專利名稱：一種光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦的方法及裝置，特別是涉及一種物面與光軸成一傾斜夾角(0°＜θ≤90°)的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
自從20世紀(jì)60年代開始，自動(dòng)調(diào)焦作為一種重要的自動(dòng)化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于照相機(jī)、顯微鏡、投影儀、攝像機(jī)、光刻設(shè)備和檢測儀器等光學(xué)成像系統(tǒng)。
自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)大致分為測距法和像檢測法。測距法通過系統(tǒng)主動(dòng)地發(fā)出超聲波或紅外線等探測波對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行測距，然后調(diào)節(jié)像距(或物距)達(dá)到聚焦清晰。像檢測法通過對(duì)調(diào)焦引起的像質(zhì)清晰度變化用圖像分析得到的參數(shù)加以衡量，從而判斷像接收平面是否處于理想成像位置。像檢測法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠直接用受調(diào)焦影響的圖像變化反饋控制調(diào)焦，對(duì)于其它原因引起的系統(tǒng)像面漂移也能同時(shí)消除。近年來自動(dòng)調(diào)焦的研究和應(yīng)用大多采用像檢測法中的像清晰度判斷法，該方法通常只需要很少或者不需要附加的器件就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦，而且可實(shí)現(xiàn)很高的調(diào)焦精度，但該方法要求圖像具有一定的對(duì)比度，而且它比測距法耗時(shí)多。
像清晰度判斷法自動(dòng)調(diào)焦的研究和應(yīng)用主要集中在兩方面(1)像清晰度的計(jì)算方法(即離焦函數(shù))的設(shè)計(jì)與選擇。離焦函數(shù)用于判斷成像時(shí)離焦的程度，主要是根據(jù)在物體聚焦清晰時(shí)，空間域上圖像的對(duì)比度最大，頻域上圖像的高頻部分最大，即細(xì)節(jié)最豐富。離焦函數(shù)決定了調(diào)焦的準(zhǔn)確性和靈敏性。離焦函數(shù)要求在調(diào)焦區(qū)域內(nèi)具有單峰性、靈敏度高、信噪比高、運(yùn)算量小等特點(diǎn)。(2)最佳成像位置的搜索方法，搜索方法的優(yōu)劣決定了自動(dòng)調(diào)焦過程的速度。
目前應(yīng)用的自動(dòng)調(diào)焦方法基本是沿軸向調(diào)節(jié)成像器件來實(shí)現(xiàn)聚焦清晰的軸向自動(dòng)調(diào)焦(如專利CN-1065341A中公開的一種光學(xué)圖像系統(tǒng)的調(diào)焦方法及裝置)。由于大多數(shù)的光學(xué)成像系統(tǒng)像接收面與光軸是垂直安裝的，所以利用軸向自動(dòng)調(diào)焦可以達(dá)到在景深之內(nèi)的物體能清晰成像。在實(shí)際的光學(xué)成像系統(tǒng)中，有一類重要的系統(tǒng)是成像物面與成像系統(tǒng)的光軸成一傾斜夾角，比如表面等離子共振成像技術(shù)、橢偏成像系統(tǒng)等。由于物平面與光軸成一傾斜夾角，由成像理論知，傾斜的物平面經(jīng)透鏡后的像也是一個(gè)與光軸傾斜的平面。這類系統(tǒng)必須同時(shí)滿足像面與像接收器件的軸向位置重合和角度重合。如果僅利用軸向自動(dòng)調(diào)焦方法，只能使樣品上一個(gè)局部聚焦清晰而無法實(shí)現(xiàn)像面的整體聚焦清晰。為此，本發(fā)明的角度自動(dòng)調(diào)焦方法，可以與軸向自動(dòng)調(diào)焦方法聯(lián)用，從而使得光學(xué)系統(tǒng)在獲得軸向調(diào)焦后聚焦清晰的情況下，達(dá)到像面的整體聚焦清晰的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要解決已有的光學(xué)成像系統(tǒng)聚焦時(shí)，像面與像接收面角度重合的問題(即角度調(diào)焦)，而使得整個(gè)像面的整體聚焦清晰；從而提供一種物面與光軸成一傾斜夾角(0°＜θ≤90°)的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，包括四部分(1)至少一塊成像透鏡3，該成像透鏡3安置在目標(biāo)物1和圖像接收和產(chǎn)生裝置5的光路中；(2)一個(gè)圖像接收裝置5用于接收光學(xué)圖像并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，如電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器；(3)至少一個(gè)用以控制有關(guān)成像部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的成像部件的驅(qū)動(dòng)和控制裝置；(4)至少一個(gè)用于對(duì)系統(tǒng)獲取的圖