CN1703613A

CN1703613A - 相位分布测量装置及相位分布测量方法

Info

Publication number: CN1703613A
Application number: CNA2003801008585A
Authority: CN
Inventors: 丰田晴义; 向坂直久; 宅见宗则
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2005-11-30
Also published as: AU2003271090A1; US20060055913A1; JP2004125664A; WO2004031707A1; DE10393432T5

Abstract

一种相位分布测量装置，具有：通过在平面上矩阵状地配置多个聚光透镜(32)构成的复眼透镜(30)；受光面只隔离聚光透镜(32)的焦矩而与复眼透镜(30)平行地配置的CMOS传感器(10)；和相位计算装置(20)。中心位置计算部(243)通过与紧邻的像素亮度比较，算出受光面上焦点像的亮点(焦点)的中心位置。重心信息处理部(245)算出以亮点中心位置作为中心的重心演算区域的亮度的0次矩(重心演算区域的亮点亮度的总计值)、x方向1次矩及y方向1次矩。重心位置计算部(261)根据这些重心信息，算出各亮点的重心位置。

Description

相位分布测量装置及相位分布测量方法

技术领域

本发明涉及相位分布测量装置及相位分布测量方法。

背景技术

在现有的相位分布测量装置及相位分布测量方法，亮点的重心演算区域固定在与各聚光透镜对应的受光面的区域上。

发明内容

然而，在现有技术的相位分布测量装置上，由于在亮点偏移大时，亮点从重心演算区域溢出，所以存在所谓不能算出正确的重心位置的问题。

因此，本发明是为了解决上述问题而作的，其目的是提供即使在亮点偏移大时也能算出正确的重心位置的相位分布测量装置。

为了达到上述目的，本发明的相位分布装置的特征为，包括：通过在平面上矩阵状配置多个聚光透镜构成的复眼透镜；包含在受光面上矩阵状配置的多个受光元件而构成的、并使受光面离开聚光透镜的焦距的距离而与平面平行地配置的摄像元件；和从摄像元件输出的数据计算入射到复眼透镜的光的相位分布的相位计算装置，相位计算装置由包含以下2个单元构成，即；根据各受光元件检测到的光的亮度数据，计算使受光面的亮度成为极大值的亮点中心位置的中心位置计算单元；和计算以亮点中心位置为中心的重心演算区域的亮度重心位置的重心位置计算单元。

因为根据由中心位置计算单元算出的亮点中心位置，设定重心演算区域，所以伴随着亮点偏移，重心演算区域也移动。因此，即使在亮点大偏移时也可算出正确的重心位置。

本发明的相位分布测量装置的相位计算装置还具有在以亮点中心位置作为中心的一定区域上算出亮度超过规定阈值部分面积的亮点面积计算单元，重心演算区域设定成占有超过由亮点面积计算单元算出的面积是合适的。

因为重心演算区域设定为超过由亮点面积计算单元算出的面积，所以重心演算区域应更确实地包含亮点。

本发明的相位分布测量装置适合于，中心位置计算单元只根据亮度数据中亮度超过规定的基准值的部分，算出亮点中心位置，重心位置计算单元只根据亮度数据中亮度超过基准值的部分算出重心位置。

因为只根据亮度数据中亮度超过规定的基准值的部分，完成演算，所以在除去摄像元件进行图像摄影时产生的噪声的同时，减轻数据处理量。

本发明的相位分布测量装置适合于，相位计算装置还具有把与各受光元件对应的亮度数据变换为与紧邻的受光元件对应的亮度数据的加权平均值的平滑化处理单元。

通过这样的平滑化处理除去摄像元件进行图像摄影时产生的噪声。

本发明的相位分布测量装置适合于，相位计算装置还具有用于计算在重心演算区域中的亮度的矩量的亮度矩(luminance moment)计算单元，中心位置计算单元及亮度矩计算单元由硬件演算电路构成，重心位置计算单元根据硬件演算电路的输出，算出重心位置。

