多光源投影仪的自动调焦方法与系统与流程

本发明涉及光学技术及计算机技术领域，具体涉及一种多光源投影仪的自动调焦方法与系统。

背景技术：

光学测量中常常会用到激光投影仪，特别目前基于结构光的深度相机的产生及广泛应用，促使了作为其部件之一的激光投影仪的不断发展。目前大部分的激光投影仪采用的是单个的边发射激光器光源，随着激光器的不断发展，垂直腔面激光器由于其发散角小、功耗及成本低、体积小易于集成等优点将会被越来越多的激光投影仪采用。

尽管垂直腔面发射激光器有诸多的优点，但在组装过程中相对位置的调节则相对困难，这里的相对位置指的是光源与准直透镜之间或其他光学元件之间的距离。与单个边发射激光光源相比，由于光源数量上的增加，通过光学元件射出的光束数量也增多，在进行调节时可参考的光束较多导致人工判断难以判断是否处于最佳的相对位置上。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种多光源投影仪的自动调焦方法与系统，其能够进行自动调焦，并有效解决人工调焦或机械调焦所带来的精度不准的问题。

本发明提供一种多光源投影仪的自动调焦方法，包括如下步骤：

S1：多光源投影仪向具有不同深度的多个空间平面投影出多个光束；

S2：采集模块实时采集所述多个光束在所述多个空间平面的光斑图像；

S3：根据所采集的光斑图像，计算模块实时计算清晰度的参数值；

S4：调焦模块不断调整光源的相对位置，重复步骤S1-S3；

S5：调焦模块根据实时获得的参数值获取最佳参数值，并将光源调整至最佳位置。

优选地，所述多光源投影仪包括多个垂直腔面激光器及光学元件，所述垂直腔面激光器具有相同的发光强度、发光面积及形状，所述光学元件包括透镜、衍射光学元件中的一种或两种。

优选地，所述多个空间平面包括：至少两个与投影仪距离不等的平面，且每个平面上至少有一个光束。

优选地，所述多个空间平面之间的最大深度差小于采集模块的景深范围。

优选地，所述步骤S3包括：

S31：分别提取各个平面上光束对应的光斑图像；

S32：对光斑图像进行预处理；

S33：对预处理后的光斑图像进行光斑识别；

S34：计算出各个平面上光斑的平均面积；

S35：根据不同平面上的平均面积计算光束的发散程度。

进一步地优选，所述步骤S35中所述发散程度是通过各个平面上光斑的平均面积之间的标准偏差来衡量。

更进一步地优选，所述标准偏差的表达公式为：

其中，N为平面的个数，S_i、分别为各个平面上的平均光斑面积以及它们的平均值。

更进一步地优选，所述标准偏差的表达公式为：

其中，这里S_i指各个平面上的的平均光斑面积，m_i指各个平面所在位置处采集模块的放大倍数。

进一步地优选，所述步骤S5为：调焦模块根据实时获得的发散程度，将发散程度最小的值作为最佳参数值，将发散程度最小的位置做为调焦最佳位置。

本发明还提供一种多光源投影仪的自动调焦系统，包括多光源投影仪、采集模块、计算模块及调焦模块，所述多光源投影仪用于向具有不同深度的多个空间平面投影出多个光束；所述采集模块用于实时采集所述多个光束在所述多个空间平面的光斑图像；所述计算模块用于根据所采集的光斑图像，实时计算清晰度的参数值；所述调焦模块用于不断调整光源的相对位置，并根据实时获得的参数值获取最佳参数值，并将光源调整至最佳位置。

本发明的有益效果：本发明通过多光源投影仪、采集模块、计算模块和调焦模块之间的相互配合，实现全自动实时调整。通过调焦模块不断调整光源的相对位置，采集模块实时采集多光源投影仪投影出的多个光束在多个空间平面的光斑图像，并利用计算模块实时计算出光斑图像的清晰度参数值，调焦模块再根据获得的参数值获取最佳值并进行自动调焦。通过如上的方法实现自动调焦，能有效克服人工调焦所带来的精度不高的问题，且大幅提升调焦效率。

