基于匀速动点目标的图像传感器像素间距测量方法与装置

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基于匀速动点目标的图像传感器像素间距测量方法与装置\n技术领域\n[0001] 基于匀速动点目标的图像传感器像素间距测量方法与装置属于以采用光学方法为特征的计量设备领域中用于计量长度、宽度或厚度的领域，尤其涉及一种利用匀速直线运动点光源为目标，在频域利用匀速动像调制传递函数测量图像传感器像素间距的测量方法与装置。\n背景技术\n[0002] 图像传感器像素间距是精密测量领域非常重要的一项技术指标。例如，将一个尺寸大小已知的目标通过光学系统成像，根据目标像所占图像传感器像素数，以及像素间距，即可知道目标像的大小，最后通过目标像的尺寸与目标尺寸做商，就可以标定该光学系统的横向放大率；另外，对一幅图像进行频谱分析，只有知道像素间距，才可能准确获得该图像的频谱。\n[0003] 然而，很多图像传感器的产品说明书，只给出了图像传感器的像元尺寸，而没有给出像素间距，如陕西维视图像的MV-1300UM型工业数字相机，产品说明书只给了像元的尺寸是5.2μm×5.2μm；又如武汉高德的IR113型非制冷焦平面机芯，它的像元尺寸是\n25μm×25μm，虽然同时给出填充因子＞80％，但是仍然无法根据一个不确定的填充因子数值来得到像素间距。如果我们利用上述图像传感器去标定光学系统的横向放大率或获得某图像的频谱，像素间距必定成为技术瓶颈。所以，测量图像传感器的像素间距显得十分重要。\n[0004] 一、图像传感器像素间距测量方法背景技术\n[0005] 对于图像传感器像素间距的测量方法，首先想到的就是在理论上，可以利用一个投影到图像传感器表面且长度可知的线状图像，除以该线状图像所覆盖的像素个数，得到像素间距。在理想状态下，这种方法具有以下两个特点：\n[0006] 1)将线光源完全覆盖到的像素，其灰度值作为基准灰度值。\n[0007] 2)对于线光源不能完全覆盖到的边缘像素，根据其灰度值与基准灰度值的比值，来判断所能覆盖部分的比例大小。\n[0008] 然而这种方法却有着不可避免的干扰因素，严重影响测量结果的准确性。\n[0009] 1)如果完全覆盖到的像素饱和，则灰度值将保持255不变，不能完全覆盖到的边缘像素与完全覆盖的像素之间的灰度值将不再具有比例关系，线光源所覆盖边缘像素的比例判断就会出现错误。\n[0010] 2)对线光源成像的过程中，一定会有背景光、随机噪声以及图像传感器暗电流的影响，受这些干扰因素的影响，会使得线光源完全覆盖到的像素，灰度值也都不相同，这样就会对基准灰度值的判断带来困难。\n[0011] 虽然这些缺点在理论上可以增大线光源的长度，通过用更多的像素来均摊误差得到弥补，但是增大线光源的长度也会带来新的问题：\n[0012] 1)对于畸变大的光学镜头，增大线光源的长度，可能会使线光源像在长度上发生严重形变，这种情况下，不仅不能均摊误差，而且反而会使像素个数的判断误差更大。\n[0013] 2)光学系统调试过程中，会使图像传感器对不同视场下相同强度的目标具有不同的响应。这样又增加了基准灰度值的判断。\n[0014] 正是由于这种方法具有上述一系列的问题，因此在实际操作过程中，这种方法很少被采用，取而代之的是另一系列的方法。\n[0015] 2005年4月，军事工程学院学报第17卷第2号发表文章《基于联合傅里叶变换测量CCD图像采集系统的像素间距》，这篇文章介绍了一种利用对中心对称的两个正方形目标进行两次傅里叶变换的方法求得图像采集系统像素间距的方法。