CN105758381A - 一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测的方法，其包括如下步骤：产生一束平行相干光并垂直射向摄像头模组中的物镜；获取传感器芯片反射而产生的衍射频谱图像；计算衍射频谱图像的几何中心位置，以及衍射频谱图像的零级频谱的中心位置；由衍射频谱图像的零级频谱的中心位置与衍射频谱图像的几何中心位置是否重合来判断摄像头模组是否发生倾斜。本发明可提高摄像头模组倾斜探测的精确度。

Description

一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法

技术领域

本发明涉及一种摄像头模组倾斜探测的方法，尤其是一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法。

背景技术

近年来，人们对照相摄像功能的要求不断提高，反映在要求摄像头模组获取图像清晰度越来越高。而获取全局高清晰度的图像需要提高摄像头模组的像素，实现摄像头模组中图像传感器芯片与物镜的准确对焦，以及在摄像机模组生产装配过程中实现图像传感器芯片所在平面与物镜主平面平行。这就对摄像机模组生产线的要求有所提高，尤其是摄像头模组生产过程中图像传感器芯片所在平面与物镜主平面是否严格平行成为衡量摄像头模组性能好坏的关键。然而，摄像头模组由于镜头设计、制造缺陷以及摄像机装配等原因，易引起图像传感器芯片所处平面与物镜主平面发生一定角度的相对倾斜，这种倾斜会造成摄像头模组在实际工作中出现离焦现象，从而导致图像边缘过分模糊，图像品质下降。因此，如何探测摄像头模组中图像传感器芯片与物镜主平面是否产生倾斜成为仪器生产过程中的研究重点。

目前，摄像头模组的组装、调焦等工序仍是由人工完成，常用的方法是用人眼观察，找到聚焦点后，如果未察觉到图像传感器芯片相对物镜发生倾斜，则认为正确组装。但在人主观观察过程中会出现很多不确定因素，不能保证摄像头模组正确对焦以及未发生相对倾斜，并且人眼观察速度缓慢，这将耽误生产进度与降低产品的合格率。

公开号为CN2014180170U的专利公开了一种用于摄像头模组生产的自动聚焦机，由主控机、镜头夹、步进电机等装置构成，聚焦机的弹簧卡可以沿其直线轴承直线滑动以配合各种焦距的镜头，并利用光学***对摄像机模组中图像传感器芯片进行成像，以成像的清晰度来使得各种不同型号的摄像头模组进行快速地聚焦。但是该发明没有考虑摄像头模组中图像传感器芯片所在平面与物镜主平面位置相对倾斜引起的装配误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种可提高摄像头模组倾斜探测精确度的基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案。

一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法，其包括如下步骤：

S1、产生一束平行相干光并垂直射向摄像头模组中的物镜，所述平行相干光的中心轴线与物镜的光轴为共轴，平行相干光的中心轴线垂直于物镜的主平面；

S2、获取传感器芯片反射而产生的衍射频谱图像，该衍射频谱图像由平行相干光经摄像头模组的物镜会聚后，到达摄像头模组的传感器芯片，传感器芯片在接收到相干光束后在其表面产生反射，反射光束再次经过摄像头模组的物镜并在距离物镜一倍焦距处产生，所述衍射频谱图像为传感器芯片的衍射频谱图像；

S3、计算衍射频谱图像的几何中心位置，以及衍射频谱图像的零级频谱的中心位置；

S4、判断衍射频谱图像的零级频谱的中心位置与衍射频谱图像的几何中心位置是否重合，如果重合，则确定摄像头模组的物镜的主平面与传感器芯片为平行，如果不重合，则确定摄像头模组的物镜的主平面与传感器芯片为相对倾斜。

优选的，在步骤S4之后，有步骤S5：计算衍射频谱图像零级频谱中心位置相对于衍射频谱图像几何中心位置的偏移量和偏移方向。

优选的，在步骤S5之后，有步骤S6：根据偏移量和偏移方向计算摄像头模组的倾斜角度。

进一步，所述步骤S1，其具体为：

S11、选用相干光源产生一束相干光束；

S12、使相干光束通过一扩束准直镜组，得到直径增大的平行相干光束；

S13、使用一分光棱镜将直径增大的平行相干光束分为两束，其中一束光束经分光棱镜的斜面反射射向与原光束成90度的方向，另一束光束经透射射向摄像头模组的物镜。所述分光棱镜位于距离摄像头模组中物镜一倍焦距处，且所述分光棱镜为由两个大小等同的三角体组成的六面正方透镜，且所述分光棱镜的一面垂直于平行光束。

