CN113433393A - 强度分布的光学测定方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种强度分布光学测定方法，包括：通过有源或无源辐射源产生空间不均匀的辐射场；图像传感器和辐射源之间产生第一相对运动，使辐射场沿着第一测量轨迹在图像传感器的传感器场上运动，使图像传感器被辐射场的第一测量轨迹区域扫过，记录辐射场的包括多个位置分辨图像的第一图像集；图像传感器和辐射源之间产生第二相对运动，使辐射场沿第二测量轨迹在所述传感器场上运动，使图像传感器被辐射场的第二测量轨迹区域扫过，记录辐射场的包括多个位置分辨图像的第二图像集；至少在第一测量轨迹区域和第二测量轨迹区域的评估线的交点处评估位置分辨图像；为每个图像集，至少对每个交点确定特征灰度值；至少在交点的子集处确定相对强度分布。

Description

强度分布的光学测定方法

技术领域

本公开涉及光学测定领域，具体地，涉及一种强度分布的光学测定方法。

背景技术

确定空间不均匀的辐射场的强度分布对于大量应用是合乎需求的。

例如在要校准位置分辨图像的传感器的应用中就是这种情况。这种过程例如在摄影中被称为白图像校正。在白图像校正的一个简单的设计方案中，假设具有均匀辐射场的辐射面，并且将各个图像传感器的信号的差异评估为系统误差，在随后使用相机时所述系统误差将被相应地校正。

同样已知其中要求出辐射场的不均匀性的应用。在此，相反地，需要假设一个均匀接收或校准过的位置分辨图像传感器，以使得可以将检测到的强度中的位置差异与辐射场的不均匀性相关联。

从US 2014/184813已知用于测量相机的白图像的方法。从US 2004/246274已知用于测量显示器的辐射行为的方法。

发明内容

本公开的目的是：提供一种强度分布光学测定方法，该方法不复杂且同时不受误差干扰。

根据本公开的强度分布光学测定方法具有以下方法步骤：

A)通过有源辐射源或无源辐射源产生空间不均匀的电磁辐射场；

B)在位置分辨图像传感器和辐射源之间产生第一相对运动，使得辐射场沿着第一测量轨迹在图像传感器的传感器场上运动，以使图像传感器被辐射场的第一测量轨迹区域扫过；

C)在第一相对运动期间，通过图像传感器记录辐射场的多个位置分辨图像，得到第一图像集；

D)在图像传感器和辐射源之间产生第二相对运动，使得辐射场沿第二测量轨迹在图像传感器的传感器场上运动，以使图像传感器被辐射场的第二测量轨迹区域扫过，

其中，第二测量轨迹不同于第一测量轨迹，并且选择为，使得第一测量轨迹至少局部地不平行于第二测量轨迹；

E)在第二相对运动期间，通过图像传感器记录辐射场的多个位置分辨图像，得到第二图像集；

F)至少在交点处评估第一图像集和第二图像集的位置分辨图像，所述交点的位置点通过评估线限定，其中第一组评估线在第一测量轨迹区域内预设和/或确定，并且至少一个第二组评估线在第二测量轨迹区域之内预设和/或确定，

其中至少第一组评估线中具有至少两条彼此隔开的评估线，

并且，第一组评估线的每条评估线与第二组评估线的至少一条评估线具有交点，

其中，为每个图像集，至少对于每个交点确定特征灰度值；

G)至少在交点的子集处确定相对强度分布，以表征图像传感器和/或辐射场。

根据本公开的方法从根本上与现有技术中的方法的区别在于：现有技术需以用于校准位置分辨图像传感器的辐射场为均匀的辐射场或用于表征辐射场的均匀性的图像传感器为校准过的图像传感器为前提，而在根据本公开的方法中位置分辨图像在沿着第一测量轨迹和沿着至少一个第二测量轨迹运动的期间被记录。在评估线的交点处确定特征灰度值。因此至少在交点处的灰度值对应于辐射场和图像传感器之间的相同的状况，使得测量必须基于辐射场的相同的绝对值。因此，例如，可以建立如下方程组，所述方程组根据第一组评估线中的至少两条评估线确定，优选地在第二组评估线中的多条评估线中被超定(overdetermined)，使得借助已知的方法、即例如最小化算法可以确定强度分布。由此，可以放弃均匀的辐射场的假设或使用校准过的相机的假设。

