一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法和系统与流程

1.本发明涉及光学检测技术领域，具体来说，涉及一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法和系统。


背景技术：

2.据统计资料表明，人类从客观世界获取的信息，约有60-70％来自视觉信息；光电成像系统已广泛应用于工业、农业、医学、军事等领域，作为一种获取图像信息的工具，它可以用于生成过程监控、工况检测、图像拍摄、显微观察、医学图像分析、地质遥感和军事遥感等等；光学成像系统作为获取图像信息的有效手段，具有广泛应用，图像是信息传递的重要载体，如何获取清晰、高质量的图像画面一直是人们探索的方向与目标，图像质量直接关系着后续的图像处理与应用；图像作为一种高容量的信息载体已深深融入每个人的日常生活之中；各种各样的图像输入、输出设备已渐渐成为多媒体计算机的普通外设，并具有广泛的需求前景。
3.目前，随着自动控制技术和图像处理技术的快速发展，采用图像处理方法的自动对焦技术被应用于多个领域，比如工业光学检测、医学成像系统、多媒体技术领域等；在工业生产中常常需要对精密仪器进行质量检测，这就要求快捷、准确获取清晰的图像信息，自动对焦技术凸显至关重要的作用；
4.基于图像的自动调焦技术以其自身的优势逐渐成为国内外调焦技术的主流方向，基于图像的调焦方法日渐多样化，应用范围也越来越广，在调焦精度、速度、稳定度、可移植性等方面上得到了很大提升；例如，基于离焦深度法的自动调焦技术虽然只需采集少量图像即可估计出目标的深度信息，调焦速度块，但是其性能很大程度上依赖成像系统光学参数及离焦模型的准确性，调焦精度比较低，而对于清晰度算法来说是根据具体的应用场合提出的，但是当应用场合发生变化时，其调焦性能可能会下降，严重时甚至会导致调焦失败。
5.针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

6.针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法和系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
7.为此，本发明采用的具体技术方案如下：
8.根据本发明的一方面，提供一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法，该方法包括以下步骤：
9.s1、采集图像信息；
10.s2、对采集图像信息进行处理，并得到光斑图像；
11.s3、通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值；
12.s4、基于计算出的所述调焦评价值控制物镜沿垂直方向上下移动，直至对焦完成。
13.进一步的，所述采集图像信息包括以下步骤：
14.s11、初始化物镜位置；
15.s12、利用激光源向待观测物体发射激光束，并采集图像信息。
16.进一步的，所述对采集图像信息进行处理，并得到光斑图像包括以下步骤：
17.s21、对采集的图像进行直方图均衡化处理；
18.s22、对直方图均衡化处理后的图像进行去噪滤波处理；
19.s23、对去噪滤波处理的图像通过灰度转化公式进行灰度转换，并得到灰度值；
20.s24、对得到的所述灰度值进行平均灰度值计算。
21.进一步的，通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值的计算公式为：
[0022][0023]
其中，f(i)表示光斑图像的调焦评价值；
[0024]
i(x,y)表示光斑图像在(x,y)像素点处的强度；
[0025]
μ表示光斑图像的平均灰度值。
[0026]
进一步的，所述基于计算出的所述调焦评价值控制物镜沿垂直方向上下移动，直至对焦完成包括以下步骤：
[0027]
s41、控制物镜进行快速粗调焦，并确定细调焦范围；
[0028]
s42、控制物镜进行慢速细调焦，直至光斑图像最小时结束对焦。
[0029]
进一步的，所述控制物镜进行快速粗调焦，并确定细调焦范围包括以下步骤：
[0030]
s411、通过垂直位移台带动物镜快速垂直向下运动；
[0031]
s412、计算机记录垂直位移台当前位置并与此时光斑图像的调焦评价值一一对应；
[0032]
s413、通过判断公式判断当前位置对应的调焦评价值是否满足停止条件，若满足，则将物镜自当前位置k向上移动150μm至m点位置，并进入慢速细调焦阶段，若不满足，则垂直位移台继续垂直向下移动。
[0033]
进一步的，所述控制物镜进行慢速细调焦，直至光斑图像最小时结束对焦包括以下步骤：
[0034]
s421、通过垂直位移台带动物镜慢速垂直向下运动，将物镜自m点位置向下移动300μm至n点位置；
[0035]
s422、实现物镜所处位置与此时光斑图像的调焦评价值一一对并绘制调焦评价曲线；
[0036]
s423、基于调焦评价曲线计算出焦点f的位置，并将物镜移动至对应位置。
[0037]
进一步的，所述通过判断公式判断当前位置对应的调焦评价值的判断公式为：
[0038][0039]
其中，xk表示当前位置k处的调焦评价值；
[0040]
h表示检测阈值；
[0041]
表示当前位置k前k-1个位置评价值的均值；
