CN1296742C - 一种光学成像系统的角度自动调焦系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学成像系统的角度自动调焦系统及方法。该系统包括：接收和产生图像的图像接收装置和成像透镜；用以控制有关成像部件进行旋转的驱动和控制装置；用于对获取的图像进行分析及处理的系统；其中像接收装置的像敏面几何中心通过成像透镜确定的光轴，并处于与物面上对应物点共轭的轴向位置，像接收装置围绕通过像敏面几何中心的轴线在入射面内进行旋转；像接收装置将接收到的光学图像转化成电信号，并把图像的电信号传送到图像分析系统；驱动和控制装置根据需要驱动像敏面沿其中心线旋转；图像分析处理系统与驱动和控制装置进行数据交换。本发明弥补了轴向调焦方法只能达到像面上局部聚焦清晰的不足，从而达到像面整体清晰的效果。

Description

一种光学成像系统的角度自动调焦系统及方法

技术领域

本发明涉及一种光学成像系统的角度自动调焦的方法及装置，特别是涉及一种物面与光轴成一倾斜夹角(0°＜θ≤90°)的光学成像系统的角度自动调焦系统和方法。

背景技术

自从20世纪60年代开始，自动调焦作为一种重要的自动化技术已广泛应用于照相机、显微镜、投影仪、摄像机、光刻设备和检测仪器等光学成像系统。

自动调焦技术大致分为测距法和像检测法。测距法通过系统主动地发出超声波或红外线等探测波对目标物进行测距，然后调节像距(或物距)达到聚焦清晰。像检测法通过对调焦引起的像质清晰度变化用图像分析得到的参数加以衡量，从而判断像接收平面是否处于理想成像位置。像检测法的优点在于能够直接用受调焦影响的图像变化反馈控制调焦，对于其它原因引起的系统像面漂移也能同时消除。近年来自动调焦的研究和应用大多采用像检测法中的像清晰度判断法，该方法通常只需要很少或者不需要附加的器件就可以实现自动调焦，而且可实现很高的调焦精度，但该方法要求图像具有一定的对比度，而且它比测距法耗时多。

像清晰度判断法自动调焦的研究和应用主要集中在两方面：(1)像清晰度的计算方法(即离焦函数)的设计与选择。离焦函数用于判断成像时离焦的程度，主要是根据在物体聚焦清晰时，空间域上图像的对比度最大，频域上图像的高频部分最大，即细节最丰富。离焦函数决定了调焦的准确性和灵敏性。离焦函数要求在调焦区域内具有单峰性、灵敏度高、信噪比高、运算量小等特点。(2)最佳成像位置的搜索方法，搜索方法的优劣决定了自动调焦过程的速度。

目前应用的自动调焦方法基本是沿轴向调节成像器件来实现聚焦清晰的轴向自动调焦(如专利CN-1065341A中公开的一种光学图像系统的调焦方法及装置)。由于大多数的光学成像系统像接收面与光轴是垂直安装的，所以利用轴向自动调焦可以达到在景深之内的物体能清晰成像。在实际的光学成像系统中，有一类重要的系统是成像物面与成像系统的光轴成一倾斜夹角，比如表面等离子共振成像技术、椭偏成像系统等。由于物平面与光轴成一倾斜夹角，由成像理论知，倾斜的物平面经透镜后的像也是一个与光轴倾斜的平面。这类系统必须同时满足像面与像接收器件的轴向位置重合和角度重合。如果仅利用轴向自动调焦方法，只能使样品上一个局部聚焦清晰而无法实现像面的整体聚焦清晰。为此，本发明的角度自动调焦方法，可以与轴向自动调焦方法联用，从而使得光学系统在获得轴向调焦后聚焦清晰的情况下，达到像面的整体聚焦清晰的效果。

发明内容

本发明的目的是要解决已有的光学成像系统聚焦时，像面与像接收面角度重合的问题(即角度调焦)，而使得整个像面的整体聚焦清晰；从而提供一种物面与光轴成一倾斜夹角(0°＜θ≤90°)的光学成像系统的角度自动调节系统和方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种光学成像系统的角度自动调焦系统，包括四部分：

(1)至少一块成像透镜3，该成像透镜3安置在目标物1和图像接收和产生装置5的光路中；

(2)一个图像接收装置5用于接收光学图像并将其转化为电信号，如电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器；