使用位置分辨图像传感器。所述图像传感器具有多个子传感器，每个所述子传感器覆盖在图像传感器的传感器面的部分区域。所述子传感器也称为像素或图像传感器点。落入本公开的范围中的是：多个子传感器、特别是图像传感器的传感器面的多个彼此并排的子传感器联合成像素(也称为图像传感器点)，特别是形成关联性的子传感器的测量值的平均值。

方法步骤A中的辐射场通过有源或无源辐射源产生。因此，辐射源、特别是面状放射的辐射源在本公开的范围中用于产生空间不均匀的辐射场。同样地，使用如下辐射源落入本公开的范围内，所述辐射源是无源的并且反射或透射、优选反射至少一个有源照明辐射源的辐射。

以如下为前提：辐射场在第一和第二图像集的记录的时间段中具有恒定的相对强度分布或在要实现的测量不确定性范围中时间恒定的相对强度分布，也就是说强度仅全局改变一定因子并且在辐射场的各个位置点之间的强度相对保持恒定。辐射场的绝对强度同样保持恒定，或者在记录图像集期间被监控，使得随后可以校正所记录的强度值。

因此，辐射场的强度至少在记录第一和第二图像集的时间段中位置相对恒定，使得辐射场的两个任意的位置点之间的强度关系在该时间段期间恒定。

有利地，从位置分辨图像中确定至少一个运动轨迹、优选两个运动轨迹的变化曲线。由此可以放弃通过相应的运动机构精确地预设第一和第二运动轨迹。

为了提高精度，有利的是，每组评估线具有至少5条评估线、尤其是至少10条评估线、优选至少50条评估线。

通过如下方式得到一个特别简单的状况：在方法步骤B和D中，产生相对运动，使得一个组的评估线彼此平行地伸展并且尤其优选直线地构成。然而，该方法不限于这种设计方案，特别是由于辐射源和图像传感器之间的转动运动和/或透视效果可能存在非直线的和/或不平行的一组评估线。但是，有利地的是，同一组的评估线彼此不具有交点。这就简化了评估。

根据本公开的方法适用于大量应用。特别有利的是：借助于该方法进行图像传感器的校准、尤其是白图像校正。

沿着评估线为每个图像点确定比例因子，这是已建立的方程式组的一部分。在白图像校正的情况下，所述评估线对应于成像系统的图像点特定灵敏度。以此为基础，根据已知方法进行白图像校正。

落入在本公开的范围中的是：借助于根据已知的方法进行的暗电流校正来校正图像集的每个记录。在此，在没有图像传感器曝光的情况下记录图像，或者优选地记录图像集，并且逐图像点地取平均值。通过减去该暗图像来校正图像集的每个图像。

相机的原始图像记录优选通过减去暗电流分量来进行暗电流校正，并且然后通过将相应的图像点值除以图像点比例因子来进行白图像校正。

根据本公开的方法适用于具有任何空间不均匀的辐射场、优选时间恒定空间不均匀的辐射场的应用。有利地，辐射场由辐射面有源地或无源地发射。由此，可以以简单的方式构成辐射面一方和图像传感器另一方之间的相对运动。

根据本公开的方法特别适合于确定辐射面的位置不均匀性。

辐射面优选借助于成像光学装置、特别优选借助于镜头成像到图像传感器上。

在使用无源辐射面时，优选地由至少一个、特别优选由刚好一个有源辐射发生器对所述无源辐射面施加辐射。

辐射面优选地是漫反射辐射面，使得在辐射面和图像传感器之间的角位置不同的情况下，漫散射的辐射总是射到图像传感器上。

在使用辐射发生器以施加构成为无源辐射面的辐射源的情况下，有利的是：在第一和第二相对运动期间，辐射场相对于辐射发生器位置固定。特别有利的是：辐射面和辐射发生器在第一和第二相对运动期间相对于彼此位置固定。

