CN112799264B - 基于光学影像测量设备的快速聚焦方法及聚焦设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光学影像测量设备的快速聚焦方法及聚焦设备，该聚焦方法利用第一位移组件驱动反射镜进行位移运动，图像传感器获取位移运动过程中的待测物的图像信息并将图像信息发送给主控装置，主控装置结合图像算法确定待测物与光学成像装置之间的聚焦距离，使得第二位移装置驱动光学成像装置运动至目标位置，实现聚焦；该方法通过驱动质量较小的反射镜进行位移运动，快速获取聚焦距离，以使得光学成像装置在第二位移装置的驱动下直接运动至目标位置实现聚焦，不仅大大提高该测量设备的聚焦速度，且降低了聚焦过程所消耗的功率，质量较小的元件的移动增加了整个测量设备的稳定性与可靠性。

Description

基于光学影像测量设备的快速聚焦方法及聚焦设备

技术领域

本申请涉及光学影像测量设备领域，尤其涉及一种基于光学影像测量设备的快速聚焦方法及聚焦设备。

背景技术

随着科技的发展，对光学影像测量设备的测量精度与测量速度的要求越来越高，而测量精度与测量速度的提高建立在快速准确获取高质量图像的基础上，快速自动对焦成为影像设备必不可以少的功能之一。

自动对焦是通过一系列过程来完成的，比如：拍摄运动过程中的图像、处理图像、计算清晰面位置、反馈清晰面位置结果以及定位到清晰面等。在精密影像测量设备中，自动聚焦必须保证光学系统光学倍率不变的情况下，通过自动聚焦功能找到清晰面，也就是只能调整待测物离光学系统的距离来得到清晰的图像。

现有技术中，大多数传统的光学系统通过引入电磁驱动马达和/或压电驱动装置来移动光学成像装置以调整光学成像装置与待测物之间的距离，并实现自动聚焦功能。在调整的过程中实际上是一段距离的机械运动，由于光学成像装置的体积与质量都较大，具有相当大的系统惯性，在运动的过程中容易导致自动对焦系统响应速度较慢，无法快速实现自动对焦，严重影响测量设备的测量效率。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种基于光学影像测量设备的快速聚焦方法及设备，该方法通过先移动质量较小的光学元件快速获得聚焦距离，再将光学成像装置移动至目标位置，大大提高自动对焦的速度，进一步提高测量设备的测量效率。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案：

一方面，根据本发明实施例提供一种基于光学影像测量设备的快速聚焦方法，所述方法包括：

主控装置接收光学成像装置中的图像传感器发送的待测物的图像信息，其中，所述图像传感器获取第一位移组件驱动反射镜进行位移运动过程中的经过镜头组件的所述待测物的图像信息，所述第一位移组件、反射镜和镜头组件位于所述光学成像装置内；

所述主控装置结合图像算法确定所述待测物与所述光学成像装置之间的聚焦距离；

所述主控装置根据所述聚焦距离发送位移指令给所述第一位移组件，以使得所述第一位移组件驱动所述反射镜位移运动至原始位置；以及

所述主控装置根据所述聚焦距离发送位移指令给第二位移装置，以使得所述第二位移装置驱动所述光学成像装置运动至目标位置，实现聚焦。

优选地，所述图像传感器获取第一位移组件驱动反射镜进行位移运动过程中的经过镜头组件成像的所述待测物的图像信息，包括：

所述图像传感器获取经过所述光学成像装置中的分光组件进行分光后的所述待测物的图像信息。

优选地，所述主控装置结合图像算法确定所述待测物与所述光学成像装置之间的聚焦距离，包括：

所述主控装置结合所述图像算法将所述待测物的图像信息与标准图像信息进行匹配，当所述待测物的图像信息与标准图像信息的匹配度最大时得出所述聚焦距离。

优选地，所述主控装置结合所述图像算法将所述待测物的图像信息与标准图像信息进行匹配，包括：

当所述匹配度增大时，所述第一位移组件驱动所述反射镜在原有的方向上继续运动；否则，

所述第一位移组件驱动所述反射镜向与原来运动相反的方向进行运动。

优选地，当所述待测物的图像信息与标准图像信息的匹配度最大时得出所述聚焦距离，包括：

当所述待测物的图像信息与标准图像信息的匹配度最大时，所述主控装置获得与当前所述待测物的图像信息匹配的所述反射镜运动的距离，所述主控装置根据所述反射镜运动的距离计算得出所述聚焦距离。