该方法首先在空间光调制器上输出一幅中心对称的两个正方形图像，通过傅里叶透镜成像，在CCD表面得到该幅图\n2\n像的功率谱|S(u，v)|，该功率谱经过图像采集系统放大p倍后得到实际功率谱|S′(u′，\n2 2 2\nv′)| ；分别将|S(u，v)| 和实际功率谱|S′(u′，v′)| 再次显示在空间光调制器上，\n2\n通过傅里叶透镜再次成像、图电采集系统放大，分别得到|S(u，v)| 的功率谱o(ξ，η)以\n2\n及|S′(u′，v′)| 的功率谱o(ξ′，η′)，这里，o(ξ′，η′)和o(ξ，η)均为中心为比较亮的正方形，对称在中心两侧为相对暗一些的正方形图样，而且o(ξ′，η′)经过p倍放大后就是o(ξ，η)，因此，o(ξ，η)所占图像采集系统像素数D是o(ξ′，η′)所占图像采集系统像素数D′的p倍，所以，可以利用D和D′的比值标定出图像采集系统\n2\n的放大倍率p；p值确定后，|S′(u′，v′)| 和o(ξ′，η′)相继可以确定，就能求出o(ξ′，η′)中两正方形之间的距离d′，最后利用d′/D′求出CCD图像采集系统的像素间距。这种方法的缺点是：o(ξ，η)和o(ξ′，η′)均不能保证正方形恰好正好覆盖到CCD图像采集系统的一个像素上，而且很大可能会横跨在两个像素，这对D和D′的判断就会带来困难，判断时均容易出现±1误差，从而使CCD图像采集系统的放大倍率p的标定结果存在误差，进而影响到o(ξ′，η′)中两个亮斑的间距d′的判断，由于利用了d′/D′，所以会使CCD图像采集系统像素间距的判断存在不可避免的误差。\n[0016] 2005年12月，军事工程学院学报第17卷第6号发表文章《基于圆孔夫琅和费衍射的CCD像素间距标定》，这篇文章介绍了一种利用夫琅和费衍射分布图来标定CCD像素间距的方法。该方法利用平行光照射置于准直物镜焦距处的圆孔，在准直物镜表面形成圆孔的夫琅和费衍射分布图，该分布图经准直物镜平行射出，入射到CCD表面形成该夫琅和费衍射分布图的像。根据圆孔的直径a，入射光波波长λ，以及准直物镜焦距f，即可得到圆孔夫琅和费衍射分布图中中央亮斑直径L＝1.22fλ/a，再根据夫琅和费衍射分布图中中央亮斑的直径所占CCD像素的数目N′，得到CCD的像素间距为δ′＝L/N′。这种方法的缺点是：不能保证中央亮斑的边缘正好落在CCD的一个像素上，而且很大可能会横跨在两个像素，这就对夫琅和费衍射分布图中中央亮斑直径所占CCD像素数目N′的判断带来困难，容易出现±1误差，使CCD像素间距的判断存在不可避免的误差。\n[0017] 2008年6月，光子学报第37卷第6号发表文章《利用TFT-LCD像素机构衍射测试CCD图像采集系统的像素间距》，这篇文章介绍了一种利用薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)测试CCD图像采集系统像素间距的原理和方法。该方法首先通过TFT-LCD形成物方信号，根据TFT-LCD像元区域透光、非像元区域不透光的特性，可将其视为一个由相互垂直的两个周期矩形光栅构成的二维光栅，将其置于傅里叶透镜的前焦面，则在该傅里叶透镜的后焦面上可以获得二维光栅的频谱强度分布图。该频谱分布图为多级频谱分布形式，其中，零级频谱的中心位于谱面坐标原点处，各高级次频谱的分布形式及宽度与零级频谱相同，但强度随级次的升高而迅速降低，根据第m级频谱中心到原点的距离为|mλf/d|。\n通过CCD图像采集系统采集此二维光栅频谱强度分布图，并根据第m级频谱中心到原点所占像素数Nm，即可得到CCD图像采集系统的像素间距为|mλf/dNm|。这种方法也有同以上现有技术相同的缺点：不能保证零级频谱和第m级频谱中心正好落在CCD的一个像素上，因此，Nm同样会出现±1误差，使CCD图像采集系统像素间距的判断存在不可避免的误差。为了解决Nm存在±1误差的问题，文中采用了一种多次测量取平均值的方法，在不考虑放大倍数的情况下，求得的CCD图像采集系统的像素间距为：\n[0018] \n[0019] 该方法在一定程度上缓解Nm的±1误差问题。\n[0020] 2008年10月，光电技术应用第29卷第5号发表文章《基于双向剪切干涉的CCD像素间距标定》，这篇文章介绍了一种通过双向剪切干涉两半场条纹宽度的相对关系来测量CCD图像采集系统像素间距的方法。该方法通过平行光照射楔形镜W，楔形镜W前、后表面的反射光由于楔形镜W的作用形成x轴正向的剪切，再经反射镜M1反射后透射过楔形镜W成像在CCD探测器上，该剪切干涉条纹的条纹宽度为d1＝λR/(s+2nβR)，其中，d1＝N1q；\n同时，楔形镜W前、后表面的透射光经反射镜M2反射后又重新入射到楔形镜W上，形成x轴负向的剪切，该剪切干涉条纹的条纹宽度为d2＝λR/(-s+2nβR)，其中，d2＝N2q。