採用勻速動點目標的圖像傳感器像素間距測量方法與裝置的製作方法

2023-09-15 06:41:05

專利名稱：採用勻速動點目標的圖像傳感器像素間距測量方法與裝置的製作方法
技術領域：
採用勻速動點目標的圖像傳感器像素間距測量方法與裝置屬於以採用光學方法為特徵的計量設備領域中用於計量長度、寬度或厚度的領域，尤其涉及ー種利用勻速直線運動點光源為目標，在頻域利用勻速動像調製傳遞函數測量圖像傳感器像素間距的測量方法與裝置
背景技術：
圖像傳感器像素間距是精密測量領域非常重要的一項技術指標。例如，將ー個尺寸大小已知的目標通過光學系統成像，根據目標像所佔圖像傳感器像素數，以及像素間距，即可知道目標像的大小，最後通過目標像的尺寸與目標尺寸做商，就可以標定該光學系統的橫向放大率；另外，對一幅圖像進行頻譜分析，只有知道像素間距，才可能準確獲得該圖像的頻譜。然而，很多圖像傳感器的產品說明書，只給出了圖像傳感器的像元尺寸，而沒有給出像素間距，如陝西維視圖像的MV-1300UM型エ業數字相機，產品說明書只給了像元的尺寸是5. 2 μ mX5. 2 μ m ;又如武漢高德的IR113型非製冷焦平面機芯，它的像元尺寸是25 μ mX 25 μ m，雖然同時給出填充因子> 80 %，但是仍然無法根據ー個不確定的填充因子數值來得到像素間距。如果我們利用上述圖像傳感器去標定光學系統的橫向放大率或獲得某圖像的頻譜，像素間距必定成為技術瓶頸。所以，測量圖像傳感器的像素間距顯得十分重要。一、圖像傳感器像素間距測量方法
背景技術：
對於圖像傳感器像素間距的測量方法，首先想到的就是在理論上，可以利用ー個投影到圖像傳感器表面且長度可知的線狀圖像，除以該線狀圖像所覆蓋的像素個數，得到像素間距。在理想狀態下，這種方法具有以下兩個特點I)將線光源完全覆蓋到的像素，其灰度值作為基準灰度值。2)對於線光源不能完全覆蓋到的邊緣像素，根據其灰度值與基準灰度值的比值，來判斷所能覆蓋部分的比例大小。然而這種方法卻有著不可避免的幹擾因素，嚴重影響測量結果的準確性。I)如果完全覆蓋到的像素飽和，則灰度值將保持255不變，不能完全覆蓋到的邊緣像素與完全覆蓋的像素之間的灰度值將不再具有比例關係，線光源所覆蓋邊緣像素的比例判斷就會出現錯誤。2)對線光源成像的過程中，一定會有背景光、隨機噪聲以及圖像傳感器暗電流的影響，受這些幹擾因素的影響，會使得線光源完全覆蓋到的像素，灰度值也都不相同，這樣就會對基準灰度值的判斷帶來困難。雖然這些缺點在理論上可以增大線光源的長度，通過用更多的像素來均攤誤差得到彌補，但是增大線光源的長度也會帶來新的問題I)對於畸變大的光學鏡頭，増大線光源的長度，可能會使線光源像在長度上發生嚴重形變，這種情況下，不僅不能均攤誤差，而且反而會使像素個數的判斷誤差更大。2)光學系統調試過程中，會使圖像傳感器對不同視場下相同強度的目標具有不同的響應。這樣又増加了基準灰度值的判斷。正是由於這種方法具有上述一系列的問題，因此在實際操作過程中，這種方法很少被採用，取而代之的是另一系列的方法。2005年4月，軍事工程學院學報第 17卷第2號發表文章《基於聯合傅立葉變換測量CXD圖像採集系統的像素間距》，這篇文章介紹了ー種利用對中心対稱的兩個正方形目標進行兩次傅立葉變換的方法求得圖像採集系統像素間距的方法。