像進(jìn)行圖像分析處理系統(tǒng)7(該角度調(diào)焦裝置如圖1所示)，其中像接收裝置的像敏面幾何中心通過由成像透鏡確定的光軸，并處于與物面上對(duì)應(yīng)物點(diǎn)共軛的軸向位置，像接收裝置5可以圍繞通過像敏面幾何中心的軸線在入射面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；像接收裝置5將接收到的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，并通過與圖像分成及處理系統(tǒng)7電連接，把圖像的電信號(hào)傳送到圖像分析處理系統(tǒng)7；驅(qū)動(dòng)和控制裝置與像接收裝置5進(jìn)行機(jī)械連接和電控制連接，從而驅(qū)動(dòng)像接收裝置5沿像敏面中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；圖像分析及處理系統(tǒng)7通過電纜與驅(qū)動(dòng)和控制裝置電連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，一方面驅(qū)動(dòng)和控制裝置接收來自圖像分析處理系統(tǒng)7的指令從而驅(qū)動(dòng)像接收裝置5旋轉(zhuǎn)，另一方面圖像分析處理系統(tǒng)7得到來自驅(qū)動(dòng)和控制裝置反饋的像接收裝置旋轉(zhuǎn)的位置信息。
在上述裝置中，還包括在目標(biāo)物和透鏡之間的光路中設(shè)置光強(qiáng)衰減器，所述的光強(qiáng)衰減器包括光闌、衰減片或線性偏振器。
在上述裝置中，圖像分析處理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)或也可采用其它的單片機(jī)，單板機(jī)等電子電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。
在上述裝置中，驅(qū)動(dòng)和控制裝置包括電機(jī)5B及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5D、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)5A，以及像接收裝置的位置傳感反饋裝置；其中電機(jī)5B和驅(qū)動(dòng)器5D電連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制裝置分別與驅(qū)動(dòng)器5D和位置傳感反饋裝置電連接，電機(jī)5B安裝在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)5A上。
在上述裝置中，像接收裝置5安裝在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)5A上，安裝時(shí)保證攝像機(jī)的像敏面中線與旋轉(zhuǎn)臺(tái)軸線重合，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)5A與電機(jī)5B電聯(lián)接，電機(jī)5B與驅(qū)動(dòng)器5D電連接并接收來自電機(jī)控制卡的控制信號(hào)。還包括電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)5A安裝在支架6上，該支架6安裝在導(dǎo)軌4上；電機(jī)6B與絲杠6C進(jìn)行連接，絲杠6C與支架6用螺母6E配合固定，電機(jī)6B與其驅(qū)動(dòng)器6D電連接，驅(qū)動(dòng)器6D與計(jì)算機(jī)17中的步進(jìn)電機(jī)控制卡電連接，并接收來自電機(jī)控制卡的控制信號(hào)。還包括透鏡3安裝在支架3A上，支架3A安裝在導(dǎo)軌4上，電機(jī)3B與絲杠3C連接，絲杠3C與透鏡支架3A用螺母3E配合固定。
在上述裝置中，所述的像接收?qǐng)D像裝置5包括電荷耦合器件、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器或陣列式光電轉(zhuǎn)換圖像傳感器。
在上述裝置中，所述的電機(jī)包括步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)。
應(yīng)用本發(fā)明的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)像面整體聚焦清晰的方法，包括如下步驟(流程圖見圖4)(1)首先調(diào)整像接收裝置的像敏面幾何中心通過由成像透鏡確定的光軸，并處于與物面上對(duì)應(yīng)物點(diǎn)共軛的軸向位置；這可通過手動(dòng)調(diào)焦或軸向自動(dòng)調(diào)焦的方法調(diào)節(jié)物距或像距來實(shí)現(xiàn)；此時(shí)像敏面中心焦深范圍之內(nèi)的區(qū)域達(dá)到聚焦清晰，然后按照計(jì)算結(jié)果把旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)到像敏面處于理想成像角度的鄰域；(2)在圖像上選取一個(gè)或多個(gè)反映樣品整體特征的區(qū)域作為自動(dòng)調(diào)焦區(qū)域；(3)以選定的步距(比