CN106225765A - 一种多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置，该装置包括相机、相机测距仪，相机包括光学镜头、多个线阵图像传感器以及嵌入式系统；相机测距仪前端与相机前端对齐，测量方向与相机光轴平行；多个线阵图像传感器置于相机内光学镜头后面，且错位排列；线阵图像传感器与相机测距仪之间设有嵌入式系统，嵌入式系统通过相机接口与相机测距仪相连接；本发明还提供了基于本装置的成像方法；本发明成本较低、方法简单，能够扩展景深，且能够获得分辨率高、精度高的图像，同时能够实现动态测量，在低照度下工作，对一些近距离拍摄又要求大视场大景深的场合尤为实用。

Description

一种多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置及成像 方法

技术领域

本发明属于光电成像技术领域，尤其涉及一种多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置及成像方法。

背景技术

一般光学镜头景深有一定限制，对一些要求比较高的系统中，扩展景深成为必须，尤其近距离大视场。

一般光学镜头有一定景深，但在景深范围内物影像的清晰度并不完全一致，其中焦点上的清晰度是最高的，其余的影像清晰度随着它与焦点的距离成正比例下降。

常用扩展景深的方法包括缩小光圈、减小镜头焦距、远离主体。缩小光圈会导致通光量减少，成像质量下降。缩小镜头焦距要求将长焦镜头换为短焦距镜头或者将变焦镜头调至短焦端，较为麻烦且实现成本较高。远离主体要求改变镜头与物体的距离，较为不便。三者共同特点是都需要调节才能实现景深扩展的目的。

天津大学王勤等人提出采用多线阵图像传感器拼接对宽幅PS版表面缺陷进行检测的方法，但较少用于扩展景深的场合。

哈尔滨工业大学胡英辉等人提出多线阵图像传感器位姿测量光学系统，通过三个线阵图像传感器同时对光点成像获得光点空间位置坐标，从而实现位姿测量的目的，并不适用于同一个光学系统采用多线阵图像传感器错位排列实现景深扩展的场合。

清华大学何树荣等人提出了一套使用多个线阵图像传感器的多界面位置实时监控系统，该系统采用八个线阵图像传感器像感器分别接收每个界面的光学图像，实现二维尺寸和定位检测，大型物体外轮廓检测、多工位检测及多路扫描与识别，采用同一驱动信号驱动八片线阵图像传感器实现多路数据处理时间上的同步。东华大学宋邵宁提出基于多线阵图像传感器的氟塑料薄膜在线疵点检测研究，使用多线阵图像传感器拼接的并行数据采集系统实现宽幅面检测的目的，二者并不能扩展景深。

相对于面阵图像传感器相机，线阵图像传感器相机的分辨率和扫描频率更高。

从图像获取方式上，线阵图像传感器优势体现在如下几个方面：

(1)获得图像精度高；光栅提供了扫描行的坐标，面阵图像传感器的像元间距制造精度甚至没有高精度的光栅尺的示值精度高，即面阵图像传感器获取的图像精度要比线阵图像传感器要低上很多。

(2)制作成本低；线阵图像传感器即使算上扫描机构以及其位置的反馈环节，它的成本依然大大低于同等分辨率和同等面积下的面阵图像传感器。

(3)高分辨率；最新的线阵图像传感器技术已经利用了亚像元拼接技术，这样就可以减少线阵图像传感器的像元尺寸，从而提高图像传感器分辨率。

基于以上优势，利用线阵图像传感器的加速扫描运动来获取图像的方法是目前仍然广泛应用的。

公开号为CN103607532A的专利公开了一种具有集成式镜头和多个图像传感器的摄像系统，该专利使用多镜头且用的是面阵传感器，具有高集成、使用方便、高画质、便携等优势，但是近距离拍摄时，不能获得很大的景深，不能获得高质量的图像。

目前，针对近距离扩展景深的难题，采用变焦镜头调焦实现拍摄成像，但物体高速运动时，相机调焦速度无法跟得上物体运动速度，不能对高速运动物体成像；针对此难题，可以采用多镜头拍摄，但成本较高。

发明内容

为了解决现有近距离扩展景深技术不足、对高速运动物体成像困难等问题，本发明集合线阵图像传感器，提出了一种免调节的扩展景深的成像装置及成像方法。

多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置，包括相机、相机测距仪，所述的相机包括光学镜头、多个线阵图像传感器以及嵌入式系统。

所述的相机测距仪前端与相机前端对齐，测量方向与相机光轴平行，用来测量相机的物距。

所述的光学镜头可以采用扫描成像镜头。

所述的多个线阵图像传感器置于相机内光学镜头后面，且错位排列，排列方式以保证各对焦面(即各物距)清晰成像及各对焦面(即各物距)下景深有一定重叠为准，达到景深拼接来扩展景深的目的。

所述的线阵图像传感器可以为线阵CCD图像传感器或线阵CMOS图像传感器。

所述的线阵图像传感器与相机测距仪之间设有嵌入式系统，嵌入式系统通过相机接口与相机测距仪相连接，根据相机测距仪所测的物距实现适时调整切换若干个线阵图像传感器处于工作状态。

