CN105241637A - 物面倾斜成像系统采样体积的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种物面倾斜成像系统采样体积的测量方法，该方法包括：固定物面与成像镜头光轴的夹角θ，搭建物面倾斜成像实验系统，获得在该物面倾斜角θ处每一个物面位置x处的网格标定板图像。对CCD传感器接收到的每一幅网格标定板图像进行处理，得到每幅图像的清晰成像物面积。将以上得到的每一个物面位置x处的清晰成像物面积对物面平行移动间隔Δx进行积分得到该物面倾斜角θ处的采样体积。变化物面倾斜角的取值，重复上述过程，得到每一个物面倾斜角处的采样体积。从而拟合得到采样体积和物面倾斜角的经验计算公式，进一步得到任意物面倾斜角处的采样体积。本发明为设计和优化物面倾斜成像系统提供有力的依据。

Description

物面倾斜成像系统采样体积的测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学成像系统采样体积的测量方法，特别涉及一种测量物面倾斜成像系统采样体积的方法，适用于仅物面倾斜或物像面双倾斜这两种成像系统，属于光学测量技术领域。

背景技术

随着光学成像系统应用领域的扩展，物面、镜头主面和像面互相平行的成像系统在实际工业和一些特殊行业中已经无法满足人们的需求，所以研究物面倾斜于光轴的成像系统有重要的意义。物面倾斜成像系统包括仅物面倾斜成像系统和物像面双倾斜成像系统。当前有许多人对倾斜成像系统进行研究。专利CN2690905提出一种物面与光轴成倾斜夹角(0°＜θ≤90°)时进行角度自动调焦的成像系统，弥补了轴向调焦装置和方法只能达到像面上局部聚焦的不足，实现调焦时像面整体清晰的效果。专利CN201477280U涉及一种光学成像装置，尤其是用于摄取物方为倾斜物的光学系统，是一种物像双倾斜成像光学系统，用于解决倾斜物的拍摄难题。现有技术只是为了解决倾斜物成像局部清晰的问题，但没有讨论具体成像清晰的范围，亦即采样体积的大小。

理想的成像系统的采样体积是指能在像面上成清晰像的物空间的体积，与成像系统的景深有关。但是实际的光学成像系统不仅受景深影响，还受到CCD靶面以及照明光束厚度的影响，采样体积是片状激光束照明区域与受CCD靶面尺寸限制的物空间成像范围以及前后景深平面之间的交集区域的体积。所以对于实际成像系统的采样体积不能仅仅依靠理论计算还需要进行实际测量。对于物面、镜头主面和像面互相平行的成像系统，CCD靶面在物面上的投影是矩形，而对于物面倾斜的成像系统，由于物面上不同位置的放大倍率不同，所以CCD靶面在物面上的投影是梯形，且受景深影响能在物面上成像清晰的那部分也是梯形。

目前还没有提出针对物面倾斜成像系统采样体积的测量方法。

发明内容

本发明提出一种成像系统采样体积的测量方法，利用这一方法可以实现物面倾斜成像系统采样体积的测量。根据测量结果拟合出采样体积与物面倾斜角的经验计算公式，从而得到任意物面倾斜角处的采样体积。该发明为设计和优化物面倾斜成像系统提供有力的依据。

技术方案

物面倾斜成像系统采样体积的测量方法，该方法的步骤如下：

第1、固定物面与成像镜头光轴的夹角θ，搭建物面倾斜成像实验系统，获得在该物面倾斜角θ处每一个物面位置x处的网格标定板图像；

所述的光学成像实验系统由陶瓷网格标定板、成像镜头和CCD传感器组成；用于成像的网格标定板放置在成像系统的物面上，网格标定板刻线面亦即物面与成像镜头光轴夹角为θ，网格标定板刻线面几何中心通过由成像镜头确定的光轴；CCD传感器的像敏面几何中心同样通过光轴，并处于与物面上网格标定板刻线面几何中心共轭的轴向位置；利用位移平台以间隔Δx左右平行移动网格标定板，在CCD传感器上接收在该倾斜角θ每一个物面位置x处的网格标定板图像；

第2、对CCD传感器接收到的每一幅网格标定板图像进行处理；

首先对图像进行边缘提取得到黑白相间的网格线，然后提取网格线中目标横线的平均线宽，图像的每一列对应一个线宽值；根据系统参数要求确定该系统平均线宽的阈值范围，在阈值范围内的线宽最左和最右列之间图像区域即成像清晰的物面，从而计算出清晰成像物面积；