該方法首先在空間光調製器上輸出一幅中心対稱的兩個正方形圖像，通過傅立葉透鏡成像，在C⑶表面得到該幅圖像的功率譜|S(u，v) I2，該功率譜經過圖像採集系統放大P倍後得到實際功率譜IS' (u'，ゲ)I2;分別將|S(u，V) I2和實際功率譜|S' (u'，ゲ)I2再次顯示在空間光調製器上，通過傅立葉透鏡再次成像、圖電採集系統放大，分別得到Is(U，V) I2的功率譜0(ξ，η)以及 Is' (U' ,N' ) I2 的功率譜 0(ξ '，V )，這裡，ο(ξ /，V )和 0(ξ，η)均為中心為比較亮的正方形，對稱在中心兩側為相對暗ー些的正方形圖樣，而且ο(ξ '，n')經過P倍放大後就是0(ξ，η)，因此，0(ξ，η)所佔圖像採集系統像素數D是ο(ξ'，V )所佔圖像採集系統像素數D'的P倍，所以，可以利用D和D'的比值標定出圖像採集系統的放大倍率P ;p值確定後，|s' (u' ,V' )|2和0(も',n')相繼可以確定,就能求出ο(ξ /，n')中兩正方形之間的距離d'，最後利用d' /d'求出CXD圖像採集系統的像素間距。這種方法的缺點是0( ξ，n)和ο( ξ ^，V )均不能保證正方形恰好正好覆蓋到CXD圖像採集系統的ー個像素上，而且很大可能會橫跨在兩個像素，這對D和D'的判斷就會帶來困難，判斷時均容易出現±1誤差，從而使CCD圖像採集系統的放大倍率P的標定結果存在誤差，進而影響到ο(ξ '，n')中兩個亮斑的間距d'的判斷，由於利用了 d' /D'，所以會使CXD圖像採集系統像素間距的判斷存在不可避免的誤差。2005年12月，軍事工程學院學報第17卷第6號發表文章《基於圓孔夫琅和費衍射的CXD像素間距標定》，這篇文章介紹了ー種利用夫琅和費衍射分布圖來標定CXD像素間距的方法。該方法利用平行光照射置於準直物鏡焦距處的圓孔，在準直物鏡表面形成圓孔的夫琅和費衍射分布圖，該分布圖經準直物鏡平行射出，入射到CCD表面形成該夫琅和費衍射分布圖的像。根據圓孔的直徑a，入射光波波長λ，以及準直物鏡焦距f，即可得到圓孔夫琅和費衍射分布圖中中央亮斑直徑L = I. 22f λ/a，再根據夫琅和費衍射分布圖中中央亮斑的直徑所佔C⑶像素的數目V，得到CXD的像素間距為δ ' =L/V。這種方法的缺點是不能保證中央亮斑的邊緣正好落在CXD的一個像素上，而且很大可能會橫跨在兩個像素，這就對夫琅和費衍射分布圖中中央亮斑直徑所佔CCD像素數目N'的判斷帶來困難，容易出現±1誤差，使CXD像素間距的判斷存在不可避免的誤差。2008年6月，光子學報第37卷第6號發表文章《利用TFT-IXD像素機構衍射測試CXD圖像採集系統的像素間距》，這篇文章介紹了ー種利用薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-IXD)測試CXD圖像採集系統像素間距的原理和方法。該方法首先通過TFT-IXD形成物方信號，根據TFT-IXD像元區域透光、非像元區域不透光的特性，可將其視為ー個由相互垂直的兩個周期矩形光柵構成的ニ維光柵，將其置於傅立葉透鏡的前焦面，則在該傅立葉透鏡的後焦面上可以獲得ニ維光柵的頻譜強度分布圖。該頻譜分布圖為多級頻譜分布形式，其中，零級頻譜的中心位於譜面坐標原點處，各高級次頻譜的分布形式及寬度與零級頻譜相同，但強度隨級次的升高而迅速降低，根據第m級頻譜中心到原點的距離為|naf/d|。通過CCD圖像採集系統採集此ニ維光柵頻譜強度分布圖，井根據第m級頻譜中心到原點所佔像素數Nm，即可得到CXD圖像採集系統的像素間距為|naf/dNm|。這種方法也有同以上現有技術相同的缺點不能保證零級頻譜和第m級頻譜中心正好落在CCD的一個像素上，因此，Nm同樣會出現±1誤差，使CXD圖像採集系統像素間距的判斷存在不可避免的誤差。為了解決Nm存在±1誤差的問題，文中採用了一種多次測量取平均值的方法，在不考慮放大倍數的情況下，求得的CCD圖像採集系統的像素間距為