如，不大于最小允許角度調(diào)焦誤差的一半的步距)使像敏面圍繞通過其幾何中心的軸線在入射面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距，然后利用圖像分析處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集；(4)利用在調(diào)焦范圍內(nèi)具有單峰性、靈敏度高、信噪比高、運(yùn)算量小特點(diǎn)的自調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)步驟(2)中選中的自動(dòng)調(diào)焦區(qū)域進(jìn)行清晰度計(jì)算，得到此時(shí)的評(píng)價(jià)函數(shù)值U0；(5)在理論角度位置前后一定的角度范圍內(nèi)(如，在最小角度允許誤差的10-20倍的角度范圍內(nèi))重復(fù)進(jìn)行步驟(3)～(4)操作，得到n個(gè)自調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)值Ui(i＝1，2，...n)，在其中選擇最大的一個(gè)Umax，其對(duì)應(yīng)的角度位置為Pmax(6)將像敏面旋轉(zhuǎn)到到評(píng)價(jià)函數(shù)取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的位置Pmax，即為最佳聚焦的角度位置。
在上述本發(fā)明的角度自動(dòng)調(diào)焦方法中所述的像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)可以選用Laplacian函數(shù)；其形式如下FMLap＝∑∑[2g(x，y)]2其中，2g(x，y)＝4g(x，y)-g(x，y+1)-g(x，y-1)-g(x+1，y)-g(x-1，y)。
在上述的自動(dòng)調(diào)焦方法中還包括為了獲得好的調(diào)焦效果，通過設(shè)置合適的光學(xué)成像條件，比如，通過調(diào)節(jié)光闌來控制入射光能量和成像器件的電子增益，使得光學(xué)圖像具有一定的亮度。
在上述的自動(dòng)調(diào)焦方法中還包括為了提高調(diào)焦函數(shù)的靈敏度，利用像接收器件(如，面陣CCD圖像傳感器)連續(xù)抓取多幅圖像進(jìn)行積分平均的方法得到降低隨機(jī)噪聲的樣品圖像。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明提供的一種光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)是針對(duì)物面與光軸成一傾斜夾角(0°＜θ≤90°)的光學(xué)成像系統(tǒng)，彌補(bǔ)了軸向調(diào)焦方法只能達(dá)到像面上局部聚焦的不足，從而達(dá)到調(diào)焦時(shí)像面整體清晰的效果。
本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)節(jié)，并在本發(fā)明提供的角度自動(dòng)調(diào)焦方法下進(jìn)行工作，可以實(shí)現(xiàn)像面的整體清晰。


圖1是本發(fā)明光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)組成示意2是本發(fā)明的一種光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦過程的流程3是本發(fā)明的一種光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)實(shí)施例組成示意4是本發(fā)明聚焦調(diào)節(jié)過程的角度位置——評(píng)價(jià)函數(shù)值的歸一化曲線圖面標(biāo)示目標(biāo)物1 線偏振器件2支架2A步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2B 驅(qū)動(dòng)器2D 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2C驅(qū)動(dòng)器2D 透鏡3 支架3A電機(jī) 絲杠3C 驅(qū)動(dòng)器3D導(dǎo)軌4 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)5A 步進(jìn)電機(jī)5B驅(qū)動(dòng)器5D 像接收裝置5支架6步進(jìn)電機(jī)6B絲杠6C 驅(qū)動(dòng)器6D螺母6E計(jì)算機(jī)具體實(shí)施方式
參考附圖1對(duì)本發(fā)明制作的較佳的一個(gè)系統(tǒng)實(shí)施例，并結(jié)合自動(dòng)調(diào)焦方法進(jìn)行詳細(xì)的闡述。
目標(biāo)物1和像接收裝置5的像敏面幾何中心安裝在由透鏡3所確定的系統(tǒng)光軸上。一束平行的線偏振光波作為光源照射目標(biāo)物1，經(jīng)物體1表面反射后的光波經(jīng)過線偏振器件2和透鏡3后投射到像接收裝置5的像敏面上成像。像接收裝置5通過光電轉(zhuǎn)換，把獲取的圖像電信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)7中的圖像采集卡，圖像采集卡把電信號(hào)圖像轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能夠處理的圖像文件。