(3)至少一个用以控制有关成像部件进行旋转运动的成像部件的驱动和控制装置；

(4)至少一个用于对系统获取的图像进行图像分析处理系统7(该角度调焦装置如图1所示)，其中像接收装置的像敏面几何中心通过由成像透镜确定的光轴，并处于与物面上对应物点共轭的轴向位置，像接收装置5可以围绕通过像敏面几何中心的轴线在入射面内进行旋转；像接收装置5将接收到的光学图像转化成电信号，并通过与图像分成及处理系统7电连接，把图像的电信号传送到图像分析处理系统7；驱动和控制装置与像接收装置5进行机械连接和电控制连接，从而驱动像接收装置5沿像敏面中心进行旋转；图像分析及处理系统7通过电缆与驱动和控制装置电连接进行数据交换，一方面驱动和控制装置接收来自图像分析处理系统7的指令从而驱动像接收装置5旋转，另一方面图像分析处理系统7得到来自驱动和控制装置反馈的像接收装置旋转的位置信息。

在上述装置中，还包括在目标物和透镜之间的光路中设置光强衰减器，所述的光强衰减器包括光阑、衰减片或线性偏振器。

在上述装置中，图像分析处理系统包括：计算机或也可采用其它的单片机，单板机等电子电路来实现对系统的控制。

在上述装置中，驱动和控制装置包括：电机5B及电机驱动器5D、电动旋转台5A，以及像接收装置的位置传感反馈装置；其中电机5B和驱动器5D电连接，电机驱动器的控制装置分别与驱动器5D和位置传感反馈装置电连接，电机5B安装在电动旋转台5A上。

在上述装置中，像接收装置5安装在电动旋转台5A上，安装时保证摄像机的像敏面中线与旋转台轴线重合，电动旋转台5A与电机5B电联接，电机5B与驱动器5D电连接并接收来自电机控制卡的控制信号。还包括电动旋转台5A安装在支架6上，该支架6安装在导轨4上；电机6B与丝杠6C进行连接，丝杠6C与支架6用螺母6E配合固定，电机6B与其驱动器6D电连接，驱动器6D与计算机17中的步进电机控制卡电连接，并接收来自电机控制卡的控制信号。还包括透镜3安装在支架3A上，支架3A安装在导轨4上，电机3B与丝杠3C连接，丝杠3C与透镜支架3A用螺母3E配合固定。

在上述装置中，所述的像接收图像装置5包括：电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器或阵列式光电转换图像传感器。

在上述装置中，所述的电机包括：步进电机、伺服电机。

应用本发明的光学成像系统的角度自动调焦系统实现像面整体聚焦清晰的方法，包括如下步骤(流程图见图4)：

(1)首先调整像接收装置的像敏面几何中心通过由成像透镜确定的光轴，并处于与物面上对应物点共轭的轴向位置；这可通过手动调焦或轴向自动调焦的方法调节物距或像距来实现；此时像敏面中心焦深范围之内的区域达到聚焦清晰，然后按照计算结果把旋转台驱动到像敏面处于理想成像角度的邻域；

(2)在图像上选取一个或多个反映样品整体特征的区域作为自动调焦区域；

(3)以选定的步距(比如，不大于最小允许角度调焦误差的一半的步距)使像敏面围绕通过其几何中心的轴线在入射面内旋转一个步距，然后利用图像分析处理系统进行图像采集；

(4)利用在调焦范围内具有单峰性、灵敏度高、信噪比高、运算量小特点的自调焦评价函数对步骤(2)中选中的自动调焦区域进行清晰度计算，得到此时的评价函数值U0；

(5)在理论角度位置前后一定的角度范围内(如，在最小角度允许误差的10-20倍的角度范围内)重复进行步骤(3)～(4)操作，得到n个自调焦评价函数值U_i(i＝1，2，...n)，在其中选择最大的一个U_max，其对应的角度位置为P_max；

(6)将像敏面旋转到到评价函数取最大值时对应的位置P_max，即为最佳聚焦的角度位置。

在上述本发明的角度自动调焦方法中所述的像清晰度评价函数可以选用Laplacian函数；其形式如下：

                 FM_Lap＝∑∑[²g(x，y)]²

其中，²g(x，y)＝4g(x，y)-g(x，y+1)-g(x，y-1)-g(x+1，y)-g(x-1，y)。

在上述的自动调焦方法中还包：括为了获得好的调焦效果，通过设置合适的光学成像条件，比如，通过调节光阑来控制入射光能量和成像器件的电子增益，使得光学图像具有一定的亮度。