这两个方程均是关于CCD像素间距q、半径R、剪切量s的方程，将这两个方程构成方程组，可以得到CCD图像采集系统像素间距的表达式为：\n[0021] \n[0022] 其中，λ为入射光波的波长，n为楔形镜W的折射率，β为楔形镜W的楔角，均可由标定系统给定；N1、N2分别为x轴正负向相邻剪切干涉条纹宽度所覆盖CCD图像传感器的像素数，通过对N1、N2的测量，即可得到CCD图像采集系统像素间距q。这种方法的缺点是：\n不能保证相邻条纹恰好覆盖CCD的一个像素上，因此，N1、N2均会出现±1误差，使CCD图像采集系统像素间距的判断存在不可避免的误差。\n[0023] 以上这四种方法的共同特征是：\n[0024] 1)在图像传感器表面形成一个形状和大小均可知的图形；\n[0025] 2)图形具有明显的边界特征；\n[0026] 3)图形边界所对应像素的中心位置认为是图形的边界位置。\n[0027] 相比于理想的测量方法，这一系列方法的优点是：\n[0028] 1)因为回避了基准灰度值的判断，并且回避了通过与基准灰度值的比例关系来判断边缘像素的过程，可以使这种方法可以承受较大干扰因素的影响；\n[0029] 2)图像即使在一定程度上处于饱和状态，也在不影响图形边界位置的判断，对于图像的要求降低了。\n[0030] 但是这种方法也有自身的问题：\n[0031] 对于像素个数的判断，只能是整数判断，每一侧的判断会存在±0.5个像素的误差，两个边缘就会存在±1个像素的误差，线光源长度越短，误差就会越大。\n[0032] 虽然这些缺点在理论上可以增大线光源的长度，通过用更多的像素来均摊误差得到弥补，但是增大线光源的长度同样会带来新的问题：\n[0033] 1)对于畸变大的光学镜头，增大线光源的长度，可能会使线光源像在长度上发生严重形变，这种情况下，不仅不能均摊误差，而且反而会使像素个数的判断误差更大；\n[0034] 2)光学系统调试过程中，会使图像传感器对不同视场下相同强度的目标具有不同的响应。这样又增加了基准灰度值的判断。\n[0035] 现有方法的共同缺点是，对于畸变大的光学镜头，不适合在大视场下进行测量；而小视场下的测量，单次测量结果之间误差较大，因此使得测量结果重复性差。\n[0036] 二、图像传感器像素间距测量装置背景技术\n[0037] 国际专利分类号G01M 11/02光学性质的测试领域，有两项发明专利公开了动像调制传递函数测量装置的组成：\n[0038] 专利号ZL200810137150.1，授权公告日2010年09月29日，发明专利《动态目标调制传递函数测量方法与装置》，公开了一种高精度多功能的动像调制传递函数测量装置，该装置中也具有光源、光学系统以及图像传感器的结构，并且同样是光源经过光学系统成像到图像传感器表面。\n[0039] 专利号ZL201010252619.3，授权公告日2012年01月11日，发明专利《动像调制传递函数测量装置》，在上一个专利所公开装置的基础上，进一步限定了装置中光学镜头的耦合方式以及测量的同步方式。\n[0040] 但是这两项发明的特点是光源的运动轨迹是垂直于光轴的直线，对于有场曲的光学系统，光源运动的过程中，必然会造成图像的离焦，如果将这两项发明所公开的测量装置直接应用到本发明中，无法克服离焦造成的图像模糊问题以及图像灰度值变化问题，该问题会造成截止频率位置上的偏移，使测量结果的准确性受到影响。\n发明内容\n[0041] 本发明就是针对上述现有测量方法不适合小视场范围内测量的问题，以及现有测量装置存在离焦的问题，提出了一种图像传感器像素间距频域测量方法与装置，该方法可以在小视场范围内提高测量结果重复性；该装置可以消除离焦对测量结果的影响。\n[0042] 本发明的目的是这样实现的：\n[0043] 基于匀速动点目标的图像传感器像素间距测量方法，步骤如下：\n[0044] a.