參考附圖3，在本實(shí)施例的系統(tǒng)中，目標(biāo)物體還可以采用白光光源或其它進(jìn)行照明，在目標(biāo)物1和透鏡3之間光路中可以采用加入光闌或兩個(gè)線性偏振器2，可以改變?nèi)肷涞紺CD視頻攝像機(jī)上的光強(qiáng)。其中線偏振器件2安裝在支架2A上，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2B通過支架上的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2C可帶動(dòng)線偏振器件2繞其中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)2B與驅(qū)動(dòng)器2D電連接，驅(qū)動(dòng)器2D與計(jì)算機(jī)7中的步進(jìn)電機(jī)控制卡電連接并接收來自步進(jìn)電機(jī)控制卡的控制信號(hào)。
透鏡3安裝在支架3A上，支架3A安裝在導(dǎo)軌4上并可以進(jìn)行線性平穩(wěn)滑動(dòng)，在滑動(dòng)中保證透鏡確定的光軸保持不變。步進(jìn)電機(jī)3B與絲杠3C連接并帶動(dòng)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，絲杠3C與透鏡支架3A上的螺母3E配合，從而帶動(dòng)透鏡支架3A沿導(dǎo)軌4進(jìn)行平移，實(shí)現(xiàn)對(duì)透鏡的平移調(diào)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)3B與其驅(qū)動(dòng)器3D電連接，驅(qū)動(dòng)器3D與計(jì)算機(jī)7中的步進(jìn)電機(jī)控制卡電連接并接收來自步進(jìn)電機(jī)控制卡的控制信號(hào)。
像接收裝置采用CCD視頻攝像機(jī)，CCD視頻攝像機(jī)5安裝在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)5A上，安裝時(shí)保證攝像機(jī)的像敏面中線與旋轉(zhuǎn)臺(tái)軸線重合，旋轉(zhuǎn)臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)5B帶動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)5B與驅(qū)動(dòng)器5D電連接并接收來自步進(jìn)電機(jī)控制卡的控制信號(hào)。旋轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在支架6上，該支架安裝在導(dǎo)軌4上以進(jìn)行平移。步進(jìn)電機(jī)6B與絲杠6C進(jìn)行連接，絲杠6C與支架6上的螺母6E配合，以帶動(dòng)支架6沿導(dǎo)軌4進(jìn)行平移，實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD視頻攝像機(jī)5的軸向平移調(diào)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)6B與其驅(qū)動(dòng)器6D電連接，驅(qū)動(dòng)器6D與計(jì)算機(jī)17中的步進(jìn)電機(jī)控制卡電連接并接收來自步進(jìn)電機(jī)控制卡的控制信號(hào)。
所述的計(jì)算機(jī)7中包含了以下四部分●圖像分析處理軟件對(duì)來自圖像采集卡的圖像進(jìn)行分析處理，為成像系統(tǒng)調(diào)節(jié)作準(zhǔn)備；●控制軟件對(duì)系統(tǒng)的成像倍率和聚焦?fàn)顩r進(jìn)行判斷，通過步進(jìn)電機(jī)控制卡給線偏振器件2、透鏡3和CCD視頻攝像機(jī)5的驅(qū)動(dòng)器2D、3D、5D、6D發(fā)送運(yùn)動(dòng)信號(hào)；●步進(jìn)電機(jī)控制卡給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器2D、3D、5D、6D分別發(fā)送運(yùn)動(dòng)信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2B、3B、5B、6B轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了線偏振器件2繞光軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、透鏡3沿光軸的平移、CCD視頻攝像機(jī)5沿光軸的平移及沿像敏面中心軸線的旋轉(zhuǎn)；●圖像采集卡接收來自CCD視頻攝像機(jī)5所獲取的圖像，并進(jìn)行格式變換，從而把圖像轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)中的圖像分析處理軟件能夠分析和處理的圖像格式(如，TIFF格式)；在上述實(shí)施例的系統(tǒng)中，也可以采用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)透鏡和CCD視頻攝像機(jī)進(jìn)行平移，這種情況也包含在本發(fā)明之中。
