CN108169757A - 中心像素高精度识别光测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种中心像素高精度识别光测量***及方法，其中***包括光发射装置、光阑、带通滤光片、被测物、窄带滤光片、聚焦装置、图像传感器和信号处理装置；光发射装置、光阑、带通滤光片和被测物沿第一光路依次排列；被测物、带通滤光片、所带滤光片、聚焦装置和图像传感器沿第二光路依次排列；光发射装置包括光发射器和连接于光发射器的光驱动电路和光功率控制电路；图像传感器连接信号处理装置。本发明的一种中心像素高精度识别光测量***及方法，通过对测量关键参数的控制，从而从***的角度解决光三角测量精度的问题，具有成本低和测量精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光测量领域，尤其涉及一种中心像素高精度识别光测量***及方法。
背景技术
激光三角法测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移或距离。
传统激光三角测距或测位移方法中，对激光光源以及光学***的设计提出了很高的要求，往往是通过增加了复杂的光学***辅助设计以提高整个***的测量精度，成本高昂，且在生产制造过程中很难保持一致性，提出的概念和方法很难实现批量性生产；且组成光学***构造的部件过多，设计精度要求苛刻，设计复杂，对于整个***的调试过程比较复杂，往往只适用于实验室阶段。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种中心像素高精度识别光测量***及方法，通过对测量关键参数的控制，从而从***的角度解决光三角测量精度的问题，具有成本低和测量精度高的优点。
为了实现上述目的，本发明提供一种中心像素高精度识别光测量***，包括一光发射装置、一光阑、一带通滤光片、一被测物、一窄带滤光片、一聚焦装置、一图像传感器和一信号处理装置；所述光发射装置向所述被测物发射光形成一第一光路，所述图像传感器沿一第二光路方向接收经所述被测物的反射光；所述光发射装置、所述光阑、所述带通滤光片和所述被测物沿所述第一光路依次排列；所述被测物、所述带通滤光片、所述窄带滤光片、所述聚焦装置和所述图像传感器沿所述第二光路依次排列；所述光发射装置包括一光发射器和连接于所述光发射器的一光驱动电路和一光功率控制电路；所述图像传感器连接所述信号处理装置。
优选地，所述光发射器包括一发光二极管，所述发光二极管采用激光二极管或LED二极管，所述光驱动电路包括：
所述发光二极管，所述发光二极管的正极连接一电源输入端；
一第一三极管，所述第一三极管的集电极连接所述发光二极管的负极；
一第一电阻，所述第一电阻连接于所述第一三极管的发射极和一接地端之间；
一第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述电源输入端，所述第二电阻的第二端连接所述发光二极管的基极；
一第二三极管，所述第二三极管的集电极连接所述第二电阻的第二端，所述第二三极管的发射极连接所述接地端；
一光控二极管，所述光控二极管的负极连接所述电源输入端，所述光控二极管的正极连接所述第二三极管的基极；和
一第三电阻，所述第三电阻的第一端连接所述光控二极管的正极和所述第二三极管的基极，所述第三电阻的第二端连接所述接地端。
优选地，所述光功率控制电路包括：
所述发光二极管；
一第三三极管，所述第三三极管的集电极连接所述发光二极管的正极，所述第三三极管的发射极连接所述接地端；和
一第四电阻，所述第四电阻的第一端连接一信号输入端，所述第四电阻的第二端连接所述第三三极管的基极。
优选地，所述光功率控制电路还包括一滤波电路，所述滤波电路包括两相互并联的滤波电容，所述滤波电路连接于所述电源输入端与所述接地端之间。
优选地，所述聚焦装置采用一凸透镜或一CCD镜头。
优选地，所述图像传感器采用线性CMOS感光器件。
优选地，所述光阑包括一基板和形成于所述基板的一光阑孔，所述光阑孔的中心位置与所述第一光路的光轴位置对应。
本发明的一种基于本发明所述的中心像素高精度识别光测量***的中心像素高精度识别光测量方法，包括步骤：
