專利名稱：影像測量儀光軸與物面垂直度的調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及視覺檢測領(lǐng)域，特別是涉及一種基于圖像區(qū)域清晰度的影像測量儀光 軸與物面垂直度的調(diào)節(jié)方法。
背景技術(shù)：
在基于CCD成像原理的影像測量系統(tǒng)中，系統(tǒng)光軸與被測物面的不垂直將會引起 測量誤差，尤其是在高精度的影像測量系統(tǒng)中，微小的偏角所引起的誤差都是不可接受的。 因此，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)光軸與被測物面的高精度調(diào)節(jié)是保證實(shí)現(xiàn)高精度測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前的檢測方法有多種，如①利用直角尺測量鏡筒與工作臺的垂直程度。但由于 鏡筒軸線與光軸的不重合性，精度較低；②直接拍攝已知標(biāo)準(zhǔn)圖案，如拍攝標(biāo)準(zhǔn)圓，比對不 同方位的直徑誤差。但由于圖案變形為二次誤差，評價精度亦不高；③采用準(zhǔn)直方法，從鏡 頭出射光線，遇工作臺反射面返回。當(dāng)光軸與物面法線重合時，反射光與出射光重合，否則 會有偏移。但此方法要求鏡筒能夠產(chǎn)生出射光，并且能精確測量反射光的偏移量，但受條件 限制，往往難以實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種根據(jù)不同區(qū)域 的圖像清晰度的變化規(guī)律，進(jìn)而調(diào)整物面與系統(tǒng)光軸垂直度精度的調(diào)整方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種影像測量儀光軸與物面垂直度的調(diào)節(jié)方法，包 括以下步驟A.調(diào)節(jié)物面至初始位置；B.將圖像劃分區(qū)域；其區(qū)域劃分是沿圖像坐標(biāo)系X方向和Y方向?qū)ΨQ的區(qū)域，所 述圖像區(qū)域選取處于圖像邊緣的區(qū)域。C.從緩存區(qū)讀出各區(qū)域圖像；D.選擇清晰度評價函數(shù)；最好選用梯度類函數(shù)中的平方梯度函數(shù)。E.計算步驟B中各個區(qū)域的清晰度函數(shù)值；F.微調(diào)物面，記錄Z向坐標(biāo)及清晰度函數(shù)值；所述微調(diào)精度與清晰度評價函數(shù)分 辨能力具有相匹配的調(diào)節(jié)精度。G.計算垂直度偏差并調(diào)節(jié)光軸與物面的垂直度；垂直度偏差為D2D1 = (2048-500) · ST(1)g = arcsin(2)
D2DI其中2048為相機(jī)橫向和縱向分辨率，500為所選取的圖像區(qū)域像素寬度，ST代表 像素當(dāng)量，BlCl為對稱區(qū)域到達(dá)清晰狀態(tài)的高度差，α為光軸與物面的微小傾角；以較大的Z向調(diào)節(jié)量對偏差值進(jìn)行計算，再以微小調(diào)節(jié)量實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)，通過 多次調(diào)節(jié)至各區(qū)域圖像在相同位置達(dá)到最佳清晰位置時，實(shí)現(xiàn)光軸與物面垂直度的調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的有益效果是依據(jù)區(qū)域間的位置關(guān)系和各區(qū)域最佳清晰位置的高度差計 算光軸與物面的微小傾角，并利用微調(diào)裝置對系統(tǒng)光軸與物面的垂直度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使各個 區(qū)域圖像的清晰度函數(shù)值在同一位置達(dá)到最大值，實(shí)現(xiàn)影像測量系統(tǒng)物面與系統(tǒng)光軸垂直 度的高精度調(diào)節(jié)。本發(fā)明無需其它輔助儀器，操作便捷，可有效提升光軸與物面的垂直度調(diào) 整精度，具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是垂直度調(diào)節(jié)方法示意圖；圖2是垂直度調(diào)節(jié)流程圖；圖3是圖像區(qū)域分割示意圖。