另一方面，本发明实施例还提供一种基于光学影像测量设备的快速聚焦设备，包括：

主控装置；

光学成像装置，所述光学成像装置包括镜头组件、反射镜、图像传感器和第一位移组件，所述图像传感器与第一位移组件电性连接所述主控装置，其中，

所述第一位移组件用于驱动所述反射镜进行位移运动，

所述图像传感器用于获取经过所述镜头组件成像的待测物的图像信息并将其发送给所述主控装置；

第二位移装置，所述第二位移装置电性连接所述主控装置，所述主控装置用于根据接收的所述图像信息确定所述待测物与所述光学成像装置之间的聚焦距离，并根据所述聚焦距离发送位移指令给所述第一位移组件，以使得所述第一位移组件驱动所述反射镜位移运动至原始位置，以及发送位移指令给所述第二位移装置，以使得所述第二位移装置驱动所述光学成像装置运动至目标位置，实现聚焦。

优选地，所述光学成像装置还包括分光组件，所述分光组件位于所述图像传感器与反射镜之间，所述分光组件用于将经过所述镜头组件的光进行分光。

优选地，所述第一位移组件包括第一驱动组件与第一滑动组件，所述反射镜固定安装于所述第一滑动组件上，所述反射镜在所述第一驱动组件的驱动力下跟随所述第一滑动组件做运动。

优选地，所述第二位移装置包括第二驱动组件与第二滑动组件，所述光学成像装置与所述第二滑动组件固定连接，所述光学成像装置在所述第二驱动组件的驱动力下跟随所述第二滑动组件做运动。

优选地，所述镜头组件包括连续变倍变焦镜头、远心镜头和定焦镜头中的一种；

所述反射镜包括平面镜、曲率镜和微阵列镜中的一种。

本申请的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

根据本申请实施例的一种基于光学影像测量设备的快速聚焦方法及设备， 该聚焦方法利用第一位移组件驱动反射镜进行位移运动，图像传感器获取位移运动过程中的待测物的图像信息并将图像信息发送给主控装置，主控装置结合图像算法确定待测物与光学成像装置之间的聚焦距离，使得第二位移装置驱动光学成像装置运动至目标位置，实现聚焦；该方法通过驱动质量较小的反射镜进行位移运动，快速获取聚焦距离，以使得光学成像装置在第二位移装置的驱动下直接运动至目标位置实现聚焦，不仅大大提高该测量设备的聚焦速度，且降低了聚焦过程所消耗的功率，质量较小的元件的移动增加了整个测量设备的稳定性与可靠性。

附图说明

图1为本申请实施例基于光学影像测量设备的快速聚焦方法的流程图；

图2为本申请实施例基于光学影像测量设备的快速聚焦方法的逻辑图；

图3为本申请实施例基于光学影像测量设备的快速聚焦设备的示意图；

图4为本申请实施例基于光学影像测量设备的快速聚焦设备的示意图；

图5为本申请实施例基于光学影像测量设备的快速聚焦设备的示意图；

图6为本申请实施例基于光学影像测量设备的快速聚焦设备的示意图；

图7为本申请实施例基于光学影像测量设备的快速聚焦设备的示意图。

附图标记：

1、待测物；2、镜头组件；3、分光组件；4、反射镜；4'、第一位置；5、图像传感器；6、第一位移组件；7、主控装置；8、第二位移装置；9、光学成像装置；10、接收面。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供一种基于光学影像测量设备的快速聚焦方法及设备， 该聚焦方法及设备利用光学成像装置内的第一位移组件驱动光学成像装置内的反射镜进行位移运动，光学成像装置内的图像传感器获取位移运动过程中的待测物的图像信息并将图像信息发送给主控装置，主控装置结合图像算法确定待测物与光学成像装置之间的聚焦距离，使得第二位移装置驱动光学成像装置运动至目标位置，实现聚焦；该方法通过驱动质量较小的反射镜进行位移运动，快速获取聚焦距离，以使得光学成像装置在第二位移装置的驱动下直接运动至目标位置实现聚焦，不仅大大提高该测量设备的聚焦速度，且降低了聚焦过程所消耗的功率，质量较小的元件的移动增加了整个测量设备的稳定性与可靠性。