在上述實(shí)施例的系統(tǒng)中，圖像處理系統(tǒng)(如，實(shí)例中的計(jì)算機(jī)5)也可采用其它的單片機(jī)，單板機(jī)等電子電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。
為了實(shí)現(xiàn)此光學(xué)圖像處理系統(tǒng)的像面整體清晰，需要進(jìn)行軸向調(diào)焦和角度自動(dòng)調(diào)焦，按照如下的步驟進(jìn)行(參考圖2)(1)首先根據(jù)成像公式，計(jì)算機(jī)7通過步進(jìn)電機(jī)控制卡向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3D、5D、6D發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，這些驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)3B、5B、6B進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)透鏡3和CCD視頻攝像機(jī)5沿光軸方向按照一定的步距、速度、加速度進(jìn)行移動(dòng)，直到移動(dòng)到理論成像位置的鄰域內(nèi)(如，給定放大倍率下焦深的5～10倍的位置)為止，并且像敏面與光軸的夾角也達(dá)到理想成像角度的鄰域。然后，利用現(xiàn)有的軸向自動(dòng)調(diào)焦方法對(duì)樣品進(jìn)行成像聚焦，達(dá)到像敏面上通過其幾何中心并且垂直于入射面的像素的鄰域的圖像成像清晰，其具體調(diào)節(jié)方法在此不再贅述；(2)計(jì)算機(jī)7的控制軟件通過步進(jìn)電機(jī)控制卡向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器6D發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，此驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)6B進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使得CCD視頻攝像機(jī)5像敏面圍繞通過其幾何中心的軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距，步距大小為最小允許的角度誤差的一半；(3)為了獲得較好的調(diào)焦效果，計(jì)算機(jī)7通過步進(jìn)電機(jī)控制卡向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2D發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)偏振器2繞其中心軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而使得圖像的亮度達(dá)到一個(gè)合適的值，如果未能滿足要求，可以通過改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)來達(dá)到目的(比如，改變?nèi)肷渚€偏振光的線偏振方向或光強(qiáng))；(4)CCD視頻攝像機(jī)5攝取此時(shí)的目標(biāo)物體1的圖像，(為了提高調(diào)焦函數(shù)的靈敏度，利用CCD視頻攝像機(jī)5連續(xù)獲取多幅圖像并利用計(jì)算機(jī)7中的圖像處理軟件對(duì)其進(jìn)行多幅平均，從而降低了隨機(jī)噪聲對(duì)圖像的影響，以此圖像作為分析的基礎(chǔ))，并通過圖像采集卡把圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)7的圖像分析處理軟件能夠識(shí)別的圖像格式。在該圖像上選定一個(gè)包含一定像素的區(qū)域作為自動(dòng)調(diào)焦區(qū)域；(5)計(jì)算機(jī)7中的圖像處理軟件利用具有單峰性、靈敏度高、信噪比高、運(yùn)算量小特點(diǎn)的自調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)(此裝置選擇的評(píng)價(jià)函數(shù)為可以為Laplacian函數(shù))對(duì)選定的自動(dòng)調(diào)焦區(qū)域進(jìn)行清晰度值計(jì)算，得到此時(shí)的評(píng)價(jià)函數(shù)值U0。；(6)利用步驟(5)相同的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)(6)中得到的圖像中與步驟(2)中選中的相同區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，得到此時(shí)的評(píng)價(jià)函數(shù)值Ui(i＝1，2，...n)，并(7)在理論位置前后重復(fù)進(jìn)行(2)～(5)，得到Ui(i＝1，2...n)值及其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)所在的角度位置Pi；，在Ui中選擇最大的一個(gè)Umax，其對(duì)應(yīng)的像敏面位置為Pmax；(8)將CCD像敏面移動(dòng)到位置Pmax，即為最佳的角度聚焦位置。
