CN116358417A - 一种通过菲涅尔衍射原理判断物体边沿位置的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数据处理技术领域，特别是涉及一种通过菲涅尔衍射原理判断物体边沿位置的装置及方法。包括：平行激光光源，用于射出相互平行的激光光源；图像传感器，用于接收平行激光光源射出的相互平行的激光光源在经过被测物体遮挡后的平行光线，并形成光强衍射图像；测距装置，用于测量被测物体与图像传感器之间的距离；处理器，用于根据光强衍射图像中的特征数据信息和被测物体与图像传感器之间的距离确定被测物体在检测区域内的位置值。本发明相比于传统的红外线测量方式和超声波测量方式，具有精度高、线性度高等优点，相比于图像识别技术具有成本低、结构简单等优点，并且无需复杂的算法，激光光源可以忽略外界环境光所产生的影响。

Description

一种通过菲涅尔衍射原理判断物体边沿位置的装置及方法
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，特别是涉及一种通过菲涅尔衍射原理判断物体边沿位置的装置及方法。
背景技术
现有技术中，传感器识别物体边沿位置的方式中，可以通过超声波传感器、红外线传感器、图像识别等方法，超声波和红外线测量的方法，都是将发射端和接收端放置在被测物两侧，通过判断相比于发射量或者前一次测量量的变化量来判断遮挡的位置，图像识别是使用相机对物体进行拍照，通过算法识别出物体的边沿像素位置，在根据相机所在的位置，判断出边沿所在位置。
然而现有技术中，超声波和红外线测量物体边沿的方法普遍具有精度低的问题，一般在0.1mm，还具有线性度差的问题，一般在1-5%，并且超声波和红外线测量方法受限于发生器的尺寸，导致单器件测量范围小，一般只有几毫米，虽然使用拼接的方式可以增加测量范围，但是，对器件拼接的工艺要求高，且拼接处的测量值容易有很大的偏差，而通过图像识别的测量方式，图像质量易受外部环境光线和补光光源性能的影响，并且工业相机价格昂贵，需要专门的上位机来进行图像识别处理，精度也直接取决于算法和硬件的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过菲涅尔衍射原理判断物体边沿位置的装置及方法，本发明通过光源采用激光所产生的平行激光，使得光强均匀稳定，相比于传统的红外线测量方式和超声波测量方式，本发明具有精度高、线性度高等优点，相比于图像识别技术具有成本低、结构简单等优点，并且无需复杂的算法，激光光源可以忽略外界环境光所产生的影响。
为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的装置，包括：
平行激光光源，所述平行激光光源用于射出相互平行的激光光源；
图像传感器，所述图像传感器用于接收所述平行激光光源射出的相互平行的所述激光光源在经过被测物体遮挡后的平行光线，并形成光强衍射图像；
测距装置，所述测距装置用于测量所述被测物体与所述图像传感器之间的距离；
处理器，所述处理器用于根据所述光强衍射图像中的特征数据信息和所述被测物体与所述图像传感器之间的距离确定所述被测物体在检测区域内的位置值。
在本申请的一些实施例中，所述平行激光光源包括单色激光发生器和透镜，所述单色激光发生器设置于所述透镜的焦点上，由所述单色激光发生器射出的光线经所述透镜折射后形成相互平行的所述激光光源。
在本申请的一些实施例中，所述处理器还用于通过菲涅尔衍射原理确定所述光强衍射图像的特征数据信息，所述特征数据信息包括峰值位置、衍射发生的直边以及衍射距离值，所述处理器还用于确定所述平行激光光源与衍射发生的所述直边的投影点之间的距离，以确定所述被测物体在检测区域内的位置。
在本申请的一些实施例中，所述处理器还用于根据以下公式计算并确定所述平行激光光源与衍射发生的所述直边的投影点之间的距离：
Figure SMS_1
；
式中，
Figure SMS_2
为衍射光的波长，/>
Figure SMS_3
为平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离，/>
Figure SMS_4
为光强衍射图像的峰值位置和衍射发生的直边的距离。
在本申请的一些实施例中，所述光强衍射图像包括菲涅尔直边衍射仿真图和光强曲线图；
所述图像传感器还用于对所述光强曲线图的图像数值进行数值滤波处理。
在本申请的一些实施例中，所述图像传感器为CCD和CMOS中的一种。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的方法，应用于所述的菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的装置中，包括：
通过平行激光光源射出相互平行的激光光源，并确定所述激光光源的衍射光波长；
测量被测物物体表面与图像传感器之间的距离；
接收所述平行激光光源射出的相互平行的所述激光光源在经过被测物体遮挡后的平行光线，并形成光强衍射图像；其中，
