一种激光直接成像系统中最佳焦面的查找方法与流程

本发明涉及激光成像系统技术领域，具体涉及一种激光直接成像系统中最佳焦面的查找方法。

背景技术：

在多成像镜头的激光直接成像系统中，需要保证多个成像镜头的成像镜面在同一个水平面上，如果不在同一水平面上，各个镜头最终成像质量将不一致，影响直接成像系统的生产出来的产品的质量。现有技术，主要是利用人眼查看图像的质量，在人眼感受最好的图像时，记录为当前坐标值为成像镜头的最佳焦面位置。人工方法是：

(1)在图形发生器中播放一张静态图，一般为棋盘格，也可以是线条图、圆点散图或其他任意有图案的图像；

(2)打开光源,调整至合适亮度，以相机成像清晰可见且不过曝光为合适；

(3)水平移动相机成像镜头下方，移动z轴成像镜头焦面附近，微动z轴，相机抓取图像并记录z轴位置；

(4)人眼查看抓取所得的图像，选择图像中认为最清晰的图像，并认为该图像所抓拍位置为镜头的最佳焦面位置。

因为成像镜头都有一定的焦深，在比较大的范围内图像都是较为清晰的，细微的图像清晰度变化，人眼难以察觉，所以上述方法在实际使用过程中，因为采样过程离散，操作人员对最佳焦面的精确位置很难把握，不同的人测量结果差异很大，重复性差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种激光直接成像系统中最佳焦面的查找方法，该方法连续性好，抗噪性能好，重复性好，精度高，易学习，不依赖于个人经验，为生产装配提供了可靠的量化标准，保证了设备系统的品质的稳定性，同时加快了生产效率。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种激光直接成像系统中最佳焦面的查找方法，包括以下步骤：

(1)在图形发生器中播放一张静态图；

(2)根据成像镜头的设计焦距预设焦面的搜索范围；

(3)控制x、y轴使相机移动至成像镜头成像面的中间位置；

(4)通过控制z轴，使相机移动至成像镜头搜索起点位置；

(5)控制相机抓拍图像，计算该图像的成像锐度值,记录此时z轴坐标和图像成像锐度值；

(6)向靠近搜索终点的位置步进移动z轴；

(7)重复步骤(5)-(6)，直至相机成像面超过搜索终点；

(8)根据成像锐度值与z轴之间的关系，拟合二次曲线，求解二次曲线的最大值处的z轴坐标，即最佳焦面的z轴坐标。

上述方案中，所述静态图采用棋盘格、线条图、圆点散列图或其他任意图案的图像。

上述方案中，所述搜索范围大于焦深宽度。

上述方案中，所述步骤(2)中，焦面搜索起点和搜索终点包含焦面所在位置；步进移动z轴的距离最大不超过为像方焦深的一半，优选地，步进移动z轴的距离不超过像方焦深的三分之一。

上述方案中，所述成像锐度值与z轴坐标满足二次曲线分布,所述二次曲线方程为：

k＝az²+bz+c

其中，z为相机成像面的位置，k为相应z轴坐标下的图像锐度值，a、b、c为二次曲线方程的系数。

相机成像面清晰位置通过求取抛物线方程一阶导函数得到：z＝-b/2a。

由上述技术方案可知，本发明所述的激光直接成像系统中最佳焦面的查找方法，对图像的清晰度的数字化评价，再对离散数据进行二次曲线拟合，其有益效果显著。连续性好，抗噪性能好，重复性好，精度高，易学习，不依赖于个人经验，为设备装配过程提供了可靠的量化标准，保证了设备的品质和稳定性，同时加快了生产效率。