本實(shí)施例應(yīng)用本發(fā)明的角度自動(dòng)調(diào)焦方法在聚焦調(diào)節(jié)過程的角度位置——評(píng)價(jià)函數(shù)值的歸一化曲線如圖4所示。該曲線采用Laplacian評(píng)價(jià)函數(shù)作為像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，采用的圖像預(yù)處理方式為100幅連續(xù)圖像時(shí)間積分平均方法。從圖中可以看出，該曲線在整個(gè)調(diào)焦過程中只有一個(gè)的最大值，最大值點(diǎn)處CCD攝像機(jī)像敏面的角度即為最佳聚焦位置。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，包括一個(gè)像接收裝置(5)和至少一塊成像透鏡(3)，該成像透鏡(3)安置在目標(biāo)物(1)和像接收裝置(5)的光路中；其特征在于還包括至少一個(gè)用以控制有關(guān)成像部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的成像部件的驅(qū)動(dòng)和控制裝置；和至少一個(gè)用于對(duì)系統(tǒng)獲取的圖像進(jìn)行圖像分析處理系統(tǒng)(7)；其中像接收裝置(5)的像敏面幾何中心通過由成像透鏡(3)確定的光軸，并處于與物面上對(duì)應(yīng)物點(diǎn)共軛的軸向位置，像接收裝置(5)是圍繞通過像敏面幾何中心的軸線在入射面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；像接收裝置(5)將接收到的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，并通過電連接把圖像的電信號(hào)傳送到圖像分析處理系統(tǒng)(7)；驅(qū)動(dòng)和控制裝置與像接收裝置(5)進(jìn)行機(jī)械連接和電控制連接，根據(jù)需要發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)二者沿像敏面中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；圖像分析處理系統(tǒng)(7)通過電纜與驅(qū)動(dòng)和控制裝置電連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
2.按權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)和控制裝置包括電機(jī)(5B)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(5D)、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(5A)，以及像接收裝置的位置傳感反饋裝置；其中電機(jī)(5B)和驅(qū)動(dòng)器(5D)電連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制裝置分別與驅(qū)動(dòng)器(5D)和位置傳感反饋裝置電連接，電機(jī)(5B)安裝在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(5A)上。
3.按權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于所述的像接收裝置(5)安裝在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(5A)上，安裝時(shí)保證攝像機(jī)的像敏面中線與旋轉(zhuǎn)臺(tái)軸線重合，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(5A)與電機(jī)(5B)電聯(lián)接，電機(jī)(5B)與驅(qū)動(dòng)器(5D)電連接并接收來自電機(jī)控制卡的控制信號(hào)。
4.按權(quán)利要求3所述的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于還包括電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(5A)安裝在支架(6)上，該支架(6)安裝在導(dǎo)軌(4)上；電機(jī)(6B)與絲杠(6C)進(jìn)行連接，絲杠(6C)與支架(6)用螺母(6E)配合固定，電機(jī)(6B)與其驅(qū)動(dòng)器(6D)電連接，驅(qū)動(dòng)器(6D)與計(jì)算機(jī)(17)中的步進(jìn)電機(jī)控制卡電連接，并接收來自電機(jī)控制卡的控制信號(hào)。
5.按權(quán)利要求3所述的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于還包括透鏡(3)安裝在支架(3A)上，支架(3A)安裝在導(dǎo)軌(4)上，電機(jī)(3B)與絲杠(3C)連接，絲杠(3C)與透鏡支架(3A)用螺母(3E)配合固定。
