线阵扫描系统焦点的获取方法、装置和线阵扫描系统

摘要

一种线阵扫描系统焦点的获取方法、装置和线阵扫描系统。所述线阵扫描系统焦点的获取方法，包括：将成像部件以预定速度从第一位置匀速移动到第二位置，所述成像部件包括物镜和线阵扫描相机，所述第一位置和第二位置分别对应物镜的对焦上限位置和对焦下限位置；在移动过程中所述线阵扫描相机以预定频率拍摄目标表面，以获得多条扫描线；根据所述对焦上限/下限位置、预定频率、预定速度和扫描线的清晰度确定线阵扫描系统焦点的位置。本发明技术方案在获取线阵扫描系统焦点时，在指定范围内成像部件匀速定向移动并通过线阵扫描相机不停顿拍摄获得多条扫描线，对比扫描线清晰度来获得焦点，由此缩短了对焦时间。

说明书

技术领域

本发明涉及扫描成像技术领域，特别涉及一种线阵扫描系统焦点的获取 方法、装置和线阵扫描系统。

背景技术

随着机器视觉的大规模普及与工业流水线速度、精度的提高，线阵扫描 系统越来越被视觉工程师和最终用户所认可。由于线阵扫描系统中的线阵 CCD(Charge Coupled Device)扫描器件具有空间分辨率高的特点，可以实现 高精度测量，所以利用线阵扫描系统进行无接触一维测量已经得到广泛应用。 随着扫描成像成本控制的需要、复杂目标表面清晰成像的要求及精细移动平 台移动定位精度的提高，线阵扫描相机被大量用于对指定的目标表面进行扫 描拍摄。

线阵扫描系统用于被测物体和相机之间有相对运动的场合，通过线阵扫 描相机高速采集，每次采集完一条线后正好运动到下一个单位长度，继续下 一条线的采集，这样一段时间下来就拼成了一张二维的图片，也就类似于面 阵相机采集到的图片，不同之处是高度可以无限长。接下来通过软件把这幅 “无限长”的图片截成一定高度的图片，进行实时处理或放入缓存稍后进行处 理。

线阵扫描系统除了机械结构之外,其主要组成部分还包括机器视觉和运 动控制。视觉部分，包括:线阵扫描相机，镜头，光源，图像采集卡和视觉软 件；运动控制部分，包括:马达，马达驱动器，运动控制卡或可编程逻辑控制 器（PLC,Programmable Logic Controller）。由于线阵扫描信息量大，所以还 需要一台高性能的工控机，配置大容量的内存和硬盘。

在现有的以线阵扫描相机为主体的扫描系统中，由于扫描对象表面的凹 凸不平,故需要对扫描区域进行对焦，而现有的对焦方法均很费时间,不适合线 阵扫描相机高速拍摄的要求。

下面结合图1对现有的线阵扫描系统对焦方法进行简单介绍。现有的线阵 相机扫描系统对焦方法采用的是面对焦法，即在对焦过程中用的是面阵相机 来对焦，对焦结束后在用线阵相机对目标物体进行线阵扫描拍摄。具体面对 焦的过程是：移动面阵相机物镜到一个固定位置并停止移动，对目标物体面 扫描形成第一对焦面11，存储第一对焦面11的图像信息；再移动面阵相机镜 头到另一个固定位置并停止移动，再次对目标物体面扫描形成第二对焦面12， 存储第二对焦面12的图像信息；重复上述两个步骤多次，对比获得的图像信 息，计算出最清晰的图像，查出最清晰图像对应对焦面的位置即对焦点。现 有的线阵相机扫描系统对焦方法在对目标物体扫描过程中，要先用面阵相机 对目标物体进行面对焦，找到焦点之后再对目标物体进行线阵扫描。这种对 焦方法不仅浪费时间，不适应线阵扫描相机高速拍摄的要求；而且还需要另 外提供一个面扫描相机来对焦，成本较高。