下面通过结合具体的附图对本申请的各个实施例进行详细的说明。

本申请实施例提供一种基于光学影像测量设备的快速聚焦方法，如图1所示，该方法具体包括如下步骤：

S1、主控装置接收光学成像装置中的图像传感器发送的待测物的图像信息，其中，图像传感器获取第一位移组件驱动反射镜进行位移运动过程中的经过镜头组件的待测物的图像信息，第一位移组件、反射镜和镜头组件位于光学成像装置内。

S2、主控装置结合图像算法确定待测物与所述光学成像装置之间的聚焦距离。

S3、主控装置根据聚焦距离发送位移指令给第一位移组件，以使得第一位移组件驱动反射镜位移运动至原始位置。

S4、主控装置根据聚焦距离发送位移指令给第二位移装置，以使得第二位移装置驱动光学成像装置运动至目标位置，实现聚焦。传统的聚焦方式是通过驱动整个光学成像装置（包括反射镜、镜头组件、图像传感器等）移动来时间聚焦，整个光学成像装置的质量较大，导致自动对焦的速度较慢。如图2所示，本实施例中通过第一位移组件驱动反射镜单个元件进行移动，单个元件即反射镜的质量较小可快速获取与反射镜位移相对于的图像信息。主控装置根据图像传感器发送的待测物的图像信息并结合图像算法计算分析处理后确定待测物与光学成像装置之间的聚焦距离，光学成像系统通过移动一段距离后可使得光学成像系统获得最清晰的待测物图像，光学成像系统需要移动的一段距离即为聚焦距离。

在主控装置通过反射镜的运动获得聚焦距离之后，主控装置发送指令给第一位移组件，第一位移组件接收指令后驱动反射镜运动至原始位置即运动之前的位置。另外，主动装置还发送指令给第一位移装置，第一位移装置接收指令后驱动光学成像装置直接运动至目标位置，即驱动光学成像装置运动长度为聚焦距离后至目标位置，光学成像装置在目标位置可获得最清晰的待测物图像。

在本申请实施例中的镜头组件包括连续变倍变焦镜头、远心镜头和定焦镜头中的一种；反射镜包括平面镜、曲率镜和微阵列镜中的一种。

在一实施例中，在步骤S1中包括：

图像传感器获取经过光学成像装置中的分光组件进行分光后的待测物的图像信息。根据所需光的特性利用分光组件来进行选择以满足需求，比如：需要偏振光、某些波段的光等。通过分光组件的光到达图像传感器上后光能量将损失一半，故不适用对于进光量要求高的系统。

在一实施例中，在步骤S2中包括：

主控装置结合图像算法将待测物的图像信息与标准图像信息进行匹配，当待测物的图像信息与标准图像信息的匹配度最大时得出聚焦距离。在步骤S1中图像传感器获取待测物图像信息并将获取的待测物图像信息发送给主控装置，主控装置将接收的待测物图像信息与存储的标准图像信息进行匹配，利用图像算法将待测物图像信息与标准图像信息进行计算匹配，当匹配度达到最大时得出聚焦距离。一般地，当待测物图像信息与标准图像信息的匹配度逐渐增加至某一值后开始减小，确定增加达到的最大值为匹配度最大。

进一步的，当匹配度增大时，第一位移组件驱动反射镜在原有的方向上继续运动；否则，第一位移组件驱动反射镜向与原来运动相反的方向进行运动。该方法用于确定反射镜的运动方向是否正确，在第一位移组件接收到指令后选择一个默认驱动方向即驱动反射镜运动的方向，当待测物图像信息与标准图像信息之间的匹配度在减小时，说明发射镜的运动方向需要向相反方向运动。

具体地，当待测物的图像信息与标准图像信息的匹配度最大时，主控装置获得与当前待测物的图像信息匹配的反射镜运动的距离，主控装置根据反射镜运动的距离计算得出聚焦距离。第一位移组件将反射镜运动的距离发送给主控装置，主控装置根据反射镜运动的距离计算得出对应的聚焦距离，主控装置将聚焦距离发送给第一位移装置，第一位移装置驱动光学成像装置直接移动聚焦距离至目标位置，实现聚焦。

