CN109491176A - 基于棱镜分光的大景深成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于棱镜分光的大景深成像系统及方法，其中，所述系统包括：镜头组件，用于收集被拍摄物体射出的反射光；分光棱镜组，包括若干分光棱镜，用于将通过所述镜头组件的反射光分成若干子光束；至少两个位于所述分光棱镜组成像面的成像元件，用于接收子光束，采集并拍摄被拍摄物体不同表面的清晰图像；景深调节组件，用于调节部分或所有成像元件与分光棱镜的间距。利用分光棱镜和位于分光棱镜不同成像面的成像元件，通过景深调节组件调节各成像元件与分光棱镜的间距，实现各成像元件同时拍摄物体不同表面的清晰图像，本发明技术方案在成像系统静止的情况下同时拍摄物体的不同表面的图像，避免了成像系统运动导致的运动误差和时效性。

Description

基于棱镜分光的大景深成像系统及方法

技术领域

本申请设计视觉成像技术领域，尤其涉及基于棱镜分光的大景深成像系统及方法。

背景技术

景深是指在摄像机或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被拍摄物体前后距离范围，在机器视觉高精度测量系统应用中，常规成像系统在较高分辨率时景深受到限制，因此无法对同一物体相对于镜头的两个不同距离的表面同时清晰成像。

目前常见的解决高精度大景深的成像系统由电控机构、单个相机及镜头组成，如被摄物体位于镜头正下方，成像过程中通过电机控制成像系统沿被摄物体上表面垂直方向运动，到达两个不同高度获取物体不同表面的图像。采用电机控制成像系统沿一定方向在产品的两个不同高度平面成像时，往往会产生一定的误差，此误差是由电机运动过程中的精确度造成的，且电机带动成像系统运动，在两个不同的高度面分别成像会导致成像系统时效性较差。

因此，以上技术问题尚未得到有效的解决。

发明内容

本发明实施例提供一种基于棱镜分光的大景深成像系统及方法，其利用分光棱镜和位于分光棱镜不同成像面的成像元件，能够同时拍摄物体不同表面的清晰图像，同时避免成像系统运动导致的运动误差和时效性。

第一方面提供了一种基于棱镜分光的大景深成像系统，包括：

镜头组件，用于收集被拍摄物体射出的反射光；

分光棱镜组，包括若干分光棱镜，用于将通过所述镜头组件的反射光分成若干子光束；

至少两个位于所述分光棱镜组成像面的成像元件，用于接收子光束，采集并拍摄被拍摄物体不同表面的清晰图像；

景深调节组件，用于调节部分或所有成像元件与分光棱镜的间距。

进一步的，所述分光棱镜组包括两个分光棱镜，第一分光棱镜和第二分光棱镜，所述第二分光棱镜位于所述第一分光棱镜的上方或侧方；

所述成像元件为三个，其分别设置于所述两个分光棱镜形成的三个成像面。

进一步的，所述分光棱镜组包括一个分光棱镜，将通过所述镜头组件的反射光分成两个子光束；

所述成像元件为两个，其分别设置于所述分光棱镜形成的两个成像面。

进一步的，至少一个成像元件的中心轴线与所述镜头组件中心轴线平行或重合，至少一个成像元件的中心轴线与所述镜头组件中心轴线垂直。

进一步的，所述分光棱镜为四棱柱镜，所述分光棱镜横截面为正方形，所述分光棱镜其中一个体对角线截面设有半反半透膜。

进一步的，所述景深调节组件包括若干景深调节旋钮，所述景深调节旋钮的一端与成像元件连接，成像元件的外侧固定套接有固定框架，所述景深调节旋钮的另一端穿过所述固定框架，位于所述固定框架的外侧，所述景深调节旋钮控制成像元件在进入所述成像元件的子光束的平行方向上伸缩移动，调节所述成像元件与对应的分光棱镜的间距。

