專利名稱：利用線光源的圖像傳感器像素間距測量方法與裝置的制作方法
技術領域：
利用線光源的圖像傳感器像素間距測量方法與裝置屬于以采用光學方法為特征的計量設備領域中用于計量長度、寬度或厚度的領域，尤其涉及一種以線光源為目標，在頻域利用線光源像來測量圖像傳感器像素間距的測量方法與裝置。
背景技術：
圖像傳感器像素間距是精密測量領域非常重要的一項技術指標。例如，將一個尺寸大小已知的目標通過光學系統(tǒng)成像，根據(jù)目標像所占圖像傳感器像素數(shù)，以及像素間距，即可知道目標像的大小，最后通過目標像的尺寸與目標尺寸做商，就可以標定該光學系統(tǒng)的橫向放大率；另外，對一幅圖像進行頻譜分析，只有知道像素間距，才可能準確獲得該圖 像的頻譜。然而，很多圖像傳感器的產品說明書，只給出了圖像傳感器的像元尺寸，而沒有給出像素間距，如陜西維視圖像的MV-1300UM型工業(yè)數(shù)字相機，產品說明書只給了像元的尺寸是5.2μmX5.2μm;又如武漢高德的 IR113型非制冷焦平面機芯，它的像元尺寸是25 μ mX 25 μ m，雖然同時給出填充因子> 80 %，但是仍然無法根據(jù)一個不確定的填充因子數(shù)值來得到像素間距。如果我們利用上述圖像傳感器去標定光學系統(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瓶頸。所以，測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量方法
背景技術：
對于圖像傳感器像素間距的測量方法，首先想到的就是在理論上，可以利用一個投影到圖像傳感器表面且長度可知的線狀圖像，除以該線狀圖像所覆蓋的像素個數(shù)，得到像素間距。在理想狀態(tài)下，這種方法具有以下兩個特點I)將線光源完全覆蓋到的像素，其灰度值作為基準灰度值。2)對于線光源不能完全覆蓋到的邊緣像素，根據(jù)其灰度值與基準灰度值的比值，來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，嚴重影響測量結果的準確性。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系，線光源所覆蓋邊緣像素的比例判斷就會出現(xiàn)錯誤。2)對線光源成像的過程中，一定會有背景光、隨機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，這樣就會對基準灰度值的判斷帶來困難。雖然這些缺點在理論上可以增大線光源的長度，通過用更多的像素來均攤誤差得到彌補，但是增大線光源的長度也會帶來新的問題I)對于畸變大的光學鏡頭，增大線光源的長度，可能會使線光源像在長度上發(fā)生嚴重形變，這種情況下，不僅不能均攤誤差，而且反而會使像素個數(shù)的判斷誤差更大。
2)光學系統(tǒng)調試過程中，會使圖像傳感器對不同視場下相同強度的目標具有不同的響應。這樣又增加了基準灰度值的判斷。正是由于這種方法具有上述一系列的問題，因此在實際操作過程中，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，軍事工程學院學報第17卷第2號發(fā)表文章《基于聯(lián)合傅里葉變換測量CXD圖像采集系統(tǒng)的像素間距》，這篇文章介紹了一種利用對中心對稱的兩個正方形目標進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制器上輸出一幅中心對稱的兩個正方形圖像，通過傅里葉透鏡成像，在C⑶表面得到該幅圖像的功率譜|S(u，v) I2，該功率譜經(jīng)過圖像采集系統(tǒng)放 大P倍后得到實際功率譜IS' (u'，V' ) I2;分別將|S(u，V) I2和實際功率譜|S' (u'，V' ) I2再次顯示在空間光調制器上，通過傅里葉透鏡再次成像、圖電采集系統(tǒng)放大，分別得到Is(U，V) I2的功率譜0(ξ，η)以及 Is' (U' ,N' ) I2 的功率譜 0(ξ '，V )，這里，ο(ξ /，V )和 0(ξ，η)均為中心為比較亮的正方形，對稱在中心兩側為相對暗一些的正方形圖樣，而且ο(ξ '，n')經(jīng)過P倍放大后就是0(ξ，η)，因此，0(ξ，η)所占圖像采集系統(tǒng)像素數(shù)D是ο(ξ'，η ')所占圖像采集系統(tǒng)像素數(shù)D'的P倍，所以，可以利用D和D'的比值標定出圖像采集系統(tǒng)的放大倍率P ;p值確定后，|s' (u' ,V' )|2和0(1' , n')相繼可以確定,就能求出ο(ξ /，n')中兩正方形之間的距離d'，最后利用d' /D'求出c⑶圖像采集系統(tǒng)的像素間距。