CN103905714A - 基于边沿扩展函数测量的调焦方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于边沿扩展函数测量的调焦装置，包括：黑白刃边靶标，整体呈矩形形状，其上具有一刃边，将黑白刃边靶标划分为黑色区域和白色区域；光学系统，黑白刃边靶标置于光学系统视场内；面阵探测器，安装在光学系统的像面焦点上，黑白刃边靶标的刃边在面阵探测器中的投影与面阵探测器的像元排列方向成一定角度；图像采集电路，将面阵探测器获取的原始图像信号转换为数字信号；辅助调焦装置，用于实时获取数字信号，对其进行实时成像以及对图像进行处理；焦距调节电路，分别与辅助调焦装置和光学系统相连接，用于根据图像处理结果来调节光学系统的焦距。本发明能够提高调焦精度，快速、方便、直观地得到调焦结果。

Description

基于边沿扩展函数测量的调焦方法及装置

技术领域

本发明涉及光学测量测试技术领域，具体来说，本发明涉及一种基于边沿扩展函数测量的调焦方法及装置。

背景技术

光学系统对一定距离的目标成像有一个最佳像面位置，这个位置通常满足物像共轭关系，称为聚焦。偏离这个位置将导致系统离焦，造成图像质量下降、成像模糊。调整光学系统由离焦到聚焦的过程成为调焦。光学系统焦距调节一般以成像的清晰度为评价标准。长期以来，光学系统调焦都是根据操作人员的经验及肉眼判断图像的清晰程度来进行调节，这样难免会加上个人的主观偏好，造成调焦精度不高，且调焦过程无法量化。目前已有的辅助调焦方法绝大部分都是基于系统成像质量的量化，不同点在于量化或者说图像清晰度评判的标准不一样。

图像清晰度评判标准大致可以分为两类：一类是空域的，主要是采用不同的锐化算子对图像进行处理，然后取处理后的数据和作为判据，这类算法常见的有梯度算子、拉普拉斯算子、Sobel算子等；另一类是频域的，采用不同的频域变换方式，然后根据某一范围内频率的值类判断调焦的准确度，这类算法有傅里叶变换、DCT变换、小波变换等。常用的评判标准是：频谱函数、熵函数、梯度函数以及平面微分平方和能量梯度函数等。

现有的辅助调焦方法的调焦精度不够高，需要探索一种新的调焦方法及装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于边沿扩展函数测量的调焦方法及装置，能够提高调焦精度，快速、方便、直观地得到调焦结果。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于边沿扩展函数测量的调焦装置，包括：

黑白刃边靶标，整体呈矩形形状，其上具有一刃边，将所述黑白刃边靶标划分为黑色区域和白色区域；

光学系统，所述黑白刃边靶标置于所述光学系统视场内；

面阵探测器，安装在所述光学系统的像面焦点上，所述黑白刃边靶标中的所述刃边在所述面阵探测器中的投影与所述面阵探测器的像元排列方向形成一定角度；

图像采集电路，与所述面阵探测器相连接，用于将所述面阵探测器获取的原始靶标图像信号转换为数字靶标图像信号；

辅助调焦装置，与所述图像采集电路相连接，用于实时获取所述数字靶标图像信号，对其进行实时成像以及对图像进行处理；以及

焦距调节电路，分别与所述辅助调焦装置和所述光学系统相连接，用于根据图像处理结果来调节所述光学系统的焦距。

可选地，所述刃边在所述面阵探测器中的投影与所述面阵探测器的像元排列方向形成的角度为一非垂直且非水平的角度。

可选地，所述辅助调焦装置对所述数字靶标图像信号进行实时成像以及对图像进行处理的内容包括：

所述辅助调焦装置从所述数字靶标图像信号中提取边沿扩展函数，用误差函数拟合所述边沿扩展函数，得到标准偏差。

可选地，所述误差函数为：

$f\left(x\right)=A\·\mathrm{erf}(-\frac{x-m}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}})+a_0,$

其中：

A为灰度幅值；

x为像素点的横坐标；

m为中心点横坐标；

σ为标准偏差；

$\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^x{e}^{-t^2}\mathrm{dt}$ 为标准误差函数；

a₀为常量；

f(x)为像素点灰度值。

可选地，所述辅助调焦装置从所述数字靶标图像信号中提取边沿扩展函数之前先对所述数字靶标图像信号进行解码、解帧处理，还原并实时显示得到的图像。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种基于边沿扩展函数测量的调焦方法，应用一调焦装置来执行，所述调焦装置包括：