Γ , I 3Af Hf Af Xf 2Af 3AfxCCD = + 該方法在一定程度上緩解Nni的± I誤差問題。2008年10月，光電技術應用第29卷第5號發表文章《基於雙向剪切幹涉的CXD像素間距標定》，這篇文章介紹了ー種通過雙向剪切幹渉兩半場條紋寬度的相對關係來測量CXD圖像採集系統像素間距的方法。該方法通過平行光照射楔形鏡W，楔形鏡W前、後表面的反射光由於楔形鏡W的作用形成X軸正向的剪切，再經反射鏡M1反射後透射過楔形鏡W成像在CXD探測器上，該剪切幹涉條紋的條紋寬度為Cl1 = λ R/(s+2ni3 R)，其中，(I1 = N1Q ；同時，楔形鏡W前、後表面的透射光經反射鏡M2反射後又重新入射到楔形鏡W上，形成X軸負向的剪切，該剪切幹涉條紋的條紋寬度為d2 = λR/(-s+2nβR)，其中，d2 = N2q。這兩個方程均是關於CXD像素間距q、半徑R、剪切量s的方程，將這兩個方程構成方程組，可以得到CXD圖像採集系統像素間距的表達式為
Λ N, +N1^ = T-^' ΛΓ~ν
4ηβ JV1 iV2其中，λ為入射光波的波長，η為楔形鏡W的折射率，β為楔形鏡W的楔角，均可由標定系統給定；ΝρΝ2分別為X軸正負向相鄰剪切幹涉條紋寬度所覆蓋CCD圖像傳感器的像素數，通過對NpN2的測量，即可得到CXD圖像採集系統像素間距q。這種方法的缺點是不能保證相鄰條紋恰好覆蓋CXD的一個像素上，因此，NpN2均會出現± I誤差，使CXD圖像採集系統像素間距的判斷存在不可避免的誤差。以上這四種方法的共同特徵是I)在圖像傳感器表面形成ー個形狀和大小均可知的圖形；2)圖形具有明顯的邊界特徵；3)圖形邊界所對應像素的中心位置認為是圖形的邊界位置。相比於理想的測量方法，這ー系列方法的優點是I)因為迴避了基準灰度值的判斷，並且迴避了通過與基準灰度值的比例關係來判斷邊緣像素的過程，可以使這種方法可以承受較大幹擾因素的影響；2)圖像即使在一定程度上處於飽和狀態，也在不影響圖形邊界位置的判斷，對於圖像的要求降低了。但是這種方法也有自身的問題對於像素個數的判斷，只能是整數判斷，每ー側的判斷會存在±0.5個像素的誤差，兩個邊緣就會存在±1個像素的誤差，線光源長度越短，誤差就會越大。
雖然這些缺點在理論上可以增大線光源的長度，通過用更多的像素來均攤誤差得到彌補，但是增大線光源的長度同樣會帶來新的問題1)對於畸變大的光學鏡頭，増大線光源的長度，可能會使線光源像在長度上發生嚴重形變，這種情況下，不僅不能均攤誤差，而且反而會使像素個數的判斷誤差更大；2)光學系統調試過程中，會使圖像傳感器對不同視場下相同強度的目標具有不同的響應。這樣又増加了基準灰度值的判斷。現有方法的共同缺點是，對於畸變大的光學鏡頭，不適合在大視場下進行測量；而小視場下的測量，單次測量結果之間誤差較大，因此使得測量結果重複性差。ニ、圖像傳感器像素間距測量裝置
背景技術：
國際專利分類號GOlM 11/02光學性質的測試領域，有兩項發明專利公開了動像調製傳遞函數測量裝置的組成專利號ZL200810137150. 1，授權公告日2010年09月29日，發明專利《動態目標
調製傳遞函數測量方法與裝置》，公開了ー種高精度多功能的動像調製傳遞函數測量裝置，該裝置中也具有光源、光學系統以及圖像傳感器的結構，並且同樣是光源經過光學系統成像到圖像傳感器表面。專利號ZL201010252619. 3，授權公告日2012年01月11日，發明專利《動像調製傳遞函數測量裝置》，在上一個專利所公開裝置的基礎上，進ー步限定了裝置中光學鏡頭的耦合方式以及測量的同步方式。但是這兩項發明的特點是光源的運動軌跡是垂直於光軸的直線，對於有場曲的光學系統，光源運動的過程中，必然會造成圖像的離焦，如果將這兩項發明所公開的測量裝置直接應用到本發明中，無法克服離焦造成的圖像模糊問題以及圖像灰度值變化問題，該問題會造成截止頻率位置上的偏移，使測量結果的準確性受到影響。

