CN102122055A - 一种激光式自动对焦装置及其对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光式自动对焦装置，包括激光发射器、光栅镜片、聚焦镜、反射镜、物镜、图像采集装置和图像处理装置，所述激光发射器发射出的激光经光栅镜片过滤，剩余的光速经过聚焦镜形成平行光线后通过反射镜的反射，再经过能自动调整位置的物镜聚焦到被测物体上，之后，该光线以与所述路径对称的路径反射回去，然后通过光栅镜片反射到图像采集装置中，最后发送到图像处理装置对采集信息进行处理。本发明所提供的自动对焦装置降低了对焦时间，同时提高了对焦的精度。本发明所提供的对焦方法，能快速判断出离焦状态，单方向控制电机，减少了处理大量图像信息的工作，从而极大减少了对焦时间，同时又不减少对焦的精度，极大提高了对焦性能。

Description

一种激光式自动对焦装置及其对焦方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，尤其涉及一种激光式自动对焦装置及其对焦方法。

背景技术

随着自动控制技术和图像处理技术的快速发展，采用图像处理方法的自动对焦技术被应用于多个领域，比如工业光学检测、医学成像***、多媒体技术领域等。在工业生产中常常需要对精密仪器进行质量检测，这就要求快捷、准确获取清晰的图像信息，自动对焦技术凸显至关重要的作用。一般的，采用图像处理方法的显微镜自动对焦方式是借助自然光反射到凸透镜后呈现整个倒像，通过相机连续拍摄图像，并不断进行对比和分析，反复控制移动镜头，直到找出最为清晰的图像作为聚焦点的判据，然而，这种自动对焦方式需要存储和处理大量图像信息，影响自动对焦的速度，而且对焦的精确度也不高。

发明内容

针对上述现有对焦技术所存在的不足，本发明提供一种激光式自动对焦装置，该对焦装置降低了对焦时间，同时提高了对焦的精度。

本发明的另一目的是提供一种激光式自动对焦装置的对焦方法，该对焦方法能快速判断出离焦状态，单方向控制电机，减少了处理大量图像信息的工作，从而极大减少了对焦时间，同时又不减少对焦的精度，极大提高了对焦性能。

本发明的技术解决方案为：一种激光式自动对焦装置，包括激光发射器、光栅镜片、聚焦镜、反射镜、物镜、图像采集装置和图像处理装置，所述激光发射器发射出的激光经光栅镜片过滤，剩余的光速经过聚焦镜形成平行光线后通过反射镜的反射，再经过能自动调整位置的物镜聚焦到被测物体上，之后，该光线以与所述路径对称的路径反射回去，然后通过光栅镜片反射到图像采集装置中，最后发送到图像处理装置对采集信息进行处理。

所述光栅镜片设置成能滤去一半的激光光束。

除所述物镜外的部件的相对位置为固定。

所述物镜是通过运动控制模块和对焦驱动模块来驱动对焦的，其中，运动控制模块用于改变对焦的水平坐标位置，对焦驱动模块用于改变物距从而改变被测物体的成像信息。

所述对焦驱动模块为伺服电机驱动。

所述伺服电机驱动步长为1μm。

所述图像采集装置为CCD图像采集模块。

对该方案的进一步改进为：还包括用于观察对焦平台环境的视频模块。

再进一步的改进为：还包括用于存储图片信息和计算结果的存储模块。

一种激光式自动对焦装置的对焦方法，包括以下步骤：

1）图像采集装置采集图像信息；

2）将采集到的图像信息输送到图像处理装置进行灰度转换；

3）对所得灰度值进行平均灰度值计算，呈现上半圆、中心圆、下半圆三种光斑图像；

4）通过灰度分析法分析上述三种光斑图像的灰度值和灰度值分割点，判断离焦状态为上离焦还是下离焦状态；

5）根据所得离焦状态控制电机单方向运行移动物镜；

6）对比前后帧图像灰度值；

7）根据梯度法，判断灰度值梯度方向的转折点，找出最小平均灰度值，确定焦平面。

本发明所提供的自动对焦装置降低了对焦时间，同时提高了对焦的精度。本发明所提供的对焦方法，能快速判断出离焦状态，单方向控制电机，减少了处理大量图像信息的工作，从而极大减少了对焦时间，同时又不减少对焦的精度，极大提高了对焦性能。