在上述的自动调焦方法中还包括：为了提高调焦函数的灵敏度，利用像接收器件(如，面阵CCD图像传感器)连续抓取多幅图像进行积分平均的方法得到降低随机噪声的样品图像。

本发明的优点在于：本发明提供的一种光学成像系统的角度自动调焦系统是针对物面与光轴成一倾斜夹角(0°＜θ≤90°)的光学成像系统，弥补了轴向调焦方法只能达到像面上局部聚焦的不足，从而达到调焦时像面整体清晰的效果。

本发明的装置结构简单，易于调节，并在本发明提供的角度自动调焦方法下进行工作，可以实现像面的整体清晰。

附图说明

图1是本发明光学成像系统的角度自动调焦系统组成示意图

图2是本发明的一种光学成像系统的角度自动调焦过程的流程图

图3是本发明的一种光学成像系统的角度自动调焦系统实施例组成示意图

图4是本发明聚焦调节过程的角度位置——评价函数值的归一化曲线

图面标示：

目标物1         线偏振器件2        支架2A

步进电动机2B    驱动器2D           传动机构2C

驱动器2D        透镜3              支架3A

电机            丝杠3C             驱动器3D

导轨4           电动旋转台5A       步进电机5B

驱动器5D        像接收装置5        支架6

步进电机6B      丝杠6C             驱动器6D

螺母6E          计算机7

具体实施方式

参考附图1对本发明制作的较佳的一个系统实施例，并结合自动调焦方法进行详细的阐述。

目标物1和像接收装置5的像敏面几何中心安装在由透镜3所确定的系统光轴上。一束平行的线偏振光波作为光源照射目标物1，经物体1表面反射后的光波经过线偏振器件2和透镜3后投射到像接收装置5的像敏面上成像。像接收装置5通过光电转换，把获取的图像电信号传送到计算机7中的图像采集卡，图像采集卡把电信号图像转换成计算机所能够处理的图像文件。

参考附图3，在本实施例的系统中，目标物体还可以采用白光光源或其它进行照明，在目标物1和透镜3之间光路中可以采用加入光阑或两个线性偏振器2，可以改变入射到CCD视频摄像机上的光强。其中线偏振器件2安装在支架2A上，步进电动机2B通过支架上的传动机构2C可带动线偏振器件2绕其中心轴进行旋转；步进电动机2B与驱动器2D电连接，驱动器2D与计算机7中的步进电机控制卡电连接并接收来自步进电机控制卡的控制信号。

透镜3安装在支架3A上，支架3A安装在导轨4上并可以进行线性平稳滑动，在滑动中保证透镜确定的光轴保持不变。步进电机3B与丝杠3C连接并带动其进行旋转，丝杠3C与透镜支架3A上的螺母3E配合，从而带动透镜支架3A沿导轨4进行平移，实现对透镜的平移调节。步进电机3B与其驱动器3D电连接，驱动器3D与计算机7中的步进电机控制卡电连接并接收来自步进电机控制卡的控制信号。

像接收装置采用CCD视频摄像机，CCD视频摄像机5安装在电动旋转台5A上，安装时保证摄像机的像敏面中线与旋转台轴线重合，旋转台由步进电机5B带动，步进电机5B与驱动器5D电连接并接收来自步进电机控制卡的控制信号。旋转台安装在支架6上，该支架安装在导轨4上以进行平移。步进电机6B与丝杠6C进行连接，丝杠6C与支架6上的螺母6E配合，以带动支架6沿导轨4进行平移，实现对CCD视频摄像机5的轴向平移调节。步进电机6B与其驱动器6D电连接，驱动器6D与计算机17中的步进电机控制卡电连接并接收来自步进电机控制卡的控制信号。

所述的计算机7中包含了以下四部分：

●图像分析处理软件：对来自图像采集卡的图像进行分析处理，为成像系统调节作准备；

●控制软件：对系统的成像倍率和聚焦状况进行判断，通过步进电机控制卡给线偏振器件2、透镜3和CCD视频摄像机5的驱动器2D、3D、5D、6D发送运动信号；

●步进电机控制卡：给步进电动机驱动器2D、3D、5D、6D分别发送运动信号，分别驱动步进电机2B、3B、5B、6B转动，从而实现了线偏振器件2绕光轴的转动、透镜3沿光轴的平移、CCD视频摄像机5沿光轴的平移及沿像敏面中心轴线的旋转；

