CN214851536U - 一种成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种成像装置，包括光学补偿系统模块、能采集图像的采集电路模块和能处理图像的计算机。所述采集电路模块包括安装有CMOS图像传感器的图像采集电路板。所述光学补偿系统模块发出的光射至所述采集电路模块，所述采集电路模块连接于所述计算机。本实用新型搭建了一套成像装置，能完成图像光电信号的采集，且图像信息不会损失，实现较高分辨率的成像功能。

Description

一种成像装置

技术领域

本实用新型涉及成像技术领域，具体涉及一种成像装置。

背景技术

CMOS图像传感器是一种固体成像传感器。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成，这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。直接使用CMOS图像传感器采集图像信息会导致图像信息损失或者采集不到任何图像信息。

实用新型内容

为了解决以上直接使用CMOS图像传感器采集图像信息会导致图像信息损失或者采集不到任何图像信息的问题，本实用新型提出搭建一个电路采集板、由透镜以及光圈等光学器件组合而成的光学系统来配合CMOS图像传感器完成图像光电信号的采集，本方案具体如下。

本实用新型首先提出一种成像装置，包括光学补偿系统模块、能采集图像的采集电路模块和能处理图像的计算机。所述采集电路模块包括安装有CMOS图像传感器的图像采集电路板。所述光学补偿系统模块发出的光射至所述采集电路模块，所述采集电路模块连接于所述计算机。

作为本实用新型的成像装置的进一步改进，所述光学补偿系统模块包括光源、比色卡、凹透镜、凸透镜、光阑、滤波片和空镜筒；所述光源射出光至所述比色卡，光被所述比色卡反射后依次通过凹透镜、凸透镜、光阑、滤波片和空镜筒。

作为本实用新型的成像装置的进一步改进，所述CMOS图像传感器的型号为MT9M001；通过所述空镜筒的光射出至所述CMOS图像传感器；所述图像采集电路板使用USB数据线连接所述计算机。

作为本实用新型的成像装置的进一步改进，所述光学补偿系统模块还包括暗箱；所述光源、比色卡、凹透镜、凸透镜、光阑、滤波片、空镜筒和图像采集电路板均安装在所述暗箱内部；所述计算机安装在所述暗箱的外部。

本实用新型其次还提出一种如上所述的成像装置的设计方法。该设计方法包括采集电路模块的设计和光学补偿系统模块的设计。所述设采集电路模块的设计包括使用提取库函数的原理，利用microsoft visual c++软件设计图像采集软件，所述图像采集软件安装在所述采集电路模块中。

作为本实用新型的成像装置的设计方法的进一步改进，所述光学补偿系统模块的设计采用ZEMAX光学设计软件来设计光路，包括在Zemax光学设计软件中输入透镜的曲率半径、光波长和视场参数，得到一个光学结构模型，再优化这个光学结构模型，得到设计出来的优化系统参数，根据优化系统参数设计光路。

作为本实用新型的成像装置的设计方法的进一步改进，所述设计方法还包括使用提取库函数的原理，利用microsoft visual c++软件来设计图像处理软件模块，所述图像处理软件模块安装在所述计算机中，所述图像处理软件模块能对图像进行锐化处理。

作为本实用新型的成像装置的设计方法的进一步改进，所述计算机中还安装有iseetest软件；所述设计方法还包括使用iseetest软件对所述成像装置进行测评；所述测评包括单项解析度测评和对比测评。所述单项解析度测评以所述成像装置在图像处理前或者图像处理后的单次成像的像素和解析度为评价对象。所述对比测评以所述成像装置在图像处理前、后的两次成像的像素和解析度对比为评价对象。

作为本实用新型的成像装置的设计方法的进一步改进，所述测评以标准分辨率测试卡为图像获取对象；测评时截取标准分辨率测试卡中心区域的一块来作为评价样本，对拍摄到的标准分辨率测试卡的图像进行分析，判断成像装置的像素和解析度。

作为本实用新型的成像装置的设计方法的进一步改进，所述设计方法还包括在对成像装置测评之后，根据测评结果对成像装置进行调试与检测的步骤。

本实用新型的有益效果是：通过设置光学补偿系统模块、能采集图像的采集电路模块和能处理图像的计算机系统，采集电路模块上安装CMOS图像传感器，搭建了一套成像装置，能完成图像光电信号的采集，且图像信息不会损失，实现较高分辨率的成像功能。

附图说明

图1是本实用新型实施例的成像装置的整体结构示意图。

图2是图1中的图像采集电路板的结构设计框图。

图3是图1中的图像采集电路板的设计原理图。

图4是本实用新型实施例的ZEMAX光学系统参数及二维图.