多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的方法，该方法的实现步骤如下：

步骤1，将被测物体置于平台上，随着平台的转动进行水平移动，光学镜头置于被测物体的垂直方向，平台物体运动方向与光学镜头光轴方向成任意角度；

步骤2，相机测距仪对置于平台上的被测物体进行测距，得到物距；

步骤3，嵌入式系统通过相机测距仪所测物距参数调整某几个线阵图像传感器工作状态；

步骤4，相机扫描成像。

在步骤3中，根据共轭关系，调节处于物距共轭位置的图像传感器工作，每个设定的物距其共轭位置对应一个或多个线阵图像传感器，根据相机测距仪实际所测的物距，使处于该物距下的某一个或某几个线阵图像传感器处于工作状态。

在步骤4中，线阵图像传感器为条状，获得二维图像必须配以扫描运动，因此，相机在电机驱动下水平移动，按照设置的固定的时间间隔采集一行图像。

在步骤4中，相机可以沿与被测物体移动的方向平行移动或者不动，保证被测物体与相机之间具有相对运动。

被检测的物体通常匀速运动，利用一台或多台相机对其逐行连续扫描，以达到对其整个表面均匀检测和拍摄。

由于生产技术的制约，单个面阵图像传感器的面积很难达到一般工业测量对视场的需求。尤其在对分辨率要求高，对视场要求大的时候，是不能够用面阵图像传感器来代替线阵图像传感器的。

景深的计算方法如下：

对于给定的光学系统，已知镜头的拍摄光圈值F，焦距f，允许的弥散圆直径σ，根据以下公式计算前景深ΔL₁，后景深ΔL₂以及总景深ΔL。

${\mathrm{\ΔL}}_1=\frac{{\mathrm{F\σL}}^2}{f^2+F\mathrm{\σ}L},$

${\mathrm{\ΔL}}_1=\frac{{\mathrm{F\σL}}^2}{f^2-F\mathrm{\σ}L},$

$\mathrm{\Δ}L={\mathrm{\ΔL}}_1+{\mathrm{\ΔL}}_2=\frac{2f^2{\mathrm{F\σL}}^2}{f^4-F^2{\mathrm{\σ}}^2{L}^2}.$

本发明多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置及成像方法，采用多个线阵图像传感器进行成像，景深会获得很大程度的扩展，对一些近距离拍摄又要求大视场大景深的场合尤为实用，具体优点如下：

(1)该方法简单且易实现，方便使用，成本较低，根据所需的景深范围确定探测器位置，之后不再需要调节即可对物体进行成像。

(2)多片线阵图像传感器的错位排列实现了景深叠加，能够扩展景深，且能够获得分辨率高、精度高的图像，同时能够实现动态测量，在低照度下工作。

(3)该扫描成像的方法可以解决物体高速运动时变焦镜头调焦速度可能跟不上物体运动变化速度的问题，能够实现高速扫描成像，获得二维图像信息。

(4)相机测距仪可根据实际情况调整各线阵图像传感器工作状态，解决了近距离超大景深扩展的难题，解决了高速运动物体相机调焦无法同步的难题，对近距离要求大景深高速运动物体的拍摄成像场合尤为适用。

附图说明

图1是多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置示意图；

图2是线阵图像传感器排列方式示意图，其中图2a为YX平面上线阵图像传感器排列方式示意图，图2b为YZ平面上线阵图像传感器排列方式示意图；

图3是多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的方法的流程图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置，包括相机1和相机测距仪2，所述的相机1包括佳能EF 100mm f/2USM镜头3，5个TCD1501C线阵CCD图像传感器4以及嵌入式系统5。

佳能EF 100mm f/2USM镜头的镜头焦距f为100mm，选择光圈值F为4.8，可接受弥散圆直径σ为0.05mm。

所述的相机测距仪2与相机1平行并列放置，相机测距仪2前端与相机1前端对齐，测量方向与相机光轴平行。

所述的5个TCD1501C线阵CCD图像传感器4置于相机内光学镜头3后面。

如图2所示，所述的5个TCD1501C线阵CCD图像传感器4分为TCD1501C线阵CCD图像传感器4a、TCD1501C线阵CCD图像传感器4b、TCD1501C线阵CCD图像传感器4c、TCD1501C线阵CCD图像传感器4d、TCD1501C线阵CCD图像传感器4e，这5个TCD1501C线阵CCD图像传感器错位排列，该种排列方式是为了保证各对焦面清晰成像及各对焦面下景深有一定重叠，通过景深拼接来扩展景深。

嵌入式系统5以位于相机内，且于TCD1501C线阵CCD图像传感器4的后端，通过相机接口与相机测距仪相连接。

实施例1

如图3所示，在此多线阵图像传感器获得超大景深扫面成像的装置的基础上，对近距离包裹上的标签扫描成像，具体步骤如下：

首先，将包裹置于平台上，随着平台的转动向右进行水平移动；佳能EF 100mm f/2USM镜头3置于包裹的前方，平台物体运动方向与光学镜头光轴方向夹角为90度；

然后，相机测距仪2对置于平台上的各包裹上的标签进行测距，得到物距为2000mm和2200mm。

接下来，嵌入式系统5根据相机测距仪2所测物距2000mm和2200mm进行调整控制，使TCD1501C线阵CCD图像传感器4c和TCD1501C线阵CCD图像传感器4d处于工作状态。