其他有关面对焦的方法还可以参考申请号为200810306476.2的中国发明 专利申请，其公开了一种采用多重表面对焦对待测物体表面进行对焦的方法。

发明内容

本发明技术方案要解决是现有技术线阵扫描系统对焦过程时间长，对焦 过程中需要先用面阵相机对目标物体进行面对焦的不足。

为解决上述问题，本发明技术方案提供了一种线阵扫描系统焦点的获取 方法，包括：

将成像部件以预定速度从第一位置匀速移动到第二位置，所述成像部件 包括物镜和线阵扫描相机，所述第一位置和第二位置分别对应物镜的对焦上 限位置和对焦下限位置；

在移动过程中所述线阵扫描相机以预定频率拍摄目标表面，以获得多条 扫描线；

根据所述对焦上限/下限位置、预定频率、预定速度和扫描线的清晰度确 定线阵扫描系统焦点的位置。

为解决上述问题，本发明技术方案提供了一种线阵扫描系统焦点的获取 装置，包括：

移动控制单元，用于控制所述成像部件以预定速度从第一位置匀速移动 到第二位置，所述成像部件包括物镜和线阵扫描相机，所述第一位置和第二 位置分别对应物镜的对焦上限位置和对焦下限位置；

扫描控制单元，用于控制所述线阵扫描相机在移动过程中以预定频率拍 摄目标表面，以获得多条扫描线；

焦点确定单元，用于根据所述对焦上限/下限位置、预定频率、预定速度 和扫描线的清晰度确定线阵扫描系统焦点的位置。

为解决上述问题，本发明技术方案提供了一种线阵扫描系统，包括成像 部件和所述的线阵扫描系统焦点的获取装置。

与现有技术面对焦方法相比，本发明技术方案缩短了对焦所需的时间、 不需要加入另外一个面扫描相机来对目标物体进行对焦过程中的面扫描。

附图说明

图1为现有的技术中线阵扫描系统焦点的获取方法的示意图；

图2为本发明实施方式的线阵扫描系统焦点的获取方法的流程示意图；

图3为本发明实施方式的线阵扫描系统的部分结构示意图；

图4为本发明实施例1和2的线阵扫描系统焦点的获取方法的流程示意 图；

图5为本发明实施例1和2的线阵扫描系统焦点的获取装置的结构示意 图；

图6为本发明实施例1的线阵扫描系统焦点的获取方法中图像块和焦点 的获取方法示意图；

图7为本发明实施例2的线阵扫描系统焦点的获取方法中图像块和焦点 的获取方法示意图；

图8为本发明实施例3和4的线阵扫描系统焦点的获取方法的流程示意 图；

图9为本发明实施例3和4的线阵扫描系统焦点的获取装置的结构示意 图。

具体实施方式

现有技术中，线阵扫描系统在对目标物体扫描过程中，要先用面阵相机 对目标物体进行面对焦，找到焦点之后再对目标物体进行线阵扫描。这种对 焦方法不仅浪费时间，而且还需要一个面扫描相机来对焦，不适应线阵扫描 相机高速拍摄的要求。因此，发明人经过研究，提供了一种线阵扫描系统焦 点的获取方法、装置和线阵扫描系统，本技术方案缩短了对焦所需的时间、 并且不需要加入另外一个面扫描相机来对目标物体进行对焦过程中的面扫 描。下面结合附图和实施例对本发明实施方式进行详细说明。

本发明实施方式的线阵扫描系统焦点的获取方法的流程示意图如图2所 示，包括：

步骤S1，将成像部件以预定速度从第一位置匀速移动到第二位置，所述 成像部件包括物镜和线阵扫描相机，所述第一位置和第二位置分别对应物镜 的对焦上限位置和对焦下限位置；

步骤S2，在移动过程中所述线阵扫描相机以预定频率拍摄目标表面，以 获得多条扫描线；

步骤S3，根据所述对焦上限/下限位置、预定频率、预定速度和扫描线的 清晰度确定线阵扫描系统焦点的位置。

具体地，所述第一位置对应物镜的对焦上限位置，对应地，所述第二位 置对应物镜的对焦下限位置；或者，所述第一位置对应物镜的对焦下限位置， 对应地，所述第二位置对应物镜的对焦上限位置。所述第一位置对应物镜的 对焦上限位置是指成像部件在第一位置时物镜的焦点在对焦上限位置；所述 第二位置对应物镜的对焦下限位置是指成像部件在第二位置时物镜的焦点在 对焦下限位置。所述第一位置对应物镜的对焦下限位置是指成像部件在第一 位置时物镜的焦点在对焦下限位置；所述第二位置对应物镜的对焦上限位置 是指成像部件在第二位置时物镜的焦点在对焦上限位置。