本发明还提供一种基于光学影像测量设备的快速聚焦设备，如图3至图7所示，包括主控装置、光学成像装置和第二位移装置，其中，

光学成像装置9包括镜头组件2、反射镜4、图像传感器5和第一位移组件6，图像传感器5与第一位移组件6电性连接主控装置7，第一位移组件6用于驱动反射镜4进行位移运动，图像传感器5用于获取经过镜头组件2成像的待测物1的图像信息并将其发送给主控装置7；第二位移装置8电性连接主控装置7，主控装置7用于根据接收的图像信息确定待测物1与光学成像装置9之间的聚焦距离，并根据聚焦距离发送位移指令给第一位移组件6，以使得第一位移组件6驱动反射镜4位移运动至原始位置，以及发送位移指令给第二位移装置8，以使得第二位移装置8驱动光学成像装置9运动至目标位置，实现聚焦。

在一实施例中，光学成像装置9还包括分光组件3，分光组件3位于图像传感器5与反射镜4之间，分光组件3用于将经过镜头组件2的光进行分光。根据所需光的特性利用分光组件来进行选择以满足需求，比如：需要偏振光、某些波段的光等。通过分光组件3的光到达图像传感器5上后光能量将损失一半，故不适用对于进光量要求高的系统。分光组件3内的分光镜与镜头组件的主光线可以是任意角度，本申请不做限定。分光组件中的分光元件包括棱镜、分光镜、偏振分光镜、二向色镜中的一种。

如图4和图5所示，图4与图5分别是两种光路的走向示意图。图4中待测物1上的光线通过镜头组件2到达分光组件3进行投射和反射分光，反射光达到反射镜4上，经过反射后再次通过分光组件3透射并到达图像传感器5。图5中待测物上的光线通过镜头组件2达到分光组件3进行透射和反射分光，透射光到达反射镜上经过反射后再次通过分光组件3反射到图像传感器5。

在一实施例中，第一位移组件6包括第一驱动组件（图中未显示）与第一滑动组件（图中未显示），反射镜4固定安装于第一滑动组件上，反射镜在第一驱动组件的驱动力下跟随第一滑动组件做运动。

第二位移装置8包括第二驱动组件（图中未显示）与第二滑动组件（图中未显示），光学成像装置9与第二滑动组件固定连接，光学成像装置9在第二驱动组件的驱动力下跟随第二滑动组件做运动。第一驱动组件与第二驱动组件包括微机电驱动、小型电磁驱动、压电驱动等，第一驱动组件与第二驱动组件根据需求选择适合的驱动组件，当然并不仅限于上述若干驱动。第一滑动组件与第二滑动组件优选包括滑块与滑轨的方式，当然并不仅限定于此。

在一具体实施例中，如图6所示，镜头组件2为光学倍率为0.3倍的远心镜头，镜头组件2的质量达到700g左右，并匹配35mm的图像传感器，用于检测某一物体上的胶形，胶的特点是掺有荧光剂的UV胶，检测该胶时需通过紫外光365nm来激发产生可见光为400-700nm，为了避免波长为365nm的紫外光进入图像传感器5中干扰胶形成像，必须滤除400nm以下的波段。故分光组件3优选为透过和反射波段400-700nm的分光镜，透射和反射比例为1:1。在本实施例中，如若采用传统的聚焦方式，通过整个光学成像系统（包括镜头组件、图像传感器等）运动来搜寻清晰面，由于整个光学成像系统质量较大，因此其运动所需的驱动力也较大，导致光学成像系统的相应速度慢，聚焦速度也慢。而应用本申请实施例提供的快速聚焦方法即将整个光学系统的运动的搜寻过程采用小的反射镜的运动搜寻来替代，小的反射镜的质量较小大大提高聚焦的速度。