因为到数据处理量大的亮度矩计算的演算也通过硬件演算电路执行，可进行高速演算。

附图说明

图1是示出相位分布测量装置1构成的概略图。

图2是示出图1所示复眼透镜30和受光面11之间位置关系的图。

图3是图1所示CMOS传感器10及相位计算装置20功能的构成图。

图4是CMOS传感器10的电路图。

图5是示出图4所示的积分电路220的详细构成的电路图。

图6是平滑化处理部242的电路图。

图7是中心位置计算部243的电路图。

图8是亮点面积计算部244的电路图(作为示例，令面积演算区域为3×3行)。

图9是重心信息处理部245的电路图(作为示例，令重心演算区域为3×3行)。

图10是示出CMOS传感器10及相位计算装置20的动作顺序的流程图。

图11A是示出数字图像信息P(n)示例的图。图11B是图11A的局部放大图。

图12是示出重心位置偏移和测量对象激光入射角偏移(相位偏移)之间关系的图。

图13是示出固定与各聚光透镜对应的重心演算区域的相位分布测量装置测量结果的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的相位分布测量装置1的适当实施方式详细加以说明。

首先，说明相位分布测量装置1的构成。图1是示出相位分布测量装置1构成的概略图。图2是示出图1所示复眼透镜30和受光面11之间位置关系的图。图3是图1所示的CMOS传感器10及相位计算装置20的功能的构成图。如图1所示，相位分布测量装置1具有复眼透镜30、CMOS传感器10、图像处理装置24及计算机25。复眼透镜30通过在平面上间隔250μm的矩阵状配置焦距20mm的聚光透镜32而构成。

如图3所示，CMOS传感器10具有：光电变换部(CMOS)120形成为矩阵状的受光面11(排列有n2行的由n1列的光电变换部120构成的CMOS阵列110。)；以及配列有n2行的与各CMOS阵列110对应的A/D变换器210的信号处理部12。各A/D变换器210通过放大部13及A/D变换部14构成，对光电变换部120的输出进行放大后，变换为4比特(16灰度级)的数字数据。如图2所示，CMOS传感器10的受光面11与复眼透镜30平行，而且各聚光透镜32的焦点配置，成位于受光面11上。

图4是CMOS传感器10的电路图。图5是示出图4所示的积分电路220详细构成的电路图。参照图4及图5，说明CMOS传感器10的电路构成。如图4所示，光电变换部120以根据接受的光亮度产生电荷的光电二极管130，和根据垂直扫描信号Vi(i＝1～n1)输出在光电二极管130上存储的电荷的MOSFET 140为1组而构成。

信号处理部12的A/D变换器210j(j＝1～n2)由包含充电放大器221j(j＝1～n2)的积分电路220j(j＝1～n2)、比较电路230j(j＝1～n2)、电容控制机构240j(j＝1～n2)构成。

积分电路220由以下构件构成，即：以从CMOS阵列110来的输出信号作为输入，对该输入信号的电荷进行放大的充电放大器221；一端与充电放大器221的输入端子连接，另一端与输出端子连接的可变电容部222；一端与充电放大器221的输入端子连接，另一端与输出端子连接，根据复位信号R成为接通(ON)、断开(OFF)状态，切换积分电路220的积分、非积分动作的开关元件223。

可变电容部222由以下构件构成，即：一方端子与充电放大器221的输入端子连接的电容元件C1～C4；连接在电容元件C1～C4的另一端子和充电放大器221的输出端子之间的、根据电容指示信号C11～C14开闭的开关元件SW11～SW14；和一方端子连接在电容元件C1～C4和开关元件SW11～SW14之间，另一方端子与GND(接地)电平连接，根据电容指示信号C21～C24开闭的开关元件SW21～SW24。电容元件C1～C4满足下述关系，即：