黑白刃边靶标，整体呈矩形形状，其上具有一刃边，将所述黑白刃边靶标划分为黑色区域和白色区域；

光学系统，所述黑白刃边靶标置于所述光学系统视场内；

面阵探测器，安装在所述光学系统的像面焦点上，所述黑白刃边靶标中的所述刃边在所述面阵探测器中的投影与所述面阵探测器的像元排列方向形成一定角度；

图像采集电路，与所述面阵探测器相连接，用于将所述面阵探测器获取的原始靶标图像信号转换为数字靶标图像信号；

辅助调焦装置，与所述图像采集电路相连接，用于实时获取所述数字靶标图像信号，对其进行实时成像以及对图像进行处理；以及

焦距调节电路，分别与所述辅助调焦装置和所述光学系统相连接，用于根据图像处理结果来调节所述光学系统的焦距；

所述调焦方法包括步骤：

A.提供黑白刃边靶标；

B.调节所述光学系统的焦距到能成像的位置；

C.所述面阵探测器采集所述原始靶标图像信号；

D.所述图像采集电路将所述原始靶标图像信号采集转换为所述数字靶标图像信号；

E.所述辅助调焦装置从所述数字靶标图像信号中提取边沿扩展函数，用误差函数拟合所述边沿扩展函数，得到标准偏差；

F.所述焦距调节电路分别朝着焦距变化的两个方向调节所述光学系统的焦距，由所述辅助调焦装置找出使所述标准偏差变小的调节方向；

G.所述焦距调节电路沿着使所述标准偏差变小的调节方向，以一定步长调节所述光学系统的焦距；

H.重复上述步骤G，直到所述标准偏差较上一次调节无变化或变大；

I.所述焦距调节电路减小调节步长，反向调节焦距，找出使所述标准偏差最小的位置。

可选地，所述调焦方法在上述步骤I之后还包括步骤：

J.返回上述步骤G循环，直到找到所述标准偏差最小的位置，即最佳调焦位置。

可选地，所述黑白刃边靶标中的所述刃边在所述面阵探测器中的投影与所述面阵探测器的像元排列方向形成的角度为一非垂直且非水平的角度。

可选地，所述误差函数为：

$f\left(x\right)=A\·\mathrm{erf}(-\frac{x-m}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}})+a_0,$

其中：

A为灰度幅值；

x为像素点的横坐标；

m为中心点横坐标；

σ为标准偏差；

$\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^x{e}^{-t^2}\mathrm{dt}$ 为标准误差函数；

a₀为常量；

f(x)为像素点灰度值。

可选地，所述辅助调焦装置从所述数字靶标图像信号中提取所述边沿扩展函数之前先对所述数字靶标图像信号进行解码、解帧处理，还原并实时显示得到的图像。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明对图像清晰度的量化指标直观，能实时测量、评价、指导焦距调节，使用方便，测量精度非常高。

本发明用到的黑白刃边(刀口)靶标制作方便，对成像环境条件要求低，能实现快速测量。

本发明能用于可见光、红外等多种类型光学系统的辅助调焦。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明一个实施例的基于边沿扩展函数测量的调焦装置的模块构造示意图；

图2为图1所示实施例的基于边沿扩展函数测量的调焦装置的黑白刃边靶标平面示意图；

图3为图1所示实施例的基于边沿扩展函数测量的调焦装置的光学系统的结构示意图；

图4为本发明一个实施例的基于边沿扩展函数测量的调焦方法的流程示意图；

图5为本发明一个实施例的基于边沿扩展函数测量的调焦方法后测量得到的调焦位置与标准偏差的曲线关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

基于边沿扩展函数测量的调焦装置的实施例

图1为本发明一个实施例的基于边沿扩展函数测量的调焦装置的模块构造示意图。需要注意的是，这个以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图1所示，该基于边沿扩展函数测量的调焦装置100主要包括：黑白刃边靶标101、光学系统102、面阵探测器103、图像采集电路104、辅助调焦装置105和焦距调节电路106等等。

图2为图1所示实施例的基于边沿扩展函数测量的调焦装置的黑白刃边靶标平面示意图。可见，该黑白刃边靶标101整体呈矩形形状，其上具有一刃边1011，将黑白刃边靶标101划分为黑色区域1013和白色区域1012。具体可以用一张普通的A3打印纸，沿任意一条倾斜直线作一幅黑白刃边靶标101(刃边1011也叫刀口)。

