光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位系统及方法技术方案

技术编号:21547084 阅读:46 留言:0更新日期:2019-07-06 21:00
本发明专利技术提供了一种光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位系统,包括定位机构、光学系统、视觉检测系统、光学聚焦镜头组件。定位机构包括三轴运动控制系统。光学系统包括激光发射器、焦点成像板、分光棱镜、反光板、同轴光源。视觉检测系统包括硬件和软件部分,硬件部分包括摄像机、计算机控制系统,软件部分包括焦点中心检测系统、感光元件图像检测与定位系统。光学聚焦镜头组件包括光学聚焦镜头和感光元件。本发明专利技术提供了一种光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位方法,实现光学聚焦镜头和感光元件的精准定位。

Three-Dimensional Visual Servo Positioning System and Method for Focus Sensor of Optical Focus Lens

【技术实现步骤摘要】
光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位系统及方法
本专利技术涉及伺服定位领域,尤其涉及光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位系统和光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位方法。
技术介绍
在光学领域中,感光元件是感应光照的半导体材料,光学聚焦镜头作用是将透过的光线汇聚成一个光照强度比较强的焦点,感光元件与光学聚焦镜头焦点的对位精度直接决定了光学产品的质量,本专利的目标是实现感光元件与光学聚焦镜头焦点的精准对位。传统的人工装配采用感光元件返回的电压信号作为它的定位完成标志,这种定位方法效率低、精度低,不符合当前工业自动化的理念。
技术实现思路
本专利技术设计开发了一种光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位系统,通过三轴运动控制装置调节感光元件,以实现光学聚焦镜头的焦点和感光元件的自动对位,系统操作简单。激光测距仪的镜头符合光学聚焦镜头的要求,本专利技术以激光测距仪的镜头为实际应用。本专利技术还有一个目的是提供一种光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位方法,分别拍摄光学聚焦镜头的光斑图像和感光元件图像,并求解光学聚焦镜头的焦点中心坐标和感光元件的中心坐标,将二者差值转换为运动控制系统的坐标,完成对位操作,提高了对位精度。本专利技术提供的技术方案为:一种光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位系统,包括:光学聚焦镜头;感光元件,其设置在所述光学聚焦镜头一侧;三轴运动控制装置,其连接所述感光元件,并能够调整所述感光元件的位置;激光发射器,其设置在所述光学聚焦镜头下方;反光板,其设置在所述其设置在所述光学聚焦镜头另一侧;焦点成像板,其设置在所述其设置在所述光学聚焦镜头另一侧,能够将焦点的光照信息返回相机形成焦点图像;分光棱镜,其设置在所述激光发射器和所述反光板之间;并能够将反光板上的反射光经所述光学聚焦镜头在焦点成像板上形成焦点图像;相机,其设置在所述分光棱镜上方;同轴光源,其设置在所述相机和所述分光棱镜之间;其中,所述激光器发射的光线能够经过反光板反射后通过光学镜头在焦点成像板上形成焦点图像后反射回相机中;所述同轴光源发射的光线经过分光棱镜投射在感光元件上。一种光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位方法,包括:步骤一、对所述光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位系统进行相机标定,将感光元件作为标定过程中的检测对象,并将图像坐标变换为运动系统的坐标;步骤二、获取不同位置下的焦点图像,选取光斑区域平均灰度值最高的值,并以此作为参考值,确定光斑区域强度的阈值范围;步骤三、开启激光发射器,将焦点成像板移动初始位置,通过光学系统采集光学聚焦镜头的激光焦点图像,并判断所述激光焦点图像的光斑区域强度是否在所述步骤二得到的阈值范围内;若所述激光焦点图像的光斑区域强度不在所述步骤二得到的阈值范围内,则对所述焦点成像板进行调节,直到所述激光焦点图像的光斑区域强度在所述步骤二得到的阈值范围内,并记录此时所述焦点成像板的位置;确定光斑区域,然后在焦点图像中的光斑区域内进行中心检测,计算出焦点图像中心坐标;步骤四、关闭激光发射器,打开同轴光源,将感光元件移动至所述焦点成像板位置,然后通过光学系统采集感光元件图像,然后调用感光元件定位程序,计算出感光元件中心坐标;步骤五、将焦点中心像素坐标与感光元件中心像素坐标的差值转换为运动控制系统的坐标,并驱动运动控制系统,完成对位操作。