具体地，在第一位移组件6上安装有平面反射镜4，平面反射镜4在第一驱动组件的驱动力下进行移动运动，图像传感器5捕捉到运动过程中待测物图像，并将其发送给主控装置7，主控装置7根据特定的图像算法将待测物图像数据与标准图像进行匹配，如果匹配率增大则说明平面反射镜的运动方向正确；反之，平面镜4的运动反向需要向相反方向运动。如图6所示，平面镜4未移动之前，待测物面经过光学成像装置在成像接收面10的后面的如图6中所示的B处，通过第一位移组件驱动平面反射镜平移运动在图像传感器5的接收面10上会呈现不同清晰程度的图像，主控装置7根据接收的图像信息进行分析计算，并发送指令给第一位移组件6，以使得第一位移组件6驱动平面反射镜4向正确的方向运动。图像传感器5获取运动过程中的图像信息并发送给主控装置7，直到平面反射镜4运动至第一位置4'，当平面反射镜4运动至第一位置4'时，图像传感器5的接收面10上呈现清晰的像，主控装置7根据获取当前反射镜4的位置与原始位置之间的距离，并计算出来在保持原始像距不变的情况下，聚焦距离的距离竖直，并将该聚焦距离发送给第二位移装置8，第二位移装置8执行主控装置7的指令并直接运动至目标位置。当然，在第二位移装置8驱动光学成像装置9运动之前，主控装置7发送指令给第一位移组件6，第一位移组件6驱动反射镜4运动至原始位置，以保证光学成像装置的倍率不变。

在另一个具体实施例中，如图7所示，镜头组件2的光学倍率为0.75~4.5X连续变倍镜头，光学成像装置9通常要配置多角度多环环光和其他配件（图中未显示）。如果采用传统的聚焦方式，光学成像装置9的质量较大，严重降低聚焦的速度，同时这种镜头NA通常较小，进光量相对较小。为了尽可能提高进光量，直接在镜头组件2的后面加入反射镜4。如图7所示，在平面反射镜移动之前，待测物面经过光学成像装置成像在成像接收面10的后面如图7中所示的A处，通过反射镜4的运动使得图像传感器5的接收面10上成像不同清晰程度的图像。下面的聚焦过程与上一个实施例的类似，此处不再啰嗦。

需要说明的是，在本专利的示例和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光学影像测量设备的快速聚焦方法，其特征在于，所述方法包括：

主控装置接收光学成像装置中的图像传感器发送的待测物的图像信息，其中，所述图像传感器获取第一位移组件驱动反射镜进行位移运动过程中的经过镜头组件的所述待测物的图像信息，所述第一位移组件、反射镜和镜头组件位于所述光学成像装置内；

所述主控装置结合图像算法确定所述待测物与所述光学成像装置之间的聚焦距离，

所述主控装置结合图像算法确定所述待测物与所述光学成像装置之间的聚焦距离包括：

所述主控装置结合所述图像算法将所述待测物的图像信息与标准图像信息进行匹配，当所述待测物的图像信息与标准图像信息的匹配度最大时得出所述聚焦距离，其中，

当所述待测物的图像信息与标准图像信息的匹配度最大时得出所述聚焦距离，包括：

当所述待测物的图像信息与标准图像信息的匹配度最大时，所述主控装置获得与当前所述待测物的图像信息匹配的所述反射镜运动的距离，所述主控装置根据所述反射镜运动的距离计算得出所述聚焦距离；

所述主控装置结合所述图像算法将所述待测物的图像信息与标准图像信息进行匹配包括：

当所述匹配度增大时，所述第一位移组件驱动所述反射镜在原有的方向上继续运动；否则，所述第一位移组件驱动所述反射镜向与原来运动相反的方向进行运动；

所述主控装置根据所述聚焦距离发送位移指令给所述第一位移组件，以使得所述第一位移组件驱动所述反射镜位移运动至原始位置，以保证光学倍率不变；以及

所述主控装置根据所述聚焦距离发送位移指令给第二位移装置，以使得所述第二位移装置驱动所述光学成像装置运动至目标位置，实现聚焦。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像传感器获取第一位移组件驱动反射镜进行位移运动过程中的经过镜头组件的所述待测物的图像信息，包括：

所述图像传感器获取经过所述光学成像装置中的分光组件进行分光后的所述待测物的图像信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镜头组件包括连续变倍变焦镜头、远心镜头和定焦镜头中的一种；

所述反射镜包括平面镜、曲率镜和微阵列镜中的一种。

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