图3为图1所示实施例的基于边沿扩展函数测量的调焦装置的光学系统的结构示意图。该光学系统102可以安装在实验台上，黑白刃边靶标101置于光学系统102视场内。

面阵探测器103安装在光学系统102的像面焦点上，黑白刃边靶标101中的刃边1011在面阵探测器103中的投影与面阵探测器103的像元排列方向形成一定角度。该角度可以为一非垂直且非水平的角度。图像采集电路104与面阵探测器103相连接，用于将面阵探测器103获取的原始靶标图像信号转换为数字靶标图像信号，实时传送到辅助调焦装置105上。该辅助调焦装置105可以为安装有对数字靶标图像信号进行实时成像及图像处理程序的计算机。该辅助调焦装置105与图像采集电路104相连接，用于实时获取数字靶标图像信号，对其进行实时成像以及对图像进行处理。具体处理内容包括由辅助调焦装置105先对数字靶标图像信号进行解码、解帧处理，还原并实时显示得到的图像。然后，从数字靶标图像信息中提取边沿扩展函数，用误差函数拟合边沿扩展函数，得到标准偏差σ。焦距调节电路106分别与辅助调焦装置105和光学系统102相连接，用于根据图像处理结果来调节光学系统102的焦距，根据标准偏差σ的变化来改变调节方向及步长，并最终使得测量的标准偏差σ最小，此时即为光学系统102的聚焦位置。

在本实施例中，上述误差函数可以为：

$f\left(x\right)=A\·\mathrm{erf}(-\frac{x-m}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}})+a_0,$

其中：

A为灰度幅值；

x为像素点的横坐标；

m为中心点横坐标；

σ为标准偏差；

$\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^x{e}^{-t^2}\mathrm{dt}$ 为标准误差函数；

a₀为常量；

f(x)为像素点灰度值。

本实施例中之所以采用该误差函数，是因为：

$f^{\′}\left(x\right)=A\·\exp (-\frac{{(x-m)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})+a_0$

f′(x)即高斯函数，常用来拟合光学系统的线扩展函数，标准偏差σ与线扩展函数半高宽(FWHM)满足如下关系：

$\mathrm{FWHM}=2\sqrt{2\ln 2}\mathrm{\σ}\≈2.35482\mathrm{\σ},$

FWHM反映了光学系统的截止频率，该值越小说明光学系统分辨率越高，成像质量越好，由此可知标准偏差σ可作为光学系统成像好坏的判断标准，当光学系统聚焦时，该值最小。

基于边沿扩展函数测量的调焦方法的实施例

本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了某些细节的相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，本实施例不再重复赘述。

图4为本发明一个实施例的基于边沿扩展函数测量的调焦方法的流程示意图，该调焦方法可以是应用图1～3所示的调焦装置100来执行的。其中，该基于边沿扩展函数测量的调焦装置100主要包括：黑白刃边靶标101、光学系统102、面阵探测器103、图像采集电路104、辅助调焦装置105和焦距调节电路106等等。该黑白刃边靶标101整体呈矩形形状，其上具有一刃边1011，将黑白刃边靶标101划分为黑色区域1013和白色区域1012。具体可以用一张普通的A3打印纸，沿任意一条倾斜直线作一幅黑白刃边靶标101(刃边1011也叫刀口)。该光学系统102可以安装在实验台上，黑白刃边靶标101置于光学系统102视场内。面阵探测器103安装在光学系统102的像面焦点上，黑白刃边靶标101中的刃边1011在面阵探测器103中的投影与面阵探测器103的像元排列方向形成一定角度。该角度可以为一非垂直且非水平的角度。图像采集电路104与面阵探测器103相连接，用于将面阵探测器103获取的原始靶标图像信号转换为数字靶标图像信号，实时传送到辅助调焦装置105上。该辅助调焦装置105可以为安装有对数字靶标图像信号进行实时成像及图像处理程序的计算机。该辅助调焦装置105与图像采集电路104相连接，用于实时获取数字靶标图像信号，对其进行实时成像以及对图像进行处理。具体处理内容包括由辅助调焦装置105先对数字靶标图像信号进行解码、解帧处理，还原并实时显示得到的图像。然后，从数字靶标图像信息中提取边沿扩展函数，用误差函数拟合边沿扩展函数，得到标准偏差σ。焦距调节电路106分别与辅助调焦装置105和光学系统102相连接，用于根据图像处理结果来调节光学系统102的焦距，根据标准偏差σ的变化来改变调节方向及步长，并最终使得测量的标准偏差σ最小，此时即为光学系统102的聚焦位置。