S1：通过对所述光功率控制电路的调节使得所述光发射器工作在线性区；
S2：控制所述光发射器向所述被测物发射所述光；
S3：所述图像传感器采集所述反射光形成的光信号并将所述光信号传送给所述信号处理装置；
S4：所述信号处理装置通过一像素中心算法处理所述光信号，获得当前光信号的一像素中心在所述图像传感器中的位置；
S5：根据一三角测量公式计算获得所述被测物与所述聚焦装置之间的距离L，所述三角测量公式为：
其中，f表示所述聚焦装置至所述图像传感器的距离；d表示所述光发射器中心与所述聚焦装置中心的间距；α表示所述第一光路和所述第二光路的夹角；x表示所述当前光信号的像素中心在所述图像传感器中的位置；M表示所述图像传感器的中心位置；N表示单个像素的尺寸大小；b表示所述图像传感器端面与所述聚焦装置端面的夹角。
优选地，所述像素中心算法选自一般灰质中心算法、平方灰质中心算法和回差灰质中心算法之一；
所述一般灰质中心算法的通过一公式(2)获得当前光信号的像素中心在所述图像传感器中的位置：
其中，Xi表示第i像素的x轴坐标值；Yi表示第i像素对应的电平值；S表示像素的取点开始位置，F表示像素的取点终止位置；
所述平方灰质中心算法通过一公式(3)获得当前光信号的像素中心在所述图像传感器中的位置：
所述回差灰质中心算法包括步骤：
S41：设定一期望阈值范围；
S42：设定一回差值扩大所述期望阈值范围获得一回差阈值范围，所述回差阈值范围的最小值为所述期望阈值范围的最小值减去所述回差值，所述回差阈值范围的最大值为所述期望阈值范围的最大值加上所述回差值；
S43：选取一所述像素的取点开始位置和一所述像素的取点终止位置；
S43：判断所述像素的取点开始位置和所述像素的取点终止位置是否在所述回差阈值范围内；如在，利用所述公式(3)计算获得当前光信号的像素中心在所述图像传感器中的位置；如不在，返回步骤S43。
优选地，所述S1步骤中：通过对所述光功率控制电路中所述第三电阻阻值的调节使得所述光发射器的电压和电流分别与所述光强度呈线性关系。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
带通滤光片和窄带滤光片的配合有效的阻止了环境光和其他波长段的光线进入到图像传感器，提高了图像传感器的灵敏度。光驱动电路用于驱动光发射器工作。光功率控制电路用于控制光发射器的功率。通过对光功率控制电路的调节，可将光发射器工作在线性区。信号处理装置用于对图像传感器的采集信号进行处理和计算。而由于像素中心算法的采用，使得本发明的中心像素高精度识别光测量方法能够更为精确地计算被测物的位移或距离。光驱动电路、光功率控制电路以及像素中心算法的配合，实现了可在本发明的较为简单的***结构的基础上获得更为精确的测量结果，具有成本低、测量精度高、操作便捷和易于推广的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的中心像素高精度识别光测量***的结构示意图；
图2为本发明实施例的光驱动电路的电路结构示意图；
图3为本发明实施例的光功率控制电路的电路结构示意图；
图4为本发明实施例的图像传感器的成像图；
图5为本发明实施例的像素中心算法的原理图；
图6为本发明实施例的三角测量公式的原理图；
图7为本发明实施例的中心像素高精度识别光测量方法的流程图。
具体实施方式
下面根据附图1～图7，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1，本发明实施例的一种中心像素高精度识别光测量***，包括一光发射装置1、一光阑2、一带通滤光片3、一被测物4、一窄带滤光片5、一聚焦装置6、一图像传感器7和一信号处理装置8；光发射装置1向被测物4发射光形成一第一光路，图像传感器7沿一第二光路方向接收经被测物4的反射光；光发射装置1、光阑2、带通滤光片3和被测物4沿第一光路依次排列；被测物4、带通滤光片3、窄带滤光片5、聚焦装置6和图像传感器7沿第二光路依次排列；光发射装置1包括一光发射器和连接于光发射器的一光驱动电路11和一光功率控制电路12；图像传感器7连接信号处理装置8。
本实施例中，聚焦装置6采用一凸透镜或一CCD镜头。图像传感器7采用线性CMOS感光器件。光阑2包括一基板和形成于基板的一光阑孔，光阑孔的中心位置与第一光路的光轴位置对应。