进一步的，所述景深调节旋钮的两侧分别设有一个可伸缩轴，所述可伸缩轴的一端与所述成像元件连接，所述可伸缩轴的另一端与所述固定框架连接。

进一步的，所述镜头组件包括镜头、镜筒和位于所述镜筒上的伸缩区，所述伸缩区包括延长圈和伸缩环；

所述延长圈，用于延长所述伸缩区轴向长度；

所述伸缩环，用于沿所述伸缩区轴向延长或缩短。

另一方面还提供了一种基于棱镜分光的大景深成像方法，所述方法包括：

通过景深调节组件调节部分或所有成像元件与分光棱镜的间距；

通过镜头组件收集被拍摄物体射出的反射光；

通过包括若干分光棱镜的分光棱镜组，将通过所述镜头组件的反射光分成若干子光束；

通过至少两个位于所述分光棱镜组成像面的成像元件接收子光束，采集并拍摄被拍摄物体不同表面的清晰图像。

另一方面还提供了一种联合标定方法，所述方法包括：

将靶标固定于升降台表面，使其中之一成像元件对靶标对焦成像；

调整靶标相对于所述升降台表面的距离，使剩余成像元件分别对处于不同高度的靶标对焦成像；

对所有成像元件所拍摄的图像进行联合标定。

在本发明实施例的上述技术方案中，利用分光棱镜和位于分光棱镜不同成像面的成像元件，通过景深调节组件调节各成像元件与分光棱镜的间距，实现各成像元件同时拍摄物体不同表面的清晰图像，本发明技术方案在成像系统静止的情况下同时拍摄物体的不同表面的图像，相对于成像系统在运动情况下拍摄的物体的不同表面的图像，避免了成像系统运动导致的运动误差和时效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的成像系统的结构图；

图2为本发明实施例的被拍摄物体A表面的清晰图像；

图3为本发明实施例的被拍摄物体B表面的清晰图像；

图4为本发明实施例的包括两个分光棱镜的成像系统成像原理图；

图5为本发明实施例的包括两个分光棱镜的成像系统成像原理图；

图6为本发明实施例的包括一个分光棱镜的成像系统成像原理图；

图7为本发明实施例的标定模块的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于棱镜分光的大景深成像系统，参照图1,本发明成像系统结构图，系统包括镜头组件1、分光棱镜组2、至少两个位于所述分光棱镜组成像面的成像元件3和景深调节组件4；

镜头组件1用于收集被拍摄物体射出的反射光，反射光在镜头组件1中传播。

分光棱镜组2，包括若干分光棱镜，可以是一个分光棱镜或多个分光棱镜组合使用，用于将通过所述镜头组件的反射光分成若干子光束；如果是一个分光棱镜，反射光经过分光棱镜后分成两个子光束，分光棱镜的两个成像面上分别设置一个成像元件，其中一个成像元件接收其中一个子光束，采集被拍摄物体的A表面，并拍摄A表面的清晰图像，参照图2，另一个成像元件接收另一个子光束，采集被拍摄物体的B表面，并拍摄B表面的清晰图像，参照图3，其中A表面与其中一个成像元件最前端距离为a,B表面与另一个成像元件最前端距离为b,a与b不相等,即本发明的成像系统实现了同时拍摄同一物体的不同表面的清晰图像，在实际操作过程中，可以先由其中一个成像元件对焦被拍摄物体的A表面，此过程中可以使用景深调节组件也可以不使用景深调节组件，另一个成像元件在对被拍摄物体的B表面对焦的过程中，使用景深调节组件调节另一个成像元件与分光棱镜的间距，使能够拍摄到清晰的B表面，其中，景深调节组件可以调节所有成像元件的位置，也可以只调节部分成像元件的位置。由上可知，两个成像元件所对应的物面在景深范围内都能清晰成像，即本发明的成像系统的景深为所拍摄物面间距与两个成像元件中景深大的景深之和，如果两个成像元件型号一致，则本发明的成像系统的景深为所拍摄物面间距与成像元件的景深之和。因此，能够拍摄同一物体不同表面的清晰图像的同时，成像系统的景深增大。

如果分光棱镜组包括多个棱镜组合使用，则至少会形成2个成像面，在形成的各个成像面设置一个成像元件，在使用时，通过景深调节组件的配合，使得每个成像元件能够拍摄物体不同表面的清晰图像，因此，本发明的成像系统的景深为所拍摄物面最大间距与两个成像元件中景深大的景深之和，如果成像元件的型号一致，则本发明的成像系统的景深为所拍摄物面最大间距与成像元件的景深之和。因此，能够拍摄同一物体不同表面的清晰图像的同时，成像系统的景深增大。本发明成像系统可以用于检测生产零件的不同表面是否合格，从而提高工作效率。

本发明的成像系统通过景深调节组件调节成像元件的位置，使得各个成像元件拍摄物体不同表面的清晰图像，成像系统在静止情况下同时拍摄物体的不同表面的图像，相对于成像系统在运动情况下拍摄的物体的不同表面的图像，避免了成像系统运动导致的运动误差和时效性。