具體實(shí)施例方式當(dāng)被測物面動態(tài)的經(jīng)過清晰成像的景深區(qū)域，如系統(tǒng)光軸與物面不是嚴(yán)格垂直， 而存在一定的角度偏差時，視場中各部分區(qū)域達(dá)到理想對焦物面的時刻會有先后次序，也 就是說，同一視場的不同區(qū)域會在不同的位置達(dá)到最為清晰的成像狀態(tài)。如，系統(tǒng)光軸與物 面處于理想的垂直狀態(tài)時，視場中各部分區(qū)域達(dá)到最佳清晰成像的位置是一致的。圖1是垂直度調(diào)節(jié)方法示意圖。如圖1所示，Al和Al'為成實(shí)像條件下的物像共 軛面，相機(jī)的CXD感光面在M面，A1A2上的點(diǎn)成像在M面上；B2點(diǎn)成像在前焦面上，其在M 面上的像是一個彌散圓；同理，Cl點(diǎn)成像在后焦面上，其在M面上的像也是一個彌散圓。因 而不在A1A2上的物的像是各點(diǎn)在M面上的彌散圓的卷積，像的清晰度會降低。物面距離焦 平面的距離越遠(yuǎn)，在共軛面M上的清晰度越差。如，初始物面和系統(tǒng)光軸不垂直時，即存在 一定的角度偏差，物面的初始位置如D2D1所示，當(dāng)物面向A1A2的位置靠近時，物面上各個 區(qū)域所成的像都逐漸成更為清晰的像，直至物面運(yùn)動至B1B2的位置上，由于Bl在A1A2上， 因此Bl區(qū)域?qū)谙衩娉勺钋逦南瘢藭rB2與完全對焦面A1A2仍然存在一定的距離 偏差，因此B2區(qū)域在像面上成的像將會形成一個彌散斑，即沒有達(dá)到最清晰的像。再繼續(xù) 將物面沿該方向移動，物面將會達(dá)到C1C2的位置，此時，C2與完全對焦面A1A2重合，剛才 沒有達(dá)到最佳清晰成像的區(qū)域在C2位置將會在像面成最為清晰的像，而剛才在像面達(dá)到 最佳成像的區(qū)域在位置Cl時已經(jīng)遠(yuǎn)離完全對焦面，不會再成最清晰的像。由此可以看出， 當(dāng)物面法線與系統(tǒng)光軸存在一定的偏差時，物面上的各點(diǎn)呈最清晰像的位置在Z向上是不 同的。而當(dāng)物面與系統(tǒng)光軸處于理想的垂直狀態(tài)時，物面上各點(diǎn)能夠在相同的Z向位置上 達(dá)到最佳的成像清晰度，因此，反過來說，只有當(dāng)物面上各點(diǎn)在相同的Z向位置達(dá)到最清晰 狀態(tài)，說明此時的物面與系統(tǒng)光軸的垂直度是最為理想的。圖2是垂直度調(diào)節(jié)流程圖。如圖2所示，現(xiàn)根據(jù)前面所述的原理對本發(fā)明系統(tǒng)光 軸與物面的垂直度進(jìn)行調(diào)節(jié)。A.首先調(diào)節(jié)物面的位置，先將其調(diào)節(jié)至遠(yuǎn)離完全對焦面的一側(cè)，并對靶標(biāo)圖案或 平面度、邊緣輪廓較好的被測物成像。B.對系統(tǒng)采集的標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行區(qū)域劃分，選擇合適圖像區(qū)域；在劃分圖像區(qū)域 時，分別選擇沿圖像坐標(biāo)系X方向和Y方向?qū)ΨQ的區(qū)域，有利于系統(tǒng)光軸與物面垂直度偏差 的計算，便于確定物面垂直度的方向；圖像區(qū)域最好選擇處于邊緣的區(qū)域，該部分的區(qū)域清晰度對垂直度的偏差更加敏感。被測對象往往對平面尺寸精度沒有要求，但在選擇的區(qū)域 中最好具有較為豐富的邊緣信息，有利于清晰度函數(shù)的評價，如本發(fā)明中采用光刻模板。C.從緩沖區(qū)讀出各區(qū)域圖像；D.選擇清晰度評價函數(shù)，可以選擇梯度類函數(shù)；E.分別對各個區(qū)域的圖像計算出清晰度函數(shù)值；F.微調(diào)物面，記錄Z向坐標(biāo)及清晰度函數(shù)值；利用微調(diào)裝置將物面向理想對焦面 的方向移動，同時，記錄各位置下圖像中各區(qū)域圖像的清晰度函數(shù)值，根據(jù)清晰度函數(shù)值的 大小，擬合出各區(qū)域達(dá)到最佳清晰狀態(tài)的位置，最終依據(jù)區(qū)域間的位置關(guān)系和各區(qū)域最佳 清晰位置的高度差，計算出光軸與物面的微小傾角，并通過微調(diào)裝置對系統(tǒng)光軸與物面的 垂直度進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至各個區(qū)域圖像的清晰度函數(shù)值在同一位置達(dá)到最大值；在測量中，通 常先以較大的Z向調(diào)節(jié)量對偏差值進(jìn)行計算，再以微小調(diào)節(jié)量實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)，從而提高 測量效率，另外，光軸本身方向是可調(diào)整的。Z向微調(diào)機(jī)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)具有和清晰度評價函數(shù)分辨 能力相匹配的調(diào)節(jié)精度。G.通過多次重復(fù)調(diào)節(jié)，直至各區(qū)域圖像在相同位置達(dá)到最佳清晰位置，完成測量 的調(diào)節(jié)任務(wù)。圖3是圖像區(qū)域分割示意圖，即劃分好區(qū)域的被測物——光刻模板。實(shí)施例1，現(xiàn)以光刻模板圖案為測量對象，即光刻模塊上均勻分布的一系列園，對 本發(fā)明的成像系統(tǒng)光軸與物面垂直度的調(diào)節(jié)方法進(jìn)行詳細(xì)說明。A.調(diào)節(jié)光刻模板圖案位置，先將其調(diào)節(jié)至遠(yuǎn)離完全對焦面的一側(cè)，并對靶標(biāo)圖案 成像；B.