[0042]
σ表示当前位置k前k-1个位置评价值的标准差。
[0043]
进一步的，所述采集图像信息采用ccd相机进行图像采集。
[0044]
根据本发明的另一方面，提供了一种基于激光的物镜自动跟随对焦系统，该系统包括：图像采集模块、图像处理模块、调焦评价值计算模块及自动对焦模块；
[0045]
所述图像采集模块，用于采集图像信息；
[0046]
所述图像处理模块，用于对采集图像信息进行处理，并得到光斑图像；
[0047]
所述调焦评价值计算模块，用于通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值；
[0048]
所述自动对焦模块，用于基于计算出的所述调焦评价值控制物镜沿垂直方向上下移动，直至对焦完成。
[0049]
本发明的有益效果为：
[0050]
1、本发明利用激光源向待观测物体发射激光束，然后采用ccd相机采集待观测物体表面的图像，并经过直方图均衡化、去噪滤波处理以及灰度转化处理，从而能够避免由于光照条件的影响，造成图像曝光不足或过度，图像动态范围受限，图像对比度下降，进而提高了图像的清晰度，提高了图像质量的准确性，能够为后续的处理提供基础。
[0051]
2、本发明通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值，能够判断处对焦状态，然后基于调焦评价值并快速粗调焦缩小调焦范围，可以提高调焦效率，具有一定的抗干扰能力，可避免陷入局部最优解；然后再慢速细调焦提高调焦精度，能够提高调焦精度，从而能够实现快速、精确、自动化的对焦，具有实时性、便捷性和高灵敏度。
附图说明
[0052]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0053]
图1是根据本发明实施例的一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法的流程图；
[0054]
图2是根据本发明实施例的一种基于激光的物镜自动跟随对焦系统的原理框图。
[0055]
图中：
[0056]
1、图像采集模块；2、图像处理模块；3、调焦评价值计算模块；4、自动对焦模块。
具体实施方式
[0057]
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
[0058]
根据本发明的实施例，提供了一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法和系统。
[0059]
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明的一个实施例，提高了一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法，该方法包括以下步骤：
[0060]
s1、采集图像信息；
[0061]
其中，所述采集图像信息包括以下步骤：
[0062]
s11、初始化物镜位置；
[0063]
s12、利用激光源向待观测物体发射激光束，并采集图像信息；
[0064]
具体的，所述采集图像信息采用ccd相机进行图像采集。
[0065]
具体的，ccd是一种新型的固体成像器件，是近代光学成像领域中非常重要的一种高新技术产品；作为一种新型图象传感器，ccd器件具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作简便、易于维护、成本低、应用广等诸多优点。由于ccd的像元尺寸小、几何精度高，配置适当的光学系统，即可获得很高的空间分辨率，特别适用于各种精密图像传感和无接触工件尺寸的在线检测，由于ccd是以时间积分方式工作的，光积分时间可在很宽的范围内调节，因此使用方便灵活，适应性强，ccd的输出信号易于数字化处理，易于与计算机连接组成实时自动测量控制系统，可以广泛用于光谱测量及光谱分析，文字与图象识别，光电图象处理，传真、复印、条形码识别及空间遥感等众多领域。
[0066]
s2、对采集图像信息进行处理，并得到光斑图像；
[0067]
具体的，在自动调焦系统中，由于光照条件的影响，造成图像曝光不足或过度，图像动态范围受限，图像对比度下降，在自动调焦过程中，由于镜头位置变化或光线照度波动，在光照条件亮度太亮或太暗的情况下，会造成图像曝光不足或过度。
[0068]
其中，所述对采集图像信息进行处理，并得到光斑图像包括以下步骤：
[0069]
s21、对采集的图像进行直方图均衡化处理；
[0070]
具体的，直方图均衡化则通过使用累积函数对灰度值进行“调整”以实现对比度的增强，直方图均衡化是图像处理领域中利用图像直方图对对比度进行调整的方法；这种方法通常用来增加许多图像的局部对比度，尤其是当图像的有用数据的对比度相当接近的时候；通过这种方法，亮度可以更好地在直方图上分布；这样就可以用于增强局部的对比度而不影响整体的对比度，直方图均衡化通过有效地扩展常用的亮度来实现这种功能。
[0071]
s22、对直方图均衡化处理后的图像进行去噪滤波处理；
[0072]
具体的，目标在成像、传输及存储的过程中容易受到成像器件自身以及周围环境等环境因素的干扰，而这些环境因素不可避免地会引入噪声，包括乘性噪声以及加性噪声，不仅会在一定程度上降低图像的成像质量，造成图像模糊，严重时还有可能淹没图像特征，因此有必要在图像质量分析前对目标图像进行平滑操作或滤波处理，从而改善目标图像的质量，增大图像的信噪比，提高后续图像质量可靠性。