在一具体实施例中，参照图4，所述分光棱镜组2包括两个分光棱镜，第一分光棱镜21和第二分光棱镜22，所述第二分光棱镜22位于所述第一分光棱镜21的上方；所述成像元件为三个，其分别设置于所述两个分光棱镜形成的三个成像面，第一分光棱镜21将通过所述镜头组件1的反射光分成第一子光束和第二子光束，其中第一成像元件31设置于第一分光棱镜21的成像面，用于接收第一子光束，采集并拍摄被拍摄物体A表面的清晰图像,第二子光束通过第二分光棱镜22进一步被分成第三子光束和第四子光束，第二成像元件32设置于第二分光棱镜22的一个成像面，第三成像元件33设置于第二分光棱镜22的另一个成像面，第二成像元件32用于接收第三子光束，通过景深调节组件调节第二成像元件32与第二分光棱镜22的间距，直至采集并拍摄被拍摄物体B表面的清晰图像,第三成像元件33用于接收第四子光束，通过景深调节组件调节第三成像元件33与第二分光棱镜22的间距，直至采集并拍摄被拍摄物体C表面的清晰图像，因此，本实施例中可以同时采集物体的三个不同表面的清晰图像。

在一具体实施例中，参照图5，所述分光棱镜组2包括两个分光棱镜，第一分光棱镜21和第二分光棱镜22，所述第二分光棱镜22位于所述第一分光棱镜21的侧方；所述成像元件为三个，其分别设置于所述两个分光棱镜形成的三个成像面。其分光及成像原理同上述实施例。

在一具体实施例中，参照图6，分光棱镜组包括一个分光棱镜，将通过所述镜头组件1的反射光分成两个子光束；所述成像元件为两个，第一成像元件31和第二成像元件32，其分别设置于所述分光棱镜形成的两个成像面。第一成像元件31和第二成像元件32型号一致，当两个成像元件对被拍摄物体光程相同时，两个成像元件对焦面相同、视场相同，基于此原理，当第一成像元件31拍摄物体A表面清晰图像后，通过景深调节组件4调节第二成像元件32距离分光棱镜的距离，相当于调节第二成像元件32距离镜头11的距离，使第二成像元件32在对焦面上移动，直至拍摄到物体B表面的清晰图像，景深调节组件4可满足两成像元件在5-10μm光学分辨率范围内，两个成像元件的对焦面最大相差10mm，也就是成像系统对高度差最大为10mm的两表面同时进行清晰对焦成像。成像系统在获取了物体两个不同表面的清晰图像的同时，增大了景深，成像系统在静止情况下同时拍摄了物体的不同表面的图像，相对于成像系统在运动情况下拍摄的物体的不同表面的图像，避免了成像系统运动导致的运动误差和时效性。

本发明成像系统还包括图像处理模块，将所拍摄的被拍摄物体不同表面的清晰图像进行合成处理，处理包括融合、去噪、特征提取和重构等处理，最大限度的提取个图片中的有利信息，重构形成一幅图片，在保证图像清晰的情况下，增大了成像系统的景深。

优选的，至少一个成像元件3的中心轴线与所述镜头组件1中心轴线平行或重合，至少一个成像元件3的中心轴线与所述镜头组件1中心轴线垂直。当使用一个分光棱镜的情况下，第一成像元件的中心轴线与所述镜头组件1中心轴线平行或重合，第二成像元件的中心轴线与所述镜头组件1中心轴线垂直。当多个分光棱镜组合使用的情况下，至少有一个成像元件的中心轴线与所述镜头组件1中心轴线平行或重合，至少有一个成像元件的中心轴线与所述镜头组件1中心轴线垂直，剩余的成像元件同样优选与所述镜头组件中心轴线平行、重合或垂直的位置上，这样使成像系统的结构规整、紧凑，简单易装配。

优选的，分光棱镜选用四棱柱镜，所述分光棱镜横截面为正方形，所述分光棱镜其中一个体对角线截面设有半反半透膜，即在分光棱镜横截面的一条边与半反半透膜之间的夹角为45°，半反半透膜可以镀在分光棱镜内或采用其他可用方式均可，使用半反半透膜后，通过所述镜头组件的反射光分成两束子光束，其中一束子光束穿过半反半透膜沿原反射光平行方向传播，另一束子光束沿与原反射光垂直方向传播。使用半反半透膜能够减少光的反射，并过滤杂波，提高通光率，从而获得更清晰的图像。