附图说明

图1为多光源投影仪的自动调焦方法流程示意图；

图2为光源投影仪与相机的布置图的示意图；

图3为相机采集的光束的光斑图像示意图；

图4为单个光束的光斑图像示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示，本发明提供一种多光源投影仪的自动调焦方法，包括如下步骤：S1：多光源投影仪向具有不同深度的多个空间平面投影出多个光束；S2：采集模块实时采集所述多个光束在所述多个空间平面的光斑图像；S3：根据所采集的光斑图像，计算模块实时计算清晰度的参数值；S4：调焦模块不断调整光源的相对位置，重复步骤S1-S3；S5：调焦模块根据实时获得的参数值获取最佳参数值，并将光源调整至最佳位置。

多光源投影仪投影

多光源投影仪主要用于向空间中投影出多个光束以形成特定的图案，例如：深度相机中所用的投影模组，光束形成的图案为散斑图案。

现有的多光源投影仪中，较常用的为激光投影仪，采用单个的边发射激光器光源或垂直腔面发射激光器。本实施例优选垂直腔面发射激光器，其具有发散角小、功耗及成本低、体积小易于集成等优点。根据不同的应用需求，激光器选择不同发射波长的光，如可见光、紫外光、红外光等。

一般投影仪除了光源之外，还包含有光学元件，如准直透镜等，光源发射出的光束经准直透镜后在方向上集中，使得出射光为平行光。特别地，对于深度相机而言，还包括有用于扩束的衍射光学元件(DOE)，DOE用于激光束整形，如：均匀化、准直、聚焦、形成特定图案等。DOE与透镜还可集成为一个光学元件，有利于减小体积，光束先后经历透镜和DOE，使得出射光为多束平行光。

在光源投影仪的装配过程中，光源与光学元件之间的距离根据具体的需求有特别的要求。一般地，当光源处在光学元件的焦距上，投影仪的光束无论是准直度还是强度都将达到最佳效果。以下将以此效果为目的来说明如何实现自动调焦。在其他需求中，尽管目的不一样，但是都需要调整光源与光学元件的距离，如上所述的方法都可以适用。

光斑图像采集

本发明是通过图像处理的方式来实现自动调焦的，即利用采集模块采集光束的光斑图像，通过图像处理的方式来判断当前投影仪是否处于投影的最佳效果以及是否需要进行调整。采集模块可以为相机等，所述相机包括一般的相机及深度相机等。

光斑图像的采集方式如图2所示，即利用投影仪向空间中具有不同深度的至少两个平面投影光束图案，然后利用相机采集该光斑图像。图2所示的为4个平面，深度分别为D1、D2、D3和D4，在后面的说明中将以这种方式进行说明。在其他实施中也可以有其他数量的平面，平面的具体排列也可以有其他形式，但需要注意以下几点：

(1)各个平面应具有相同的纹理等信息，且在各个平面上至少有一个光束(光斑)；

(2)各个平面之间的最大深度差最好应处在采集相机的景深范围内。

其中(2)不是必要条件，而为优选条件。因而随着深度的差别，采集相机本身的焦距会影响到成像质量，会对最终的调焦产生影响。

值得注意的是，相机能接收的光波长与投影光波长应一致。比如当光源为红外激光时，相机也应是红外相机。

光斑图像预处理

图3为相机采集到的光束图像示意图。图中显示的总共有16个光束，分别位于四个不同深度的平面上，每个平面上有4个光束形成的光斑。

在实际获取的图像中，光斑的轮廓不一定非常明显，因此首先需要对光斑图像进行预处理，具体地，设定一个像素值阈值M，然后对图像进行阈值筛选，当阈值大于M时保留该像素，当阈值小于M时将图像的像素值设置为0。通过阈值筛选处理后，各个光斑有较为明显的轮廓，以便于后续计算机的自动识别。

另一种方法是通过梯度计算来提取出光斑的轮廓，保留轮廓内的图像像素值，轮廓外部的图像像素值设置为0。光斑的形状也可以有其他形状，比如方形、椭圆形等，在此不做限定。

光斑识别

图像预处理后，不排除有一些离群点存在，这些离群点需要通过图像算法的限定来消除其对光斑处理的影响，该步骤称为光斑识别，是由计算机自动识别出光斑中的像素，并去除离群点的影响，具体步骤如下：

