專利名稱：基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量方法與裝置屬于以采用光學(xué)方法為特征的計(jì)量設(shè)備領(lǐng)域中用于計(jì)量長(zhǎng)度、寬度或厚度的領(lǐng)域，尤其涉及一種在頻域基于兩幀靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像拼合方法的圖像傳感器像素間距測(cè)量方法與裝置。
背景技術(shù)：
圖像傳感器像素間距是精密測(cè)量領(lǐng)域非常重要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。例如，將ー個(gè)尺寸大小已知的目標(biāo)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像，根據(jù)目標(biāo)像所占圖像傳感器像素?cái)?shù)，以及像素間距， 即可知道目標(biāo)像的大小，最后通過(guò)目標(biāo)像的尺寸與目標(biāo)尺寸做商，就可以標(biāo)定該光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大率；另外，對(duì)一幅圖像進(jìn)行頻譜分析，只有知道像素間距，才可能準(zhǔn)確獲得該圖像的頻譜。然而，很多圖像傳感器的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，只給出了圖像傳感器的像元尺寸，而沒(méi)有給出像素間距，如陜西維視圖像的MV-1300UM型エ業(yè)數(shù)字相機(jī)，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)只給了像元的尺寸是5.211111\5.211111;又如武漢高德的IR113型非制冷焦平面機(jī)芯，它的像元尺寸是 25 ii mX 25 ii m，雖然同時(shí)給出填充因子> 80 %，但是仍然無(wú)法根據(jù)ー個(gè)不確定的填充因子數(shù)值來(lái)得到像素間距。如果我們利用上述圖像傳感器去標(biāo)定光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大率或獲得某圖像的頻譜，像素間距必定成為技術(shù)瓶頸。所以，測(cè)量圖像傳感器的像素間距顯得十分重要。一、圖像傳感器像素間距測(cè)量方法
背景技術(shù)：
對(duì)于圖像傳感器像素間距的測(cè)量方法，首先想到的就是在理論上，可以利用ー個(gè)投影到圖像傳感器表面且長(zhǎng)度可知的線狀圖像，除以該線狀圖像所覆蓋的像素個(gè)數(shù)，得到像素間距。在理想狀態(tài)下，這種方法具有以下兩個(gè)特點(diǎn)I)將線光源完全覆蓋到的像素，其灰度值作為基準(zhǔn)灰度值。2)對(duì)于線光源不能完全覆蓋到的邊緣像素，根據(jù)其灰度值與基準(zhǔn)灰度值的比值， 來(lái)判斷所能覆蓋部分的比例大小。然而這種方法卻有著不可避免的干擾因素，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。I)如果完全覆蓋到的像素飽和，則灰度值將保持255不變，不能完全覆蓋到的邊緣像素與完全覆蓋的像素之間的灰度值將不再具有比例關(guān)系，線光源所覆蓋邊緣像素的比例判斷就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。2)對(duì)線光源成像的過(guò)程中，一定會(huì)有背景光、隨機(jī)噪聲以及圖像傳感器暗電流的影響，受這些干擾因素的影響，會(huì)使得線光源完全覆蓋到的像素，灰度值也都不相同，這樣就會(huì)對(duì)基準(zhǔn)灰度值的判斷帶來(lái)困難。雖然這些缺點(diǎn)在理論上可以增大線光源的長(zhǎng)度，通過(guò)用更多的像素來(lái)均攤誤差得到彌補(bǔ)，但是增大線光源的長(zhǎng)度也會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題I)對(duì)于畸變大的光學(xué)鏡頭，増大線光源的長(zhǎng)度，可能會(huì)使線光源像在長(zhǎng)度上發(fā)生嚴(yán)重形變，這種情況下，不僅不能均攤誤差，而且反而會(huì)使像素個(gè)數(shù)的判斷誤差更大。
2)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，會(huì)使圖像傳感器對(duì)不同視場(chǎng)下相同強(qiáng)度的目標(biāo)具有不同的響應(yīng)。這樣又増加了基準(zhǔn)灰度值的判斷。正是由于這種方法具有上述一系列的問(wèn)題，因此在實(shí)際操作過(guò)程中，這種方法很少被采用，取而代之的是另一系列的方法。2005年4月，軍事工程學(xué)院學(xué)報(bào)第17卷第2號(hào)發(fā)表文章《基于聯(lián)合傅里葉變換測(cè)量CXD圖像采集系統(tǒng)的像素間距》，這篇文章介紹了ー種利用對(duì)中心対稱的兩個(gè)正方形目標(biāo)進(jìn)行兩次傅里葉變換的方法求得圖像采集系統(tǒng)像素間距的方法。