实施例1

下面结合图3、图4和图5对本实施例的线阵扫描系统焦点的获取方法进 行详细说明。

图3是本实施方式的线阵扫描系统的部分结构示意图，所示线阵扫描系 统包括：成像部件21，所述成像部件21包括物镜211和线阵扫描相机212， 在移动控制单元（图中未标示）的控制下移动，移动控制单元可以是马达或 者其他可以控制移动的器件；载玻片23，用于放置扫描目标的玻璃片或石英 片，呈长方形，较厚，透光性较好；盖玻片24，盖在扫描目标上的极薄的玻 片，用于避免和物镜21相接触，以免污染物镜，呈正方形，较薄，透光性较 好。

结合图3和图4，本实施例的线阵扫描系统焦点的获取方法首先执行步骤 S11，将成像部件21以预定速度从第一位置匀速移动到第二位置，成像部件 在移动控制单元(图中未标识)的控制下移动，物镜中心28（主轴）对准扫描 目标上的对焦点27，本实施例中，所述第一位置是物镜211的焦点在物镜的 对焦上限位置25时成像部件21所处的位置，所述第二位置是物镜211的焦 点在物镜的对焦下限位置26时成像部件21所处的位置，对焦上限位置25和 对焦下限位置26可以是工程预设值，对焦上限位置25一般高于盖玻片24的 上表面，对焦下限位置26一般低于载玻片23的下表面。

接着执行步骤S21，在移动过程中所述线阵扫描相机212以预定频率拍摄 目标表面，以获得多条扫描线。所述预定频率一般是相机的扫描频率，也可 以小于相机的扫描频率，所述相机的扫描频率由所选相机本身的性能参数确 定的。

接着执行步骤S31，线阵扫描相机每连续拍摄得到的预定数量的扫描线构 成一图像块，并按时间顺序编号。对照图5，线阵扫描相机连续拍摄到的多条 扫描线以m为预定数量构成图像块1，……，图像块i，……图像块n，每个 图像块中都有m条扫描线51~5m，其中1<i<n,n>2，m>1。所述图像块 的编号1、……、i、……、n是按照时间顺序编号，每个所述图像块中的扫描 线51~5m也是按照时间顺序编号，所述预定数量可以为线阵扫描系统的扫描 存储深度Scan_Deep，也可以为根据实际情况预先设定的值。由于线阵扫描相 机是以扫描线为单位来进行扫描拍摄的，而在实际应用中则是将线阵扫描相 机扫描的一定数量的扫描线作为集合存储并传送到上层用户端，因此本实施 例中的预定数量是由线阵扫描系统的扫描存储深度来决定，扫描存储深度是 指每次从相机传送到上层用户端的图像纵向像素数量。

接着执行步骤S41，对比获得的图像块中扫描线的清晰度，以确定最清晰 的图像块。在上层用户端中对比上述图像块1~n，找到最清晰的图像块i，在 图像块i中对比找到景深范围内最清晰的一条扫描线Scan_Line_m，所述景深 范围是指在物镜光轴方向能使摄像装置获取清晰图像的范围，如图3所示的 景深范围22。

接着参照图5执行步骤S51，根据所述对焦上限/下限位置、预定频率、 预定速度和预定数量确定拍摄所述最清晰的图像块中景深范围5a内最清晰的 扫描线时物镜的焦点位置，所述景深范围为图像块中清晰的扫描线所在的范 围，所述景深范围内最清晰的扫描线通常为景深范围内的中心线。所述最清 晰的图像块中景深范围内最清晰的扫描线时物镜的焦点位置为： Focus_Max-(i-1)*(Focus_V*Scan_Deep/Scan_Freq)-(Scan_Line_m*Focus_V/Scan_Freq)，其 中，Focus_Max为对焦上限位置，i为最清晰的图像块的编号，Focus_V为预 定速度（即成像部件的移动速度），Scan_Deep为预定数量（即线阵扫描相机 每连续拍摄得到Scan_Deep条扫描线构成一图像块），Scan_Freq为预定频率 （即相机的扫描频率），Scan_Line_m为景深范围内最清晰的扫描线在所述最 清晰的图像块中的编号。