优选的，在步骤S2之后，使用步骤S13中的同一分光棱镜将传感器芯片反射并再次通过物镜的衍射光束分为两束，使其中一束光沿直线透射，使另一束光经分光棱镜的斜面反射。且衍射光束的反射光束所成的像用于步骤S3中计算衍射频谱图像的几何中心位置与零级频谱的中心位置。

由于摄像头模组中图像传感器芯片的二维阵列物理结构，与图像处理器产生的二维栅格在光束照射并反射时产生的光现象效果类型等同；图像传感器芯片反射光束经物镜衍射得到的频谱图像与傅里叶变换频谱图像效果等同；图像传感器芯片所在平面相对物镜主平面发生一定角度倾斜时，与图像处理器往二维栅格图像中加入相应大小相位因子的效果类型等同。

因此，进一步，所述步骤S6，其具体为：

S61、得到二维栅格图像中加入不同大小相位因子时相位与其零级频谱中心位置偏移量的对应关系。使图像处理器仿真生成二维栅格，经傅里叶变换得到二维栅格的傅里叶频谱图像，并定位频谱图像的零级频谱中心位置。图像处理器向二维栅格加入一系列大小不同的相位因子，经傅里叶变换得到加入相位因子的二维栅格的一系列傅里叶频谱图像，并定位这些频谱图像的零级频谱中心位置。图像处理***通过数据拟合建立相位因子大小与零级频谱中心位置的一一对应关系，从而得到相位因子的改变量与二维栅格在加入相位因子后的频谱图像零级频谱中心位置偏移量的关系；

S62、建立摄像头模组倾斜角度与频谱图像零级频谱中心位置的关系。图像处理器根据相位因子大小与二维栅格在加入对应相位因子后其傅里叶频谱图像零级频谱中心位置的关系，以及相位因子大小与图像传感器芯片所在平面相对物镜主平面的倾斜角度之间的关系，得到摄像头模组倾斜角度与图像传感器芯片的衍射频谱图像的零级频谱中心位置之间的关系；

S63、根据衍射频谱图像零级频谱中心位置相对衍射图像几何中心位置的偏移量的大小和偏移方向，确定摄像头模组的倾斜角度。

本发明的有益技术效果是：本发明通过得到摄像头模组中传感器芯片的衍射频谱图像，并计算衍射频谱图像的几何中心位置与零级频谱中心位置，从而快速地实现通过判断衍射频谱图像零级频谱中心位置与衍射频谱图像的几何中心位置是否重合，来探测摄像头模组是否产生了倾斜，从而提高摄像头模组倾斜探测精确度。

附图说明

图1为用于执行基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法的探测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中准直扩束镜组的结构示意图；

图3为本发明实施例中待探测摄像头模组的结构示意图；

图4为本发明一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法的流程图；

图5为本发明一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法的步骤S1的流程图；

图6为本发明实施例中摄像头模组的图像传感器芯片的二维物理结构示意图；

图7为本发明一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法的步骤S6的流程图；

图8为本发明实施例中原理二维栅格的傅里叶频谱图像；

图9为加入的相位因子为原始二维栅格图像周期的1/4时二维栅格图像的傅里叶频谱图；

图10为加入的相位因子为原始二维栅格图像周期的-1/4时二维栅格图像的傅里叶频谱图；

图11为本发明模拟仿真例中摄像头模组倾斜角度与图像探测器上零级频谱中心位置在频率域的偏移量的对应图；

图12为本发明模拟仿真例中摄像头模组倾斜角度与图像探测器上零级频谱中心位置在空间域的偏移量的对应图；

图13为本发明实施例中当摄像机模组无倾斜时图像探测器上采集得到的衍射频谱图；

图14为本发明实施例中当摄像机模组发生倾斜时图像探测器上采集得到的衍射频谱图；

图15为本发明实施例中当摄像机模组在图14的基础上发生更大角度倾斜时图像探测器上采集得到的衍射频谱图；

图16为本发明实施例中当摄像机模组在图15的基础上发生更大角度倾斜时图像探测器上采集得到的衍射频谱图；

图17为本发明实施例中当摄像机模组在图16的基础上发生更大角度倾斜时图像探测器上采集得到的衍射频谱图。

示意图中的标号说明：1相干光源；2扩束准直镜组；21第一凸透镜；22第二凸透镜；3分光棱镜；4摄像头模组；41物镜；42传感器芯片；5连续可调衰减片；6图像探测器；7图像处理器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法是如何探测摄像头模组倾斜的技术方案作进一步的详细说明。在本发明中，所谓“摄像头模组倾斜”，是指摄像头模组4中物镜41主平面与图像传感器42所处平面两者间的相对倾斜。