图5为本实用新型实施例的光学系统评价函数及波长设置界面。

图6为本实用新型实施例的光学模型优化后的系统数据。

图7为本实用新型实施例的未优化前的MTF函数曲线图。

图8为本实用新型实施例的优化后的MTF函数曲线图。

图9为本实用新型实施例的ZEMAX系统页面的点列图。

图10为本实用新型实施例的光学系统的像距图。

图11为本实用新型实施例的景深的原理图及计算公式图。

图12为本实用新型实施例的图像处理软件界面图。

图13为本实用新型实施例的图像处理之前的测评结果图。

图14为本实用新型实施例的图像处理之后的测评结果图。

图15为本实用新型实施例的系统实物图。

附图标记：光源1、比色卡2、凹透镜3、凸透镜4、光阑5、滤波片6、空镜筒7、图像采集电路板8、暗箱9、计算机10。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制本实用新型要求保护的范围，而仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，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方式，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，为本实用新型的一种成像装置的结构示意图，该成像装置包括光学补偿系统模块、能采集图像的采集电路模块和能处理图像的计算机10。所述采集电路模块包括安装有CMOS图像传感器的图像采集电路板8。所述光学补偿系统模块发出的光射至所述采集电路模块，所述采集电路模块连接于所述计算机10。其中，所述CMOS图像传感器的型号为MT9M001。MT9M001型号CMOS图像传感器其像素为130W，由于直接使用CMOS采集板采集图像信息会导致图像信息损失或者采集不到任何图像信息，所以需要搭建一个电路采集板、由透镜以及光圈等光学器件组合而成的光学系统来配合CMOS图像传感器完成图像光电信号的采集，实现对标准。

该成像装置中，所述光学补偿系统模块包括光源1、比色卡2、凹透镜3、凸透镜4、光阑5、滤波片6、空镜筒7和暗箱9。所述光源1、比色卡2、凹透镜3、凸透镜4、光阑5、滤波片6、空镜筒7和图像采集电路板8均安装在所述暗箱9内部。所述比色卡2为标准比色卡。所述光源1为分布于比色卡2同侧的环形光源。所述光源1射出光至所述比色卡2，光被所述比色卡2反射后依次通过凹透镜3、凸透镜4、光阑5、滤波片6和空镜筒7。凸透镜4使用K9玻璃制造，这种玻璃晶莹剔透且能起到很好的光线传递作用，被广泛用于光学设计领域。

通过所述空镜筒7的光射出至所述CMOS图像传感器；所述图像采集电路板8使用USB数据线连接所述计算机10。所述计算机10安装在所述暗箱9的外部。

上述的成像装置的设计方法包括采集电路模块的设计和光学补偿系统模块的设计。所述设采集电路模块的设计包括使用提取库函数的原理，利用microsoft visual c++软件设计图像采集软件，所述图像采集软件安装在所述采集电路模块中。以下结合附图对各部分的设计过程进行详细描述。

一、图像采集电路板8的设计

图2为图像采集电路板8的结构设计框图。图2中的处理器采用S3C2440处理器(ARM920T内核)，为韩国三星电子所开发，对低成本、低功耗、高性能的手持设备或其它电子产品，这种处理器它拥有一个最为适合本设计的接口，是camera接口,所以这种CMOS的处理器不需要像CCD图像传感器的处理器一样再接一个控制器。在处理器中不能直接使用与I2C内部功能类似的控制CMOS行为的协议，也即两线串行协议，这是16/32的RISC处理器特有的协议，所以经过处理器时必须经过处理器的I/0引脚来模拟控制。最后TCP/IP协议的作用就是把采集电路板所采集到的图像信息通过USB传输给PC计算机。嵌入式的采集板毕竟资源和功能没有PC机那么强大，所以最后必须使用PC机来进行一些复杂的处理，如频域变换等等。

图3为图像采集电路板8的设计原理图。因为在接收端(图像信息处理及转换模块)所需要接收的图片信息为8位，而这种芯片它输出的图像信息的数据大小是10位，所以在原理图中将传感器中的低两位去掉。

二、光学补偿系统模块的设计

所述光学补偿系统模块的设计采用ZEMAX光学设计软件来设计光路，包括在ZEMAX光学设计软件中输入透镜的曲率半径、光波长和视场参数，得到一个光学结构模型，再优化这个光学结构模型，得到设计出来的优化系统参数，根据优化系统参数设计光路。