C1＝2C2＝4C3＝8C4，

C0＝C1+C2+C3+C4。

在这里，C0在积分电路220是作为必要的最大电容量，如果令光电容变换部120的饱和电荷量为Q0，基准电压为V_REF，则满足C0＝Q0/V_REF的关系。

比较电路230对从积分电路220输出的积分信号V_S的值与基准值V_REF进行比较，输出比较结果信号V_c。电容控制机构240输出用于根据比较结果信号V_c值通知积分电路220内的可变电容部222的电容指标信号C，并输出与电容指示信号C相当的数字信号D1。

CMOS传感器10具有把动作定时的指示信号发送给光电变换部120及信号处理部12的定时控制部300(与图3所示的控制部3的一部分相当)。定时控制部300由以下构件构成，即：产生进行整个电路的时钟控制的基本定时的基本定时部310；遵从从基本定时部310通知的垂直扫描指示，产生垂直扫描信号Vi(i＝1～n1)的垂直移位寄存器320和产生复位指示信号R的控制信号部340。

从如上所示构成的信号处理部12向每个CMOS阵列110从最上位比特(MSB)顺序传送、输出的数字信号保存在1像素大小的数据长(4比特)的缓冲器内，进行并行一串行变换，成为输出图像。

返回图3，说明图像处理装置24、和作为计算机25功能的构成元件的数据存储/显示部26。图像处理装置24及数据存储/显示部26构成相位计算装置20，用于根据CMOS传感器10的输出，计算入射到复眼透镜30的光的相位分布。

图像处理装置24具有作为功能构成元件的亮度数据计算部241、平滑化处理部242、中心位置计算部243、亮点面积计算部244以及重心信息处理部245。亮度数据计算部241分析·整理CMOS传感器10的输出，具有构成受光面11的焦点像的数字图像信息的功能。

平滑化处理部242具有通过把亮度数据计算部241算出的数字图像信息中的各像素的亮度数据变换为与位于上下左右的像素的亮度数据的加权平均值而平滑化的功能。图6是平滑化处理部242的电路图。从数字图像信息提取成为平滑化处理对象的像素及其上下左右的像素的亮度值，储存在数据缓冲器内。通过积分电路、加法电路、除法电路对这些亮度值进行加权平均。

中心位置计算部243具有计算平滑化数字图像信息的亮点中心位置的功能。图7是中心位置计算部243的电路图。平滑化处理的数据列输入到3行大小的数据缓冲器。在那里存储的数据中，对3×3像素的数据，对中央数据d(x，y)是否比附近像素的数据值大进行判断。在d(x，y)比全部附近数据大的情况下，判断为「极大值＝亮点」，输出该位置(x，y)及亮度值d(x，y)。

亮点面积计算部244具有计算各亮点面积(像素数)的功能。图8是亮点面积计算部244的电路图(作为示例，取面积演算区域为3×3行)。对于存储在3行大小的数据缓冲器内的3×3像素的数据，通过比较器对各自像素值和阈值th之间进行比较，通过总和电路算出比阈值th大的数据的像素数。

重心信息处理部245具有根据各亮点面积(像素数)设定重心演算区域后，演算重心演算区域的重心信息的功能。在该重心信息内包含0次亮度矩(重心演算区域的亮点亮度的总计值)、x方向(在受光面11或数字图像信息的水平方向)的1次亮度矩以及y方向(在受光面11或数字图像信息的垂直方向)的1次亮度矩。图9是重心信息处理部245的电路图(作为示例，取重心演算区域为3×3行)。对于在3行大小的数据缓冲器内存储的3×3像素的数据，算出x方向的1次亮度矩、y方向的1次亮度矩以及0次亮度矩。

数据存储/显示部26具有重心位置计算部261、相位计算部262以及插值处理部263。重心位置计算部261具有根据重心信息，算出各亮点重心位置的功能。

相位计算部262具有根据从各亮点重心位置的重心初始位置(在没有相位偏移情况下亮点的重心位置)的偏移，算出相位的功能。

插值处理部263具有通过对算出的相位数据插值，取得连续的相位分布的功能。

其次，说明相位分布测量装置1的工作。如果测量对象激光通过复眼透镜30，则在受光面11上产生与各聚光透镜32对应的焦点图像。该图像被CMOS传感器10摄像后，在相位计算装置20上进行数据处理。图10是示出CMOS传感器10及相位计算装置20工作顺序的流程图。以下，参照图10的流程图，对CMOS传感器10及相位计算装置20的动作加以说明。