如图1所示，在一些实施例中，用于执行对摄像头模组4进行倾斜探测的探测装置包括有相干光源1、扩束准直镜组2、分光棱镜3、连续可调衰减片5、图像探测器6与图像处理器7构成。其中所述相干光源1可以是完全相干光源或部分相干光源，所述扩束准直镜组2可以是由两个直径与焦距不等的凸透镜组成，也可以是由多个不同类型透镜组成的拥有准直扩束功能的透镜。所述分光棱镜3为能将平行光束分为两束，其中一束能透射，另一束能沿垂直方向折射的透镜或透镜组。所述摄像头模组4为任何待探测的摄像头模组。所述连续可调衰减片5为中间带有小孔且小孔大小能连续调节的装置。所述图像探测器6可以是CCD器件或CMOS器件。所述图像处理器7可以是计算机也可以是任何能进行图像处理的装置。且相干光源1发出光束的中心、扩束准直镜组2的光轴、摄像头模组4的物镜的光轴为共轴，分光棱镜3的一面垂直于扩束准直镜组2的光轴，且分光棱镜3位于摄像头模组2物镜的一倍焦距处，连续可调衰减片5的光轴与图像探测器6的几何法线为共轴，连续可调衰减片5的光轴垂直于扩束准直镜组2的光轴且与扩束准直镜组2的光轴位于同一平面内。

优选地，相干光源1采用了型号为CoboltSamba-25型532纳米的激光器，其光波波长为λ＝532×10^-9m。准直扩束镜组2为放有直径为20um的针孔滤波器的显微物镜21与焦距是150mm的透镜22所组成。分光棱镜3为只带分束不带偏振功能的普通BS分光棱镜。摄像头模组4的传感器芯片42为分辨率为130万像素的CMOS芯片，物镜41的焦距f为＝150mm。连续可调衰减片5为大恒的圆形金属膜中性密度渐变滤光片，其光密度在0度至270度扇形内线性变化，通过旋转滤光片，可以很方便地调整衰减值。图像探测器6为分辨率为130万的CMOS相机，型号为大恒图像DH-HV1351UM。

下面对本发明所公开的基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测的方法进行说明，在下述说明中，是以图1所示的探测装置执行该探测方法的，以图2所示的由第一凸透镜21与第二凸透镜22所组成的扩束准直镜组2对光束执行扩束准直功能的，以图3所示的由物镜41与传感器芯片42组成的摄像头模组4示意任何待探测的摄像头模组的。然而，本领域技术人员在此基础上可以理解地，所采用的探测装置并不限定于图1与图2所示的实施例，也可以选用其他具有类似功能的探测装置，也可以探测其他类型的摄像头模组。

结合图4所示，在本发明的一些实施例中，一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法包括有如下步骤：

S1、产生一束平行相干光并垂直射向摄像头模组4中的物镜41，所述平行相干光的中心轴线与物镜41的光轴为共轴，平行相干光的中心轴线垂直于物镜41的主平面；

S2、获取传感器芯片42反射而产生的衍射频谱图像，该衍射频谱图像由平行相干光经摄像头模组4的物镜41会聚后，到达摄像头模组4的传感器芯片42，传感器芯片42在接收到相干光束后在其表面产生反射，反射光束再次经过摄像头模组4的物镜41并在距离物镜41一倍焦距处产生，所述衍射频谱图像为传感器芯片42的衍射频谱图像；

S3、计算衍射频谱图像的几何中心位置，以及衍射频谱图像的零级频谱的中心位置；

S4、判断衍射频谱图像的零级频谱的中心位置与衍射频谱图像的几何中心位置是否重合，如果重合，则确定摄像头模组4的物镜41的主平面与传感器芯片42为平行，如果不重合，则确定摄像头模组4的物镜41的主平面与传感器芯片42为相对倾斜。