用于调节部分或所有成像元件与分光棱镜的间距的景深调节组件4，包括若干景深调节旋钮42，所述景深调节旋钮42与成像元件连接，景深调节旋钮42的数量与成像元件的数量相配合，可以所有的成像元件都单独配有一个景深调节旋钮42，也可以有一个成像元件不配合安装景深调节旋钮42，其他的成像元件均单独配有一个景深调节旋钮，其中不配合安装景深调节旋钮42的成像元件用于拍摄第一个表面，其拍摄清晰图像可以通过镜头组件1中位于所述镜筒12上的伸缩区的延长圈13和伸缩环14的调节实现，镜头组件1包括镜头11、镜筒12和位于所述镜筒12上的伸缩区，所述伸缩区包括延长圈13和伸缩环14，所述延长圈13固定连接在伸缩区，延长了伸缩区的长度，所述伸缩环14为可伸缩结构，用于沿所述伸缩区轴向延长或缩短以调节被拍摄物与镜头的距离，通过调整延长圈13和伸缩环14，不配合安装景深调节旋钮42的成像元件能够拍摄到清晰的图像。

分光棱镜与各成像元件之间通过连接镜筒连接，对于单独配有一个景深调节旋钮42的成像元件，与该成像系统连接的连接镜筒为可伸缩连接镜筒，在该成像元件的外侧固定套接有固定框架41，景深调节旋钮42的一端与成像元件连接，景深调节旋钮42的另一端穿过固定框架41，位于固定框架41的外侧，景深调节旋钮可以控制成像元件在进入该成像元件的子光束的平行方向上伸缩移动，进而调节成像元件与对应的分光棱镜的间距，进一步实现对被拍摄物体的不同表面的清晰成像。

为了进一步提高成像系统在固定框架41中的稳定性，在景深调节旋钮42的两侧分别设有一个可伸缩轴43，可伸缩轴43的一端与成像系统连接，可伸缩轴的另一端与固定框架41连接，随着景深调节旋钮42带动成像元件的运动，成像元件在两个可伸缩轴43上伸缩，使成像元件在运动过程中更加稳定。

成像元件可以选用面阵相机。

本发明实施例还提供一种基于棱镜分光的大景深成像方法，所述方法包括：通过景深调节组件调节部分或所有成像元件与分光棱镜的间距；通过镜头组件收集被拍摄物体射出的反射光；通过包括若干分光棱镜的分光棱镜组，将通过所述镜头组件的反射光分成若干子光束；通过至少两个位于所述分光棱镜组成像面的成像元件接收子光束，采集并拍摄被拍摄物体不同表面的清晰图像。

优选的，所述分光棱镜组包括两个分光棱镜，第一分光棱镜和第二分光棱镜，所述第二分光棱镜位于所述第一分光棱镜的上方或侧方；

所述成像元件为三个，其分别设置于所述两个分光棱镜形成的三个成像面。

优选的，所述分光棱镜组包括一个分光棱镜，将通过所述镜头组件的反射光分成两个子光束；所述成像元件为两个，其分别设置于所述分光棱镜形成的两个成像面。

优选的，至少一个成像元件的中心轴线与所述镜头组件中心轴线平行或重合，至少一个成像元件的中心轴线与所述镜头组件中心轴线垂直。

优选的，所述分光棱镜为四棱柱镜，所述分光棱镜横截面为正方形，所述分光棱镜其中一个体对角线截面设有半反半透膜。

优选的，所述景深调节组件包括若干景深调节旋钮，所述景深调节旋钮与成像元件连接。

优选的，所述系统还包括图像处理模块，用于将各成像元件所拍摄的图像进行合成处理。

优选的，所述镜头组件包括镜头、镜筒和位于所述镜筒上的伸缩区，所述伸缩区包括延长圈和伸缩环；所述延长圈，用于延长所述伸缩区轴向长度；所述伸缩环，用于沿所述伸缩区轴向延长或缩短。

本发明实施例还提供一种联合标定方法，所述方法包括：将靶标5固定于升降台表面，使其中之一成像元件对靶标5对焦成像；调整靶标5相对于所述升降台表面的距离，使剩余成像元件分别对处于不同高度的靶标5对焦成像；对所有成像元件所拍摄的图像进行联合标定。大景深成像系统实际使用时，需对各成像元件进行关联标定。由于成像元件对不同高度的表面进行对焦，视场和分辨率都有微小差别，因此需要一个高精度可升降的标定模块。参照图7，标定模块由升降台、靶标5及靶标固定结构6组成。靶标5通过靶标固定结构6固定于升降台上表面，当升降台处于某一高度位置时，使一成像元件对靶标5对焦成像，调整升降台高度至期望的景深高度处，使另一成像元件对靶标5对焦成像，同样的方法将剩余所有成像元件依次完成对靶标5对焦成像。最后通过软件对所有成像元件所拍摄的图像进行关联标定。其中，靶标5顶部为方框结构，方框结构内可拆卸连接有带有图案的平面，靶标5的底部连接有靶标固定结构6，靶标固定结构6为方形板，靶标固定结构6包括设置于四个顶角处的定位螺孔，定位螺孔用于将靶标5固定于升降台上。