這種方法的缺點是0( ξ，n)和0( ξ ^，n ')均不能保證正方形恰好正好覆蓋到CXD圖像采集系統(tǒng)的一個像素上，而且很大可能會橫跨在兩個像素，這對D和D'的判斷就會帶來困難，判斷時均容易出現(xiàn)±1誤差，從而使CCD圖像采集系統(tǒng)的放大倍率P的標定結果存在誤差，進而影響到ο(ξ '，n')中兩個亮斑的間距d'的判斷，由于利用了 d' /D'，所以會使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，軍事工程學院學報第17卷第6號發(fā)表文章《基于圓孔夫瑯和費衍射的CXD像素間距標定》，這篇文章介紹了一種利用夫瑯和費衍射分布圖來標定CXD像素間距的方法。該方法利用平行光照射置于準直物鏡焦距處的圓孔，在準直物鏡表面形成圓孔的夫瑯和費衍射分布圖，該分布圖經(jīng)準直物鏡平行射出，入射到CCD表面形成該夫瑯和費衍射分布圖的像。根據(jù)圓孔的直徑a，入射光波波長λ，以及準直物鏡焦距f，即可得到圓孔夫瑯和費衍射分布圖中中央亮斑直徑L = I. 22f λ/a，再根據(jù)夫瑯和費衍射分布圖中中央亮斑的直徑所占C⑶像素的數(shù)目K，得到CXD的像素間距為δ ' =L/f。這種方法的缺點是不能保證中央亮斑的邊緣正好落在CXD的一個像素上，而且很大可能會橫跨在兩個像素，這就對夫瑯和費衍射分布圖中中央亮斑直徑所占CCD像素數(shù)目N'的判斷帶來困難，容易出現(xiàn)±1誤差，使C⑶像素間距的判斷存在不可避免的誤差。2008年6月，光子學報第37卷第6號發(fā)表文章《利用TFT-IXD像素機構衍射測試CXD圖像采集系統(tǒng)的像素間距》，這篇文章介紹了一種利用薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-IXD)測試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TFT-IXD形成物方信號，根據(jù)TFT-IXD像元區(qū)域透光、非像元區(qū)域不透光的特性，可將其視為一個由相互垂直的兩個周期矩形光柵構成的二維光柵，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二維光柵的頻譜強度分布圖。該頻譜分布圖為多級頻譜分布形式，其中，零級頻譜的中心位于譜面坐標原點處，各高級次頻譜的分布形式及寬度與零級頻譜相同，但強度隨級次的升高而迅速降低，根據(jù)第m級頻譜中心到原點的距離為|naf/d|。
通過CCD圖像采集系統(tǒng)采集此二維光柵頻譜強度分布圖，并根據(jù)第m級頻譜中心到原點所
占像素數(shù)Nm，即可得到CXD圖像采集系統(tǒng)的像素間距為|naf/dNm|。這種方法也有同以上
現(xiàn)有技術相同的缺點不能保證零級頻譜和第m級頻譜中心正好落在CCD的一個像素上，因
此，Nm同樣會出現(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誤差的問題，文中采用了一種多次測量取平均值的方法，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
權利要求
1.利用線光源的圖像傳感器像素間距測量方法，其特征在于所述方法步驟如下 a.在物方放置長度為h的線光源，方向與圖像傳感器行或列方向平行，計算線光源經(jīng)過橫向放大率為β的光學系統(tǒng)后，線光源像在圖像傳感器表面的理論運動位移為d =h · β ； b.根據(jù)第a步得到的理論運動位移d和線光源像頻譜模型MTF(f) = sin cOfd)|,得到線光源像頻譜的截止頻率為f = 1/d ； c.圖像傳感器對線光源成像，作為初始點擴展函數(shù)圖像，并將線光源像所在行或列的整行或整列信息提取出來，作為初始線擴展函數(shù)圖像，該初始線擴展函數(shù)圖像具有η個元素； d.