[0073]
均值滤波属于线性滤波器，也称邻域加权平均法；某一像素点经均值滤波得到的图像灰度值是包括该像素点在内的某一邻域的几个像素灰度值的平均。
[0074]
s23、对去噪滤波处理的图像通过灰度转化公式进行灰度转换，并得到灰度值；
[0075]
s24、对得到的所述灰度值进行平均灰度值计算。
[0076]
具体的，激光源向待观测物体发射激光束，然后采用ccd相机采集待观测物体表面的图像，并经过直方图均衡化、去噪滤波处理以及灰度转化处理，从而能够避免由于光照条件的影响，造成图像曝光不足或过度，图像动态范围受限，图像对比度下降，进而提高了图像的清晰度，提高了图像质量的准确性，能够为后续的处理提供基础。
[0077]
s3、通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值；
[0078]
其中，通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值的计算公式为：
[0079][0080]
其中，f(i)表示光斑图像的调焦评价值；
[0081]
i(x,y)表示光斑图像在(x,y)像素点处的强度；
[0082]
μ表示光斑图像的平均灰度值。
[0083]
s4、基于计算出的所述调焦评价值控制物镜沿垂直方向上下移动，直至对焦完成；
[0084]
其中，所述基于计算出的所述调焦评价值控制物镜沿垂直方向上下移动，直至对焦完成包括以下步骤：
[0085]
s41、控制物镜进行快速粗调焦，并确定细调焦范围；
[0086]
其中，所述控制物镜进行快速粗调焦，并确定细调焦范围包括以下步骤：
[0087]
s411、通过垂直位移台带动物镜快速垂直向下运动；
[0088]
s412、计算机记录垂直位移台当前位置并与此时光斑图像的调焦评价值一一对应；
[0089]
s413、通过判断公式判断当前位置对应的调焦评价值是否满足停止条件，若满足，则将物镜自当前位置k向上移动150μm至m点位置，并进入慢速细调焦阶段，若不满足，则垂直位移台继续垂直向下移动。
[0090]
具体的，所述通过判断公式判断当前位置对应的调焦评价值的判断公式为：
[0091][0092]
其中，xk表示当前位置k处的调焦评价值；
[0093]
h表示检测阈值；
[0094]
表示当前位置k前k-1个位置评价值的均值；
[0095]
σ表示当前位置k前k-1个位置评价值的标准差。
[0096]
s42、控制物镜进行慢速细调焦，直至光斑图像最小时结束对焦；
[0097]
其中，所述控制物镜进行慢速细调焦，直至光斑图像最小时结束对焦包括以下步骤：
[0098]
s421、通过垂直位移台带动物镜慢速垂直向下运动，将物镜自m点位置向下移动300μm至n点位置；
[0099]
s422、实现物镜所处位置与此时光斑图像的调焦评价值一一对并绘制调焦评价曲线；
[0100]
s423、基于调焦评价曲线计算出焦点f的位置，并将物镜移动至对应位置。
[0101]
具体的，通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值，能够判断处对焦状态，然后基于调焦评价值快速粗调焦缩小调焦范围，可以提高调焦效率，具有一定的抗干扰能力，可避免陷入局部最优解；然后再慢速细调焦提高调焦精度，能够提高调焦精度，从而能够实现快速、精确、自动化的对焦，具有实时性、便捷性和高灵敏度。
[0102]
如图1所示，根据本发明的另一个实施例，提供了一种基于激光的物镜自动跟随对焦系统，该系统包括：图像采集模块1、图像处理模块2、调焦评价值计算模块3及自动对焦模
块4；
[0103]
所述图像采集模块1，用于采集图像信息；
[0104]
所述图像处理模块2，用于对采集图像信息进行处理，并得到光斑图像；
[0105]
所述调焦评价值计算模块3，用于通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值；
[0106]
所述自动对焦模块4，用于基于计算出的所述调焦评价值控制物镜沿垂直方向上下移动，直至对焦完成。
[0107]
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明利用激光源向待观测物体发射激光束，然后采用ccd相机采集待观测物体表面的图像，并经过直方图均衡化、去噪滤波处理以及灰度转化处理，从而能够避免由于光照条件的影响，造成图像曝光不足或过度，图像动态范围受限，图像对比度下降，进而提高了图像的清晰度，提高了图像质量的准确性，能够为后续的处理提供基础；本发明通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值，能够判断处对焦状态，然后基于调焦评价值并快速粗调焦缩小调焦范围，可以提高调焦效率，具有一定的抗干扰能力，可避免陷入局部最优解；然后再慢速细调焦提高调焦精度，能够提高调焦精度，从而能够实现快速、精确、自动化的对焦，具有实时性、便捷性和高灵敏度。