优选地，测量轨迹中的至少一个、特别优选两个测量轨迹从相关联的图像集中确定，尤其如下面描述的方式那样确定：为了确定测量轨迹，对每个位置点确定在记录时间段之间出现特征性灰度值的时间点。时间点优选地经由记录的索引限定，所述索引与实际时间成比例地变化。沿运动方向确定值增加的时间点，该时间点对应于加载特征性灰度值的时间顺序。由于辐射场的完整性，在测量轨迹之内的时间上的加载，随成比例的时间偏移移动，这在下文中称作为局部最大值的前端。

优选地，通过在多个步骤中确定一阶和二阶梯度来分析时间顺序，由此确定不均匀的辐射场的运动方向。特别地，评估优选地包括以下步骤：确定加载的时间顺序的梯度场g。从g中计算方向角。从方向角场中确定另一梯度场g'。从该图像中的梯度长度大于极限值(g'>x)的区域确定局部运动方向。从第一梯度场g中的梯度长度小于所述极限值(g'<x)的区域确定局部运动方向。根据时间上的梯度，因此确定测量轨迹的运动方向。

有利地，每个图像集包括至少50个、特别是至少100个、优选地至少1000个位置分辨图像，以便减小误差敏感性并提高分辨率。特别有利的是：每个图像集的位置分辨图像的数量等于或优选地大于图像传感器上沿着图像传感器的传感器场的对角线的图像点的数量。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1示意性地示出了图像传感器相对于辐射面的三个不同位置的示意图；

图2示意性地示出了在沿着第一测量轨迹的相对运动期间的位置分辨图像的第一图像集的三个图像a至c；

图3示意性地示出了图像序列的运动示意图；

图4示意性地示出了反映了在辐射场中位置固定的参考点在相机的图像空间中的轨迹运动的线的示意图；

图5示意性地示出了辐射场的多个位置分辨图像的第二图像集的图像a'和c'以及第一图像集的图像a和c。

附图标记说明

1辐射面 2图像传感器 2a镜头

具体实施方式

下面参考附图和示例性实施例说明其他有利的特征和实施例。附图示出了示意图，以示出根据本公开的强度分布的光学测定方法的示例性实施例：

电磁辐射的空间不均匀的辐射场借助于辐射面1产生。当前，辐射面1构成为光学显示器，所述光学显示器在可见范围中发射光进而产生不均匀的辐射场。在实施例的变型中，辐射面1构成为漫反射表，其被来自诸如光源的辐射发生器的辐射作用。

辐射面1位于构成为位置分辨的相机的图像传感器2的记录区域中，其中辐射面1借助镜头2a成像到位置分辨的传感器上，当前为图像传感器2的CMOS芯片，或者，替选地为CCD芯片。

因此，在方法步骤A中产生辐射面1的空间不均匀的辐射场，其中在当前的实施例中，辐射面1为无源辐射源。

在方法步骤B中，在图像传感器2和辐射面1之间产生相对运动。如图1中示意性所示，图像传感器2围绕垂直于图1中的图平面的轴线A转动。示例性地，在图1中彼此并排地示出图像传感器2相对于辐射面1的三个不同位置。在所示的每个位置中，借助于图像传感器2记录辐射面1的辐射场的位置分辨图像，使得存在多个位置分辨图像的第一图像集。

不均匀的辐射场的特征在于相互交错的圆，所述圆示意性地示出相同强度的线。

在图2中，示意性地示出了在沿着第一测量轨迹的相对运动期间的位置分辨图像的第一图像集的三个图像a至c。

辐射场的强度时间上是恒定的，因为通过辐射面1有源产生的空间上不均匀的辐射场不会随时间变化。由于方法步骤B中产生的相对运动，在方法步骤C记录的包括多个位置分辨图像的第一图像集中，记录在相机的图像空间中不同的地点处的强度分布如图2中可见(包括强度分布图1-3)，其中所述强度分布当前通过多个嵌套的环示意地示出。