發明內容
本發明就是針對上述現有測量方法不適合小視場範圍內測量的問題，以及現有測量裝置存在離焦的問題，提出了一種圖像傳感器像素間距頻域測量方法與裝置，該方法可以在小視場範圍內提高測量結果重複性；該裝置可以消除離焦對測量結果的影響。本發明的目的是這樣實現的採用勻速動點目標的圖像傳感器像素間距測量方法，步驟如下a.設定點目標的運動速度V和圖像傳感器的曝光時間t ；b.根據第a步設定的運動速度V和曝光時間t，計算點目標經過橫向放大率為β的光學系統後，點目標像在圖像傳感器表面的理論運動位移d = V · t · β ;c.根據第b步得到的理論運動位移d和勻速動像調製傳遞函數模型MTF (f)=IsincO fd) 1 ,得到動像調製傳遞函數曲線的截止頻率為f = 1/d ；d.在第a步參數下，圖像傳感器對沿圖像傳感器行或列方向運動的點目標成像，得到初始點擴展函數圖像，並將初始點擴展函數圖像中點目標像掃過的行或列的整行或整列信息提取出來，作為初始線擴展函數圖像，該初始線擴展函數圖像具有η個元素；e.移除點目標，在第a步設定的圖像傳感器的曝光時間t內，圖像傳感器對背景成像，得到幹擾圖像，並將幹擾圖像中灰度值的最大值作為閾值；
f.第d步得到的初始線擴展函數圖像，將灰度值小於第e步所得閾值的像素的灰度值修正為0，得到修正線擴展函數圖像，該修正線擴展函數圖像具有同第d步得到的初始線擴展函數圖像相同的元素個數η ;g.對第f步得到的修正線擴展函數圖像按間距為I進行離散傅立葉變換並取摸，得到初始調製傳遞函數圖像，該初始調製傳遞函數圖像具有同第d步得到的初始線擴展函數圖像相同的元素個數n，即η個離散頻譜分量，按照空間頻率從小到大的順序分別為凡、
M1, M2.....Mlri，在該順序下，初始調製傳遞函數值第一次達到極小值所對應的調製傳遞函
數值為Mi,其下腳標序號為i;h.根據第c步得到的截止頻率值f與第g步得到的調製傳遞函數值為Mh和Mi+1所對應的空間頻率值分別相等，即f = (i-ι)/(nlfflin)和f = (i+1)バnlmax)，得到圖像傳感器的像素間距取值範圍為lmin = (i-1)/ (nf) = (i-1) d/n = (i-l)hP/n 和 Imax= (i+1)/(nf) = (i+1) d/n = (i+1) h β /n ；i.將I為變量，並以第h步得到的Imin和Imax為取值範圍，在第g步得到的η個調製傳遞函數值中選取K個作為比對數據，這K個調製傳遞函數值分別是MK1、MK2.....Mkk，採
用遺傳算法尋找到以下公式的最小值
權利要求
1.採用勻速動點目標的圖像傳感器像素間距測量方法，其特徵在於所述方法步驟如下 a.設定點目標的運動速度V和圖像傳感器的曝光時間t； b.根據第a步設定的運動速度V和曝光時間t，計算點目標經過橫向放大率為β的光學系統後，點目標像在圖像傳感器表面的理論運動位移d = V · t · β ; c.根據第b步得到的理論運動位移d和勻速動像調製傳遞函數模型MTF(f)=IsincO fd) I ,得到動像調製傳遞函數曲線的截止頻率為f = 1/d ； d.在第a步參數下，圖像傳感器對沿圖像傳感器行或列方向運動的點目標成像，得到初始點擴展函數圖像，並將初始點擴展函數圖像中點目標像掃過的行或列的整行或整列信息提取出來，作為初始線擴展函數圖像，該初始線擴展函數圖像具有η個元素； e.移除點目標，在第a步設定的圖像傳感器的曝光時間t內，圖像傳感器對背景成像，得到幹擾圖像，並將幹擾圖像中灰度值的最大值作為閾值； f.