[0108]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：s1、采集图像信息；s2、对采集图像信息进行处理，并得到光斑图像；s3、通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值；s4、基于计算出的所述调焦评价值控制物镜沿垂直方向上下移动，直至对焦完成。2.根据权利要求1所述的一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法，其特征在于，所述采集图像信息包括以下步骤：s11、初始化物镜位置；s12、利用激光源向待观测物体发射激光束，并采集图像信息。3.根据权利要求1所述的一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法，其特征在于，所述对采集图像信息进行处理，并得到光斑图像包括以下步骤：s21、对采集的图像进行直方图均衡化处理；s22、对直方图均衡化处理后的图像进行去噪滤波处理；s23、对去噪滤波处理的图像通过灰度转化公式进行灰度转换，并得到灰度值；s24、对得到的所述灰度值进行平均灰度值计算。4.根据权利要求3所述的一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法，其特征在于，通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值的计算公式为：其中，f(i)表示光斑图像的调焦评价值；i(x,y)表示光斑图像在(x,y)像素点处的强度；μ表示光斑图像的平均灰度值。5.根据权利要求4所述的一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法，其特征在于，所述基于计算出的所述调焦评价值控制物镜沿垂直方向上下移动，直至对焦完成包括以下步骤：s41、控制物镜进行快速粗调焦，并确定细调焦范围；s42、控制物镜进行慢速细调焦，直至光斑图像最小时结束对焦。6.根据权利要求5所述的一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法，其特征在于，所述控制物镜进行快速粗调焦，并确定细调焦范围包括以下步骤：s411、通过垂直位移台带动物镜快速垂直向下运动；s412、计算机记录垂直位移台当前位置并与此时光斑图像的调焦评价值一一对应；s413、通过判断公式判断当前位置对应的调焦评价值是否满足停止条件，若满足，则将物镜自当前位置k向上移动150μm至m点位置，并进入慢速细调焦阶段，若不满足，则垂直位移台继续垂直向下移动。7.根据权利要求6所述的一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法，其特征在于，所述控制物镜进行慢速细调焦，直至光斑图像最小时结束对焦包括以下步骤：s421、通过垂直位移台带动物镜慢速垂直向下运动，将物镜自m点位置向下移动300μm至n点位置；s422、实现物镜所处位置与此时光斑图像的调焦评价值一一对并绘制调焦评价曲线；
s423、基于调焦评价曲线计算出焦点f的位置，并将物镜移动至对应位置。8.根据权利要求7所述的一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法，其特征在于，所述通过判断公式判断当前位置对应的调焦评价值的判断公式为：其中，xk表示当前位置k处的调焦评价值；h表示检测阈值；表示当前位置k前k-1个位置评价值的均值；σ表示当前位置k前k-1个位置评价值的标准差。9.根据权利要求1所述的一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法，其特征在于，所述采集图像信息采用ccd相机进行图像采集。10.一种基于激光的物镜自动跟随对焦系统，用于权利要求1-9中任意一项所述的基于激光的物镜自动跟随对焦方法的操作步骤，其特征在于，该系统包括：图像采集模块、图像处理模块、调焦评价值计算模块及自动对焦模块；所述图像采集模块，用于采集图像信息；所述图像处理模块，用于对采集图像信息进行处理，并得到光斑图像；所述调焦评价值计算模块，用于通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值；所述自动对焦模块，用于基于计算出的所述调焦评价值控制物镜沿垂直方向上下移动，直至对焦完成。

技术总结
本发明公开了一种基于激光的物镜自动跟随对焦方法和系统，该基于激光的物镜自动跟随对焦方法包括以下步骤：对采集图像信息进行处理，并得到光斑图像；通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值；基于计算出的所述调焦评价值控制物镜沿垂直方向上下移动，直至对焦完成。本发明通过调焦评价函数计算出光斑图像的调焦评价值，能够判断处对焦状态，然后基于调焦评价值并快速粗调焦缩小调焦范围，可以提高调焦效率，具有一定的抗干扰能力，可避免陷入局部最优解；然后再慢速细调焦提高调焦精度，能够提高调焦精度，从而能够实现快速、精确、自动化的对焦，具有实时性、便捷性和高灵敏度。度。度。


技术研发人员：贾磊 朱剑桥 张伟
受保护的技术使用者：南京光优达光电科技有限公司
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/25