜头组分别由一片或者多片镜片组成。

6.如权利要求1或2或3所述的图像采集系统，其特征是，所述图像传感器芯片是CCD或CMOS芯片，将光信号转换为电信号，即图像数据；它的积分或者曝光方式分为三种，即全局快门、帘式快门和具有全局复位的帘式快门。