优选的，在步骤S4之后，有步骤S5：计算衍射频谱图像零级频谱中心位置相对于衍射频谱图像几何中心位置的偏移量和偏移方向。

优选的，在步骤S5之后，有步骤S6：根据偏移量和偏移方向计算摄像头模组4的倾斜角度。

进一步，如图5所示，所述步骤S1，其具体为：

S11、选用相干光源1产生一束相干光束；

S12、使相干光束通过一扩束准直镜组2，得到直径增大的平行相干光束；

S13、使用一分光棱镜3将直径增大的平行相干光束分为两束，其中一束光束经分光棱镜3的斜面反射射向与原光束成90度的方向，另一束光束经透射射向摄像头模组4的物镜41。所述分光棱镜3位于距离摄像头模组4中物镜41一倍焦距处，且所述分光棱镜3为由两个大小等同的三角体组成的六面正方透镜，且所述分光棱镜的一面垂直于平行光束。

优选的，在步骤S2之后，使用步骤S13中的同一分光棱镜3将传感器芯片42反射并再次通过物镜41的衍射光束分为两束，使其中一束光沿直线透射，使另一束光经分光棱镜3的斜面反射。且衍射光束的反射光束所成的像用于步骤S3中计算衍射频谱图像的几何中心位置与零级频谱的中心位置。

如图6所示，摄像头模组4中图像传感器芯片42为二维阵列物理结构，与图像处理器产生的二维栅格在光束照射并反射时产生的光现象效果类型等同；图像传感器芯片42反射光束经物镜41衍射得到的频谱图像与傅里叶变换频谱图像效果等同；图像传感器芯片42所在平面相对物镜41主平面发生一定角度倾斜时，与图像处理器往二维栅格图像中加入相应大小相位因子的效果类型等同。

因此，结合图7，进一步，所述步骤S6，其具体为：

S61、得到二维栅格图像中加入不同大小相位因子时相位与其零级频谱中心位置偏移量的对应关系。由图像处理器7生成二维栅格图像，令图像的大小为M＝N＝256，以M和N为周期，v₀＝0。定义光栅图像为f(x,y)，大小为M×N，在光栅图像上乘上一个线性相位因子根据二维傅里叶变换相移定理可得

$F\{f(x,y)\exp \[i2\mathrm{\π}(\frac{u_{0}x}{M}+\frac{v_{0}y}{N})\]\}=F(u-u_0,v-v_0)---\left(1\right)$

其中f表示焦距。即空间域中的线性相移，引起了频率域中的频谱分布的平移(u₀,v₀)，这对应着入射平面波角度产生倾斜的情况。倾斜角度为的倾斜平面波在空域面上的复振幅分布为对应于光栅图像上的相位发生改变，即平面波发生角度倾斜时其频谱F(u-u₀,v-v₀)的形式不变，仅发生了平移，且平移量为(u₀,v₀)。根据零级衍射斑中心就是几何光学像点的结论，可找到零级衍射光斑的位置。仅考虑横向平移，可得到

而可得

其中x₀表示焦平面上以物理单位表示的图像坐标系下的横坐标。于是可得到图像处理器7往二维栅格图像加入不同大小相位因子得到的相位与零级频谱中心位置偏移量的对应关系。图8显示了二维栅格图像的傅里叶频谱图，图9为加入的相位因子为原始二维栅格图像周期的1/4时二维栅格图像的傅里叶频谱图，图10为加入的相位因子为原始二维栅格图像周期的-1/4时二维栅格图像的傅里叶频谱图，从图中可以看出衍射频谱图像的零级频谱在竖直方向上发生了平移。

S62、建立摄像头模组4倾斜角度与频谱图像零级频谱中心位置的关系。当二维栅格图像中加入的线性相位因子为H(x,y)＝exp(j2π(u₀x/M+v₀y/N))时，等同于摄像头模组4倾斜角度为由x₀＝u₀λf，可知x₀与u₀成正比，故x₀与的关系曲线走向和u₀与的关系曲线走向相同。因此可以建立摄像头模组4倾斜角度与频谱图像零级频谱中心位置的关系。图11为摄像头模组4倾斜角度与图像探测器7上零级频谱中心位置在频率域的偏移量的对应图，即曲线表示了u₀与的关系。图12为摄像头模组4倾斜角度与图像探测器7上零级频谱中心位置在空间域的偏移量的对应图，即表示了x₀与的关系。从图中可以看出，当倾斜角为零，即图像传感器芯片没有倾斜时，零级衍射光位于图像的几何中心，即平移量为零，说明摄像头模组4物镜41与图像传感器芯片42装配良好。改变偏角零级衍射光在垂直于光轴方向上发生平移，在光场范围内，随着逐渐增大，零级衍射光的平移量也逐渐增大；若逐渐减小，则平移量也逐渐减小，以此周期性变化。