附图说明

图1是本发明的成像原理图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是本发明的系统结构原理图；

图4是本发明的采样分布关系和数学模型原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本实施例的激光直接成像系统中最佳焦面的查找方法，所采用的现有系统组成如下：如图3所示，包括图形发生器2(dmd,ti9500)，激光器6(disking15w405nm激光二极管模组)，控制系统7、成像镜头1、xy轴5、z轴3、工业相机4(jaispark2000)。

x、y、z轴用于控制镜头和相机4之间的相对位置，以便于相机可以观察到整个成像面。控制系统7用于计算相机摄入的图像成像锐度，控制运动系统移动和二次曲线的拟合计算。

如图1所示，现假设成像镜头的设计焦距为fo，成像镜头的焦深为d。设搜索距离为10d，工业相机成像面临近成像镜头的焦面，此时z轴坐标为zf，z轴的行程完全覆盖[zf-5d,zf+5d]。

如图2所示，激光直接成像系统中最佳焦面的查找方法，包括以下步骤：

步骤1：在图形发生器dmd屏中投入一张静态图，打开激光器6，调整成像的出光亮度，使工业相机4可以正常成像，不过曝光；该静态图可以是棋盘格、线条图、圆点散列图或其他任意图案的图像，也可以采用带有背光源的玻璃模板以取代图形发生器和静态图。带有背光源的玻璃模板可以是带有棋盘格、线条图、圆点散列图等图形结构的，可以是掩膜板。

步骤2：设定粗焦面和焦面的搜索范围，成像镜头成像面的中间位置(x0,y0)，搜索范围要求大于焦深宽度dof。本实例的搜索范围定义为焦深d的10倍，搜索起点在焦面的上方，搜索终点在焦面的下方，搜索起点到搜索终点包含了焦面所在的位置，并远大于焦深。调整光源到恰当的出光强度，相机成像时没有过曝光像素点；

步骤3：通过控制系统7控制运动系统将工业相机4至成像镜头正前方，控制x、y轴5使相机4移动至成像镜头成像面的中间位置；

步骤4：移动z轴至zf-5d位置,抓拍图像,记录此时z轴坐标z1和图像成像锐度值k1；为保证好的采样效果，兼顾效率，本实施例的移动步长为d/3，控制z轴向zf+5d方向移动。

步骤5：第i次抓取图像，计算该图像的成像锐度值,记录此时z轴坐标zi和图像成像锐度值ki，i从1开始依次递增；

常见的图像成像锐度评价函数有：krisch评价函数，brenner梯度函数，tenengrad梯度函数，laplacian梯度函数，smd(灰度方差)函数，方差函数等；本实施例使用krisch评价函数计算此时抓拍的图像的成像锐度值，。

步骤6：向靠近搜索终点的位置微动z轴，根据采样定理，移动距离最大不能超过dof/2，最小不限，其中dof为镜头的焦深；

步骤7：重复上述步骤5-6的过程，直至z轴坐标超过zf+5d。

步骤8：根据成像锐度值与z轴之间的关系，拟合二次曲线，求解二次曲线的最大值处的z轴坐标，即最佳焦面的z轴坐标；

如图4所示，成像锐度值与z轴坐标之间的关系满足二次曲线分布,令该二次曲线线方程为：k＝az²+bz+c，其中，z为相机成像面的z轴坐标，k为此时相机抓拍的图像的成像锐度值，a、b、c为二次曲线方程的几个系数。

根据上述公式：ki,zi,(i＝1,...,n)，现使用最小二乘法拟合曲线k＝az²+bz+c，求得二次曲线系数a、b、c。

最小二乘求解过程如下：

令

在m最小时，以下偏导函数值为零：

整理得：

即求下列线性方程程，其中解a、b、c

运用cramer法则：

a＝da/dm；b＝db/dm；c＝dc/dm，求得a、b、c。

步骤9：根据抛物线二次曲线函数的基本特征，最清晰的图像在该函数的极值条件下；该函数一阶导函数为k'＝2az+b，在二次曲线极值条件下，该导函数值为k'＝2az+b＝0，故得最清晰位置为z为：z＝-b/2a。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。