第3、得到该物面倾斜角θ所对应的采样体积；

将第2步得到的每一个物面位置x处的清晰成像物面积对物面平行移动间隔Δx进行积分得到该物面倾斜角处的采样体积；

第4、变化物面倾斜角θ的取值，重复第1步到第3步，得到每一个物面倾斜角处的采样体积；

第5、根据实际测量结果，拟合得到采样体积和物面倾斜角θ的经验计算公式，与理论推导结果进行比较；

由于实验得到的只是有限个物面倾斜角处的采样体积，并没有对所有物面倾斜角处的采样体积进行测量，所以对第4步得到的有限个物面倾斜角处的采样体积拟合出采样体积和物面倾斜角的经验计算公式，并与理论推导结果进行比较；

第6、得到任意物面倾斜角处的采样体积；

根据第5步得到的采样体积和物面倾斜角的经验计算公式，得到任意物面倾斜角处的采样体积。

本发明的优点和积极效果：

本发明提出一种测量物面倾斜成像系统采样体积的方法，通过实验系统测量得到不同物面倾斜角处的采样体积，然后拟合得到采样体积和物面倾斜角的经验计算公式，从而得到任意物面倾斜角处的采样体积。该发明为设计和优化物面倾斜成像系统提供有力的依据。

附图说明

图1是本发明的算法流程图。

图2是本发明的两种成像系统结构图，其中：1陶瓷网格标定板——物面，2成像镜头，3CCD传感器；

(a)是成像系统1：是仅物面倾斜成像系统。其中：镜头主面和CCD像面平行，物面倾斜，与光轴成倾斜角θ；

(b)是成像系统2：是物像面双倾斜成像系统。其中：镜头主面、CCD像面以及物面相交于一线，且物面与光轴夹角为倾斜角θ。

图3是两种成像系统采样体积随物面倾斜角θ变化的模拟结果。图例中成像系统1表示仅物面倾斜成像系统，成像系统2表示物像面双倾斜成像系统。系统参数：

f＝50mm,F＝1.4,β_o＝0.258,-0.5mm≤x≤0.5mm。

图4是经图像处理后的网格标定板图像，其中：(a)θ＝60°，-0.4mm≤x≤0.4mm，Δx＝0.2mm；(b)x＝0，45°≤θ≤75°，Δθ＝10°。

图5是采样体积随物面倾斜角变化的实际测量结果以及根据实验测量结果拟合得到的经验计算公式。其中：(a)是仅物面倾斜成像系统；(b)是物像面双倾斜成像系统。

具体实施方式

实施例1：仅物面倾斜成像系统

图1是该发明的算法流程图，图2(a)是该发明中仅物面倾斜成像系统的结构图。所述的光学成像实验系统由陶瓷网格标定板1(物面)、成像镜头2和CCD传感器3组成，其中：CCD传感器尺寸为2/3”，像素数为1384pix*1036pix，像元大小为6.45μm*6.45μm；镜头焦距50mm，F^#＝1.4；网格标定板尺寸为50mm*50mm，栅格大小为2mm*2mm，线宽为0.05mm；测量时中心放大倍率β_o＝0.258，物距u_o＝243.8mm，像距v_o＝62.9mm。

将网格标定板放置在图2(a)中的物面位置上，在物面倾斜角θ＝30°处，用镜头对其进行成像。网格标定板刻线面几何中心通过由成像镜头确定的光轴；CCD传感器的像敏面几何中心同样通过光轴，并处于与物面上网格标定板刻线面几何中心共轭的轴向位置。网格标定板和CCD传感器下方均放置旋转平台和位移平台(图中略)，即利用旋转平台控制物面和像面相对于光轴旋转的角度，利用位移平台调整物面位置和聚焦像面位置。利用位移平台以间隔Δx＝0.2mm左右平行移动网格标定板，移动范围-0.5mm≤x≤0.5mm，同时在CCD传感器上接收每一物面位置x处的网格标定板图像。

然后对采集到的每一幅图像进行图像处理，先将图像剪裁成大小为600pix*600pix，再对图像进行边缘提取得到黑白相间的网格线。图4(a)和(b)中成像系统1是仅物面倾斜成像系统经边缘提取后的网格标定板图像，其中(a)θ＝60°，-0.4mm≤x≤0.4mm，Δx＝0.2mm；(b)x＝0，45°≤θ≤75°，Δθ＝10°。根据图像中目标横线所占的像素个数提取目标横线的平均线宽。阈值范围确定为当物面、镜头主面和像面三者互相平行且在聚焦位置时该系统线宽的变化范围，该实验系统阈值范围确定为3.286pix—3.857pix。由于清晰成像范围是不间断的，所以在阈值范围内的线宽最左和最右列之间图像区域即成像清晰的物面，从而提取出清晰物面积。该面积对物面平行移动距离x的积分即为该物面倾斜角处的采样体积。在30°≤θ≤80°范围内，以Δθ＝5°增大物面倾斜角，重复上述步骤，得到每个物面位置x处的清晰成像物面积如表1所示。

