CN114252985A - 一种自动对焦双远心光学一体化摄像机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动对焦双远心光学一体化摄像机。包括双远心镜头、自动对焦结构；双远心镜头结构包含镜头外壳、物方镜片组、孔径光阑、像方镜片组，组成双远心光学系统，可采集待测零件的图像；自动对焦结构与双远心镜头结构相连，主要包括基座、固定镜片、后座、浮动基座、浮动镜片、驱动电机，可通过驱动电机带动浮动座及镜片，以适应待测零件位置的偏移变化，并将光线射入图像处理模块的CMOS芯片，得到图像数据；图像处理与自动对焦算法模块可以处理CMOS芯片回传图像，判断是否合焦，并可自动驱动电机调整浮动镜片位置，始终得到清晰图像。本发明能够适应待测件有多种不同高度，或待测件位置偏离工作距离的场合，广泛应用于多种工作情景。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，尤其涉及一种自动对焦双远心光学一体化摄像机。
背景技术
在工业应用领域中，常使用机器视觉技术进行零件的尺寸测量。而远心镜头由于其可以使得被摄物体位于一定的物距内，得到的图像放大倍率不会随物距的变化而改变，在尺寸测量领域有着重要应用。
但是，由于远心光学系统本身的特点，远心镜头往往有固定的工作距离和成像距离，景深较小，工件位置偏离工作距离时成像效果就会变差，必须要重新调整摄像系统或工件的位置。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种自动对焦双远心光学一体化摄像机，在待测工件偏离工作距离时，通过自动对焦算法和结构进行调整，在一定工作范围内始终得到合焦的，清晰的图像。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种自动对焦双远心光学一体化摄像机
包括双远心镜头结构和自动对焦结构；
所述双远心镜头结构包括镜头外壳和由前至后依次安装在镜头外壳内的物方镜片组、孔径光阑和像方镜片组，孔径光阑位于物方镜片组的像方焦平面，且位于像方镜片组的物方焦平面处；
所述自动对焦结构包括基座、驱动电机、后座、图像传感器、浮动基座；基座前端与双远心镜头连接，基座后端依次连接有后座、图像传感器；基座内部两侧设置有条形槽，两侧的条形槽内均布置有两端分别固定于基座和后座上的导杆，浮动座通过两根导杆滑动安装于基座内；基座和后座一侧安装有由丝杆和螺母组成的滚珠丝杠，丝杆与驱动电机相连，螺母固定于浮动座上；
浮动座上安装有浮动镜片，后座上安装有固定镜片，图像传感器中的CMOS芯片位于固定镜片的像方焦平面处；光线经由双远心镜头进入自动对焦结构，再经由浮动镜片、固定镜片入射到图像传感器中的CMOS芯片上，形成清晰图像。
基座顶部内侧面开设有导槽，浮动座顶部设置有沿导槽滑动的凸起，基座顶部外侧面开设与导槽相通的方形槽，方形槽内安装有光耦模块。
驱动电机旋转带动浮动座移动，在浮动座顶部凸起经过光耦模块时，浮动座处于极限位置，光耦模块通过将浮动座位置信息传输至上位机以阻止浮动座继续朝后座移动；
当浮动座位于光耦模块的位置时，浮动座处于初始位置，通过光耦模块对浮动座位置的监测实现浮动座位置的初始化。
图像传感器、光耦模块、控制驱动电机的电机驱动模块均与上位机连接。
基座前端通过C-Mount螺纹与双远心镜头连接，后座通过C-Mount螺纹与图像传感器连接。
基座通过螺钉与后座安装固定。
物方镜片组、孔径光阑、像方镜片组经过光学参数设计，使得双远心镜头具有优良的远心度和分辨率等光学性能。
待测物体的主光线始终平行于双远心镜头的光轴。
二、一种自动对焦双远心光学一体化摄像机的自动对焦方法
包括以下步骤：