对应于上述线阵扫描系统焦点的获取方法，本实施例还提供了一种线阵 扫描系统焦点的获取装置，本实施例的获取装置的结构如图6所示，包括： 移动控制单元32，用于控制成像部件的移动，移动控制单元32可以是马达或 者其他可以控制移动的器件；扫描控制单元33，与移动控制单元32相连，用 于控制线阵扫描相机在移动过程中以预定频率拍摄目标表面，以获得多条扫 描线；焦点确定单元34，与移动控制单元32和扫描控制单元33相连，用于 根据所述对焦上限/下限位置、预定频率、预定速度和预定数量确定拍摄所述 最清晰的图像块中景深范围内的扫描线时物镜的焦点位置，所述景深范围为 图像块中清晰的扫描线所在的范围，所述景深范围内最清晰的扫描线可以为 景深范围内的中心线。所述线阵扫描系统焦点的获取装置的工作过程可参考 本实施例线阵扫描系统焦点的获取方法。

在焦点确定单元34确定系统焦点位置之后，由移动控制单元32控制成 像部件移动到对应于系统焦点的位置，继而由扫描控制单元33控制线阵扫描 相机对目标表面进行拍摄。

进一步，所述焦点确定单元34包括第一确定单元341和第二确定单元 342。其中，第一确定单元341用于对比获得的图像块中扫描线的清晰度，以 确定最清晰的图像块；第二确定单元342用于根据所述对焦上限/下限位置、 预定频率、预定速度和预定数量确定拍摄所述最清晰的图像块中景深范围内 最清晰的扫描线时物镜的焦点位置，所述景深范围为图像块中清晰的扫描线 所在的范围。

实施例2

下面结合图3和图4，对本实施例的线阵扫描系统焦点的获取方法进行详 细介绍。首先执行步骤S11，将成像部件21以预定速度从第一位置匀速移动 到第二位置，所述第一位置为物镜211的焦点在物镜的对焦下限位置26时成 像部件21所处的位置，所述第二位置为物镜211的焦点在物镜的对焦上限位 置25时成像部件21所处的位置。本实施例与实施例1的区别就在于第一位 置和第二位置所对应的位置不同。

步骤S21~步骤S41请参照实施例1，在此不再累述。

接着参照图7执行步骤S51，根据所述对焦上限/下限位置、预定频率、 预定速度和预定数量确定拍摄所述最清晰的图像块中景深范围内最清晰的扫 描线时物镜的焦点位置，所述景深范围为图像块中清晰的扫描线所在的范围， 所述景深范围内最清晰的扫描线可以为景深范围内的中心线。所述最清晰的 图像块中景深范围内最清晰的扫描线时物镜的焦点位置为： Focus_Min+(i-1)*(Focus_V*Scan_Deep/Scan_Freq)+(Scan_Line_m*Focus_V/Scan_Freq)，其 中，Focus_Min为对焦下限位置，i为最清晰的图像块的编号，Focus_V为预 定速度，Scan_Deep为预定数量，Scan_Freq为预定频率，Scan_Line_m为景 深范围内最清晰的扫描线在所述最清晰的图像块中的编号。

本实施例的线阵扫描系统焦点的获取装置的结构与实施例1相同，区别 在于第一位置和第二位置不同，确定焦点位置的计算方法不同，可分别参考 实施例1和2的方法实施。

另外，实施例1和实施例2所揭示的最清晰的图像块中景深范围内最清 晰的扫描线时物镜的焦点位置计算方法都是以第一位置为基础进行计算的： 实施例1以第一位置对应的物镜的对焦上限位置Focus_Max为基础进行计算 的；实施例2以第一位置对应的物镜的对焦下限位置Focus_Min为基础进行 计算的。但并不限于此，实际应用中，本领域技术人员根据上述过程，可以 推知以第二位置为基础也可以确定系统焦点的位置，相对地，以第一位置为 基础确定焦点位置较为简单。

实施例3

图8是本实施例的线阵扫描系统焦点的获取方法的流程示意图。所述线 阵扫描系统焦点的获取方法包括：步骤S12，将成像部件以预定速度从第一位 置匀速移动到第二位置，所述成像部件包括物镜和线阵扫描相机；步骤S22， 在移动过程中所述线阵扫描相机以预定频率拍摄目标表面，以获得多条扫描 线；步骤S32，对比获得的扫描线的清晰度，以确定最清晰的扫描线；步骤 S42，根据所述对焦上限/下限位置、预定频率和预定速度确定拍摄所述最清晰 的扫描线时物镜的焦点位置。