對系統(tǒng)采集的標(biāo)準(zhǔn)圖像(2048X2048)進(jìn)行對稱的四個圖像區(qū)域劃分，即分別 在圖像的上下左右各選一塊對稱的矩形區(qū)域，區(qū)域大小為500X700像素。C.從圖像緩存區(qū)中讀出所選擇的四個區(qū)域的圖像灰度值；D.平方梯度函數(shù)作為清晰度評價函數(shù)，對四個區(qū)域分別計算出清晰度函數(shù)值。E.高精度微調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對拍攝系統(tǒng)進(jìn)行Z向位置調(diào)節(jié)，微調(diào)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度為 10 μ m。調(diào)節(jié)微調(diào)裝置將被測物從物面下方，以微小位移調(diào)節(jié)至物面上方，同時記錄各位置 下標(biāo)準(zhǔn)圖像中各區(qū)域圖像的清晰度函數(shù)值；更為具體的是粗調(diào)物面至接近清晰的位置，然后繼續(xù)調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕，以ΙΟμπι為 步進(jìn)單位，記錄下各個位置的圖像中四個不同區(qū)域(按前面所述進(jìn)行區(qū)域分割)的清晰度 數(shù)值，直至圖像各個區(qū)域完全處于模糊狀態(tài)。測量得到的數(shù)據(jù)見表1.表1初始測量部分?jǐn)?shù)據(jù)
權(quán)利要求
一種影像測量儀光軸與物面垂直度的調(diào)節(jié)方法，其特征在于包括以下步驟A.調(diào)節(jié)物面至初始位置；B.將圖像劃分區(qū)域；C.從緩存區(qū)讀出各區(qū)域圖像；D.選擇清晰度評價函數(shù)；E.計算步驟B中各個區(qū)域的清晰度函數(shù)值；F.微調(diào)物面，記錄Z向坐標(biāo)及清晰度函數(shù)值；G.計算垂直度偏差并調(diào)節(jié)光軸與物面的垂直度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的影像測量儀光軸與物面垂直度的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所 述步驟B的區(qū)域劃分是沿圖像坐標(biāo)系X方向和Y方向?qū)ΨQ的區(qū)域，所述圖像區(qū)域選取處于 圖像邊緣的區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的影像測量儀光軸與物面垂直度的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所 述步驟D選用梯度類函數(shù)中的平方梯度函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的影像測量儀光軸與物面垂直度的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所 述步驟F中的微調(diào)精度與清晰度評價函數(shù)分辨能力具有相匹配的調(diào)節(jié)精度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的影像測量儀光軸與物面垂直度的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所 述步驟G垂直度偏差為
全文摘要
本發(fā)明公開一種影像測量儀光軸與物面垂直度的調(diào)節(jié)方法，包括以下步驟調(diào)節(jié)物面至初始位置；將圖像劃分區(qū)域；從緩存區(qū)讀出各區(qū)域圖像；選擇清晰度評價函數(shù)并計算步驟B中各個區(qū)域的清晰度函數(shù)值；微調(diào)物面，記錄Z向坐標(biāo)及清晰度函數(shù)值；計算垂直度偏差并調(diào)節(jié)光軸與物面的垂直度。有益效果是依據(jù)區(qū)域間的位置關(guān)系和各區(qū)域最佳清晰位置的高度差計算光軸與物面的微小傾角，并利用微調(diào)裝置對系統(tǒng)光軸與物面的垂直度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使各個區(qū)域圖像的清晰度函數(shù)值在同一位置達(dá)到最大值，實(shí)現(xiàn)影像測量系統(tǒng)物面與系統(tǒng)光軸垂直度的高精度調(diào)節(jié)。本發(fā)明無需其它輔助儀器，操作便捷，可有效提升光軸與物面的垂直度調(diào)整精度，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G02B7/00GK101982966SQ20101052564
公開日2011年3月2日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者劉新波, 張立昆, 張進(jìn), 杜曉萍, 楊純, 王仲, 藍(lán)麗雯, 蔡振興 申請人:天津大學(xué);天津海鷗表業(yè)集團(tuán)有限公司