該方法首先在空間光調(diào)制器上輸出一幅中心対稱的兩個(gè)正方形圖像，通過(guò)傅里葉透鏡成像，在C⑶表面得到該幅圖像的功率譜|S(u，v) I2，該功率譜經(jīng)過(guò)圖像采集系統(tǒng)放大p倍后得到實(shí)際功率譜IS' (u'， ゲ)I2;分別將|S(u，V) I2和實(shí)際功率譜|S' (u'，ゲ)I2再次顯示在空間光調(diào)制器上， 通過(guò)傅里葉透鏡再次成像、圖電采集系統(tǒng)放大，分別得到I S (u，v) I2的功率譜0(1，n)以及|s' (U'，V' ) I2的功率譜O (I '，V )，這里，0(い，V )和0(1，n)均為中心為比較亮的正方形，對(duì)稱在中心兩側(cè)為相對(duì)暗ー些的正方形圖樣，而且0(1 ' , n/ )經(jīng)過(guò)P倍放大后就是0(1，n)，因此，0(1，n)所占圖像采集系統(tǒng)像素?cái)?shù)D是0(ン,n/ ) 所占圖像采集系統(tǒng)像素?cái)?shù)D'的P倍，所以，可以利用D和D'的比值標(biāo)定出圖像采集系統(tǒng)的放大倍率P ;p值確定后，|s' (u' , V1 ) I2和od' , n')相繼可以確定，就能求出 od' , n')中兩正方形之間的距離d'，最后利用d' /D'求出CXD圖像采集系統(tǒng)的像素間距。這種方法的缺點(diǎn)是0(しn)和0(1 '，n ')均不能保證正方形恰好正好覆蓋到CXD圖像采集系統(tǒng)的ー個(gè)像素上，而且很大可能會(huì)橫跨在兩個(gè)像素，這對(duì)D和D'的判斷就會(huì)帶來(lái)困難，判斷時(shí)均容易出現(xiàn)±1誤差，從而使CCD圖像采集系統(tǒng)的放大倍率P的標(biāo)定結(jié)果存在誤差，進(jìn)而影響到0(1 ' , n/ )中兩個(gè)亮斑的間距d'的判斷，由于利用了 d' / D'，所以會(huì)使CXD圖像采集系統(tǒng)像素間距的判斷存在不可避免的誤差。2005年12月，軍事工程學(xué)院學(xué)報(bào)第17卷第6號(hào)發(fā)表文章《基于圓孔夫瑯和費(fèi)衍射的CXD像素間距標(biāo)定》，這篇文章介紹了ー種利用夫瑯和費(fèi)衍射分布圖來(lái)標(biāo)定CXD像素間距的方法。該方法利用平行光照射置于準(zhǔn)直物鏡焦距處的圓孔，在準(zhǔn)直物鏡表面形成圓孔的夫瑯和費(fèi)衍射分布圖，該分布圖經(jīng)準(zhǔn)直物鏡平行射出，入射到CCD表面形成該夫瑯和費(fèi)衍射分布圖的像。根據(jù)圓孔的直徑a，入射光波波長(zhǎng)\，以及準(zhǔn)直物鏡焦距f，即可得到圓孔夫瑯和費(fèi)衍射分布圖中中央亮斑直徑L = I. 22f入/a，再根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射分布圖中中央亮斑的直徑所占C⑶像素的數(shù)目N'，得到CXD的像素間距為S ' =L/N'。這種方法的缺點(diǎn)是不能保證中央亮斑的邊緣正好落在CXD的一個(gè)像素上，而且很大可能會(huì)橫跨在兩個(gè)像素，這就對(duì)夫瑯和費(fèi)衍射分布圖中中央亮斑直徑所占CCD像素?cái)?shù)目N'的判斷帶來(lái)困難， 容易出現(xiàn)±1誤差，使CXD像素間距的判斷存在不可避免的誤差。2008年6月，光子學(xué)報(bào)第37卷第6號(hào)發(fā)表文章《利用TFT-IXD像素機(jī)構(gòu)衍射測(cè)試CXD圖像采集系統(tǒng)的像素間距》，這篇文章介紹了ー種利用薄膜晶體管液晶顯示器 (TFT-IXD)測(cè)試CXD圖像采集系統(tǒng)像素間距的原理和方法。該方法首先通過(guò)TFT-IXD形成物方信號(hào)，根據(jù)TFT-IXD像元區(qū)域透光、非像元區(qū)域不透光的特性，可將其視為ー個(gè)由相互垂直的兩個(gè)周期矩形光柵構(gòu)成的ニ維光柵，將其置于傅里葉透鏡的前焦面，則在該傅里葉透鏡的后焦面上可以獲得ニ維光柵的頻譜強(qiáng)度分布圖。該頻譜分布圖為多級(jí)頻譜分布形式，其中，零級(jí)頻譜的中心位于譜面坐標(biāo)原點(diǎn)處，各高級(jí)次頻譜的分布形式及寬度與零級(jí)頻譜相同，但強(qiáng)度隨級(jí)次的升高而迅速降低，根據(jù)第m級(jí)頻譜中心到原點(diǎn)的距離為|naf/d|。 通過(guò)CCD圖像采集系統(tǒng)采集此ニ維光柵頻譜強(qiáng)度分布圖，井根據(jù)第m級(jí)頻譜中心到原點(diǎn)所占像素?cái)?shù)Nm，即可得到CXD圖像采集系統(tǒng)的像素間距為ImXf/dN」。這種方法也有同以上現(xiàn)有技術(shù)相同的缺點(diǎn)不能保證零級(jí)頻譜和第m級(jí)頻譜中心正好落在CCD的一個(gè)像素上，因 Nffl同樣會(huì)出現(xiàn)±1誤差，使CXD圖像采集系統(tǒng)像素間距的判斷存在不可避免的誤差。為了解決Nm存在±1誤差的問(wèn)題，文中采用了一種多次測(cè)量取平均值的方法，在不考慮放大倍數(shù)的情況下，求得的CCD圖像采集系統(tǒng)的像素間距為 r n J I 3Af 21/ Af Xf IXf 2>Xf
xCCD雨:!^雨x該方法在一定程度上緩解Nni的± I誤差問(wèn)題。2008年10月，光電技術(shù)應(yīng)用第29卷第5號(hào)發(fā)表文章《基于雙向剪切干涉的CXD像素間距標(biāo)定》，這篇文章介紹了ー種通過(guò)雙向剪切干渉兩半場(chǎng)條紋寬度的相對(duì)關(guān)系來(lái)測(cè)量 CXD圖像采集系統(tǒng)像素間距的方法。該方法通過(guò)平行光照射楔形鏡W，楔形鏡W前、后表面的反射光由于楔形鏡W的作用形成X軸正向的剪切，再經(jīng)反射鏡M1反射后透射過(guò)楔形鏡W 成像在CXD探測(cè)器上，該剪切干涉條紋的條紋寬度為Cl1 =入Rパs+2n@ R)，其中，(I1 = N1Q ； 同時(shí)，楔形鏡W前、后表面的透射光經(jīng)反射鏡M2反射后又重新入射到楔形鏡W上，形成X軸負(fù)向的剪切，該剪切干涉條紋的條紋寬度為d2 = XR/(-s+2n￠R)，其中，d2 = N2q。這兩個(gè)方程均是關(guān)于CXD像素間距q、半徑R、剪切量s的方程，將這兩個(gè)方程構(gòu)成方程組，可以得到CXD圖像采集系統(tǒng)像素間距的表達(dá)式為