首先，通过CMOS传感器10对受光面11上的图像进行扫描，作成1帧摄像(S502)。同时，亮度数据计算部241构成为对从CMOS传感器10输出的各像素亮度(4比特数字信息)加以分析·整理，作为1帧数字图像信息P(n)(n：帧号)(S504)。在图11A上示出数字图像信息P(n)的例，在图11B上示出其局部放大图。

平滑化处理部242进行数字图像信息P(n)的平滑化处理(S506)。具体讲，2次重复各像素的亮度和上下左右的像素亮度的加权平均。以下示出平滑化处理的算法(algorithm)。

d_new(x，y)＝[d(x-1，y)+d(x，y-1)+d(x+1，y)+d(x，y+1)+4d(x，y)]/8；

d(x，y)＝d_new(x，y)；

d_new(x，y)＝[d(x-1，y)+d(x，y-1)+d(x+1，y)+d(x，y+1)+4d(x，y)]/8；

d(x，y)＝d_new(x，y)；

d表示像素的亮度，(x，y)表示受光面11或数字像素信息P(n)的像素坐标。

平滑化处理部242从施以平滑处理的数字图像信息P(n)中削除规定基准值以下的亮度数据(S508)。通过这样的平滑化处理以及削除规定基准值以下的亮度数据，可以降低在CMOS传感器10的摄像过程中产生的噪声。通过削除不要的数据，提高演算速度。

中心位置计算部243算出施以平滑化处理的数字图像信息P(n)的各亮点中心位置及其亮度(S510)。具体讲，对各像素亮度和上下左右亮度进行比较，在该像素亮度比上下左右任一方还高的情况下，判断为该像素为亮点的中心位置。以下示出中心位置计算的算法。

k＝0；

for(x＝0；x＜X方向像素数；x⁺⁺)[

for(y＝0；y＜Y方向像素数；y⁺⁺)[

if(((d(x，y)＞d(x-1，y)&((d(x，y)＞d(x，y-1))&((d(x，y)＞d(x+1，y))&((d(x，y)＞d(x，y+1)))[

p(n，k)[d]＝d(x，y)；p(n，k)[x]＝x；p(n，k)[y]＝y；k＝k+1；]))

其中，p(n，k)[d]表示第n帧的第k个的亮点中心位置的亮度，p(n，k)[x]表示第n帧的第k个亮点中心位置的x坐标，p(n，k)[y]表示第n帧的第k个亮点中心位置的y坐标。

亮点面积计算部244算出各亮点面积(像素数)(S512)。具体讲，在以亮点中心位置作为中心的规定大小的区域(2h×2h)，对超过规定阈值th的亮度的像素数进行计数。以下，示出亮点面积计算的算法。

p(n，k)[s]＝0；

for(xx＝x-h；xx＜x+h；xx⁺⁺)[

for(yy＝y-h；yy＜y+h；yy⁺⁺)[

if(d(x，y)＞th)[

p(n，k)[s]＝p(n，k)[s]+1；]]]

重心信息处理部245对各亮点算出与由亮点面积计算部244算出的亮点面积对应的大小的重心演算区域(2r×2r)。r值设定为满足例如4(r-1)²≤亮点面积≤4r²。

重心信息处理部245算出重心演算区域的重心信息(各亮点的0次亮度矩p(n，k)[sum]、x方向的1次亮度矩p(n，k)[x_sum]及y方向的1次亮度矩p(n，k)[y_sum](S516、S518、S520)，传送重心信息到后级的数据存储/显示部26(S522)。以下，示出重心信息计算的算法。

p(n，k)[sum]＝0；p(n，k)[x_sum]＝0；p(n，k)[y_sum]＝0；

for(xx＝x-r；xx＜x+r；xx⁺⁺)[

for(yy＝y-r；yy＜y+r；yy⁺⁺)[

p(n，k)[sum]＝p(n，k)[sum]+d(xx，yy)；

p(n，k)[x_sum]＝p(n，k)[x_sum]+xx*d(xx，yy)；

p(n，k)[y_sum]＝p(n，k)[y_sum]+yy*d(xx，yy)；]]