所述光强衍射图像包括菲涅尔直边衍射仿真图和光强曲线图；
对所述光强曲线图的图像数值进行数值滤波处理；
对所述光强衍射图像进行拟合处理，并通过所述光强衍射图像确定所述被测物体在检测区域内的位置值。
在本申请的一些实施例中，所述对所述光强衍射图像进行拟合处理包括：
通过拟合所述光强衍射图像的函数曲线，并分析一阶导数和二阶倒数的函数特征，得到第一波峰点的位置。
在本申请的一些实施例中，所述对所述光强衍射图像进行拟合处理后，还包括：
通过所述光强衍射图像并根据以下公式计算并确定所述平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离：
Figure SMS_5
；
式中，
Figure SMS_6
为衍射光的波长，/>
Figure SMS_7
为平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离，/>
Figure SMS_8
为光强衍射图像的峰值位置和衍射发生的直边的距离。
在本申请的一些实施例中，根据以下公式确定所述被测物体衍射边沿的位置值：
n=X-
Figure SMS_9
；
式中，n为被测物体衍射边沿的位置值，X为第一波峰点的位置，
Figure SMS_10
为光强衍射图像的峰值位置和衍射发生的直边的距离。
本发明提供了一种通过菲涅尔衍射原理判断物体边沿位置的装置及方法，与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明通过平行激光光源射出单色激光产生，具有良好的稳定性，由于本发明的测量方法测量的是光强，且激光强度远大于外部环境光，因此在采集图像特征的时候外部环境光线不会产生明显的影响，有效地保证了测量精度，此外，由直射式光源成像，无需曝光，也无需复杂的图像边缘检测算法，也无需控制曝光时间等图像控制参数，简化了控制的过程，提高了检测效率，并且检测速度相比于照片图像识别的方法更快，在当位置发生改变时衍射的光强波形也会随即发生变化，也可以立刻识别。
附图说明
图1是本发明实施例中通过菲涅尔衍射原理判断物体边沿位置的装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中菲涅尔直边衍射仿真图；
图3是本发明实施例中光强曲线图；
图4是本发明实施例中通过菲涅尔衍射原理判断物体边沿位置的方法的流程图。
图中：1、单色激光发生器；2、透镜；3、图像传感器；4、测距装置；5、被测物体；6、处理器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内侧的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
现有技术中，超声波和红外线测量物体边沿的方法普遍具有精度低的问题，一般在0.1mm，还具有线性度差的问题，一般在1-5%，并且超声波和红外线测量方法受限于发生器的尺寸，导致单器件测量范围小，一般只有几毫米，虽然使用拼接的方式可以增加测量范围，但是，对器件拼接的工艺要求高，且拼接处的测量值容易有很大的偏差，而通过图像识别的测量方式，图像质量易受外部环境光线和补光光源性能的影响，进而造成无法进行准确的测量的问题。
因此，本发明提供了一种通过菲涅尔衍射原理判断物体边沿位置的装置及方法，通过光源采用激光所产生的平行激光，使得光强均匀稳定，相比于传统的红外线测量方式和超声波测量方式，本发明具有精度高、线性度高等优点，相比于图像识别技术具有成本低、结构简单等优点，并且无需复杂的算法，激光光源可以忽略外界环境光所产生的影响。
参阅图1所示，本发明的公开实施例提供了一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的装置，包括：
平行激光光源，平行激光光源用于射出相互平行的激光光源；
图像传感器3，图像传感器3用于接收平行激光光源射出的相互平行的激光光源在经过被测物体5遮挡后的平行光线，并形成光强衍射图像；
测距装置4，测距装置4用于测量被测物体5与图像传感器3之间的距离；
处理器6，处理器6用于根据光强衍射图像中的特征数据信息和被测物体5与图像传感器3之间的距离确定被测物体5在检测区域内的位置值。
可以理解的是，本发明的测量装置可以为激光三角测距装置，也可以是超声波测距装置等具有测距能力的装置，当为激光测距时，图像传感器可以为两部分，一部分产生衍射波形图像，另一部分用于三角测距激光的接收，也可以为单个的整体图像传感器，使其部分感光区域超出平行激光的范围，用于接收测距激光的反射光线，根据不同的使用情况本发明不做具体的限定。
在本申请的一种具体实施例中，平行激光光源包括单色激光发生器1和透镜2，单色激光发生器1设置于透镜2的焦点上，由单色激光发生器1射出的光线经透镜2折射后形成相互平行的激光光源。