A JV1 + N2q = —-Z -TTTt~
Anfi N1N2其中，\為入射光波的波長(zhǎng)，n為楔形鏡W的折射率，P為楔形鏡W的楔角，均可由標(biāo)定系統(tǒng)給定；Ni、N2分別為X軸正負(fù)向相鄰剪切干涉條紋寬度所覆蓋CCD圖像傳感器的像素?cái)?shù)，通過(guò)對(duì)NpN2的測(cè)量，即可得到CXD圖像采集系統(tǒng)像素間距q。這種方法的缺點(diǎn)是 不能保證相鄰條紋恰好覆蓋CXD的一個(gè)像素上，因此，NpN2均會(huì)出現(xiàn)± I誤差，使CXD圖像采集系統(tǒng)像素間距的判斷存在不可避免的誤差。以上這四種方法的共同特征是I)在圖像傳感器表面形成ー個(gè)形狀和大小均可知的圖形；2)圖形具有明顯的邊界特征；3)圖形邊界所對(duì)應(yīng)像素的中心位置認(rèn)為是圖形的邊界位置。相比于理想的測(cè)量方法，這ー系列方法的優(yōu)點(diǎn)是I)因?yàn)榛乇芰嘶鶞?zhǔn)灰度值的判斷，并且回避了通過(guò)與基準(zhǔn)灰度值的比例關(guān)系來(lái)判斷邊緣像素的過(guò)程，可以使這種方法可以承受較大干擾因素的影響；2)圖像即使在一定程度上處于飽和狀態(tài)，也在不影響圖形邊界位置的判斷，對(duì)于圖像的要求降低了。但是這種方法也有自身的問(wèn)題對(duì)于像素個(gè)數(shù)的判斷，只能是整數(shù)判斷，每ー側(cè)的判斷會(huì)存在±0.5個(gè)像素的誤差，兩個(gè)邊緣就會(huì)存在±1個(gè)像素的誤差，線光源長(zhǎng)度越短，誤差就會(huì)越大。雖然這些缺點(diǎn)在理論上可以增大線光源的長(zhǎng)度，通過(guò)用更多的像素來(lái)均攤誤差得到彌補(bǔ)，但是增大線光源的長(zhǎng)度同樣會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題I)對(duì)于畸變大的光學(xué)鏡頭，増大線光源的長(zhǎng)度，可能會(huì)使線光源像在長(zhǎng)度上發(fā)生嚴(yán)重形變，這種情況下，不僅不能均攤誤差，而且反而會(huì)使像素個(gè)數(shù)的判斷誤差更大；2)光學(xué)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，會(huì)使圖像傳感器對(duì)不同視場(chǎng)下相同強(qiáng)度的目標(biāo)具有不同的響應(yīng)。這樣又増加了基準(zhǔn)灰度值的判斷?，F(xiàn)有方法的共同缺點(diǎn)是，對(duì)于畸變大的光學(xué)鏡頭，不適合在大視場(chǎng)下進(jìn)行測(cè)量；而小視場(chǎng)下的測(cè)量，單次測(cè)量結(jié)果之間誤差較大，因此使得測(cè)量結(jié)果重復(fù)性差。ニ、圖像傳感器像素間距測(cè)量裝置
背景技術(shù)：
國(guó)際專利分類號(hào)GOlM 11/02光學(xué)性質(zhì)的測(cè)試領(lǐng)域，有兩項(xiàng)發(fā)明專利公開(kāi)了動(dòng)像調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量裝置的組成專利號(hào)ZL200810137150. 1，授權(quán)公告日2010年09月29日，發(fā)明專利《動(dòng)態(tài)目標(biāo)
調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量方法與裝置》，公開(kāi)了ー種高精度多功能的動(dòng)像調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量裝置， 該裝置中也具有光源、光學(xué)系統(tǒng)以及圖像傳感器的結(jié)構(gòu)，并且同樣是光源經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像到圖像傳感器表面。專利號(hào)ZL201010252619. 3，授權(quán)公告日2012年01月11日，發(fā)明專利《動(dòng)像調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量裝置》，在上一個(gè)專利所公開(kāi)裝置的基礎(chǔ)上，進(jìn)ー步限定了裝置中光學(xué)鏡頭的耦合方式以及測(cè)量的同步方式。