当被摄物体位于双远心镜头的工作距离时，主光线始终平行于光轴，光线射出双远心镜头的像方镜片组后进入自动对焦结构，再经由浮动镜片、固定镜片，入射到图像传感器中的CMOS芯片上，形成清晰的图像；
当被摄物体的位置偏离工作距离时，主光线始终平行于光轴，CMOS芯片始终位于固定镜片的像方焦平面，CMOS上的成像位置与位置不偏移时的成像位置相同，即成像倍率不变，成像图像发生失焦变糊，通过图像处理与自动对焦算法对失焦变糊的图像进行自动对焦。
所述的图像处理与自动对焦算法基于爬山搜索算法，对失焦变糊的图像进行自动对焦的过程具体为：
1)计算图像初始的对焦清晰度评价函数值，驱动电机在电机驱动模块的作用下朝顺时针方向以a r/s的频率旋转，进而带动浮动镜片移动，再次计算对焦清晰度评价函数值，若对焦清晰度评价函数值相比初始值的增大，则表明电机旋转方向正确；反之，则将驱动电机反向旋转；
其中，字母a表示电机在一秒内旋转的圈数，r表示圈数，s表示秒；
2)驱动电机继续旋转，每经过一秒再次计算对焦清晰度评价函数值，当对焦清晰度评价函数相比前一次对焦清晰度评价函数减小时，说明浮动镜片越过了最佳对焦点，将驱动电机反向旋转并减小电机旋转频率为a’r/s，a’＝a/2；
其中，字母a’表示旋转频率改变后，电机在一秒内旋转的圈数；
3)重复步骤2)，直至电机旋转频率减小至设定阈值，浮动镜片位于最佳对焦点，使得光学系统重新合焦，CMOS上得到清晰图像，完成失焦变糊图像的自动对焦。
本发明的有益效果是：
对不同高度的工件或待测平面并不位于远心镜头工作距离，本发明可在一定范围内始终得到对焦清晰且放大倍率不变的图像，具有对焦快速，结构简便的特点，可以广泛应用于各种零件的视觉尺寸测量。
附图说明
图1为本发明实施例中双远心镜头结构示意图；
图2为本发明实施例中自动对焦结构示意图；
图3为本发明实施例中自动对焦结构零部件相对位置示意图；
图4为本发明实施例中基座结构示意图；
图5为本发明实施例中基座装配时的补充示意图；
图6为本发明实施例中浮动基座和驱动电机结构连接示意图；
图7为本发明实施例中后座结构示意图；
图8为本发明实施例中后座装配时的补充示意图；
图9为本发明实施例中的光耦模块的结构示意图；
图10为本发明实施例中的电机驱动模块示意图；
图11为本发明实施例的整体结构示意图。
图12为本发明实施例的整体工作流程示意图。
图中：1—镜头外壳，2—物方镜片组，3—孔径光阑，4—像方镜片组，5—基座，6—驱动电机，7—光耦模块，8—后座，9—图像传感器，10—导杆，11—浮动座，12—浮动镜片，13—螺母，14—固定镜片，15—电机驱动模块
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种自动对焦双远心光学一体化摄像机如图11所示，包括双远心镜头、自动对焦结构。
如图1所示，双远心镜头结构包含如下主要组成部分：镜头外壳1、物方镜片组2、孔径光阑3、像方镜片组4，组成双远心光学系统，可采集待测零件的图像，形成主光线平行于光轴的光学系统。其中物方镜片组2和像方镜片组4安装在镜头外壳1内，孔径光阑3卡紧安装在镜头外壳1内，孔径光阑3安装的位置应位于物方镜片组2的像方焦平面，且位于像方镜片组4的物方焦平面处。物方镜片组2，孔径光阑3，像方镜片组4经过光学参数设计，应使得双远心镜头具有优良的远心度和分辨率等光学性能。双远心镜头设计有C-Mount或其他常用接口，便于与自动对焦结构进行机械连接。
如图2、图3、图4、图5所示，自动对焦结构主要组成部分为：基座5、驱动电机6、后座8、图像传感器9、浮动基座11。其中，基座5前端加工有符合C-Mount标准的内螺纹，以实现和双远心镜头的连接。基座5两侧加工有凹孔用以定位安插两根导杆10。如图9所示，基座5上端加工出开槽和定位柱以安装光耦模块7。基座5一侧加工有开槽和螺纹孔，使用螺钉安装固定驱动电机6。基座5后端加工有螺纹孔，使用螺钉与后座8安装固定。