因此，在相机的图像空间中，如在图3中示意地示出的那样，这对应于从位置a到位置c的图像序列之上的运动，尽管当前相机相对于辐射面1运动而不相对于在辐射面上的辐射场运动。

在实际应用中，所记录的图像序列具有大量位置分辨图像，特别是第一图像集的至少十个、优选至少五十个、尤其优选至少百个位置分辨图像，当前为2900个。为了简化理解，在所描述的实施例中，将图像集限制于三个位置分辨图像。

因此，由于第一轨迹运动的相对运动，对于预设强度的点，相机的图像空间中的辐射场的位移将引起所述点的位移。因此，可以形成恒定的入射强度的线，所述线反映了在辐射场中位置固定的参考点在相机的图像空间中的轨迹运动。在图4中示例性地示出：当前，对于第一图像集的位置分辨图像a和c沿着线I检测强度值。所述强度值也在位置分辨图像c中以相同的顺序复得，然而在相机的图像空间中在所示出的线I'的位置处发生了空间位移。图像a和c之间的相同强度的值之间的各个位移线(分别作为箭头示出)为评估线。

现在，在方法步骤D中，在图像传感器和辐射源之间进行第二相对运动，所述第二相对运动当前通过图像传感器沿着大致垂直于所执行的第一平移位移的轨迹的位移来执行。在此也在相机的图像空间中存在辐射场的位置位移，所述位移当前大致垂直于由于第一相对运动而引起的位置位移。

在方法步骤E中，借助于图像传感器记录多个位置分辨图像的第二图像集。在图5中示意性地示出辐射场的多个位置分辨图像的第二图像集的图像a'和c'以及第一图像集的图像a和c，其中第一图像集的图像在沿着第一测量轨迹运动期间记录并且第二图像集的图像相应地在沿着第二测量轨迹运动期间记录。

即使在沿着第二测量轨迹的运动中，可以类似于图4求出恒定强度的线作为评估线，所述评估线在图5中相应地作为位置a'和c'之间的垂直的箭头示出，所述箭头大致垂直于根据图4的大致水平的评估线。

因此，在图5中，水平的分别作为箭头示出的评估线形成第一组评估线，并且垂直的同样分别作为箭头示出的评估线因此形成第二组评估线。第一组的每条评估线具有与第二组的每条评估线的交点。

方法步骤G在所述交点处确定相对的强度分布。

由此得出之前提出的方程组，所述方程组实现线彼此间的归一化。

在当前的示例中，从评估线彼此间的归一化中得出相机传感器的图像点的相对灵敏度的矩阵。所有通过特定的线覆盖的图像点是所述矩阵的一部分。这可以超出两组中的评估线的重叠区域。矩阵优选覆盖图像传感器的所有图像点。

相对灵敏度的矩阵优选以最大值1归一化。根据现有技术，所述灵敏度矩阵称为白图像。根据现有技术，通过将图像记录除以白图像来校正相机芯片，其中原始图像能够预先已经进行暗电流校正。

在该方法的另一有利的构成方案中，为了确定图像传感器的固定的干扰模式，对图像传感器在没有上游的成像光学装置的情况下将辐射场施加到图像传感器上。评估步骤A-G类似地执行和评估。

作为另一变型的实施例，可以在不校准图像传感器的情况下执行辐射面的辐射场的表征。为此，图像传感器优选地不围绕轴线转动，而是沿着平行于辐射面平移相对运动。这允许以相对于运动方向以恒定的视角执行表征。示例性地，这在图1中第一个位置的辐射面1(即a对应辐射面1)中通过绘出的矢量B来表示。在运动期间，记录第一图像序列，所述第一图像序列示意性地在图2中示出。

与先前的描述类似地确定第一组和第二组的评估线的路线。在中间步骤中，现在，沿着评估线确定特征灰度值的记录时间顺序的索引，从中得出沿着评估线的相对运动的速度曲线。

在下一步骤中，为每个评估线选择一图像传感器点或图像传感器点的子组，所述图像传感器点通过相应的评估线相交。由于相机的成像光学原理，该图像传感器点具有以恒定的视角成像辐射面的特性。通过适当地选择图像传感器元件可以从测量的数据组中确定到辐射面上的不同的视角。