但是這兩項(xiàng)發(fā)明的特點(diǎn)是光源的運(yùn)動(dòng)軌跡是垂直于光軸的直線，對(duì)于有場(chǎng)曲的光學(xué)系統(tǒng)，光源運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，必然會(huì)造成圖像的離焦，如果將這兩項(xiàng)發(fā)明所公開(kāi)的測(cè)量裝置直接應(yīng)用到本發(fā)明中，無(wú)法克服離焦造成的圖像模糊問(wèn)題以及圖像灰度值變化問(wèn)題，該問(wèn)題會(huì)造成截止頻率位置上的偏移，使測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性受到影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對(duì)上述現(xiàn)有測(cè)量方法不適合小視場(chǎng)范圍內(nèi)測(cè)量的問(wèn)題，以及現(xiàn)有測(cè)量裝置存在離焦的問(wèn)題，提出了一種圖像傳感器像素間距頻域測(cè)量方法與裝置，該方法可以在小視場(chǎng)范圍內(nèi)提高測(cè)量結(jié)果重復(fù)性；該裝置可以消除離焦對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量方法，步驟如下a.圖像傳感器對(duì)靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)第一次成像，得到第一幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，并提取點(diǎn)目標(biāo)像所在像素坐標(biāo)位置(Xpy1)；b.使點(diǎn)目標(biāo)沿圖像傳感器行或列方向運(yùn)動(dòng),位移量為h,之后保持點(diǎn)目標(biāo)為靜止?fàn)顟B(tài)；c.保持圖像傳感器曝光時(shí)間不變，圖像傳感器對(duì)靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)第二次成像，得到第 ニ中貞初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，并提取點(diǎn)目標(biāo)像所在像素坐標(biāo)位置(x2, y2)；d.移除點(diǎn)目標(biāo)并保持圖像傳感器曝光時(shí)間不變，圖像傳感器對(duì)背景成像，得到干擾圖像，并將干擾圖像中灰度值的最大值作為閾值；e.第a步得到的第一幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，將灰度值小于第d步所得閾值的像素的灰度值修正為0，得到第一幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像；第c步得到的第二幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，將灰度值小于第d步所得閾值的像素的灰度值修正為0，得到第二幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像；f.將第e步得到的第一幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像和第二幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像相疊加，并將疊加后新圖像中兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像所在行或列的所有像素灰度值相加并除以2，得到新灰度值；并將第a步得到的像素坐標(biāo)位置(Xl，Y1)和第c步得到的像素坐標(biāo)位置(x2，y2) 連線所覆蓋的像素的灰度值替換為新灰度值，得到構(gòu)造點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像；g.第f 步得到的構(gòu)造點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像，將線狀光斑所在行或列的整行或整列信息提取出來(lái)，作為構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像，該構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像具有n個(gè)元素；h.對(duì)第g步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像按問(wèn)距為I進(jìn)行離散傅里葉變換并取摸， 得到初始調(diào)制傳遞函數(shù)圖像，該初始調(diào)制傳遞函數(shù)圖像具有同第g步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像相同的元素個(gè)數(shù)n，即n個(gè)離散頻譜分量，按照空間頻率從小到大的順序分別為凡、
M1, M2.....Mlri，在該順序下，初始調(diào)制傳遞函數(shù)值第一次達(dá)到極小值所對(duì)應(yīng)的調(diào)制傳遞函
數(shù)值為Mi,其下腳標(biāo)序號(hào)為i;i.根據(jù)第b步的位移量h，計(jì)算經(jīng)過(guò)橫向放大率為0的光學(xué)系統(tǒng)后，兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像之間的距離為d = h 3 ;j.根據(jù)第i步得到的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像之間的距離d和第g步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)所對(duì)應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù)模型MTF (f) = sin cUfd) |，得到第g步構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像頻譜的截止頻率為f = 1/d = l/(h 3 )；k.