结合图3和图8，本实施例的线阵扫描系统焦点的获取方法首先执行步骤 S12，请参考实施例1的步骤S11。接着执行步骤S22，请参考实施例1的步 骤S21。接着执行步骤S32，对比获得的扫描线的清晰度，以确定最清晰的扫 描线；线阵扫描相机连续扫描拍摄到多条扫描线，并按照时间顺序对所拍摄 到的多条扫描线编号。接着执行步骤S42，根据所述对焦上限/下限位置、预 定频率和预定速度确定拍摄所述最清晰的扫描线时物镜的焦点位置；所述拍 摄所述最清晰的扫描线时物镜的焦点位置为：

Focus_Max-(Scan_Line_n*Focus_V/Scan_Freq)，其中，Focus_Max为对焦上限位置， Focus_V为预定速度，Scan_Freq为预定频率，Scan_Line_n为最清晰的扫描 线的编号。

对应地，本实施例的线阵扫描系统焦点的获取装置的结构如图9所示， 包括移动控制单元42、扫描控制单元43和焦点确定单元44。与实施例1不 同的是，所述焦点确定单元43包括第三确定单元441和第四确定单元442， 其中，第三确定单元441用于对比获得的扫描线的清晰度，以确定最清晰的 扫描线；第四确定单元442用于根据所述对焦上限/下限位置、预定频率和预 定速度确定拍摄所述最清晰的扫描线时物镜的焦点位置。所述线阵扫描系统 焦点的获取装置的工作过程可参考本实施例线阵扫描系统焦点的获取方法。

实施例4

结合图3和图8，本实施例的线阵扫描系统焦点的获取方法首先执行步骤 S12，请参考实施例2的步骤S11；步骤S22~步骤S32请参考实施例3。接着 执行步骤S42，根据所述对焦上限/下限位置、预定频率和预定速度确定拍摄 所述最清晰的扫描线时物镜的焦点位置；所述拍摄所述最清晰的扫描线时物 镜的焦点位置为：Focus_Min+(Scan_Line_n*Focus_V/Scan_Freq)，其中，Focus_Min 为对焦下限位置，Focus_V为预定速度，Scan_Freq为预定频率，Scan_Line_n 为最清晰的扫描线的编号。

本实施例的线阵扫描系统焦点的获取装置的结构与实施例3相同，区别 在于第一位置和第二位置不同，确定焦点位置的计算方法不同，可分别参考 实施例3和4的方法实施。

另外，实施例3和实施例4所揭示的最清晰的扫描线时物镜的焦点位置 计算方法都是以第一位置为基础进行计算的：实施例3以第一位置对应的物 镜的对焦上限位置Focus_Max为基础进行计算的，实施例4以第一位置对应 的物镜的对焦下限位置Focus_Min为基础进行计算的。但并不限于此，实际 应用中，本领域技术人员根据上述过程，可以推知以第二位置为基础也可以 确定系统焦点的位置，相对地，以第一位置为基础确定焦点位置较为简单。

基于上述实施例的线阵扫描系统焦点的获取装置，本发明实施方式还提 供了一种线阵扫描系统，包括成像部件和上述实施方式的线阵扫描系统焦点 的获取装置。

综上所述，上述技术方案在线阵扫描系统焦点的获取过程中，利用了系 统中的线阵扫描相机进行对焦，并且在指定的位置范围内匀速定向移动，在 移动过程中线阵扫描相机不间断地进行扫描拍摄，通过对比扫描到的扫描线 或者图像块的清晰度来计算目标落在物镜景深范围内焦点的位置。本技术方 案的对焦方法在对焦过程中一直匀速移动，解决了现有技术面对焦法停顿定 位精度不高，同时也大大缩短了对焦时间，计算获得的焦点位置准确度高于 现有技术。如下是本技术方案跟现有技术相比的具体优势：

设相机的拍摄频率为F，成像部件的移动速度为V，对焦上下限位置之间 距离（Focus_Max-Focus_Min）为L，现有技术面对焦法每次拍摄移动距离 为D，每次拍摄扫描线数为N。可知线扫描用时约为：L/V，面扫描约用时： L/V+(L×N)/(D×F)，得面扫描用时是线扫描用时的1+(V×N)/(D×F) 倍。通常为了减少对焦时间，会提高成像部件的移动速度V与拍摄频率F， 而相机的最高频率受到相机技术限制；而为了提高对焦精度，会缩小拍摄间 隔距离D；同时会增加扫描线宽以进行图像清晰度分辨对比，故往往(V×N)/ (D×F)的值很大。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明技术 方案，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上 述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施方式 所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。