由于直接用CMOS图像传感器采集图像的话，取到的像的大小和远近有限制，利用伽利略望远镜原理，如图4中的二维系统图像，将伽利略望远镜结构中的凹凸透镜位置对调，即光线先经过凹透镜，再经过凸透镜，就可以得到拉远缩小的虚像，就能够拍摄到更大的范围和更远的距离。

光学设计采用的是ZEMAX来设计光路，输入透镜的曲率半径(凹透镜的曲率半径为70、凸透镜的为30)、波长(选用F.D.C氢光谱系列波长)、视场等参数，选择的是K9玻璃，这种玻璃晶莹剔透且能起到很好的光线传递作用，被广泛用于光学设计领域。设置好这些参数以后，得到一个光学结构模型，如图4为参数设置以及设计出来的二维图，再优化这个光学模型即透镜之间的距离等参数，如图5为光学系统评价函数及波长设置界面。

光学模型优化后可以得到设计出来的系统的焦距等等，如图6为优化后的系统数据，焦距为24.29565cm。

设置并且优化好光学系统之后，还需要检测设计出来的光学系统是否达到最优的成像效果。利用ZEMAX中的两个功能：MTF(光学传递函数)、Spot(点列图)、畸变。调制传递函数MTF是一种光学系统成像质量很客观的评价工具，其反应了各个空间频率的调制度。T、S分别代表子午、弧矢方向，未优化前的MTF函数曲线图如图7所示，优化后的曲线图如图8所示，优化后的曲线整体有偏高，理想模型的MTF曲线是MTF为1的一条直线，实际中之所以MTF曲线无法成为一条直线，是因为实际的光学系统会受到像差的影响，像差影响大，就会使曲线降低，所以MTF曲线越高，成像效果越好，图8为优化到最好效果的MTF函数曲线图。

分析了MTF曲线图，还有点列图可以分析，选中ZEMAX页面中的Spt按钮，可以进入点列图的查看页面，点列图中表达的是设计出的光学系统的弥散斑的大小，弥散斑就是指光线经过光学系统以后在IMA(成像面)上所成的像的面积大小，可以从多个视场角来查看，如图9所示的两个弥散斑的图就是从0DEG视场和4DEG视场来查看的。弥散斑有一个参照标准值，就是Airy斑(艾里斑)，Airy斑是指衍射图样中心区域的最大亮斑，在ZEMAX的应用中是指2.44Airy Diam，越接近这个值表示成像效果越好，如图9所得到的Airy Diam是2.864，是优化后最接近艾里斑标准值的情况。

光学系统构建完成后，可由结构参数得出焦距为24mm，弥散斑的直径为2.864，光圈值为光学系统的焦距除以最大的通光孔径，通光孔径是指光圈可通光部分的直径大小，本系统的通光孔径为23.5mm，可得系统的光圈值为F1。由于凸透镜到成像面的距离在优化后是25.554155mm，如图10所示，这个数据就是光学系统的像距，由高斯成像公式：1/u+1/v＝1/f，u为物距，v为像距，f为焦距，可以求出物距为60cm。

景深是指在聚焦以后，成像器具(如镜头)能够获得清晰的图像的一个范围值，这个范围是指被测物体前后的范围。如果被测物体在这段范围内，就能够拍摄到清晰的像，那么在范围之外就是模糊的。

由景深的计算公式，如图11可以得出，设计出来的光学补偿系统的前景深约为2cm，后景深约为3cm，被摄物体放置在距离CMOS芯片60cm处，靠近CMOS芯片2cm和远离CMOS芯片3cm这个范围内，都是可以获取到清晰的图像。

三、图像处理软件模块的设计

所述设计方法还包括使用提取库函数的原理，利用microsoft visual c++软件来设计图像处理软件模块，所述图像处理软件模块安装在所述计算机10中，所述图像处理软件模块能对图像进行锐化处理。

制作完CMOS图像传感器的采集电路和搭建完成光学补偿电路以后，使用采集软件采集图像信息，并采用microsoft visual c++这个程序设计一个能够对采集到的图像进行处理的简单的窗口程序。设计软件的过程如下：创建项目、项目布局与功能设计、编写程序代码。