根據(jù)第j步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像頻譜的截止頻率f與第h步得到的調(diào)制傳遞函數(shù)值為Mi所對(duì)應(yīng)的空間頻率值相等，S卩f = iバnl)，得到圖像傳感器的像素間距為1 = i/nl = id/n = ih3/n。上述基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量方法，第e步、第f步替換為e’.將第a步得到的第一幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像和第c步得到的第二幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像相疊加，并將疊加后圖像中灰度值小于第d步所得閾值2倍的像素的灰度值修正為0，得到修正疊加圖像；f’ .將第e’步得到的修正疊加圖像中兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像所在行或列的所有像素灰度值相加并除以2，得到新灰度值；并將第a步得到的像素坐標(biāo)位置(Xl，Y1)和第c步得到的像素坐標(biāo)位置(x2，I2)連線所覆蓋的像素的灰度值替換為新灰度值，得到構(gòu)造點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像。基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量裝置，包括點(diǎn)目標(biāo)、光學(xué)系統(tǒng)、圖像傳感器、滑塊以及垂直光軸方向的第一導(dǎo)軌，所述的點(diǎn)目標(biāo)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像到圖像傳感器表面；并且，該裝置還包括沿光軸方向的第二導(dǎo)軌，承載點(diǎn)目標(biāo)的滑塊安裝在第一導(dǎo)軌和第二導(dǎo)軌上，滑塊在第一導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)與滑塊在第二導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)相配合，使點(diǎn)目標(biāo)在任意視場(chǎng)位置都準(zhǔn)焦成像到圖像傳感器表面。本發(fā)明的有益效果是I)本發(fā)明采用的測(cè)量方法區(qū)別于傳統(tǒng)空域測(cè)量方法，該方法以點(diǎn)光源為目標(biāo)，使點(diǎn)目標(biāo)處于不同視場(chǎng)下并對(duì)其兩次成像，根據(jù)兩幅點(diǎn)目標(biāo)像構(gòu)造出線狀圖像，在頻域中利用實(shí)際測(cè)量得到的調(diào)制傳遞函數(shù)值第一次達(dá)到極小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率與理論截止頻率相等，計(jì)算得到圖像傳感器的像素間距；該特征使得采用長(zhǎng)度短小的線光源時(shí)，會(huì)得到更高的截止頻率，從而均攤截止頻率的誤差，使得單次測(cè)量結(jié)果之間的誤差更小，進(jìn)而提高測(cè)量結(jié)果重復(fù)性；2)本發(fā)明采用的測(cè)量裝置包括沿光軸方向的第二導(dǎo)軌，承載點(diǎn)目標(biāo)的滑塊安裝在第一導(dǎo)軌和第二導(dǎo)軌上，滑塊在第一導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)與滑塊在第二導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)相配合，使點(diǎn)目標(biāo)在任意視場(chǎng)位置都準(zhǔn)焦成像到圖像傳感器表面；該特征使測(cè)量得到的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線更接近真實(shí)曲線，實(shí)際測(cè)量得到的截止頻率位置更加準(zhǔn)確，可以進(jìn)ー步減小單次測(cè)量結(jié)果之間的誤差，提高測(cè)量結(jié)果重復(fù)性。


圖I是基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意2是基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量方法流程中1點(diǎn)目標(biāo)2光學(xué)系統(tǒng)3圖像傳感器4滑塊5第一導(dǎo)軌6第二導(dǎo)軌