S63、根据衍射频谱图像零级频谱中心位置相对衍射图像几何中心位置的偏移量的大小和偏移方向，确定摄像头模组4的倾斜角度。

为进一步说明本发明的实用性，图13显示了图像探测器7采集到的衍射图像零级频谱位于整个衍射图像几何中心的情况，即摄像机模组4中图像传感器芯片42相对物镜41无倾斜。在图像传感器芯片42受照射范围内，逐渐倾斜图像传感器芯片42，且倾斜角度逐渐增大，得到不同的结果，如图14、图15、图16、图17所示，可以看出随着倾斜角增大，衍射图像的零级频谱中心位置发生偏移，且由于所接收到的光场逐渐减小，故其亮度也随之变化，即逐渐变弱。由实际案例可以看出，通过探测衍射图像的零级频谱中心位置是否发生偏移能够有效探测到摄像机模组4是否产生角度倾斜。

以上实施例仅作为优选的方案来说明本发明的具体实施过程，不限制本发明所使用的装置类型及具体实施步骤，一切和本发明有类似实施步骤及原理的技术方案都受到本发明的保护。

Claims (8)

1.一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法，其特征在于该探测方法包括如下步骤：

S1、产生一束平行相干光并垂直射向摄像头模组中的物镜，所述平行相干光的中心轴线与物镜的光轴为共轴，平行相干光的中心轴线垂直于物镜的主平面；

S2、获取传感器芯片反射而产生的衍射频谱图像，该衍射频谱图像由平行相干光经摄像头模组的物镜会聚后，到达摄像头模组的传感器芯片，传感器芯片在接收到相干光束后在其表面产生反射，反射光束再次经过摄像头模组的物镜并在距离物镜一倍焦距处产生，所述衍射频谱图像为传感器芯片的衍射频谱图像；

S3、计算衍射频谱图像的几何中心位置，以及衍射频谱图像的零级频谱的中心位置；

S4、判断衍射频谱图像的零级频谱的中心位置与衍射频谱图像的几何中心位置是否重合，如果重合，则确定摄像头模组的物镜的主平面与传感器芯片为平行，如果不重合，则确定摄像头模组的物镜的主平面与传感器芯片为相对倾斜。

2.如权利要求1所述的一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法，其特征在于，在步骤S4之后，有步骤S5：计算衍射频谱图像零级频谱中心位置相对于衍射频谱图像几何中心位置的偏移量和偏移方向。

3.如权利要求2所述的一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法，其特征在于，在步骤S5之后，有步骤S6：根据偏移量和偏移方向计算摄像头模组的倾斜角度。

4.如权利要求1所述的一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法，其特征在于，步骤S1包括有如下步骤：

S11、选用相干光源产生一束相干光束；

S12、使相干光束通过一扩束准直镜组，得到直径增大的平行相干光束；

S13、使用一分光棱镜将直径增大的平行相干光束分为两束，其中一束光束经分光棱镜的斜面反射射向与原光束成90度的方向，另一束光束经透射射向摄像头模组的物镜。

5.根据权利要求4所述的一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法，其特征在于，步骤S13中所述分光棱镜位于距离摄像头模组中物镜一倍焦距处。

6.根据权利要求4所述的一种基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法，其特征在于，步骤S13中所述分光棱镜为由两个大小等同的三角体组成的六面正方透镜，且所述分光棱镜的一面垂直于平行光束。

7.如权利要求1所述的基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法，其特征在于：在步骤S2之后，使用步骤S13中的同一分光棱镜将传感器芯片反射并再次通过物镜的衍射光束分为两束，使其中一束光沿直线透射，使另一束光经分光棱镜的斜面反射。

8.如权利要求7所述的基于频谱分析的摄像头模组倾斜探测方法，其特征在于：衍射光束的反射光束所成的像用于步骤S3中计算衍射频谱图像的几何中心位置与零级频谱的中心位置。