移除線光源并保持圖像傳感器曝光時間不變，圖像傳感器對背景成像，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c步得到的初始線擴展函數(shù)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O，得到修正線擴展函數(shù)圖像，該修正線擴展函數(shù)圖像具有同第c步得到的初始線擴展函數(shù)圖像相同的元素個數(shù)η ; f.對第e步得到的修正線擴展函數(shù)圖像按間距為I進行離散傅里葉變換并取模，得到初始調制傳遞函數(shù)圖像，該初始調制傳遞函數(shù)圖像具有同第c步得到的初始線擴展函數(shù)圖像相同的元素個數(shù)n，即η個離散頻譜分量，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，初始調制傳遞函數(shù)值第一次達到極小值所對應的調制傳遞函數(shù)值為Mi，其下腳標序號為i; g.根據(jù)第b步得到的截止頻率值f與第f步得到的調制傳遞函數(shù)值為Mp1和Mi+1所對應的空間頻率頻率值分別相等，即f = (i-1)/(nlfflin)和f = (i+l)/(nlmax)，得到圖像傳感器的像素間距取值范圍為lmin = (i-1)/(nf) = (i-l)d/n = (i-l)hP/n 和 Imax= (i+1)/(nf) = (i+1) d/n = (i+1) h β /n ； h.根據(jù)第g步得到的像素間距取值范圍，將像素間距平均分成N份，分別為I1U2.....In，其中，丄1 IminN Imax i.在第f步得到的η個調制傳遞函數(shù)值中選取K個作為比對數(shù)據(jù)，這K個調制傳遞函數(shù)值分別是MK1、Mk2.....Mffi，將第h步得到的N個像素間距分別代入到以下公式 Γf . N ~|2Σ Mi-SmAn-^hp]，該公式所得到的N個值中，最小值所對應的像素間距I即為所 =κ \\ nl J求。
2.根據(jù)權利要求I所述的利用線光源的圖像傳感器像素間距測量方法，其特征在于第c步、第d步、第e步替換為 c’ .圖像傳感器對線光源成像，作為初始點擴展函數(shù)圖像； d’.移除線光源并保持圖像傳感器曝光時間不變，圖像傳感器對背景成像，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c’步得到的初始點擴展函數(shù)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O，并將線光源像所在行或列的整行或整列信息提取出來，得到修正線擴展函數(shù)圖像，該修正線擴展函數(shù)圖像具有同第c步得到的初始線擴展函數(shù)圖像相同的元素個數(shù)η。
3.利用線光源的圖像傳感器像素間距測量裝置，包括線光源(I)、光學系統(tǒng)(2)、圖像傳感器(3)，所述的線光源(I)經(jīng)過光學系統(tǒng)(2)成像到圖像傳感器(3)表面，其特征在于在該裝置光軸方向與圖像傳感器(3)行或列方向所確定的平面內，線光源(I)呈彎曲狀，且所述的線光源(I)上任意位置都準焦成像到圖像傳感器(3)表面。
全文摘要
利用線光源的圖像傳感器像素間距測量方法與裝置屬于以采用光學方法為特征的計量設備領域中用于計量長度、寬度或厚度的領域；本方法是以線光源為目標得到線狀圖像，在頻域中尋找像素間距的取值范圍，并根據(jù)與像素間距相關的實際調制傳遞函數(shù)曲線與理論調制傳遞函數(shù)曲線在最小二乘條件下重合度最好，利用搜索算法計算得到像素間距；本裝置在該裝置光軸方向與圖像傳感器行或列方向所確定的平面內，線光源呈彎曲狀，且所述的線光源上任意位置都準焦成像到圖像傳感器表面；采用本發(fā)明測量圖像傳感器像素間距，有利于減小單次測量結果之間的誤差，進而提高測量結果重復性。
文檔編號G01B11/14GK102620671SQ20121008505
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月17日 優(yōu)先權日2012年3月17日
發(fā)明者劉儉, 譚久彬, 趙煙橋 申請人:哈爾濱工業(yè)大學