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例作進(jìn)ー步詳細(xì)描述。圖I為基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；該裝置包括點(diǎn)目標(biāo)I、光學(xué)系統(tǒng)2、圖像傳感器3、滑塊4以及垂直光軸方向的第一導(dǎo)軌5,所述的點(diǎn)目標(biāo)I經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)2成像到圖像傳感器3表面；并且，該裝置還包括沿光軸方向的第二導(dǎo)軌 6，承載點(diǎn)目標(biāo)I的滑塊4安裝在第一導(dǎo)軌5和第二導(dǎo)軌6上，滑塊4在第一導(dǎo)軌5上的運(yùn)動(dòng)與滑塊4在第二導(dǎo)軌6上的運(yùn)動(dòng)相配合，使點(diǎn)目標(biāo)I在任意視場(chǎng)位置都準(zhǔn)焦成像到圖像傳感器3表面；其中，點(diǎn)目標(biāo)I為直徑15 ii m的針孔,光學(xué)系統(tǒng)2的橫向放大率為0. 0557?；邳c(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量方法，流程圖如圖2所示，該方法步驟如下a.圖像傳感器3對(duì)靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)I第一次成像，得到第一幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，并提取點(diǎn)目標(biāo)像所在像素坐標(biāo)位置(Xpy1)；b.使點(diǎn)目標(biāo)I沿圖像傳感器3行方向運(yùn)動(dòng)，位移量為h= 1.526mm，之后保持點(diǎn)目標(biāo)I為靜止?fàn)顟B(tài)；c.保持圖像傳感器3曝光時(shí)間不變，圖像傳感器3對(duì)靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)I第二次成像，得到第二幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，并提取點(diǎn)目標(biāo)像所在像素坐標(biāo)位置(x2，y2);d.移除點(diǎn)目標(biāo)I并保持圖像傳感器3曝光時(shí)間不變，圖像傳感器3對(duì)背景成像，得到干擾圖像，并將干擾圖像中灰度值的最大值作為閾值，該閾值為10 ；e.第a步得到的第一幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，將灰度值小于第d步所得閾值的像素的灰度值修正為0，得到第一幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像；第c步得到的第二幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，將灰度值小于第d步所得閾值的像素的灰度值修正為0，得到第二幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像；f.將第e步得到的第一幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像和第二幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像相疊加，并將疊加后新圖像中兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像所在行的所有像素灰度值相加并除以2，得到新灰度值；并將第a步得到的像素坐標(biāo)位置(Xl，yi)和第c步得到的像素坐標(biāo)位置(x2，y2)連線所覆蓋的像素的灰度值替換為新灰度值，得到構(gòu)造點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像；g.第f步得到的構(gòu)造點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像，將線狀光斑所在行的整行信息提取出來(lái)，作為構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像，該構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像具有n = 1280個(gè)元素；h.對(duì)第g步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像按間距為I進(jìn)行離散傅里葉變換并取摸， 得到初始調(diào)制傳遞函數(shù)圖像，該初始調(diào)制傳遞函數(shù)圖像具有同第g步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像相同的元素個(gè)數(shù)n，即n個(gè)離散頻譜分量，按照空間頻率從小到大的順序分別為凡、
M1, M2.....Mlri，在該順序下，初始調(diào)制傳遞函數(shù)值第一次達(dá)到極小值所對(duì)應(yīng)的調(diào)制傳遞函
數(shù)值為Mi,其下腳標(biāo)序號(hào)為i;i.根據(jù)第b步的位移量h，計(jì)算經(jīng)過(guò)橫向放大率為0的光學(xué)系統(tǒng)2后，兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像之間的距離為d = h P = I. 526X0. 0557 = 0. 085mm ；j.根據(jù)第i步得到的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像之間的距離d和第g步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)所對(duì)應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù)模型MTF(f) = IsincUfd) I，得到第g步構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像頻譜