请参见图2，光发射器包括一发光二极管DL，发光二极管DL采用激光二极管或LED二极管，光驱动电路11包括：发光二极管DL、一第一三极管Q1、一第一电阻R1、一第二电阻R2、一第二三极管Q2、一光控二极管D1和一第三电阻R3。其中，发光二极管DL的正极连接一电源输入端V；第一三极管Q1的集电极连接发光二极管DL的负极；第一电阻R1连接于第一三极管Q1的发射极和一接地端GND之间；第二电阻R2的第一端连接电源输入端V，第二电阻R2的第二端连接发光二极管DL的基极；第二三极管Q2的集电极连接第二电阻R2的第二端，第二三极管Q2的发射极连接接地端GND；光控二极管D1的负极连接电源输入端V，光控二极管D1的正极连接第二三极管Q2的基极；第三电阻R3的第一端连接光控二极管D1的正极和第二三极管Q2的基极，第三电阻R3的第二端连接接地端GND。
请参见图3，光功率控制电路12包括：发光二极管DL、一第三三极管Q3、一第四电阻R4和一滤波电路。其中，第三三极管Q3的集电极连接发光二极管DL的正极，第三三极管Q3的发射极连接接地端GND；第四电阻R4的第一端连接一信号输入端IN，第四电阻R4的第二端连接第三三极管Q3的基极。滤波电路包括两相互并联的滤波电容C，滤波电路连接于电源输入端V与接地端GND之间。
请参见图1，本实施例的一种中心像素高精度识别光测量***的工作原理如下：
光从光发射装置1产生后，经过光阑2的限制作用，使发出的光光斑显著减小，在遇到被测物4后光产生漫反射，漫反射回来的光经过带通滤光片3与窄带滤光片5，到达聚焦装置6，经过聚焦装置6的聚焦作用，光斑将落在图像传感器7的某一区域，并在图像传感器7上产生光电效应，图像传感器7输出一特定的电信号，经过信号处理装置8信号处理与计算后，计算被测物4的位置信息。
带通滤光片3是一有色透明材料构成，限制只允许大于该光波长的光线通过；窄带滤光片5将入射光的波长限制在一特定区域，只允许该区域范围内的光线通过；两种滤光片的组合使用，有效的阻止了环境光和其他波长段的光线进入到图像传感器7，提高了图像传感器7的灵敏度。
本实施例中，光阑2的设置包括以下三个要素：一、光阑2开孔的方向与图像传感器7方向垂直，这样有效减少图像传感器7的光斑数量；二、光阑2开孔区域安装时尽量处于光光斑的中心位置，以尽量保持从光阑2出来的光是均匀分布；三、光阑2窄缝开孔的最小宽度要满足光可以透出后不产生衍射现象的最小缝隙，又要满足投影后光斑能量的大小能满足接收管接收灵敏度的要求。光是平行光，被测物4上光斑的大小等于光阑2孔的宽度，因此，在距离较远时，要求光强度较大，对应光阑2孔宽度变大。
聚焦装置6将光反射回来的光线聚焦到图像传感器7成像区域，聚焦装置6采用透镜时，透镜类型不限于双凸透镜或平凸透镜。进一步的改善，可将单个凸透镜替换为可以调节的CCD镜头，从而实现更好的光线聚焦效果，减少光斑尺寸对测量结果的影响。
图像传感器7为线性CMOS感光器件，将接收到的光信号转换为电信号，在结构设计时，图像传感器7感光区域的中心位置与光发射的位置中心保持在一个平面内；接收后的信号处理是本***的核心。
另外，对光阑2间隙大小的控制，可以让图像传感器7成像呈现不同形状的图像，光阑2间隙越小，图像传感器7成像区域的顶部形状越小，对像素中心的计算与判定结果将更准确；光阑2间隙的大小，以不产生光波衍射的最小间隙为最佳的方案。
聚焦装置6采用透镜时，透镜的形状不限于双凸透镜或平凸透镜，或利用组合透镜产生更好的光斑成像效果。
图像传感器7为单线性或多线性CMOS器件时，都可以适用此方案。
光发射的波长不限于650nm，同样适用于其他波长段的处理结果。
信号处理装置8可以采用但不限于独立ADC模块或单片机集成的ADC模块。
本实施例的一种中心像素高精度识别光测量***不限于距离测量类产品，同样适用于位移测量类产品。
请参阅图4，图像传感器7接收到的光信号经过转换后，呈现一随像素坐标位置变化的电平信号，根据图像传感器7的CMOS感光区域分辨率的大小，转换后的电平信号呈一“几”字形分布，光斑越大，落入“几”字内部的像素越多；一般情况下处于“几”字形内有数十个像素的光斑点，需要根据这种图形的电平信号找出光斑的几何中心位置，光斑点的几何中心位置与最后测量的计算结果有直接关系。