如图4所示，该调焦方法至少可以包括如下步骤：

执行步骤S401，提供黑白刃边靶标101；

执行步骤S402，焦距调节电路106调节调节光学系统102的调焦轮，使其焦距到能对准黑白刃边靶标101正常成像的位置；

执行步骤S403，面阵探测器103(例如可见光CMOS面阵探测器)采集原始靶标图像信号；

执行步骤S404，图像采集电路104将原始靶标图像信号采集转换为数字靶标图像信号，实时传送到辅助调焦装置105上；

执行步骤S405，辅助调焦装置105上的实时成像及图像处理程序获取数据经解码、解帧处理，还原并实时显示得到的图像；从数字靶标图像信息中提取边沿扩展函数，用误差函数拟合边沿扩展函数，得到标准偏差；

执行步骤S406，焦距调节电路106调节光学系统102的调焦轮，分别朝着焦距变化的两个方向调节光学系统102的焦距，由辅助调焦装置105找出使标准偏差变小的调节方向；

执行步骤S407，焦距调节电路106沿着使标准偏差变小的调节方向，以一定步长调节光学系统102的焦距；

执行步骤S408，重复执行上述步骤S407，根据标准偏差的变化来改变调节方向及步长，直到标准偏差较上一次调节无变化或变大；以及

执行步骤S409，焦距调节电路106减小调节步长，反向调节焦距，最终找出使标准偏差最小的位置。

在本实施例中，继续如图4所示，该调焦方法在执行完上述步骤S409之后还可以包括步骤：

执行步骤S410，返回执行上述步骤S407作循环，直到找到标准偏差最小的位置，即光学系统的最佳调焦位置。

该调焦方法对图像清晰度的量化指标直观，能实时测量、评价、指导焦距调节，使用方便，测量精度非常高。

在本实施例中，上述误差函数可以为：

$f\left(x\right)=A\·\mathrm{erf}(-\frac{x-m}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}})+a_0,$

其中：

A为灰度幅值；

x为像素点的横坐标；

m为中心点横坐标；

σ为标准偏差；

$\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^x{e}^{-t^2}\mathrm{dt}$ 为标准误差函数；

a₀为常量；

f(x)为像素点灰度值。

本实施例中之所以采用该误差函数，是因为：

$f^{\′}\left(x\right)=A\·\exp (-\frac{{(x-m)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2})+a_0$

f′(x)即高斯函数，常用来拟合光学系统的线扩展函数，标准偏差σ与线扩展函数半高宽(FWHM)满足如下关系：

$\mathrm{FWHM}=2\sqrt{2\ln 2}\mathrm{\σ}\≈2.35482\mathrm{\σ},$

FWHM反映了光学系统的截止频率，该值越小说明光学系统分辨率越高，成像质量越好，由此可知标准偏差σ可作为光学系统成像好坏的判断标准，当光学系统聚焦时，该值最小。

图5为本发明一个实施例的基于边沿扩展函数测量的调焦方法后测量得到的调焦位置与标准偏差的曲线关系图。参见图5所示的调焦结果，由两次往返的测量数据(原始数据和拟合数据)可知，当调焦轮位置在18～18.2mm之间时，标准偏差σ取得最小值，且这个区间内标准偏差σ变化很小，这是因为光学系统的景深正好落在这个区间。

本发明对图像清晰度的量化指标直观，能实时测量、评价、指导焦距调节，使用方便，测量精度非常高。

本发明用到的黑白刃边(刀口)靶标制作方便，对成像环境条件要求低，能实现快速测量。

本发明能用于可见光、红外等多种类型光学系统的辅助调焦。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于边沿扩展函数测量的调焦装置(100)，包括：

黑白刃边靶标(101)，整体呈矩形形状，其上具有一刃边(1011)，将所述黑白刃边靶标(101)划分为黑色区域(1013)和白色区域(1012)；

光学系统(102)，所述黑白刃边靶标(101)置于所述光学系统(102)待成像位置；

面阵探测器(103)，安装在所述光学系统(102)的像面焦点上，所述黑白刃边靶标(101)中的所述刃边(1011)在所述面阵探测器(103)中的投影与所述面阵探测器(103)的像元排列方向形成一定角度；

图像采集电路(104)，与所述面阵探测器(103)相连接，用于将所述面阵探测器(103)获取的原始靶标图像信号转换为数字靶标图像信号；

辅助调焦装置(105)，与所述图像采集电路(104)相连接，用于实时获取所述数字靶标图像信号，对其进行实时成像以及对图像进行处理；以及

焦距调节电路(106)，分别与所述辅助调焦装置(105)和所述光学系统(102)相连接，用于根据图像处理结果来调节所述光学系统(102)的焦距。

2.根据权利要求1所述的调焦装置(100)，其特征在于，所述刃边(1011)在所述面阵探测器(103)中的投影与所述面阵探测器(103)的像元排列方向形成的角度为一非垂直且非水平的角度。