设计完成后的图像处理软件的页面如图12，这个图像处理软件，可以对图片进行缩放、调整亮度、色彩校正、文字插入和滤镜等操作。

本设计最主要采用的是软件中的锐化(Sharpness)功能，如图12，可以快速聚焦模糊边缘，让需要处理的图像的局部更有粒子感，增加色彩的鲜艳程度，使局部更加的清晰。但是锐化是有限度的，一定要适度，锐化过头会导致图像不真实。

四、图像测评

所述计算机10中还安装有iseetest软件。所述设计方法还包括使用iseetest软件对所述成像装置进行测评，所述测评包括单项解析度测评和对比测评。所述单项解析度测评以所述成像装置在图像处理前或者图像处理后的单次成像的像素和解析度为评价对象。所述对比测评以所述成像装置在图像处理前、后的两次成像的像素和解析度对比为评价对象。

所述测评以标准分辨率测试卡为图像获取对象；测评时截取标准分辨率测试卡中心区域的一块来作为评价样本，对拍摄到的标准分辨率测试卡的图像进行分析，判断成像装置的像素和解析度。

将图像处理完成后，需要对处理完成的图像进行测评，查看是否图像处理有提高像素和解析度。图像测评采用iSeetest 4.0这个软件，使用软件中的单项解析度测评，可以仅针对图像的像素及解析度来做出评价，图像采集系统采集到的图像进行图像锐化等等处理以后，使用iSeetest 4.0对图像处理前后的图片进行分别测评。

制作好采集设备以后，使用解析度分辨率卡来当评判标准，测评时需截取中心区域的一块来作为评价样本，这种测试卡是有通过国际标准ISO12233认证的测试卡。测评图像处理之前的图像的有效像素为1236849，如图13，测评图像处理之后的图像的有效像素为1580604，如图14。说明图像处理之后的像素有提高343755，图像会更加清晰。

五、图像测评

所述设计方法还包括在对成像装置测评之后，根据测评结果对成像装置进行调试与检测的步骤。经过CMOS图像传感器采集电路的制作、光学补偿系统的搭建、图像处理软件的设计以及使用图像测评软件进行测评，最后得出的系统的实物图如图15。

本方案为基于MT9M001-CMOS图像传感器透镜成像系统。整个系统分为四大部分：

第一部分是对采集电路设计，本部分主要是采集电路板的接口部分和底板电路PCB。

第二部分为光学补偿系统的设计，本部分采用透镜、光圈等等的光学仪器，再制作一个暗箱，利用光学设计的原理将这些光学仪器组合在一起，以便于CMOS图像传感器能采集到解析度更高的图像。

第三部分是图像采集软件和图像处理软件的设计，本部分使用的是提取库函数的原理，利用microsoft visual c++软件进行设计。

第四部分为图像测评部分，本部分使用iseetest软件对处理后的图像进行测评，通过对拍摄到的标准测试卡的图像的解析度的对比，判断是否达到较好的成像效果。

本实用新型利用MT9M001-cmos图像传感器、k9玻璃、开发板、光阑、ZEMAX光学设计软件，设计了具体参数，搭建了一套单透镜成像装置，能够对标准比色卡实现较高分辨的成像功能。

以上所描述的仅是本实用新型的部分实施例，而不是全部的实施例，本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制本实用新型要求保护的范围，而仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

Claims (3)

1.一种成像装置，其特征在于，包括光学补偿系统模块、能采集图像的采集电路模块和能处理图像的计算机(10)；所述光学补偿系统模块包括光源(1)、比色卡(2)、凹透镜(3)、凸透镜(4)、光阑(5)、滤波片(6)和空镜筒(7)；所述光源(1)射出光至所述比色卡(2)，光被所述比色卡(2)反射后依次通过凹透镜(3)、凸透镜(4)、光阑(5)、滤波片(6)和空镜筒(7)；所述采集电路模块包括安装有CMOS图像传感器的图像采集电路板(8)；所述光学补偿系统模块发出的光射至所述采集电路模块，所述采集电路模块连接于所述计算机(10)。

2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述CMOS图像传感器的型号为MT9M001；通过所述空镜筒(7)的光射出至所述CMOS图像传感器；所述图像采集电路板(8)使用USB数据线连接所述计算机(10)。

3.根据权利要求2所述的成像装置，其特征在于，所述光学补偿系统模块还包括暗箱(9)；所述光源(1)、比色卡(2)、凹透镜(3)、凸透镜(4)、光阑(5)、滤波片(6)、空镜筒(7)和图像采集电路板(8)均安装在所述暗箱(9)内部；所述计算机(10)安装在所述暗箱(9)的外部。

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