如图6所示，导杆10穿过浮动座11两侧加工的孔，使浮动座11可以沿导杆10滑动，但没有其他方向的自由度。浮动座11设计有凸台以定位浮动镜片12，并通过胶合方式固定浮动镜片12。基座5和后座8一侧安装有由丝杆和螺母13组成的滚珠丝杠，丝杆与驱动电机6相连，螺母13固定于浮动座11上；驱动电机6旋转时，带动浮动座11沿导杆10滑动。浮动座11设计有凸起，在运动过程中可以遮挡在光耦模块7的LED光源和光电传感器之间，从而可以定位浮动基座的位置。
如图7、图8所示，后座8加工有通孔，与基座5通过螺钉连接，后座8一侧设计有凹槽，以定位安装驱动电机6。后座8设计有凸台，以安装固定镜片14。后座8通过C-Mount螺纹与图像传感器9连接。后座8的长度须经过设计，使得图像传感器9中的CMOS芯片位于固定镜片14的像方焦平面处。
如图10所示，光耦模块7、图像传感器9、电机驱动模块15、驱动电机6互相之间电性连接，共同构成图像处理与自动对焦算法模块的硬件实现部分。
如图12所示，本发明的整体工作流程如下：
被摄物体一般放置于符合双远心镜头的工作距离处，主光线始终平行于光轴。光线射出双远心镜头的像方镜片组4后进入自动对焦结构，再经由浮动镜片12、固定镜片14，入射到图像传感器9中的CMOS芯片上，形成清晰的图像。
当被摄物体的位置偏离工作距离时，由于双远心镜头特性，主光线依然平行于光轴，另由于固定镜片14的位置经过设计，CMOS芯片始终位于固定镜片14的像方焦平面，因此即便被摄物体的位置发生偏移，CMOS上成像的位置也可以保持不变，也即成像倍率不变。但是图像会由于失焦变糊，须经过自动对焦算法进行调整。基于爬山搜索算法实现自动对焦，具体为：
通过电机驱动模块15驱动电机6旋转以调整浮动镜片12的位置，进而使浮动镜片12前后移动。
1)计算初始图像的对焦清晰度评价函数值。驱动电机6顺时针方向，以每秒6转的速度旋转，走过一定步长后再次计算对焦清晰度评价函数值。若函数值增大，则表明电机旋转方向正确，反之，则将驱动电机6反向旋转。
2)驱动电机继续旋转，当对焦清晰度评价函数第一次出现减小时，说明浮动镜片12越过了最佳对焦点，将驱动电机6反向旋转并减小转速至前一次的二分之一。
3)重复执行步骤2)，当电机的转速低于每秒1转时，搜索终止，此时认为浮动镜片12将位于最佳对焦点，使得光学系统重新合焦，CMOS可得到清晰图像。由此，即实现了系统的自动对焦功能。
结合实际工业应用场景，使用本发明的自动对焦双远心光学摄像机可以快速，灵活地测量不同高度工件的尺寸，而无需调整镜头位置。
进一步地，所述图像采集与自动对焦算法可以经由运行于PC中的软件实现，也可以由集成在电机驱动模块15或图像传感器9上的嵌入式芯片实现。
进一步地，所述双远心镜头、自动对焦结构及图像处理与自动对焦算法的硬件实现可以做成一体，作为一体式摄像机使用。
以上具体实施示例用以解释说明本发明，但应当理解所用术语是说明和示例性的术语，不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的各种修改和等同布置，都应当落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种自动对焦双远心光学一体化摄像机，其特征在于：包括双远心镜头结构和自动对焦结构；
所述双远心镜头结构包括镜头外壳(1)和由前至后依次安装在镜头外壳(1)内的物方镜片组(2)、孔径光阑(3)和像方镜片组(4)，孔径光阑(3)位于物方镜片组(2)的像方焦平面，且位于像方镜片组(4)的物方焦平面处；