3.根据权利要求2所述的调焦装置(100)，其特征在于，所述辅助调焦装置(105)对所述数字靶标图像信号进行实时成像以及对图像进行处理的内容包括：

所述辅助调焦装置(105)从所述数字靶标图像信号中提取边沿扩展函数，用误差函数拟合所述边沿扩展函数，得到标准偏差。

4.根据权利要求3所述的调焦装置(100)，其特征在于，所述误差函数为：

$f\left(x\right)=A\·\mathrm{erf}(-\frac{x-m}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}})+a_0,$

其中：

A为灰度幅值；

x为像素点的横坐标；

m为中心点横坐标；

σ为标准偏差；

$\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^x{e}^{-t^2}\mathrm{dt}$ 为标准误差函数；

a₀为常量；

f(x)为像素点灰度值。

5.根据权利要求3或4所述的调焦装置(100)，其特征在于，所述辅助调焦装置(105)从所述数字靶标图像信号中提取边沿扩展函数之前先对所述数字靶标图像信号进行解码、解帧处理，还原并实时显示得到的图像。

6.一种基于边沿扩展函数测量的调焦方法，应用一调焦装置(100)来执行，所述调焦装置(100)包括：

黑白刃边靶标(101)，整体呈矩形形状，其上具有一刃边(1011)，将所述黑白刃边靶标(101)划分为黑色区域(1013)和白色区域(1012)；

光学系统(102)，所述黑白刃边靶标(101)置于所述光学系统(102)视场内；

面阵探测器(103)，安装在所述光学系统(102)的像面焦点上，所述黑白刃边靶标(101)中的所述刃边(1011)在所述面阵探测器(103)中的投影与所述面阵探测器(103)的像元排列方向形成一定角度；

图像采集电路(104)，与所述面阵探测器(103)相连接，用于将所述面阵探测器(103)获取的原始靶标图像信号转换为数字靶标图像信号；

辅助调焦装置(105)，与所述图像采集电路(104)相连接，用于实时获取所述数字靶标图像信号，对其进行实时成像以及对图像进行处理；以及

焦距调节电路(106)，分别与所述辅助调焦装置(105)和所述光学系统(102)相连接，用于根据图像处理结果来调节所述光学系统(102)的焦距；

所述调焦方法包括步骤：

A.提供黑白刃边靶标(101)；

B.调节所述光学系统(102)的焦距到能成像的位置；

C.所述面阵探测器(103)采集所述原始靶标图像信号；

D.所述图像采集电路(104)将所述原始靶标图像信号采集转换为所述数字靶标图像信号；

E.所述辅助调焦装置(105)从所述数字靶标图像信号中提取边沿扩展函数，用误差函数拟合所述边沿扩展函数，得到标准偏差；

F.所述焦距调节电路(106)分别朝着焦距变化的两个方向调节所述光学系统(102)的焦距，由所述辅助调焦装置(105)找出使所述标准偏差变小的调节方向；

G.所述焦距调节电路(106)沿着使所述标准偏差变小的调节方向，以一定步长调节所述光学系统(102)的焦距；

H.重复上述步骤G，直到所述标准偏差较上一次调节无变化或变大；

I.所述焦距调节电路(106)减小调节步长，反向调节焦距，找出使所述标准偏差最小的位置。

7.根据权利要求6所述的调焦方法，其特征在于，所述调焦方法在上述步骤I之后还包括步骤：

J.返回上述步骤G循环，直到找到所述标准偏差最小的位置，即最佳调焦位置。

8.根据权利要求6或7所述的调焦方法，其特征在于，所述黑白刃边靶标(101)中的所述刃边(1011)在所述面阵探测器(103)中的投影与所述面阵探测器(103)的像元排列方向形成的角度为一非垂直且非水平的角度。

9.根据权利要求8所述的调焦方法，其特征在于，所述误差函数为：

$f\left(x\right)=A\·\mathrm{erf}(-\frac{x-m}{\sqrt{2}\mathrm{\σ}})+a_0,$

其中：

A为灰度幅值；

x为像素点的横坐标；

m为中心点横坐标；

σ为标准偏差；

$\mathrm{erf}\left(x\right)=\frac{2}{\sqrt{\mathrm{\π}}}{\∫}_0^x{e}^{-t^2}\mathrm{dt}$ 为标准误差函数；

a₀为常量；

f(x)为像素点灰度值。

10.根据权利要求8所述的调焦方法，其特征在于，所述辅助调焦装置(105)从所述数字靶标图像信号中提取所述边沿扩展函数之前先对所述数字靶标图像信号进行解码、解帧处理，还原并实时显示得到的图像。

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