最后，相机中的TCD1501C线阵CCD图像传感器4c和TCD1501C线阵CCD图像传感器4d对包裹上的标签扫描成像。

利用景深计算公式，计算可得：

当物距为2000mm时，

ΔL₁＝101mm，ΔL₂＝112mm，ΔL＝213mm，

景深远端距离为2000+112＝2112mm，景深近端距离为2000-101＝1899mm；

当物距为2200mm时，

ΔL₁＝120mm，ΔL₂＝134mm，ΔL＝254mm，

景深远端距离为2000+134＝2334mm，景深近端距离为2000-120＝2080mm；

当物距为2000mm和2200mm时，调节TCD1501C线阵CCD图像传感器4c和TCD1501C线阵CCD图像传感器4d工作，可得总景深为435mm，可见景深扩展了近两倍。

实施例2

如图3所示，在此多线阵图像传感器获得超大景深扫面成像的装置的基础上，对远距离包裹上的标签扫描成像，具体步骤如下：

首先，将包裹置于平台上，随着平台的转动向右进行水平移动；佳能EF 100mm f/2USM镜头3置于包裹的前方，平台物体运动方向与光学镜头光轴方向夹角为90度；

然后，相机测距仪2对置于平台上的各包裹上的标签进行测距，得到物距为6300mm和8900mm。

接下来，嵌入式系统5根据相机测距仪2所测物距5900mm和8900mm进行调整控制，使TCD1501C线阵CCD图像传感器4a和TCD1501C线阵CCD图像传感器4b处于工作状态。

最后，相机中的TCD1501C线阵CCD图像传感器4a和TCD1501C线阵CCD图像传感器4b对包裹上的标签扫描成像。

利用景深计算公式，计算可得：

当物距为6300mm时，

ΔL₁＝827mm，ΔL₂＝1122mm，ΔL＝1949mm，

景深远端距离为6300+1122＝7422mm，景深近端距离为6300-827＝5473mm；

当物距为8900mm时，

ΔL₁＝1566mm，ΔL₂＝2417mm，ΔL＝3983mm，

景深远端距离为8900+2417＝11317mm，景深近端距离为8900-1566＝7334mm；

当物距为6300mm和8900mm时，调节TCD1501C线阵CCD图像传感器4a和TCD1501C线阵CCD图像传感器4b工作，可得总景深为5844mm，可见景深扩展了近两倍。

由此可见调节两个线阵图像传感器工作，对近距和远距景深都有很大的扩展，如果调节三片以上线阵图像传感器工作，会获得更大程度的景深扩展，对一些近距离拍摄又要求大景深尤为实用。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置，其特征在于：包括相机、相机测距仪；所述的相机包括光学镜头、多个线阵图像传感器以及嵌入式系统；所述的相机测距仪前端与相机前端对齐，测量方向与相机光轴平行；所述的多个线阵图像传感器置于相机内光学镜头后面，且错位排列；所述的线阵图像传感器与相机测距仪之间设有嵌入式系统，嵌入式系统通过相机接口与相机测距仪相连接。

2.根据权利要求1所述的多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置，其特征在于：所述的光学镜头为扫描成像镜头。

3.根据权利要求1所述的多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置，其特征在于：所述的线阵图像传感器为线阵CCD图像传感器或线阵CMOS图像传感器。

4.根据权利要求1所述的多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置，其特征在于：所述的嵌入式系统根据相机测距仪所测的物距实现适时调整切换若干个线阵图像传感器处于工作状态。

5.根据权利要求1所述的多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置的成像方法，包括如下步骤：

步骤1，将被测物体置于平台上，随着平台的转动进行水平移动，光学镜头置于被测物体的垂直方向，平台物体运动方向与光学镜头光轴方向成任意角度；

步骤2，相机测距仪对置于平台上的被测物体进行测距，得到物距；

步骤3，嵌入式系统通过相机测距仪所测物距参数调整其中若干个线阵图像传感器的工作状态；

步骤4，相机扫描成像。

6.根据权利要求5所述的多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置的成像方法，其特征在于：在步骤3中，根据共轭关系，调节处于物距共轭位置的图像传感器工作，每个设定的物距其共轭位置对应一个或多个线阵图像传感器，根据相机测距仪实际所测的物距，使处于该物距下的某一个或某几个线阵图像传感器处于工作状态。

7.根据权利要求5所述的多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置的成像方法，其特征在于：在步骤4中，相机在电机驱动下水平移动，按照设置的固定时间间隔采集一行图像。

8.根据权利要求5所述的多线阵图像传感器获得超大景深扫描成像的装置的成像方法，其特征在于：在步骤4中，相机沿与被测物体移动的方向平行移动或者不动，保证被测物体与相机之间具有相对运动。