在本申请的一种具体实施例中，处理器6还用于通过菲涅尔衍射原理确定光强衍射图像的特征数据信息，特征数据信息包括峰值位置、衍射发生的直边以及衍射距离值，处理器6还用于确定平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离，以确定被测物体5在检测区域内的位置。
在本申请的一种具体实施例中，处理器6还用于根据以下公式计算并确定平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离：
Figure SMS_11
；
式中，
Figure SMS_12
为衍射光的波长，/>
Figure SMS_13
为平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离，/>
Figure SMS_14
为光强衍射图像的峰值位置和衍射发生的直边的距离。
可以理解的是，确定平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离的公式是根据以下公式所推导的:
Figure SMS_15
；
式中，
Figure SMS_16
为衍射光的波长，/>
Figure SMS_17
为平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离，/>
Figure SMS_18
为光强衍射图像的峰值位置和衍射发生的直边的距离，由于菲涅尔衍射条纹的峰值位置和衍射发生的直边以及衍射距离有近似的固定关系，通过对上述公式进行变换，可以得出菲涅尔衍射峰值点距直边投影点之间的距离、波长以及光源到直边投影点间距离的关系式。
在本申请的一种具体实施例中，参阅图2-3所示，光强衍射图像包括菲涅尔直边衍射仿真图和光强曲线图；
图像传感器3还用于对光强曲线图的图像数值进行数值滤波处理。
在本申请的一种具体实施例中，图像传感器3为CCD和CMOS中的一种。
基于相同的技术构思，参阅图4所示，本发明还提供了一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的方法，应用于菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的装置中，包括：
通过平行激光光源射出相互平行的激光光源，并确定激光光源的衍射光波长；
测量被测物物体表面与图像传感器之间的距离；
接收平行激光光源射出的相互平行的激光光源在经过被测物体遮挡后的平行光线，并形成光强衍射图像；其中，
光强衍射图像包括菲涅尔直边衍射仿真图和光强曲线图；
对光强曲线图的图像数值进行数值滤波处理；
对光强衍射图像进行拟合处理，并通过光强衍射图像确定被测物体在检测区域内的位置值。
在本申请的一种具体实施例中，对光强衍射图像进行拟合处理包括：
通过拟合光强衍射图像的函数曲线，并分析一阶导数和二阶倒数的函数特征，得到第一波峰点的位置。
在本申请的一种具体实施例中，对光强衍射图像进行拟合处理后，还包括：
通过光强衍射图像并根据以下公式计算并确定平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离：
Figure SMS_19
；
式中，
Figure SMS_20
为衍射光的波长，/>
Figure SMS_21
为平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离，/>
Figure SMS_22
为光强衍射图像的峰值位置和衍射发生的直边的距离。
在本申请的一种具体实施例中，根据以下公式确定被测物体衍射边沿的位置值：
n=X-
Figure SMS_23
；
式中，n为被测物体衍射边沿的位置值，X为第一波峰点的位置，
Figure SMS_24
为光强衍射图像的峰值位置和衍射发生的直边的距离。
综上所述，本发明通过平行激光光源射出相互平行的激光光源，图像传感器接收激光光源在经过被测物体遮挡后的平行光线，并形成光强衍射图像，测距装置测量被测物体与图像传感器之间的距离，并通过处理器确定被测物体在检测区域内的位置值，改变了传统的传感器检测的方式，提高了精度和线性度高，并且结构简单，降低了成本。此外，本发明通过平行激光光源射出单色激光产生，具有良好的稳定性，由于本发明的测量方法测量的是光强，且激光强度远大于外部环境光，因此在采集图像特征的时候外部环境光线不会产生明显的影响，有效地保证了测量精度，同时由直射式光源成像，无需曝光，也无需复杂的图像边缘检测算法，也无需控制曝光时间等图像控制参数，简化了控制的过程，提高了检测效率，并且检测速度相比于照片图像识别的方法更快，在当位置发生改变时衍射的光强波形也会随即发生变化，也可以立刻识别。
以上仅为本发明的一个实施例子，但不能以此限制本发明的范围，凡依据本发明所做的结构上的变化，只要不失本发明的要义所在，都应视为落入本发明保护范围之内受到制约。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的***，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的装置，其特征在于，包括：