表1.仅物面倾斜成像系统的清晰物面积

在每一个物面倾斜角处，清晰成像物面积对物面平行移动距离积分得到的采样体积如表2所示。

表2.采样体积随物面倾斜角的变化关系

采样体积和物面倾斜角的变化关系如图5(a)中星点所示。根据实验结果，拟合出采样体积和物面倾斜角的经验计算公式为：y＝0.0016exp(0.1388x)+33.56exp(0.0126x)。由实验结果拟合得到的经验计算公式与理论推导结果(图3)很好的吻合。从而得到任意物面倾斜角处的采样体积。

实施例2：物像面双倾斜成像系统

图2(b)是该发明中物像面双倾斜成像系统的结构图。该光学成像实验系统的组成与实施例1相同，陶瓷网格标定板、成像镜头和CCD传感器的参数也相同。测量时中心放大倍率β_o＝0.258，物距u_o＝243.8mm，像距v_o＝62.9mm。

将网格标定板放置在图2(b)中的物面位置上，在物面倾斜角θ＝45°处，用镜头对其进行成像。网格标定板刻线面几何中心通过由成像镜头确定的光轴；CCD传感器的像敏面几何中心同样通过光轴，并处于与物面上网格标定板刻线面几何中心共轭的轴向位置。网格标定板和CCD传感器下方均放置旋转平台和位移平台，即利用旋转平台控制物面和像面相对于光轴旋转的角度，利用位移平台调整物面位置和聚焦像面位置。利用位移平台以间隔Δx＝0.2mm左右平行移动网格标定板，移动范围-0.5mm≤x≤0.5mm，同时在CCD传感器上接收每一物面位置x处的网格标定板图像。

图像处理过程与实施例1相同。图4(a)和(b)中成像系统2是物像面双倾斜成像系统经边缘提取后的网格标定板图像，其中(a)θ＝60°，-0.4mm≤x≤0.4mm，Δx＝0.2mm；(b)x＝0，45°≤θ≤75°，Δθ＝10°。该实验系统阈值范围是3.286pix—3.857pix。在45°≤θ≤80°范围内，以Δθ＝5°增大物面倾斜角，重复上述步骤，得到每个物面位置x处的清晰成像物面积如表3所示。

表3.物像面双倾斜成像系统的清晰物面积

在每一个物面倾斜角处，清晰成像物面积对物面平行移动距离积分得到的采样体积如表4所示。

表4.采样体积随物面倾斜角的变化关系

采样体积和物面倾斜角的变化关系如图5(b)中星点所示。根据实验结果，拟合出采样体积和物面倾斜角的经验计算公式为：y＝797.7exp(-0.0304x)+72.64exp(0.0099x)。由实验结果拟合得到的经验计算公式与理论推导结果(图3)很好的吻合。从而得到任意物面倾斜角处的采样体积。

Claims (1)

1.一种物面倾斜成像系统采样体积的测量方法，该方法的步骤如下：

第1步、固定物面与成像镜头光轴的夹角θ，搭建物面倾斜成像实验系统，获得在该物面倾斜角θ处每一个物面位置x处的网格标定板图像；

所述的光学成像实验系统由陶瓷网格标定板、成像镜头和CCD传感器组成；用于成像的网格标定板放置在成像系统的物面上，网格标定板刻线面亦即物面与成像镜头光轴夹角为θ，网格标定板刻线面几何中心通过由成像镜头确定的光轴；CCD传感器的像敏面几何中心同样通过光轴，并处于与物面上网格标定板刻线面几何中心共轭的轴向位置；利用位移平台以间隔Δx左右平行移动网格标定板，在CCD传感器上接收在该物面倾斜角θ处每一个物面位置x处的网格标定板图像；

第2步、对CCD传感器接收到的每一幅网格标定板图像进行处理；

首先对图像进行边缘提取得到黑白相间的网格线，然后提取网格线中目标横线的平均线宽，图像的每一列对应一个线宽值；根据系统参数要求确定该系统平均线宽的阈值范围，在阈值范围内的线宽最左和最右列之间图像区域即成像清晰的物面，从而计算出清晰成像物面积；

第3步、得到该物面倾斜角θ所对应的采样体积；

将第2步得到的每一个物面位置x处的清晰成像物面积对物面平行移动间隔Δx进行积分得到该物面倾斜角处的采样体积；

第4步、变化物面倾斜角θ的取值，重复第1步到第3步，得到每一个物面倾斜角处的采样体积；

第5步、根据实际测量结果，拟合得到采样体积和物面倾斜角θ的经验计算公式，与理论推导结果进行比较；

由于实验得到的只是有限个物面倾斜角处的采样体积，并没有对所有物面倾斜角处的采样体积进行测量，所以对第4步得到的有限个物面倾斜角处的采样体积拟合出采样体积和物面倾斜角的经验计算公式，并与理论推导结果进行比较；

第6步、得到任意物面倾斜角处的采样体积；

根据第5步得到的采样体积和物面倾斜角的经验计算公式，得到任意物面倾斜角处的采样体积。