设定点目标的运动速度v和图像传感器的曝光时间t；\n[0045] b.根据第a步设定的运动速度v和曝光时间t，计算点目标经过横向放大率为β的光学系统后，点目标像在图像传感器表面的理论运动位移d＝v·t·β；\n[0046] c.根据第b步得到的理论运动位移d和匀速动像调制传递函数模型MTF(f)＝|sinc(πfd)|，得到动像调制传递函数曲线的截止频率为：f＝1/d；\n[0047] d.在第a步参数下，图像传感器对沿图像传感器行或列方向运动的点目标成像，得到初始点扩展函数图像，并将初始点扩展函数图像中点目标像扫过的行或列的整行或整列信息提取出来，作为初始线扩展函数图像，该初始线扩展函数图像具有n个元素；\n[0048] e.移除点目标，在第a步设定的图像传感器的曝光时间t内，图像传感器对背景成像，得到干扰图像，并将干扰图像中灰度值的最大值作为阈值；\n[0049] f.第d步得到的初始线扩展函数图像，将灰度值小于第e步所得阈值的像素的灰度值修正为0，得到修正线扩展函数图像，该修正线扩展函数图像具有同第d步得到的初始线扩展函数图像相同的元素个数n；\n[0050] g.对第f步得到的修正线扩展函数图像按间距为1进行离散傅里叶变换并取模，得到初始调制传递函数图像，该初始调制传递函数图像具有同第d步得到的初始线扩展函数图像相同的元素个数n，即n个离散频谱分量，按照空间频率从小到大的顺序分别为M0、M1、M2、...、Mn-1，在该顺序下，初始调制传递函数值第一次达到极小值所对应的调制传递函数值为Mi，其下脚标序号为i；\n[0051] h.根据第c步得到的截止频率f与第g步得到的调制传递函数值为Mi所对应的空间频率值相等，即：f＝i/(nl)，得到图像传感器的像素间距为：l＝i/(nf)＝id/n＝ihβ/n。\n[0052] 上述基于匀速动点目标的图像传感器像素间距测量方法，第d步、第e步、第f步替换为：\n[0053] d’.在第a步参数下，图像传感器对沿图像传感器行或列方向运动的点目标成像，得到初始点扩展函数图像；\n[0054] e’.移除点目标，在第a步设定的图像传感器的曝光时间t内，图像传感器对背景成像，得到干扰图像，并将干扰图像中灰度值的最大值作为阈值；\n[0055] f’.第d’步得到的初始点扩展函数图像，将灰度值小于第e’步所得阈值的像素的灰度值修正为0，并将所成图像中点目标像扫过行或列的整行或整列信息提取出来，得到修正线扩展函数图像，该修正线扩展函数图像具有同第d步得到的初始线扩展函数相同的元素个数n。\n[0056] 基于匀速动点目标的图像传感器像素间距测量装置，包括点目标、光学系统、图像传感器、滑块、垂直光轴方向的第一导轨以及控制器，所述的点目标经过光学系统成像到图像传感器表面；并且，该装置还包括沿光轴方向的第二导轨，承载点目标的滑块安装在第一导轨和第二导轨上，控制器控制滑块在第一导轨上匀速运动时，控制器控制滑块在第二导轨上运动，且两个方向的运动相配合，使点目标在运动过程中始终准焦成像到图像传感器表面。\n[0057] 本发明的有益效果是：\n[0058] 1)本发明采用的测量方法区别于传统空域测量方法，该方法以点光源为目标，在点目标匀速运动状态下对其成像，得到线状图像，在频域中利用实际测量得到的调制传递函数值第一次达到极小值时所对应的频率与理论截止频率相等，计算得到图像传感器的像素间距；该特征使得采用长度短小的线光源时，会得到更高的截止频率，从而均摊截止频率的误差，使得单次测量结果之间的误差更小，进而提高测量结果重复性；\n[0059] 2)本发明采用的测量装置包括沿光轴方向的第二导轨，承载点目标的滑块安装在第一导轨和第二导轨上，控制器控制滑块在第一导轨上匀速运动时，控制器控制滑块在第二导轨上运动，且两个方向的运动相配合，使点目标在运动过程中始终准焦成像到图像传感器表面；该特征使测量得到的调制传递函数曲线更接近真实曲线，实际测量得到的截止频率位置更加准确，可以进一步减小单次测量结果之间的误差，提高测量结果重复性。