以上的图像处理装置20的处理通过硬件电路进行。近年，作为可以简易开发安装进行如上述所示的图像演算处理的硬件的器件，FPGA(现场可编程门阵列：Field Programmable Gate Array)等已经实用化，可有效地进行对应于演算对象的处理硬件化的作业。此外，由于通过用HDL(硬件记述语言)可由软件的处理内容的记述进行电路设计，所以可容易地作成进行所希望的图像处理的硬件。这样一来，通过由作成的硬件进行图像处理，与通过通用电路由软件进行图像处理的情况相比，可高速演算。在CMOS传感器10，由于与各CMOS阵列210对应的A/D变换器210进行串行一并行处理，所以可实现1kHz水平的高速帧频(frame rate)，然而，通过也使图像处理装置20硬件化，可达到1kHz水平的高速响应速度。

因为向数据存储/显示部26输出的数据是重心信息及其它特征量数据，所以可减轻数据存储/显示部26处理的数据量。例如，在考虑持有128×128像素的光电变换部120的传感器的情况，原封不动输出图像数据的情况下，成为128×128×8比特＝16K字节的通信数据量，然而，通过以数据处理得到的亮度数据及重心信息等作为通信数据，可使每1亮点的信息降低到64比特＝8字节程度。因而，例如在1画面中有100点的亮点信息时，可压缩到总计800字节的通信数据量(与图像比较，约为20分之1)而输出。越使用高分辨率的受光部，则该压缩率更为显著。

重心位置计算部261根据重心信息，算出各亮点的重心位置(S524)。以下，示出重心位置计算算法。

(x方向的亮点重心位置)p_x＝p(n，k)[x_sum]/p(n，k)[sum]；

(y方向的亮点重心位置)p_y＝p(n，k)[y_sum]/p(n，k)[sum]；

利用以上计算，可以子像素(Sub pixel)求出重心位置。即：可以通过以比像素单位更小的单位计算亮点的重心位置。

相位计算部262根据各亮点的重心位置，算出x方向的相位w_x及y方向的相位w_y(S526)。以下，示出相位计算的算法。

(x方向的相位)w_x＝(p_x-p_x0)/f

(y方向的相位)w_y＝(p_y-p_y0)/f

(p_xo，p_yo)示出重心位置的初始值(在没有相位偏移时，亮点的重心位置)，f示出聚光透镜32的焦距。

插值处理部263，对由S526得到的相位的离散数据进行插值，取得相位分布数据(S528)。即，从与各聚光透镜32对应的每个亮点计算的相位信息出发进行块间的插值演算，或以与周边块的连续性作为限制条件进行插值计算。例如，在进行线性插值时，从某块(x，y)的相位(w_x，w_y)及其周边块的值出发，块间的中间位置(x’，y’)的相位(w’_x，w’_y)通过一般的线性插值计算如下所示地表示。

w’_x＝w_x0+(w_x1-w_x0)*(x’-x₀)/(x₁-x₀)

w’_y＝w_y0+(w_y1-w_y0)*(y’-y₀)/(y₁-y₀)

其中，满足x₀＜x’＜x₁，y₀＜y’＜y₁

在S528之后，接着对下一帧重复上述的处理。

在上述实施方式中，虽然计算亮度矩之际的坐标对全部亮点使用共用值，也可以以亮点中心位置作为原点，算出各亮点的亮度矩。这时通过将亮度矩由0次矩进行除算，算出亮点中心位置和重心位置之差。把该差与亮点中心位置的坐标相加，算出重心位置。

接着，说明相位分布测量装置1的效果。因为重心演算区域是在每帧根据各亮点位置而决定，所以可以正确地算出重心位置。此外，关于设计复眼透镜30，对于任何的透镜形状、间距，也都可以适用。