●图像采集卡：接收来自CCD视频摄像机5所获取的图像，并进行格式变换，从而把图像转换成计算机中的图像分析处理软件能够分析和处理的图像格式(如，TIFF格式)；

在上述实施例的系统中，也可以采用一个步进电机来带动透镜和CCD视频摄像机进行平移，这种情况也包含在本发明之中。

在上述实施例的系统中，图像处理系统(如，实例中的计算机5)也可采用其它的单片机，单板机等电子电路来实现对系统的控制。

为了实现此光学图像处理系统的像面整体清晰，需要进行轴向调焦和角度自动调焦，按照如下的步骤进行(参考图2)：

(1)首先根据成像公式，计算机7通过步进电机控制卡向步进电机驱动器3D、5D、6D发出运动指令，这些驱动器分别驱动步进电机3B、5B、6B进行旋转，从而驱动透镜3和CCD视频摄像机5沿光轴方向按照一定的步距、速度、加速度进行移动，直到移动到理论成像位置的邻域内(如，给定放大倍率下焦深的5～10倍的位置)为止，并且像敏面与光轴的夹角也达到理想成像角度的邻域。然后，利用现有的轴向自动调焦方法对样品进行成像聚焦，达到像敏面上通过其几何中心并且垂直于入射面的像素的邻域的图像成像清晰，其具体调节方法在此不再赘述；

(2)计算机7的控制软件通过步进电机控制卡向步进电机驱动器6D发出运动指令，此驱动器驱动步进电机6B进行旋转，从而使得CCD视频摄像机5像敏面围绕通过其几何中心的轴线旋转一个步距，步距大小为最小允许的角度误差的一半；

(3)为了获得较好的调焦效果，计算机7通过步进电机控制卡向步进电机驱动器2D发出运动指令，驱动偏振器2绕其中心轴进行旋转，从而使得图像的亮度达到一个合适的值，如果未能满足要求，可以通过改变入射光的偏振态来达到目的(比如，改变入射线偏振光的线偏振方向或光强)；

(4)CCD视频摄像机5摄取此时的目标物体1的图像，(为了提高调焦函数的灵敏度，利用CCD视频摄像机5连续获取多幅图像并利用计算机7中的图像处理软件对其进行多幅平均，从而降低了随机噪声对图像的影响，以此图像作为分析的基础)，并通过图像采集卡把图像信号转换成计算机7的图像分析处理软件能够识别的图像格式。在该图像上选定一个包含一定像素的区域作为自动调焦区域；

(5)计算机7中的图像处理软件利用具有单峰性、灵敏度高、信噪比高、运算量小特点的自调焦评价函数(此装置选择的评价函数为可以为Laplacian函数)对选定的自动调焦区域进行清晰度值计算，得到此时的评价函数值U₀。；

(6)利用步骤(5)相同的清晰度评价函数对(6)中得到的图像中与步骤(2)中选中的相同区域进行计算，得到此时的评价函数值Ui(i＝1，2，...n)，并

(7)在理论位置前后重复进行(2)～(5)，得到U_i(i＝1，2...n)值及其对应的旋转台所在的角度位置P_i；，在U_i中选择最大的一个U_max，其对应的像敏面位置为P_max；

(8)将CCD像敏面移动到位置P_max，即为最佳的角度聚焦位置。

本实施例应用本发明的角度自动调焦方法在聚焦调节过程的角度位置——评价函数值的归一化曲线如图4所示。该曲线采用Laplacian评价函数作为像清晰度评价函数，采用的图像预处理方式为100幅连续图像时间积分平均方法。从图中可以看出，该曲线在整个调焦过程中只有一个的最大值，最大值点处CCD摄像机像敏面的角度即为最佳聚焦位置。

Claims (10)