的截止頻率為 J = ; = _^ = ^J = 1L76471p/mm;k.根據(jù)第j步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像頻譜的截止頻率f與第h步得到的調(diào)制傳遞函數(shù)值為Mi所對(duì)應(yīng)的空間頻率值相等，即f = iバnl)，得到圖像傳感器3的像素間距為1 = i/nl = id/n = ih3/n。按照上面的思路對(duì)像素間距進(jìn)行了 100次測(cè)量，得到的測(cè)量結(jié)果列于下表
方法均值(nm)極差(pm)標(biāo)準(zhǔn)差(fim)傳統(tǒng)空域方法5.38690.354170.14498本發(fā)明頻域方法5.42940.199220.0518上述基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量方法，第e步、第f步替換為e’.將第a步得到的第一幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像和第c步得到的第二幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像相疊加，并將疊加后圖像中灰度值小于第d步所得閾值2倍的像素的灰度值修正為0，得到修正疊加圖像；f’ .將第e’步得到的修正疊加圖像中兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像所在行的所有像素灰度值相加并除以2，得到新灰度值；并將第a步得到的像素坐標(biāo)位置(Xl，Yl)和第c步得到的像素坐標(biāo)位置(x2，y2)連線所覆蓋的像素的灰度值替換為新灰度值，得到構(gòu)造點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像。
權(quán)利要求
1.基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量方法，其特征在于所述方法步驟如下a.圖像傳感器對(duì)靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)第一次成像，得到第一幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，并提取點(diǎn)目標(biāo)像所在像素坐標(biāo)位置Upy1)；b.使點(diǎn)目標(biāo)沿圖像傳感器行或列方向運(yùn)動(dòng)，位移量為h，之后保持點(diǎn)目標(biāo)為靜止?fàn)顟B(tài)；c.保持圖像傳感器曝光時(shí)間不變，圖像傳感器對(duì)靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)第二次成像，得到第二幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，并提取點(diǎn)目標(biāo)像所在像素坐標(biāo)位置(X2, y2)；d.移除點(diǎn)目標(biāo)并保持圖像傳感器曝光時(shí)間不變，圖像傳感器對(duì)背景成像，得到干擾圖像，并將干擾圖像中灰度值的最大值作為閾值；e.第a步得到的第一幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，將灰度值小于第d步所得閾值的像素的灰度值修正為0，得到第一幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像；第c步得到的第二幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像，將灰度值小于第d步所得閾值的像素的灰度值修正為0，得到第二幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖f.將第e步得到的第一幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像和第二幀修正靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像相疊加， 并將疊加后新圖像中兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像所在行或列的所有像素灰度值相加并除以.2，得到新灰度值；并將第a步得到的像素坐標(biāo)位置(Xl，yi)和第c步得到的像素坐標(biāo)位置(x2，y2)連線所覆蓋的像素的灰度值替換為新灰度值，得到構(gòu)造點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像；g.第f 步得到的構(gòu)造點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像，將線狀光斑所在行或列的整行或整列信息提取出來(lái)，作為構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像，該構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像具有n個(gè)元素；h.