图12是示出重心位置的偏移和测量对象激光的入射角偏移(相位偏移)之间关系的图。横轴示出测量对象激光的倾角，纵轴示出重心位置(6个块的x方向的亮点的重心位置)。在每次使测量对象激光入射角改变0.05度时，重心位置约移动各0.8像素。在倾角在约0.5度范围时，重心位置偏移和测量对象激光的入射角的偏移(相位偏移)之间关系显示良好的线性，确认相位分布装置1的高精度特性。

图13示出固定了与各聚光透镜对应的重心演算区域的相位分布测量装置的测量结果。在与图12同样地移动测量对象激光的入射角时，重心位置的偏移和入射角的偏移(相位偏移)之间的关系显示线性的区域变窄。这样一来，在固定了与各聚光透镜对应的重心演算区域的相位分布测量装置上，在入射角的偏移(相位偏移)变大时，因为实际的亮点区域从重心演算区域离开较大，所以演算精度变差。

工业上利用的可能性

本发明也可在例如天文观测装置上使用。

Claims

1、一种相位分布测量装置，其特征为，该装置包括：

通过在平面上矩阵状地配置多个聚光透镜构成的复眼透镜；

包含在受光面上矩阵状地配置的多个受光元件而构成的、所述受光面仅离开所述聚光透镜的焦距并与所述平面平行地配置的摄像元件；和

根据从所述摄像元件输出的数据计算入射到所述复眼透镜的光的相位分布的相位计算装置，

所述相位计算装置具有：

根据所述各受光元件检测到的光的亮度数据，算出所述受光面的亮度成为极大值的亮点中心位置的中心位置计算单元；和

算出以所述亮点中心位置为中心的重心演算区域的亮度的重心位置的重心位置计算单元。

2、根据权利要求1所述的相位分布测量装置，其特征为，

所述相位计算装置还具有在以所述亮点中心位置为中心的一定区域，算出亮度超过规定阈值的部分的面积的亮点面积计算单元，

所述重心演算区域设定为，所占面积超过由所述亮点面积计算单元算出的面积。

3、根据权利要求1或2所述的相位分布测量装置，其特征为，

所述中心位置计算单元只根据所述亮度数据中亮度超过规定基准值的部分，算出所述亮点中心位置，

所述重心位置计算单元只根据所述亮度数据中亮度超过所述基准值的部分，算出所述重心位置。

4、根据权利要求1～3的任一项所述的相位分布测量装置，其特征为，

所述相位计算装置还包含有使与各所述受光元件对应的亮度数据变换为与紧邻的所述受光元件对应的亮度数据的加权平均值的平滑化处理单元。

5、根据权利要求1～4的任一项所述的相位分布测量装置，其特征为，

所述相位计算装置还包含算出所述重心演算区域的亮度的矩的亮度矩计算单元，

所述中心位置计算单元及所述亮度矩计算单元由硬件演算电路构成，

所述重心位置计算单元根据所述硬件演算电路的输出计算所述重心位置。

6、一种相位分布测量方法，其特征为，包含：

在使光入射到复眼透镜之后，通过摄像元件对所述光的焦点像加以摄像的摄像步骤；

在亮度数据计算单元算出所述摄像元件的各受光元件检测到的光的亮度数据的亮度数据计算步骤；

在中心位置计算单元，根据所述亮度数据，算出所述受光面中的亮度成为极大值的亮点中心位置的中心位置计算步骤；

在重心位置计算单元，算出以所述亮点中心位置作为中心的重心演算区域的亮度的重心位置的重心位置计算步骤；和

在相位计算单元，根据所述重心位置从规定焦点位置的偏移，算出入射到所述复眼透镜的光的相位的相位计算步骤。

7、根据权利要求6所述的相位分布测量方法，其特征为，

所述重心位置计算步骤包含算出所述亮点中心位置和所述重心位置之差的步骤和从所述差算出所述重心位置的步骤。