1.一种光学成像系统的角度自动调焦系统，包括一个像接收装置(5)和至少一块成像透镜(3)，该成像透镜(3)安置在目标物(1)和像接收装置(5)的光路中；其特征在于：还包括至少一个用以控制有关成像部件进行旋转运动的成像部件的驱动和控制装置；和至少一个用于对系统获取的图像进行图像分析处理系统(7)；其中像接收装置(5)的像敏面几何中心通过由成像透镜(3)确定的光轴，并处于与物面上对应物点共轭的轴向位置，像接收装置(5)是围绕通过像敏面几何中心的轴线在入射面内进行旋转；像接收装置(5)将接收到的光学图像转化成电信号，并通过电连接把图像的电信号传送到图像分析处理系统(7)；驱动和控制装置与像接收装置(5)进行机械连接和电控制连接，根据需要发出指令驱动像接收装置(5)沿像敏面中心进行旋转；图像分析处理系统(7)通过电缆与驱动和控制装置电连接进行数据交换。

2.按权利要求1所述的光学成像系统的角度自动调焦系统，其特征在于：所述的驱动和控制装置包括：电机(5B)及电机驱动器(5D)、电动旋转台(5A)，以及像接收装置的位置传感反馈装置；其中电机(5B)和驱动器(5D)电连接，电机驱动器的控制装置分别与驱动器(5D)和位置传感反馈装置电连接，电机(5B)安装在电动旋转台(5A)上。

3.按权利要求1所述的光学成像系统的角度自动调焦系统，其特征在于：所述的像接收装置(5)安装在电动旋转台(5A)上，安装时保证摄像机的像敏面中线与旋转台轴线重合，电动旋转台(5A)与电机(5B)电联接，电机(5B)与驱动器(5D)电连接并接收来自电机控制卡的控制信号。

4.按权利要求3所述的光学成像系统的角度自动调焦系统，其特征在于：还包括电动旋转台(5A)安装在支架(6)上，该支架(6)安装在导轨(4)上；电机(6B)与丝杠(6C)进行连接，丝杠(6C)与支架(6)用螺母(6E)配合固定，电机(6B)与其驱动器(6D)电连接，驱动器(6D)与计算机(17)中的步进电机控制卡电连接，并接收来自电机控制卡的控制信号。

5.按权利要求3所述的光学成像系统的角度自动调焦系统，其特征在于：还包括透镜(3)安装在支架(3A)上，支架(3A)安装在导轨(4)上，电机(3B)与丝杠(3C)连接，丝杠(3C)与透镜支架(3A)用螺母(3E)配合固定。

6.按权利要求1所述的光学成像系统的角度自动调焦系统，其特征在于：所述的像接收图像装置(5)包括：电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器或阵列式光电转换图像传感器。

7.按权利要求1所述的光学成像系统的角度自动调焦系统，其特征在于：还包括在目标物和透镜之间设置光强衰减器，所述的光强衰减器包括光阑、衰减片或线性偏振器。

8.按权利要求1所述的光学成像系统的角度自动调焦系统，其特征在于：所述的图像分析处理系统(7)包括：计算机，单板机或电子电路来实现对系统的控制。

9.一种应用权利要求1所述的光学成像系统的角度自动调焦系统实现自动调焦的方法，包括如下步骤：

A.首先调整像接收装置的像敏面几何中心通过由成像透镜确定的光轴，并处于与物面上对应物点共轭的轴向位置；此时像敏面中心焦深范围之内的区域达到聚焦清晰，然后按照计算结果把像敏面驱动到理论的理想成像角度的邻域；

B.在样品图像上选取一个或多个反映样品整体特征的区域作为自动调焦区域；

C.以选定的步距使像敏面围绕通过其几何中心的轴线在入射面内旋转一个步距，然后利用图像分析处理系统进行图像采集；

D.利用选定的在调焦范围内的自调焦评价函数对步骤(B)中选中的自动调焦区域进行清晰度计算，得到此时的评价函数值U₀及像敏面对应的角度值P₀；

E.在最小角度允许误差的一半角度范围内重复进行步骤(C)～(D)操作，得到n个U_i值，其中i＝1，2，...n；并记录此时像敏面所在的位置P_i；在U_i中选择其中最大的一个U_max，及其对应的角度位置P_max；

F.将像敏面旋转至位置P_max，即为最佳聚焦的角度位置。

10.按权利要求9所述的应用权利要求1所述的光学成像系统的角度自动调焦系统实现自动调焦的方法，其特征在于：还包括：利用像接收器件连续抓取多幅图像进行平均的方法得到样品图像。

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