附图说明

图1为本发明实施例的激光光学回路示意图；

图2为本发明实施例的光斑离焦状态分析图；

图3为本发明实施例对焦方法流程图；

图4为本发明实施例的初始离焦状态灰度分析图；

图5为本发明实施例的初始准对焦状态灰度分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种激光式自动对焦装置，包括激光发射器1、光栅镜片2、聚焦镜3、反射镜4、物镜5、图像采集装置7和图像处理装置，所述激光发射器1发射出的激光经光栅镜片2过滤，剩余的光速经过聚焦镜3形成平行光线后通过反射镜4的反射，再经过能自动调整位置的物镜5聚焦到被测物体6上，之后，该光线以与所述路径对称的路径反射回去，然后通过光栅镜片2反射到图像采集装置7中，最后发送到图像处理装置对采集信息进行处理。

所述光栅镜片2设置成能滤去一半的激光光束。

除所述物镜5外的部件的相对位置为固定。

所述物镜5是通过运动控制模块和对焦驱动模块来驱动对焦的，其中，运动控制模块用于改变对焦的水平坐标位置，对焦驱动模块用于改变物距从而改变被测物体的成像信息。

所述对焦驱动模块为伺服电机驱动。

所述伺服电机驱动步长为1μm。

所述图像采集装置7为CCD图像采集模块。

对该方案的进一步改进为：还包括用于观察对焦平台环境的视频模块。

再进一步的改进为：还包括用于存储图片信息和计算结果的存储模块。

一种激光式自动对焦装置的对焦方法，包括以下步骤：

1）图像采集装置采集图像信息；

2）将采集到的图像信息输送到图像处理装置进行灰度转换；

3）对所得灰度值进行平均灰度值计算，呈现上半圆、中心圆、下半圆三种光斑图像；

4）通过灰度分析法分析上述三种光斑图像的灰度值和灰度值分割点，判断离焦状态为上离焦还是下离焦状态；

5）根据所得离焦状态控制电机单方向运行移动物镜，若处于下离焦状态，则控制电机下移物镜，反之，则控制电机上移物镜；

6）对比前后帧图像灰度值；

7）根据梯度法，判断灰度值梯度方向的转折点，找出最小平均灰度值，确定焦平面。

本发明激光式自动对焦装置的成像原理符合凸透镜成像原理。参照图1，根据凸透镜成像原理，一个高度为H的被测物体6在经过具有焦距f的物镜5和反射镜4，在聚焦镜3上形成高为h的倒像，其中，物镜5到被测物体6的距离A为物距，聚焦镜3到光栅镜片2的距离a为像距，那么，根据凸透镜成像的原理，焦距f与物距A和像距a应当满足下列关系式：

              （1）

然而，由于半光线的特殊光学回路，以致只有半个物体成像，对于图像的采集而言，根据图1所示光线几何关系，满足以下关系式：

                （2）

参照图1，光栅镜片2的水平夹角θ为45°，其最终投射到CCD图像采集模块中的真实成像尺寸为rh，满足以下关系式：

rh = 

              （3）

结合公式（2）和公式（3），可得到：

A=a

             （4）

将公式（4）带入到公式（1），可以得到：

               （5）

以上计算得出正确对焦情况下的焦距。

本发明自动对焦装置中物镜5为可移动，其余组件为固定，因此，像距a固定不变，结合以上计算，可知要想实现正确对焦需要调整物距A，本发明对焦方法通过控制电机上下移动物镜5，使其物距A与焦距f相等，从而实现准确对焦。

参照图1，通过移动物镜，会出现上离焦、准对焦和下离焦三种状态，相应地，投射到CCD图像采集模块的图像信息同样出现三种光斑图像，参照图2，理想状态下，上离焦状态呈现上半圆光斑图像P1，准确对焦呈现中心圆点光斑图形P2，下离焦状态呈现下半圆光斑图像P3。

参照图3，该流程图描述本发明完成对焦的一种方法，以如下步骤进行：S1：CCD图像采集模块采集光斑图像信息，获取图像信息；S2：根据灰度转换公式进行灰度转换，得出像素点i的灰度值：

         （6）

S3：图像分割；S4：提取上半图像灰度值，计算出平均灰度值；S5：提取下半图像灰度值，计算出平均灰度值；S6：比较灰度值、判断离焦状态，采集图片像素为640×480，并结合公式（6），得到半幅图片的灰度平均值计算公式：