首先，利用类似于函数floodfill的搜索功能找到所有光斑封闭区域。举例来说，按行以一定的步长(例如步长为5个像素)搜索像素值是否大于阈值M，若大于则以该点为起始点进行扩散搜索，判断相邻像素值是否大于M，若是则归类为同一光斑封闭区域，直到检索完该光斑中所有的像素。如图4所示，亮色填充的像素即为搜索到的该光斑中的所有像素，而斜线填充的像素则视为其他“光斑”，实则是离群点。

其次，设定光斑的最小像素数量限定值。这一设定的目的是为了区分离群点与光斑，一般离群点为图像中的噪声，其包括的像素区域较小，而光斑则较大。

最后，将第一步中搜索到的封闭区域进行判定，包含的像素数量大于限定值的视为光斑，其他则视为离群点。

平面光斑面积计算

在光斑识别步骤中，实际上已经计算出了各个光斑区域内所包含的像素数量，这里将像素数量视为单个光斑区域的面积。将处于同一个平面上的各个光斑的面积进行平均计算就得到该平面上的平均光斑面积。

当各个平面上的光斑数量相同时，可以将每个平面上所有的光斑区域面积之和或者平均光斑面积视为该平面光斑面积用于下一步的处理；当各个平面上的光斑数量不相同时，优选方式是将平均光斑面积视为该平面光斑面积用于下一步的处理。

以下的说明中，以平均光斑面积进行说明。

发散程度计算与自动调焦

由于光源本身的发光面积相同，在图像中不同平面上的光斑的面积大小差别主要由以下两个方面因素产生：

(1)光束的散度程度，当光束的散射角最小即聚焦效果最佳时，实际的光斑大小在不同的平面上应相同，而当散射角较大时，实际的光斑在不同的平面上的面积也不相同，具体而言是随着距离增大而增大；

(2)采集相机成像由于深度不同所带来的放大倍数不同导致图像中光斑面积不同。

根据第(1)个因素可知，可以利用不同平面上光斑平均面积的接近程度来衡量当前投影仪中光源与光学元件之间的距离是否达到最佳效果。理论上而言，当各个平面上平均光斑面积相同时，达到最佳调焦效果。

在本实施例中，平均光斑面积的接近程度可以用标准偏差来衡量。即：

其中,N为平面的个数,本实施例中N＝4。S_i、分别指各个平面上的的平均光斑面积以及它们的平均值。

标准偏差值越小表明各个表面上的光斑面积越接近，即调焦效果最佳。

然后由于上面所述的第(2)个因素同样会对光斑面积产生影响，从而会影响到上述的衡量标准。举例而言，假如当前的光束是发散的，在不同平面上的实际光斑面积会随着距离增加而增大，然后根据成像原理，当距离增大时，放大倍数会减小，即在采集到的图像中光斑面积会随着距离增加而减小，由此会导致即使当前光束是发散的，而在采集到的图像中光斑面积相同甚至变小的情形。

为了削除由采集相机放大倍数带来的影响，可以通过以下两个方式来消除：

一是将不同平面的深度变化范围设置在采集相机的景深范围内，可以最大限度地降低放大倍数带来的影响；

二是利用采集相机的内部参数，根据不同的距离计算出相应的放大倍数，并对图像中各个平面上的光斑面积进行补偿。具体地，比如计算出在平面D1、D2、D3和D4上的放大倍数分别为m₁、m₂、m₃、m₄，经补偿后的平面光斑面积分别为：此时的标准差的计算公式变为：

其中，

以上计算出标准差之后，就可以进行实时调焦了。具体地，即不断调整光源与光学元件的位置，将标准偏差最小的位置做为调焦的最佳位置。调整的过程大致为：先利用控制设备将光学元件朝一个方向调整，判断标准偏差的变化，若标准偏差变小，则继续调整，若标准偏差变大，则改变调整的方向，以此方法调整直至标准偏差最小。

本发明结合了数字图像处理技术，通过如上所述的以不同平面上的光束的发散程度作为衡量依据实现了多光源投影仪的自动调焦，该方法的精度高、速度快，克服了人工对单个光源或多光源进行调焦时精度不够，速度慢的缺陷。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。