利用分光棱镜和位于分光棱镜不同成像面的成像元件，通过景深调节组件调节各成像元件与分光棱镜的间距，实现各成像元件同时拍摄物体不同表面的清晰图像，本发明技术方案在成像系统静止的情况下同时拍摄物体的不同表面的图像，相对于成像系统在运动情况下拍摄的物体的不同表面的图像，避免了成像系统运动导致的运动误差和时效性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种基于棱镜分光的大景深成像系统，其特征在于，包括：

镜头组件，用于收集被拍摄物体射出的反射光；

分光棱镜组，包括若干分光棱镜，用于将通过所述镜头组件的反射光分成若干子光束；

至少两个位于所述分光棱镜组成像面的成像元件，用于接收子光束，采集并拍摄被拍摄物体不同表面的清晰图像；

景深调节组件，用于调节部分或所有成像元件与分光棱镜的间距。

2.根据权利要求1所述基于棱镜分光的大景深成像系统，其特征在于，所述分光棱镜组包括两个分光棱镜，第一分光棱镜和第二分光棱镜，所述第二分光棱镜位于所述第一分光棱镜的上方或侧方；

所述成像元件为三个，其分别设置于所述两个分光棱镜形成的三个成像面。

3.根据权利要求1所述基于棱镜分光的大景深成像系统，其特征在于，所述分光棱镜组包括一个分光棱镜，将通过所述镜头组件的反射光分成两个子光束；

所述成像元件为两个，其分别设置于所述分光棱镜形成的两个成像面。

4.根据权利要求1所述基于棱镜分光的大景深成像系统，其特征在于，至少一个成像元件的中心轴线与所述镜头组件中心轴线平行或重合，至少一个成像元件的中心轴线与所述镜头组件中心轴线垂直。

5.根据权利要求1所述基于棱镜分光的大景深成像系统，其特征在于，所述分光棱镜为四棱柱镜，所述分光棱镜横截面为正方形，所述分光棱镜其中一个体对角线截面设有半反半透膜。

6.根据权利要求1所述基于棱镜分光的大景深成像系统，其特征在于，所述景深调节组件包括若干景深调节旋钮，所述景深调节旋钮的一端与成像元件连接，成像元件的外侧固定套接有固定框架，所述景深调节旋钮的另一端穿过所述固定框架，位于所述固定框架的外侧，所述景深调节旋钮控制成像元件在进入所述成像元件的子光束的平行方向上伸缩移动，调节所述成像元件与对应的分光棱镜的间距。

7.根据权利要求6所述基于棱镜分光的大景深成像系统，其特征在于，所述景深调节旋钮的两侧分别设有一个可伸缩轴，所述可伸缩轴的一端与所述成像元件连接，所述可伸缩轴的另一端与所述固定框架连接。

8.根据权利要求1所述基于棱镜分光的大景深成像系统，其特征在于，所述镜头组件包括镜头、镜筒和位于所述镜筒上的伸缩区，所述伸缩区包括延长圈和伸缩环；

所述延长圈，用于延长所述伸缩区轴向长度；

所述伸缩环，用于沿所述伸缩区轴向延长或缩短。

9.一种基于棱镜分光的大景深成像方法，其特征在于，应用于如权利要求1-8中任一项所述的系统，所述方法包括：

通过景深调节组件调节部分或所有成像元件与分光棱镜的间距；

通过镜头组件收集被拍摄物体射出的反射光；

通过包括若干分光棱镜的分光棱镜组，将通过所述镜头组件的反射光分成若干子光束；

通过至少两个位于所述分光棱镜组成像面的成像元件接收子光束，采集并拍摄被拍摄物体不同表面的清晰图像。

10.一种联合标定方法，其特征在于，应用于如权利要求1-8中任一项所述的系统，所述方法包括：

将靶标固定于升降台表面，使其中之一成像元件对靶标对焦成像；

调整靶标相对于所述升降台表面的距离，使剩余成像元件分别对处于不同高度的靶标对焦成像；

对所有成像元件所拍摄的图像进行联合标定。