第d步得到的初始線擴展函數圖像，將灰度值小於第e步所得閾值的像素的灰度值修正為0，得到修正線擴展函數圖像，該修正線擴展函數圖像具有同第d步得到的初始線擴展函數圖像相同的元素個數η ; g.對第f步得到的修正線擴展函數圖像按間距為I進行離散傅立葉變換並取模，得到初始調製傳遞函數圖像，該初始調製傳遞函數圖像具有同第d步得到的初始線擴展函數圖像相同的元素個數n，即η個離散頻譜分量，按照空間頻率從小到大的順序分別為M0' M1,M2.....Mlri，在該順序下，初始調製傳遞函數值第一次達到極小值所對應的調製傳遞函數值為Mi，其下腳標序號為i; h.根據第c步得到的截止頻率值f與第g步得到的調製傳遞函數值為Mh和Mi+1所對應的空間頻率值分別相等，即f = (i-1)/(nlfflin)和f = (i+1)バnlmax)，得到圖像傳感器的像素間距取值範圍為lmin = (i-1)/(nf) = (i-l)d/n = (i_l)hP/n 和 Imax= (i+1)/(nf)=(i+1)d/n = (i+1)h β /n ； i.將I為變量，並以第h步得到的Imin和Imax為取值範圍，在第g步得到的η個調製傳遞函數值中選取K個作為比對數據，這K個調製傳遞函數值分別是MK1、MK2.....Mkk，採用遺傳算法尋找到以下公式的最小值Σ M1 -smc[n~vt0 I ，該最小值所對應的像素間距.1即為所求。
2.根據權利要求I所述的採用勻速動點目標的圖像傳感器像素間距測量方法，其特徵在於第d步、第e步、第f步替換為 d』.在第a步參數下，圖像傳感器對沿圖像傳感器行或列方向運動的點目標成像，得到初始點擴展函數圖像； e』.移除點目標，在第a步設定的圖像傳感器的曝光時間t內，圖像傳感器對背景成像，得到幹擾圖像，並將幹擾圖像中灰度值的最大值作為閾值； f』 .第d』步得到的初始點擴展函數圖像，將灰度值小於第e』步所得閾值的像素的灰度值修正為0，並將所成圖像中點目標像掃過行或列的整行或整列信息提取出來，得到修正線擴展函數圖像，該修正線擴展函數圖像具有同第d步得到的初始線擴展函數相同的元素個數η。
3.採用勻速動點目標的圖像傳感器像素間距測量裝置，包括點目標(I)、光學系統(2)、圖像傳感器(3)、滑塊(4)、垂直光軸方向的第一導軌(5)以及控制器(7)，所述的點目標(I)經過光學系統(2)成像到圖像傳感器(3)表面；其特徵在於該裝置還包括沿光軸方向的第二導軌(6)，承載點目標(I)的滑塊(4)安裝在第一導軌(5)和第二導軌(6)上，控制器(7)控制滑塊(4)在第一導軌(5)上勻速運動時，控制器(7)控制滑塊(4)在第二導軌(6)上運動，且兩個方向的運動相配合，使點目標(I)在運動過程中始終準焦成像到圖像傳感器⑶表面。
全文摘要
採用勻速動點目標的圖像傳感器像素間距測量方法與裝置屬於以採用光學方法為特徵用於計量長度、寬度或厚度的領域；本方法在點目標勻速運動狀態下對其成像，得到線狀圖像，在頻域中尋找像素間距的取值範圍，並根據與像素間距相關的實際調製傳遞函數曲線與理論調製傳遞函數曲線在最小二乘條件下重合度最好，利用遺傳算法計算得到像素間距；本裝置中承載點目標的滑塊安裝在第一導軌和第二導軌上，控制器控制滑塊在第一導軌上勻速運動時，控制器控制滑塊在第二導軌上運動，且兩個方向的運動相配合，使點目標在運動過程中始終準焦成像到圖像傳感器表面；採用本發明測量圖像傳感器像素間距，有利於減小單次測量結果之間的誤差，進而提高測量結果重複性。
文檔編號G01B11/14GK102620669SQ20121008501
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月17日 優先權日2012年3月17日
發明者劉儉, 譚久彬, 趙煙橋 申請人:哈爾濱工業大學