借助于评估线上的速度曲线，求出辐射面的在每个时间点通过所选择的图像传感器元件成像的辐射面的相对位移和表面元素。从数据组中借助已知的技术将具有强度值的适当的网格投影到辐射面上，例如借助于单应性(投影的变换)和限定的网格点之间的线性内插来进行投影。为第一和第二图像集执行该中间步骤。得出的具有投影的评估线的网格类似于图像传感器进行评估。确定第一组和第二组的评估线之间的交点，从所述交点中建立方程组，所述方程组借助已知的最小化技术来求解，例如借助于最小二乘法求解。

最小化的解得出对于沿着相应的评估线的强度值的各一个比例因子。通过使用比例因子确定限定的网格中的辐射面的相对的强度分布。

对于其辐射特性强烈偏离朗伯行为的辐射面而言有利的且落入本发明的范围中的是：在运动主方向的平行的相对运动中执行多个图像集，并且将具有低视角偏差的图像点用于评估。此外，在这种情况下，同样有利的是：在横向走向的测量轨迹的图像集中，通过选择合适的图像点来限制视角范围。

Claims (11)

1.一种强度分布光学测定方法，该方法包括如下方法步骤：

a.通过有源辐射源或无源辐射源产生空间不均匀的电磁辐射场；

b.在位置分辨图像传感器(2)和所述辐射源之间产生第一相对运动，使得所述辐射场沿着第一测量轨迹在所述图像传感器的传感器场上运动，以使所述图像传感器(2)被所述辐射场的第一测量轨迹区域扫过；

c.在所述第一相对运动期间，通过所述图像传感器记录所述辐射场的多个位置分辨图像，得到第一图像集；

d.在所述图像传感器(2)和所述辐射源之间产生第二相对运动，使得所述辐射场沿第二测量轨迹在所述图像传感器的所述传感器场上运动，以使所述图像传感器(2)被所述辐射场的第二测量轨迹区域扫过，

其中，所述第二测量轨迹不同于所述第一测量轨迹，并且选择为，使得所述第一测量轨迹至少局部地不平行于所述第二测量轨迹；

e.在所述第二相对运动期间，通过所述图像传感器记录所述辐射场的多个位置分辨图像，得到第二图像集；

f.至少在交点处评估所述第一图像集和第二图像集的所述位置分辨图像，所述交点的位置点通过评估线限定，其中在所述第一测量轨迹区域内预设和/或确定第一组评估线，并且在所述第二测量轨迹区域之内预设和/或确定至少一个第二组评估线，

其中至少所述第一组评估线中具有至少两条彼此隔开的评估线，

并且，所述第一组评估线的每条评估线与所述第二组评估线的至少一条评估线具有交点，

其中，为每个图像集，至少对每个交点确定特征灰度值；

g.至少在交点的子集处确定相对强度分布，以表征所述图像传感器和/或所述辐射场。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述位置分辨图像中确定至少一条运动轨迹、优选确定两条运动轨迹的变化曲线。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，每组评估线具有至少5条评估线、尤其是具有至少10条评估线、优选具有至少50条评估线。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，同一组的所述评估线彼此间没有交点。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过所述方法进行所述图像传感器的校准、特别是白图像校正。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述辐射场由辐射面(1)有源或无源地发射。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过所述方法确定所述辐射面(1)的空间不均匀性。

8.根据权利要求5至6中任一项所述的方法，其特征在于，通过成像光学装置将所述辐射面(1)成像到所述图像传感器上。

9.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述辐射面(1)是无源辐射面(1)，并由至少一个、优选刚好一个有源辐射发生器施加辐射。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述辐射面(1)是漫反射的辐射面(1)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一相对运动期间和在所述第二相对运动期间，所述辐射场相对于辐射发生器位置固定。

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