        （7）

比较上半幅光斑图像和下半幅光斑图像平均灰度值，判断初始状态；S7：若处于上离焦状态，则控制电机上移物镜；S8：若初始状态为非上离焦状态则控制电机下移物镜；这样只需单方向运动，避免物镜上下往复运动；S9：物镜移动步长为1μm，在物镜移动过程中实时存储最近10帧图像的灰度值；S10：作分析比较，得出灰度值梯度方向，直到某帧图片N的灰度值梯度方向发生改变，即梯度转折点，则可以初步得出第N帧对应的焦平面为最佳对焦，为确保准确性，继续分析N+10帧图像灰度值梯度方向，最终达到准确判断焦平面；S11：移动电机，并完成对焦。

根据灰度分析，本发明对焦方法会出现以下两种情况：

第一，初始离焦状态。参照图4，初始状态处于离焦状态，平均灰度值为非最小值，且随着物镜移动，灰度值呈现先减小后增大的现象，灰度值的梯度方向在N处发生改变，从正向变为负向，继续分析N+10帧图像灰度值梯度方向，可确定步长为N处对应的焦平面为准确聚焦平面；

第二，初始准对焦状态。参照图5，初始状态恰好处于准确对焦状态，灰度值为最小，并随物镜移动灰度值逐渐增加，并且灰度值梯度方向不发生变化，可确定初始状态为准确对焦状态。

本发明所提供的自动对焦装置降低了对焦时间，同时提高了对焦的精度。本发明所提供的对焦方法，能快速判断出离焦状态，单方向控制电机，减少了处理大量图像信息的工作，从而极大减少了对焦时间，同时又不减少对焦的精度，极大提高了对焦性能。

Claims (10)

1.一种激光式自动对焦装置，包括激光发射器（1）、光栅镜片（2）、聚焦镜（3）、反射镜（4）、物镜（5）、图像采集装置（7）和图像处理装置，其特征在于：所述激光发射器（1）发射出的激光经光栅镜片（2）过滤，剩余的光速经过聚焦镜（3）形成平行光线后通过反射镜（4）的反射，再经过能自动调整位置的物镜（5）聚焦到被测物体（6）上，之后，该光线以与所述路径对称的路径反射回去，然后通过光栅镜片（2）反射到图像采集装置（7）中，最后发送到图像处理装置对采集信息进行处理。

2.根据权利要求1所述的激光式自动对焦装置，其特征在于：所述光栅镜片（2）设置成能滤去一半的激光光束。

3.根据权利要求2所述的激光式自动对焦装置，其特征在于：除所述物镜（5）外的部件的相对位置为固定。

4.根据权利要求3所述的激光式自动对焦装置，其特征在于：所述物镜（5）是通过运动控制模块和对焦驱动模块来驱动对焦的，其中，运动控制模块用于改变对焦的水平坐标位置，对焦驱动模块用于改变物距从而改变被测物体的成像信息。

5.根据权利要求4所述的激光式自动对焦装置，其特征在于：所述对焦驱动模块为伺服电机驱动。

6.根据权利要求5所述的激光式自动对焦装置，其特征在于：所述伺服电机驱动步长为1μm。

7.根据权利要求1所述的激光式自动对焦装置，其特征在于：所述图像采集装置（7）为CCD图像采集模块。

8.根据权利要求1所述的激光式自动对焦装置，其特征在于：还包括用于观察对焦平台环境的视频模块。

9.根据权利要求1所述的激光式自动对焦装置，其特征在于：还包括用于存储图片信息和计算结果的存储模块。

10.一种激光式自动对焦装置的对焦方法，包括以下步骤：

1）图像采集装置采集图像信息；

2）将采集到的图像信息输送到图像处理装置进行灰度转换；

3）对所得灰度值进行平均灰度值计算，呈现上半圆、中心圆、下半圆三种光斑图像；

4）通过灰度分析法分析上述三种光斑图像的灰度值和灰度值分割点，判断离焦状态为上离焦还是下离焦状态；

5）根据所得离焦状态控制电机单方向运行移动物镜；

6）对比前后帧图像灰度值；

7）根据梯度法，判断灰度值梯度方向的转折点，找出最小平均灰度值，确定焦平面。

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