衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦方法及聚焦装置

摘要

本发明提供一种衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦方法，包括以下步骤：1】通过CCD采集一幅衍射光栅非规则激光焦斑图像到计算机；2】将步骤1中采集到的非规则激光焦斑图像进行图像形心位置计算：3】将步骤2中计算的衍射光栅非规则激光焦斑图像的形心位置与CCD靶面中心位置进行比较；4】用CCD重新采集一幅图像到计算机；5】计算步骤4采集到的衍射光栅非规则激光焦斑图像对应的有效二值图像；6】计算并保存步骤5所得图像的长短轴长之间的差值；7】将之前获得的两副图像的长短轴的差值进行比较；8】重复步骤1到步骤7的操作，直至衍射光栅非规则激光焦斑图像的面积最小时聚焦调整结束。

主权项

衍射光栅非规则激光焦斑图像自适应聚焦方法，其特征在于：包括以下步骤：1】通过CCD采集一幅衍射光栅非规则激光焦斑图像到计算机；2】将步骤1中采集到的非规则激光焦斑图像进行图像形心位置计算：2.1】计算并确定图像形心的最优域值δ，并设定以f(i,j)表示焦斑图像(i,j)点的灰度值；2.1.1】以图像形心的亮度值作为X轴坐标，亮度出现的频率作为Y轴坐标，绘制亮度直方图，选取灰度出现频率的最大值对应的亮度值T_N；2.1.2】以T_N作为初始图像分割的焦斑和背景的域值，并通过公式分别计算焦斑和背景的均值M₀和N₀；所述焦斑和背景的均值的计算公式为：$M_0=\frac{{\Sigma }_{(i,j)\in \mathrm{object}}f(i,j)}{\#\mathrm{object}\_\mathrm{pixels}};$$N_0=\frac{{\Sigma }_{(i,j)\in \mathrm{background}}f(i,j)}{\#\mathrm{background}\_\mathrm{pixels}};$所述object和background表示物体/焦斑；所述_objectf(i,j)和_backgroundf(i,j)表示焦斑区域内（i,j）点的灰度值，所述∑_{(i,j)∈object}f(i,j)和∑_{(i,j)∈background}f(i,j)表示焦斑所在区域所有点的灰度总和；所述#object_pixels和#background_pixels分别表示焦斑区域内和背景区域内的像素的总个数；2.1.3】根据步骤2.1.2的焦斑均值M₀和背景的均值N₀，通过公式计算下一个焦斑和背景的域值T_N+1；所述焦斑和背景的域值的计算公式为：$T_{N+1}=\frac{M_0+N_0}{2};$2.1.4】通过递归运算法并重复步骤2.1.2至步骤2.1.3的操作；在第t次运算时，根据公式分别计算焦斑和背景的均值M_t和N_t，并在第t次运算时将图像分割的焦斑和背景域值设定为T^t，并得出下一步焦斑和背景的域值T^t+1；若T^t=T^t+1，则停止计算，并令最优域值δ为焦斑和背景域值T^t+1；若T^t≠T^t+1，则重复步骤2.1.2至步骤2.1.3，直至计算结果T^t=T^t+1为止；2.2】根据步骤2.1中所得的最优域值δ对步骤1中所采集到的图像进行域值处理，得到对应的二值图像，并用g表示亮度值，所述函数公式可描述为：$f\left(g\right)=\left\{\begin{array}{cc}255,& g\ge \delta \\ 0,& g<\delta \end{array}\right.;$2.3】将骤2.2中所得的二值图像用大小为3ⅹ3的结构元素反复进行开、闭运算，并形成一系列非联通的区域；2.4】对步骤2.3中的一系列非联通区域，从左上方开始，利用8向链码进行边界跟踪运算，得到系列非联通区域；2.5】将步骤2.4中的系列非联通区域按照面积大小进行排序，形成链码表，并选出面积最大的区域作为焦斑的有效区域；2.6】将步骤2.5中的焦斑有效区域用白色填充，其余部分用黑色填充，得到与步骤1中所采集到的图像对应的衍射光栅非规则激光焦斑有效二值图像；2.7】将步骤2.6中的衍射光栅非规则激光焦斑有效二值图像的大小设为X×Y像素，并设定f[i,j]代表图像的第i行、第j列的像素灰度值，通过公式计算衍射光栅非规则激光焦斑有效二值图像的形心位置；所述公式计算为：$X=\frac{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]\times i}{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]}=\frac{\underset{(i,j)\in S}{\Sigma }i}{N};$$Y=\frac{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]\times j}{{\Sigma }_{i=1}^X{\Sigma }_{j=1}^{Y}f[i,j]}=\frac{\underset{(i,j)\in S}{\Sigma }j}{N};$所述衍射光栅非规则激光焦斑有效二值图像的形心位置为衍射光栅非规则激光焦斑图像的形心位置；3】将步骤2中计算的衍射光栅非规则激光焦斑图像的形心位置与CCD靶面中心位置进行比较，并根据图像形心和CCD靶面中心之间距离的变化调整CCD在水平方向需要移动的距离和方向；3.1】保存由步骤2得到的图像形心位置与CCD靶面中心位置之间的差值，然后将CCD沿水平方向移动预定距离，并重复步骤1和步骤2操作，直至获得下一幅图像的形心位置为止；所述CCD沿水平方向移动预定距离可调整；3.2】计算并保存步骤3.1中新的图像形心位置与CCD靶面中心位置之间的差值，根据前后两次采集到的图像形心位置和CCD靶面中心之间的距离变化来调整CCD沿水平方向的运动，将步骤3.2进行多次迭代，当图像形心位置与CCD靶面中心位置之间的像差小于3个像素时本次CCD沿水平方向的调整结束；4】将衍射光栅的非规则光斑形心位置调整到CCD的靶面中心之后，用CCD重新采集一幅图像到计算机；所述新采集的图像用于计算衍射光栅非规则激光焦斑的长短轴长；5】按照步骤2.1至步骤2.6的操作方法计算步骤4采集到的衍射光栅非规则激光焦斑图像对应的有效二值图像，并将有效二值图像中的焦斑边界上距离最长的两个象素点之间的距离作为当前图像的长轴长，最短的两个象素点之间的距离作为当前图像的短轴长；6】计算并保存步骤5所得图像的长短轴长之间的差值，将CCD沿垂直于CCD面板轴向移动预定距离，并重复步骤5，直至获得下一幅图像长短轴长之间的差值为止；7】将之前获得的两副图像的长短轴的差值进行比较，若长短轴差变小，则继续将CCD按照原方向运动；若长短轴差变大，则以轴向运动的总长作为基数并进行黄金分割运算，当得到需要移动的长度后将CCD进行反向运动；并重复步骤5到步骤7的操作直至长短轴之差趋于0且长短轴可调长度最小时本次CCD沿轴向的调整结束；8】重复步骤1到步骤7的操作，直至衍射光栅非规则激光焦斑图像的面积最小时聚焦调整结束。