平行激光光源，所述平行激光光源用于射出相互平行的激光光源；
图像传感器，所述图像传感器用于接收所述平行激光光源射出的相互平行的所述激光光源在经过被测物体遮挡后的平行光线，并形成光强衍射图像；
测距装置，所述测距装置用于测量所述被测物体与所述图像传感器之间的距离；
处理器，所述处理器用于根据所述光强衍射图像中的特征数据信息和所述被测物体与所述图像传感器之间的距离确定所述被测物体在检测区域内的位置值。
2.根据权利要求1所述的一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的装置，其特征在于，
所述平行激光光源包括单色激光发生器和透镜，所述单色激光发生器设置于所述透镜的焦点上，由所述单色激光发生器射出的光线经所述透镜折射后形成相互平行的所述激光光源。
3.根据权利要求1所述的一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的装置,其特征在于，
所述处理器还用于通过菲涅尔衍射原理确定所述光强衍射图像的特征数据信息，所述特征数据信息包括峰值位置、衍射发生的直边以及衍射距离值，所述处理器还用于确定所述平行激光光源与衍射发生的所述直边的投影点之间的距离，以确定所述被测物体在检测区域内的位置。
4.根据权利要求3所述的一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的装置，其特征在于，
所述处理器还用于根据以下公式计算并确定所述平行激光光源与衍射发生的所述直边的投影点之间的距离：
Figure QLYQS_1
；
式中，
Figure QLYQS_2
为衍射光的波长，/>
Figure QLYQS_3
为平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离，
Figure QLYQS_4
为光强衍射图像的峰值位置和衍射发生的直边的距离。
5.根据权利要求1所述的一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的装置，其特征在于，
所述光强衍射图像包括菲涅尔直边衍射仿真图和光强曲线图；
所述图像传感器还用于对所述光强曲线图的图像数值进行数值滤波处理。
6.根据权利要求1所述的一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的装置，其特征在于，
所述图像传感器为CCD和CMOS中的一种。
7.一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的方法，应用于如权利要求1-6任一项所述的菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的装置中，其特征在于，包括：
通过平行激光光源射出相互平行的激光光源，并确定所述激光光源的衍射光波长；
测量被测物物体表面与图像传感器之间的距离；
接收所述平行激光光源射出的相互平行的所述激光光源在经过被测物体遮挡后的平行光线，并形成光强衍射图像；其中，
所述光强衍射图像包括菲涅尔直边衍射仿真图和光强曲线图；
对所述光强曲线图的图像数值进行数值滤波处理；
对所述光强衍射图像进行拟合处理，并通过所述光强衍射图像确定所述被测物体在检测区域内的位置值。
8.根据权利要求7所述的一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的方法，其特征在于，所述对所述光强衍射图像进行拟合处理包括：
通过拟合所述光强衍射图像的函数曲线，并分析一阶导数和二阶倒数的函数特征，得到第一波峰点的位置。
9.根据权利要求8所述的一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的方法，其特征在于，所述对所述光强衍射图像进行拟合处理后，还包括：
通过所述光强衍射图像并根据以下公式计算并确定所述平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离：
Figure QLYQS_5
；
式中，
Figure QLYQS_6
为衍射光的波长，/>
Figure QLYQS_7
为平行激光光源与衍射发生的直边的投影点之间的距离，
Figure QLYQS_8
为光强衍射图像的峰值位置和衍射发生的直边的距离。
10.根据权利要求9所述的一种通过菲涅尔衍射原理判断物体衍射边沿位置的方法，其特征在于，根据以下公式确定所述被测物体衍射边沿的位置值：
n=X-
Figure QLYQS_9
；
式中，n为被测物体衍射边沿的位置值，X为第一波峰点的位置，
Figure QLYQS_10
为光强衍射图像的峰值位置和衍射发生的直边的距离。
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