请参阅图6和图7，本发明的一种基于本实施例的中心像素高精度识别光测量***的中心像素高精度识别光测量方法，包括步骤：
S1：通过对光功率控制电路12的调节使得光发射器工作在线性区。
本实施例中，通过对光功率控制电路12中第三电阻R3阻值的调节使得光发射器的电压和电流分别与光强度呈线性关系。
S2：控制光发射器向被测物4发射光。
光的强度设计除了满足安全性能外，还要有一定合适的强度，使反射光被图像传感器7接收后既不产生过压饱和，也不会因为光强度过于弱小使得图像传感器7接收信号过于柔弱。
S3：图像传感器7采集反射光形成的光信号并将光信号传送给信号处理装置8。
S4：信号处理装置8通过一像素中心算法处理光信号，获得当前光信号的一像素中心在图像传感器7中的位置。
本实施例中，像素中心算法选自一般灰质中心算法、平方灰质中心算法和回差灰质中心算法之一。像素中心算法的原理图可参见图5，其中，x表示像素的坐标位置，y表示像素对应坐标的电平值。
其中，一般灰质中心算法的通过一公式(2)获得当前光信号的像素中心在图像传感器7中的位置：
其中，Xi表示第i像素的x轴坐标值；Yi表示第i像素对应的电平值；S表示像素的取点开始位置，F表示像素的取点终止位置。
一般灰质中心算法对图像上下波动很厉害的波形得到的结果波动也比较大，对测量重复精度影响较大。
平方灰质中心算法通过一公式(3)获得当前光信号的像素中心在图像传感器7中的位置：
平方灰质中心算法可以有效的减少图像上下波动对测量重复精度的影响。
其中，回差灰质中心算法包括步骤：
S41：设定一期望阈值范围；
S42：设定一回差值扩大期望阈值范围获得一回差阈值范围，回差阈值范围的最小值为期望阈值范围的最小值减去回差值，回差阈值范围的最大值为期望阈值范围的最大值加上回差值；
S43：选取一像素的取点开始位置和一像素的取点终止位置；
S43：判断像素的取点开始位置和像素的取点终止位置是否在回差阈值范围内；如在，利用公式(3)计算获得当前光信号的像素中心在图像传感器7中的位置；如不在，返回步骤S43。
例如：回差灰质中心算法起始点取值始点可以从0点开始，终点至最后一个像素点结束，也可以去除底噪后，从S点开始，F点结束；回差法的算法回差灰质中心算法过程与平方灰质中心算法相似，取起始点时，预先设定一个阈值，如1000，对应起始为S1、F1，程序在计算前设定一个回差值，假设为20，此时回差阈值范围为980至1020，先判断取值的点是否在这个回差阈值范围内，如果对应的像素在这个回差阈值范围内，则利用公式(3)进行像素中心的判定；如果像素的值超出这个回差阈值范围，将重新进行起始点的判定。
回差值的设定不限于上例中的20，实际回差值的取值大小根据整个***要求相关。回差灰质中心算法可大大减少整个***的取点数量，提高***计算的效率。
S5：根据一三角测量公式计算获得被测物4与聚焦装置6之间的距离L，三角测量公式为：
其中，f表示聚焦装置6至图像传感器7的距离；d表示光发射器中心与聚焦装置6中心的间距；α表示第一光路和第二光路的夹角；x表示当前光信号的像素中心在图像传感器7中的位置；M表示图像传感器7的中心位置；N表示单个像素的尺寸大小；b表示图像传感器7端面与聚焦装置6端面的夹角。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种中心像素高精度识别光测量***，其特征在于，包括一光发射装置、一光阑、一带通滤光片、一被测物、一窄带滤光片、一聚焦装置、一图像传感器和一信号处理装置；所述光发射装置向所述被测物发射光形成一第一光路，所述图像传感器沿一第二光路方向接收经所述被测物的反射光；所述光发射装置、所述光阑、所述带通滤光片和所述被测物沿所述第一光路依次排列；所述被测物、所述带通滤光片、所述窄带滤光片、所述聚焦装置和所述图像传感器沿所述第二光路依次排列；所述光发射装置包括一光发射器和连接于所述光发射器的一光驱动电路和一光功率控制电路；所述图像传感器连接所述信号处理装置。
2.根据权利要求1所述的中心像素高精度识别光测量***，其特征在于，所述光发射器包括一发光二极管，所述发光二极管采用激光二极管或LED二极管，所述光驱动电路包括：
所述发光二极管，所述发光二极管的正极连接一电源输入端；