\n附图说明\n[0060] 图1是基于匀速动点目标的图像传感器像素间距测量装置结构示意图[0061] 图2是基于匀速动点目标的图像传感器像素间距测量方法流程图\n[0062] 图中：1点目标 2光学系统 3图像传感器 4滑块 5第一导轨 6第二导轨 7控制器\n具体实施方式\n[0063] 下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。\n[0064] 图1为基于匀速动点目标的图像传感器像素间距测量装置结构示意图；该装置包括点目标1、光学系统2、图像传感器3、滑块4、垂直光轴方向的第一导轨5以及控制器7，所述的点目标1经过光学系统2成像到图像传感器3表面；并且，该装置还包括沿光轴方向的第二导轨6，承载点目标1的滑块4安装在第一导轨5和第二导轨6上，控制器7控制滑块\n4在第一导轨5上匀速运动时，控制器7控制滑块4在第二导轨6上运动，且两个方向的运动相配合，使点目标1在运动过程中始终准焦成像到图像传感器3表面；其中，点目标1为直径15μm的针孔，光学系统2的横向放大率为0.0557。\n[0065] 基于匀速动点目标的图像传感器像素间距测量方法，流程图如图2所示，该方法步骤如下：\n[0066] a.设定点目标1的运动速度v＝4.25mm/s和图像传感器3的曝光时间t＝\n359ms；\n[0067] b.根据第a步设定的运动速度v和曝光时间t，计算点目标1经过横向放大率为β的光学系统2后，点目标像在图像传感器3表面的理论运动位移：\n[0068] d＝v·t·β＝4.25mm/s×359ms×0.0557＝0.085mm；\n[0069] c.根据第b步得到的理论运动位移d和匀速动像调制传递函数模型MTF(f)＝|sinc(πfd)|，得到动像调制传递函数曲线的截止频率为：f＝1/d＝11.7647lp/mm；\n[0070] d.在第a步参数下，图像传感器3对沿图像传感器3行方向运动的点目标1成像，得到初始点扩展函数图像，并将初始点扩展函数图像中点目标像扫过行的整行信息提取出来，作为初始线扩展函数图像，该初始线扩展函数图像具有n＝1280个元素；\n[0071] e.移除点目标1，在第a步设定的图像传感器3的曝光时间t＝359ms内，图像传感器3对背景成像，得到干扰图像，并将干扰图像中灰度值的最大值作为阈值，该阈值为\n10；\n[0072] f.第d步得到的初始线扩展函数图像，将灰度值小于第e步所得阈值的像素的灰度值修正为0，得到修正线扩展函数图像，该修正线扩展函数图像具有同第d步得到的初始线扩展函数图像相同的元素个数n＝1280；\n[0073] g.对第f步得到的修正线扩展函数图像按间距为1进行离散傅里叶变换并取模，得到初始调制传递函数图像，该初始调制传递函数图像具有同第d步得到的初始线扩展函数图像相同的元素个数n，即n个离散频谱分量，按照空间频率从小到大的顺序分别为M0、M1、M2、...、Mn-1，在该顺序下，初始调制传递函数值第一次达到极小值所对应的调制传递函数值为Mi，其下脚标序号为i；\n[0074] h.根据第c步得到的截止频率f与第g步得到的调制传递函数值为Mi所对应的空间频率值相等，即：f＝i/(nl)，得到图像传感器3的像素间距为：l＝i/(nf)＝id/n＝ihβ/n。\n[0075] 按照上面的思路对像素间距进行了100次测量，得到的测量结果列于下表：\n[0076] \n[0077] 上述基于匀速动点目标的图像传感器像素间距测量方法，第d步、第e步、第f步替换为：\n[0078] d’.在第a步参数下，图像传感器3对沿图像传感器3行方向运动的点目标1成像，得到初始点扩展函数图像；\n[0079] e’.移除点目标1，在第a步设定的图像传感器3的曝光时间t内，图像传感器3对背景成像，得到干扰图像，并将干扰图像中灰度值的最大值作为阈值；\n[0080] f’.第d’步得到的初始点扩展函数图像，将灰度值小于第e’步所得阈值的像素的灰度值修正为0，并将所成图像中点目标像扫过行的整行信息提取出来，得到修正线扩展函数图像，该修正线扩展函数图像具有同第d步得到的初始线扩展函数相同的元素个数n＝1280。