對(duì)第g步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像按間距為I進(jìn)行離散傅里葉變換并取模，得到初始調(diào)制傳遞函數(shù)圖像，該初始調(diào)制傳遞函數(shù)圖像具有同第g步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像相同的元素個(gè)數(shù)n，即n個(gè)離散頻譜分量，按照空間頻率從小到大的順序分別為M0' M1,M2.....Mlri，在該順序下，初始調(diào)制傳遞函數(shù)值第一次達(dá)到極小值所對(duì)應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù)值為Mi，其下腳標(biāo)序號(hào)為i;i.根據(jù)第b步的位移量h，計(jì)算經(jīng)過(guò)橫向放大率為P的光學(xué)系統(tǒng)后，兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像之間的距離為d = h 3 ;j.根據(jù)第i步得到的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像之間的距離d和第g步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)所對(duì)應(yīng)的調(diào)制傳遞函數(shù)模型MTF (f) = sin cUfd) I，得到第g步構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像頻譜的截止頻率為f = 1/d = I/ (h 3 )；k.根據(jù)第j步得到的構(gòu)造線擴(kuò)展函數(shù)圖像頻譜的截止頻率f與第h步得到的調(diào)制傳遞函數(shù)值為Mi所對(duì)應(yīng)的空間頻率值相等，S卩f = iバnl)，得到圖像傳感器的像素間距為1 =i/nl = id/n = ih3/n。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量方法，其特征在于第e步、第f步替換為e’.將第a步得到的第一幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像和第c步得到的第二幀初始靜態(tài)點(diǎn)目標(biāo)圖像相疊加，并將疊加后圖像中灰度值小于第d步所得閾值2倍的像素的灰度值修正為 0，得到修正疊加圖像；f’ 將第e’步得到的修正疊加圖像中兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)像所在行或列的所有像素灰度值相加并除以2，得到新灰度值；并將第a步得到的像素坐標(biāo)位置(Xl，Yl)和第c步得到的像素坐標(biāo)位置(x2，y2)連線所覆蓋的像素的灰度值替換為新灰度值，得到構(gòu)造點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)圖像。
3.基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量裝置，包括點(diǎn)目標(biāo)(I)、光學(xué)系統(tǒng)(2)、圖像傳感器(3)、滑塊(4)以及垂直光軸方向的第一導(dǎo)軌(5)，所述的點(diǎn)目標(biāo)(I)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)(2)成像到圖像傳感器(3)表面；其特征在于該裝置還包括沿光軸方向的第二導(dǎo)軌(6)，承載點(diǎn)目標(biāo)(I)的滑塊(4)安裝在第一導(dǎo)軌(5)和第二導(dǎo)軌(6)上，滑塊(4)在第一導(dǎo)軌(5)上的運(yùn)動(dòng)與滑塊(4)在第二導(dǎo)軌(6)上的運(yùn)動(dòng)相配合，使點(diǎn)目標(biāo)(I)在任意視場(chǎng)位置都準(zhǔn)焦成像到圖像傳感器(3)表面。
全文摘要
基于點(diǎn)目標(biāo)像拼合的圖像傳感器像素間距測(cè)量方法與裝置屬于以采用光學(xué)方法為特征的計(jì)量設(shè)備領(lǐng)域中用于計(jì)量長(zhǎng)度、寬度或厚度的領(lǐng)域；本方法使點(diǎn)目標(biāo)處于不同視場(chǎng)下并對(duì)其兩次成像，根據(jù)兩幅點(diǎn)目標(biāo)像構(gòu)造出線狀圖像，在頻域中利用實(shí)際測(cè)量得到的調(diào)制傳遞函數(shù)值第一次達(dá)到極小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率與理論截止頻率相等，計(jì)算得到圖像傳感器的像素間距；本裝置中承載點(diǎn)目標(biāo)的滑塊安裝在第一導(dǎo)軌和第二導(dǎo)軌上，滑塊在第一導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)與滑塊在第二導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)相配合，使點(diǎn)目標(biāo)在任意視場(chǎng)位置都準(zhǔn)焦成像到圖像傳感器表面；采用本發(fā)明測(cè)量圖像傳感器像素間距，有利于減小單次測(cè)量結(jié)果之間的誤差，進(jìn)而提高測(cè)量結(jié)果重復(fù)性。
文檔編號(hào)G01B11/14GK102607443SQ20121008505
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月17日
發(fā)明者劉儉, 譚久彬, 趙煙橋 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)