所述自动对焦结构包括基座(5)、驱动电机(6)、后座(8)、图像传感器(9)、浮动基座(11)；基座(5)前端与双远心镜头连接，基座(5)后端依次连接有后座(8)、图像传感器(9)；基座(5)内部两侧设置有条形槽，两侧的条形槽内均布置有两端分别固定于基座(5)和后座(8)上的导杆(10)，浮动座(11)通过两根导杆(10)滑动安装于基座(5)内；基座(5)和后座(8)一侧安装有由丝杆和螺母(13)组成的滚珠丝杠，丝杆与驱动电机(6)相连，螺母(13)固定于浮动座(11)上；
浮动座(11)上安装有浮动镜片(12)，后座(8)上安装有固定镜片(14)，图像传感器(9)中的CMOS芯片位于固定镜片(14)的像方焦平面处；光线经由双远心镜头进入自动对焦结构，再经由浮动镜片(12)、固定镜片(14)入射到图像传感器(9)中的CMOS芯片上，形成清晰图像。
2.根据权利要求1所述的一种自动对焦双远心光学一体化摄像机，其特征在于：基座(5)顶部内侧面开设有导槽，浮动座(11)顶部设置有沿导槽滑动的凸起，基座(5)顶部外侧面开设与导槽相通的方形槽，方形槽内安装有光耦模块(7)。
3.根据权利要求2所述的一种自动对焦双远心光学一体化摄像机，其特征在于：驱动电机(6)旋转带动浮动座(11)移动，在浮动座(11)顶部凸起经过光耦模块(7)时，浮动座(11)处于极限位置，光耦模块(7)通过将浮动座(11)位置信息传输至上位机以阻止浮动座(11)继续朝后座(8)移动；
当浮动座(11)位于光耦模块(7)的位置时，浮动座(11)处于初始位置，通过光耦模块(7)对浮动座(11)位置的监测实现浮动座(11)位置的初始化。
4.根据权利要求1所述的一种自动对焦双远心光学一体化摄像机，其特征在于：基座(5)前端通过C-Mount螺纹与双远心镜头连接，后座(8)通过C-Mount螺纹与图像传感器(9)连接。
5.根据权利要求1所述的一种自动对焦双远心光学一体化摄像机，其特征在于：待测物体的主光线始终平行于双远心镜头的光轴。
6.采用权利要求1～5任一所述摄像机的自动对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：
当被摄物体位于双远心镜头的工作距离时，主光线始终平行于光轴，光线射出双远心镜头的像方镜片组(4)后进入自动对焦结构，再经由浮动镜片(12)、固定镜片(14)，入射到图像传感器(9)中的CMOS芯片上，形成清晰的图像；
当被摄物体的位置偏离工作距离时，主光线始终平行于光轴，CMOS芯片始终位于固定镜片(14)的像方焦平面，CMOS上的成像位置与位置不偏移时的成像位置相同，成像图像发生失焦变糊，通过图像处理与自动对焦算法对失焦变糊的图像进行自动对焦。
7.根据权利要求6所述的一种的自动对焦方法，其特征在于，所述的图像处理与自动对焦算法基于爬山搜索算法，对失焦变糊的图像进行自动对焦的过程具体为：
1)计算图像初始的对焦清晰度评价函数值，驱动电机(6)在电机驱动模块(15)的作用下朝顺时针方向以a r/s的频率旋转，进而带动浮动镜片(12)移动，再次计算对焦清晰度评价函数值，若对焦清晰度评价函数值相比初始值的增大，则表明电机旋转方向正确；反之，则将驱动电机(6)反向旋转；
其中，字母a表示电机在一秒内旋转的圈数，r表示圈数，s表示秒；
2)驱动电机(6)继续旋转，每经过一秒再次计算对焦清晰度评价函数值，当对焦清晰度评价函数相比前一次对焦清晰度评价函数减小时，将驱动电机(6)反向旋转并减小电机旋转频率为a’r/s，a’＝a/2；
其中，字母a’表示旋转频率改变后，电机在一秒内旋转的圈数；
3)重复步骤2)，直至电机旋转频率减小至设定阈值，浮动镜片(12)位于最佳对焦点，使得光学系统重新合焦，CMOS上得到清晰图像，完成失焦变糊图像的自动对焦。
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