优选的是,所述步骤三所述的焦点中心检测过程包括以下步骤:步骤a、通过光斑梯度对焦点图像进行分割,得到二值图像;步骤b、对所述二值图像进行区域填充,得到填充图像;步骤c、对所述填充图像进行光斑滤波,得到焦点图像中的光斑区域;步骤d、对所述焦点图像中的光斑区域进行强度校核,确定焦点的空间位置;步骤e、采用重心法计算焦点图像中心坐标。优选的是,所述步骤d中光斑强度校核过程包括:计算焦点图像的光斑区域内的平均灰度值若进行重心检测,计算该焦点图像的中心坐标,否则,调节Z轴,变化量为ΔZ,直至该位置焦点图像的光斑区域满足阈值范围;其中,其中,为光斑区域内的平均灰度值,Hth为光斑强度阈值,λ为Z轴调节的最小步长,ΔH为每一个步长λ相对于的平均灰度值变化。优选的是,所述步骤e焦点图像中心坐标(x0,y0)的计算公式为:其中,(x0,y0)为光斑区域的中心点坐标,i为I'(i,j)在x轴方向的坐标值,j为I'(i,j)在Y轴方向的坐标值,I'(i,j)为第(i,j)个像素点对应的灰度值。优选的是,所述步骤五感光元件中心坐标计算过程还包括:步骤Ⅰ、使用高斯卷积核对所述光学系统采集到的源图像、包含有感光元件的模板图像分别进行高斯模糊,得到高斯卷积后的图像;步骤Ⅱ、对所述高斯卷积后的图像进行隔点采样,得到采样后图像;步骤Ⅲ、计算经过隔点采样后的源图像和包含有感光元件的模板图像的相关系数,确定选取最佳匹配点,并在源图像中的该位置点提取出与模板图像相同尺寸的图像得到粗定位图像;步骤Ⅳ、对所述粗定位图像进行边缘提取,得到梯度图像然后再对其进行连通域标记操作,最后并根据目标图像面积提取出梯度图像的目标对象的边缘轮廓区域;步骤Ⅴ、对所述目标对象的边缘轮廓目标区域采用最小二乘法圆拟合算法计算出边缘轮廓像素点,进而求解出感光元件的中心坐标。优选的是,所述步骤Ⅰ中卷积运算公式为:式中,S(i,j)为模板图像、T(i,j)为待匹配模板图像,S′(i,j)和T′(i,j)分别为高斯卷积后的图像。优选的是,所述步骤Ⅲ中相关系数计算公式为:其中,R(i,j)的最大值为(i,j)的最佳匹配点。优选的是,所述步骤Ⅳ中包括:首先,计算出图像每一个像素点的梯度值,得出一幅梯度图像M;其次,把梯度图像中的值按照从小到大排列并用初始化的双阈值d和k将其划分为三个区间Q0、Q1和Q2;其中,d和k的计算公式为:各类类内方差为:其中,wj,j=0,1,2;w0、w1、w2分别为三个区间Q0、Q1和Q2对应的梯度值分别占整幅梯度图像的比重值,mj,j=0,1,2;m0、m1、m2分别是对应三个区间Q0、Q1和Q2梯度值的期望值,pi为属于同一梯度值i在整幅图像出现的频率,分别为三个区间Q0、Q1和Q2对应的类内方差,mT为整幅梯度图像的期望值,(l-1)为最大梯度值,当为对应的d、k时,为最佳的高低阈值,Q0为非边缘点,Q1为可能边缘点,Q2为确认边缘点。优选的是,所述步骤Ⅴ的感光元件的中心坐标计算过程为:首先,计算拟合出来的圆心到边缘轮廓上所有点之间距离的平方f:然后,根据下式求出满足条件的圆心坐标和半径r:其中,(xi,yi)为目标对象边缘轮廓上的像素点,(xc,yc)感光元件的中心坐标。本专利技术所述的有益效果本专利技术设计开发了一种光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位系统,通过三轴运动控制装置调节感光元件,以实现光学聚焦镜头的焦点和感光元件的自动对位,系统操作简单。本专利技术还提供一种光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位方法,分别拍摄光学聚焦镜头的光斑图像和感光元件图像,并求解光学聚焦镜头的焦点中心坐标和感光元件的中心坐标,将二者差值转换为运动控制系统的坐标,完成对位操作,提高了对位精度。整个系统使用简单,适用于提高工业场合中感光元件与光学聚焦镜头焦点的对位精度及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位系统,其特征在于,包括:光学聚焦镜头;感光元件,其设置在所述光学聚焦镜头一侧;三轴运动控制装置,其连接所述感光元件,并能够调整所述感光元件的位置;激光发射器,其设置在所述光学聚焦镜头下方;反光板,其设置在所述其设置在所述光学聚焦镜头另一侧;焦点成像板,其设置在所述其设置在所述光学聚焦镜头另一侧,能够将焦点的光照信息返回相机形成焦点图像;分光棱镜,其设置在所述激光发射器和所述反光板之间;并能够将反光板上的反射光经所述光学聚焦镜头在焦点成像板上形成焦点图像;相机,其设置在所述分光棱镜上方;同轴光源,其设置在所述相机和所述分光棱镜之间;其中,所述激光器发射的光线能够经过反光板反射后通过光学镜头在焦点成像板上形成焦点图像后反射回相机中;所述同轴光源发射的光线经过分光棱镜投射在感光元件上。