一第一三极管，所述第一三极管的集电极连接所述发光二极管的负极；
一第一电阻，所述第一电阻连接于所述第一三极管的发射极和一接地端之间；
一第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述电源输入端，所述第二电阻的第二端连接所述发光二极管的基极；
一第二三极管，所述第二三极管的集电极连接所述第二电阻的第二端，所述第二三极管的发射极连接所述接地端；
一光控二极管，所述光控二极管的负极连接所述电源输入端，所述光控二极管的正极连接所述第二三极管的基极；和
一第三电阻，所述第三电阻的第一端连接所述光控二极管的正极和所述第二三极管的基极，所述第三电阻的第二端连接所述接地端。
3.根据权利要求2所述的中心像素高精度识别光测量***，其特征在于，所述光功率控制电路包括：
所述发光二极管；
一第三三极管，所述第三三极管的集电极连接所述发光二极管的正极，所述第三三极管的发射极连接所述接地端；和
一第四电阻，所述第四电阻的第一端连接一信号输入端，所述第四电阻的第二端连接所述第三三极管的基极。
4.根据权利要求3所述的中心像素高精度识别光测量***，其特征在于，所述光功率控制电路还包括一滤波电路，所述滤波电路包括两相互并联的滤波电容，所述滤波电路连接于所述电源输入端与所述接地端之间。
5.根据权利要求1～4任一项所述的中心像素高精度识别光测量***，其特征在于，所述聚焦装置采用一凸透镜或一CCD镜头。
6.根据权利要求5所述的中心像素高精度识别光测量***，其特征在于，所述图像传感器采用线性CMOS感光器件。
7.根据权利要求5所述的中心像素高精度识别光测量***，其特征在于，所述光阑包括一基板和形成于所述基板的一光阑孔，所述光阑孔的中心位置与所述第一光路的光轴位置对应。
8.一种基于权利要求4所述的中心像素高精度识别光测量***的中心像素高精度识别光测量方法，包括步骤：
S1：通过对所述光功率控制电路的调节使得所述光发射器工作在线性区；
S2：控制所述光发射器向所述被测物发射所述光；
S3：所述图像传感器采集所述反射光形成的光信号并将所述光信号转换为电信号后传送给所述信号处理装置；
S4：所述信号处理装置通过一像素中心算法处理所述光信号，获得当前光信号的一像素中心在所述图像传感器中的位置；
S5：根据一三角测量公式计算获得所述被测物与所述聚焦装置之间的距离L，所述三角测量公式为：
其中，f表示所述聚焦装置至所述图像传感器的距离；d表示所述光发射器中心与所述聚焦装置中心的间距；α表示所述第一光路和所述第二光路的夹角；x表示所述当前光信号的像素中心在所述图像传感器中的位置；M表示所述图像传感器的中心位置；N表示单个像素的尺寸大小；b表示所述图像传感器端面与所述聚焦装置端面的夹角。
9.根据权利要求8所述的中心像素高精度识别光测量方法，其特征在于，所述像素中心算法选自一般灰质中心算法、平方灰质中心算法和回差灰质中心算法之一；
所述一般灰质中心算法的通过一公式(2)获得当前光信号的像素中心在所述图像传感器中的位置：
其中，Xi表示第i像素的x轴坐标值；Yi表示第i像素对应的电平值；S表示像素的取点开始位置，F表示像素的取点终止位置；
所述平方灰质中心算法通过一公式(3)获得当前光信号的像素中心在所述图像传感器中的位置：
所述回差灰质中心算法包括步骤：
S41：设定一期望阈值范围；
S42：设定一回差值扩大所述期望阈值范围获得一回差阈值范围，所述回差阈值范围的最小值为所述期望阈值范围的最小值减去所述回差值，所述回差阈值范围的最大值为所述期望阈值范围的最大值加上所述回差值；
S43：选取一所述像素的取点开始位置和一所述像素的取点终止位置；
S43：判断所述像素的取点开始位置和所述像素的取点终止位置是否在所述回差阈值范围内；如在，利用所述公式(3)计算获得当前光信号的像素中心在所述图像传感器中的位置；如不在，返回步骤S43。
10.根据权利要求9所述的中心像素高精度识别光测量方法，其特征在于，所述S1步骤中：通过对所述光功率控制电路中所述第三电阻阻值的调节使得所述光发射器的电压和电流分别与所述光强度呈线性关系。
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