6.按權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于所述的像接收?qǐng)D像裝置(5)包括電荷耦合器件、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器或陣列式光電轉(zhuǎn)換圖像傳感器。
7.按權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于還包括在目標(biāo)物和透鏡之間設(shè)置光強(qiáng)衰減器，所述的光強(qiáng)衰減器包括光闌、衰減片或線性偏振器。
8.按權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于所述的圖像分析處理系統(tǒng)(7)包括計(jì)算機(jī)，單板機(jī)或電子電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。
9.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的方法，包括如下步驟A.首先調(diào)整像接收裝置的像敏面幾何中心通過由成像透鏡確定的光軸，并處于與物面上對(duì)應(yīng)物點(diǎn)共軛的軸向位置；此時(shí)像敏面中心焦深范圍之內(nèi)的區(qū)域達(dá)到聚焦清晰，然后按照計(jì)算結(jié)果把像敏面驅(qū)動(dòng)到理論的理想成像角度的鄰域；B.在樣品圖像上選取一個(gè)或多個(gè)反映樣品整體特征的區(qū)域作為自動(dòng)調(diào)焦區(qū)域；C.以選定的步距使像敏面圍繞通過其幾何中心的軸線在入射面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距，然后利用圖像分析處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集；D.利用選定的在調(diào)焦范圍內(nèi)的自調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)步驟(B)中選中的自動(dòng)調(diào)焦區(qū)域進(jìn)行清晰度計(jì)算，得到此時(shí)的評(píng)價(jià)函數(shù)值U0及像敏面對(duì)應(yīng)的角度值P0；E.在調(diào)焦角度允許誤差的10-100倍的范圍內(nèi)重復(fù)進(jìn)行步驟(C)～(D)操作，得到n個(gè)Ui值，其中i＝1，2，...n；并記錄此時(shí)像敏面所在的位置Pi；在Ui中選擇其中最大的一個(gè)Umax，及其對(duì)應(yīng)的角度位置Pmax；F.將像敏面旋轉(zhuǎn)至位置Pmax，即為最佳聚焦的角度位置。
10.按權(quán)利要求9所述的光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦的方法，其特征在于還包括利用像接收器件連續(xù)抓取多幅圖像進(jìn)行平均的方法得到樣品圖像。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像系統(tǒng)的角度自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括接收和產(chǎn)生圖像的圖像接收裝置和成像透鏡；用以控制有關(guān)成像部件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)和控制裝置；用于對(duì)獲取的圖像進(jìn)行分析及處理的系統(tǒng)；其中像接收裝置的像敏面幾何中心通過成像透鏡確定的光軸，并處于與物面上對(duì)應(yīng)物點(diǎn)共軛的軸向位置，像接收裝置圍繞通過像敏面幾何中心的軸線在入射面內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；像接收裝置將接收到的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，并把圖像的電信號(hào)傳送到圖像分析系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)和控制裝置根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)像敏面沿其中心線旋轉(zhuǎn)；圖像分析處理系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)和控制裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本發(fā)明彌補(bǔ)了軸向調(diào)焦方法只能達(dá)到像面上局部聚焦清晰的不足，從而達(dá)到像面整體清晰的效果。
文檔編號(hào)G03B3/00GK1655000SQ20041003946
公開日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2004年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月13日
發(fā)明者孟永宏, 靳剛 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所