【技术特征摘要】
1.光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位系统,其特征在于,包括:光学聚焦镜头;感光元件,其设置在所述光学聚焦镜头一侧;三轴运动控制装置,其连接所述感光元件,并能够调整所述感光元件的位置;激光发射器,其设置在所述光学聚焦镜头下方;反光板,其设置在所述其设置在所述光学聚焦镜头另一侧;焦点成像板,其设置在所述其设置在所述光学聚焦镜头另一侧,能够将焦点的光照信息返回相机形成焦点图像;分光棱镜,其设置在所述激光发射器和所述反光板之间;并能够将反光板上的反射光经所述光学聚焦镜头在焦点成像板上形成焦点图像;相机,其设置在所述分光棱镜上方;同轴光源,其设置在所述相机和所述分光棱镜之间;其中,所述激光器发射的光线能够经过反光板反射后通过光学镜头在焦点成像板上形成焦点图像后反射回相机中;所述同轴光源发射的光线经过分光棱镜投射在感光元件上。2.光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位方法,其特征在于,包括:步骤一、对所述光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位系统进行标定,将感光元件作为标定过程中的检测对象,并将图像坐标变换为运动系统的坐标;步骤二、获取不同位置下的焦点图像,选取光斑区域平均灰度值最高的值,并以此作为参考值,确定光斑区域强度的阈值范围;步骤三、开启激光发射器,将焦点成像板移动初始位置,通过光学系统采集光学聚焦镜头的激光焦点图像,并判断所述激光焦点图像的光斑区域强度是否在所述步骤二得到的阈值范围内;若所述激光焦点图像的光斑区域强度不在所述步骤二得到的阈值范围内,则对所述焦点成像板进行调节,直到所述激光焦点图像的光斑区域强度在所述步骤二得到的阈值范围内,并记录此时所述焦点成像板的位置;确定光斑区域,然后在焦点图像中的光斑区域内进行中心检测,计算出焦点图像中心坐标;步骤四、关闭激光发射器,打开同轴光源,将感光元件移动至所述焦点成像板位置,然后通过光学系统采集感光元件图像,然后调用感光元件定位程序,计算出感光元件中心坐标;步骤五、将焦点中心像素坐标与感光元件中心像素坐标的差值转换为运动控制系统的坐标,并驱动运动控制系统,完成对位操作。3.根据权利要求2所述的光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位方法,其特征在于,所述步骤三所述的焦点中心检测过程包括以下步骤:步骤a、通过光斑梯度对焦点图像进行分割,得到二值图像;步骤b、对所述二值图像进行区域填充,得到填充图像;步骤c、对所述填充图像进行光斑滤波,得到焦点图像中的光斑区域;步骤d、对所述焦点图像中的光斑区域进行强度校核,确定焦点的空间位置;步骤e、采用重心法计算焦点图像中心坐标。4.根据权利要求3所述的光学聚焦镜头的焦点感光元件三维空间视觉伺服定位方法,其特征在于,所述步骤d中光斑强度校核过程包括:计算焦点图像的光斑区域内的平均灰度值若进行重心检测,计算该焦点图像的中心坐标,否则,调节Z轴,变化量为ΔZ,直至该位置焦点图像的光斑区域满足阈值范围;其中,其中,为光斑区域内的平均灰度值,Hth为光斑强度阈值,λ为Z轴调节的最小步长,ΔH...

【专利技术属性】
技术研发人员:周海波李超王桂莲杨璐王硕刘伟超杨立伟
申请(专利权)人:天津理工大学
类型:发明
国别省市:天津,12

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1