一种双光路成像的振镜扫描系统及扫描方法与流程

本发明涉及激光技术领域，更具体的说，特别涉及一种双光路成像的振镜扫描系统及扫描方法。

背景技术：

在这个技术发展日新月异的时代，技术创新已经成为当今时代的标志，激光技术的发展更是独领风骚。激光技术创新的许多成果正从各个方面改变着人们的生活，可以预见21世纪将会是激光技术大放光彩的时代。激光扫描技术作为激光技术的一个重要作用，将被广泛应用于激光加工、图像传输、医用CT仪器等等方面。在多种激光扫描系统中，二维激光振镜扫描系统以其高速，高效等特点得到了最为广泛的应用。二维激光振镜扫描系统的工作原理为：振镜式扫描系统不同于一般的机械式扫描系统，一般的机械式扫描系统是采用丝杆的传动带动扫描头在二维平面上来回运动完成扫描，由于是机械式的，所以扫描系统的惯性大，扫描响应速度比较慢。而振镜式扫描是采用高速往复伺服电机带动X与Y两片微小反射镜片协调偏转反射激光束来达到光斑在整个平面上扫描的目的。在此较大的扫描视场中，当激光束由原点位置向边缘扫描时，激光的光程发生了变化，因而扫描点不再是激光束的原始聚焦位置，所以为了保证激光束能实时地在扫描平面上聚焦，必须在光路上增加聚焦系统来保证激光束能很好的聚焦在整个工作平面上。但是这种振镜式激光扫描系统在扫描过程中，如果入射光线垂直于偏转器的转轴，扫描线为直线。如果入射光线不垂直于转轴，则扫描线为一条曲线，造成图形失真。

目前在激光行业生产领域，对产品的质量要求越来越严格，这就要求视觉检测设备检测精度越来越高。市场上现有的具有视觉检测功能的激光 设备在满足产品检测精度的条件下，检测视场就会变得越小，这是由相机本身的分辨率决定的，同样分辨率的相机，视场越小，视觉的检测精度就会越高，但这样又会带来另一个问题，检测效率会大幅度降低。目前市场上最高分辨率的相机也只能达到千万像素，而且现在市场上很难找到一款能与之相配的如此高分辨率的镜头，即使能够找到，相机与镜头的价格非常昂贵，很难满足现在市场上高质量、高效率、低成本的要求。因此，为了满足上述视觉检测激光设备的在检测效率、检测精度、成本等方面的要求，高精度、高效率、大小视场成像的要求成为目前研究的关键因素。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种双光路成像的振镜扫描系统及扫描方法，能够提高扫描系统的检测精度和检测效率。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种双光路成像的振镜扫描系统，包括第一镜片、第二镜片、大视场成像单元、小视场成像单元、聚焦镜、XY扫描振镜和光源；

外部的激光光路透过第一镜片到达XY扫描振镜，经过XY扫描振镜反射后，依次透过聚焦镜和第二镜片，作用在待打标物体上对其进行打标；

所述光源发出照明光路打亮待打标物体，待打标物体将照明光路反射到第二镜片上，其中部分照明光路经第二镜片反射到大视场成像单元中成像，用于监控待打标物体的打标情况；还有部分照明光路依次透过第二镜片和聚焦镜后聚焦在XY扫描振镜上，通过XY扫描振镜作用至第一镜片，并被反射至小视场成像单元中成像，用于对待打标物体的打标情况进行检测。

所述大视场成像单元采用第二CCD和第二镜头，小视场成像单元采用第一CCD和第一镜头。

还包括扫描方头和扫描壳体，所述扫描方头安装在扫描壳体的上端， 两者整体设置在待打标物体上方，所述扫描壳体和待打标物体之间设置有光源；扫描壳体内设置有第二镜片，扫描方头内设置有与第二镜片同轴的XY扫描振镜，第二镜片和XY扫描振镜之间还同轴设置有聚焦镜；第一镜头通过连接块安装在扫描方头的侧面，所述连接块内设置有与第一镜头位置相对应的第一镜片，连接块的侧面加工有与第一镜片位置相对应的通孔用于透过激光光路，第一CCD同轴安装在第一镜头的端部；第二镜头安装在扫描壳体的侧面并与第二镜片位置相对应，第二CCD同轴安装在第二镜头的端部；第一镜头和第二镜头的布置方向垂直，第一镜片与XY扫描振镜的位置相对应

所述光源到待打标物体所在平面的高度能够进行调节。

所述第一镜头沿竖直方向设置，第二镜头沿水平方向设置。

所述光源采用两个，且对称设置在待打标物体上方。

所述第一CCD采用图像拼接的方法进行图像处理，所述图像拼接包括图像采集、图像匹配和图像融合；

所述第一CCD进行图像匹配的具体步骤如下：

步骤S11：第一CCD拍摄的第一幅图像设为模板图像T，在所述模板图像T中找出阶数最高的特征点，并选取其中灰度值最大的特征点作为模板图像T的匹配特征点M；

步骤S12：第一CCD拍摄的第二幅图像设为参考图像P，在所述参考图像P中找出阶数等于所述匹配特征点M的阶数的所有特征点，设为同阶特征点；

步骤S13：用模板图像T的匹配特征点M与参考图像P上找到的同阶特征点依次进行匹配，并计算所述两幅图像的相似性度量，找出相似性度量最优的位置作为匹配位置，从而找到两幅图像中像素点的对应关系。

所述第一CCD进行图像融合的具体步骤如下：

步骤S21：选择一块视场大小合适的棋盘格标定板；

步骤S22：由第一CCD对棋盘格标定板进行图像采集，能够得到不同图像；

步骤S23：依次选取所述采集到不同图像中的特征点，并对不同图像中的特征点进行特征点匹配；

步骤S24：根据特征点匹配后图像对应的单应性矩阵，以第一张图像作为基准图像，其余的图像都在第一张图像的基础上进行拼接，直到所有的图像都拼接完成；

步骤S25：整体进行调整得到最终的拼接图像。

所述第二CCD对进行图像处理后实现的功能包括：对打标物体进行图像预览、进行位置定位、进行尺寸的测量和进行瑕疵的检测。

一种双光路成像的振镜扫描方法，该扫描方法具体步骤如下：

步骤一：调节光源的亮度，以及调节光源到待打标物体所在平面的高度；

步骤二：外部的激光光路透过第一镜片到达XY扫描振镜，经过XY扫描振镜反射后，依次透过聚焦镜和第二镜片，作用在待打标物体上开始对其进行打标；

步骤三：打开光源，其发出照明光路打亮待打标物体，照明光路被待打标物体反射到第二镜片上；

步骤四：部分照明光路经第二镜片反射到大视场成像单元中，并一次成像在第二CCD上成像，用于监控待达标物体的打标情况；

步骤五：对步骤四得到的图像进行图像处理得到监控结果，输出并显示所述监控结果；

步骤六：与步骤四的同时，还有部分照明光路依次透过第二镜片和聚焦镜后聚焦在XY扫描振镜上，控制XY扫描振镜不断转动，并通过第一镜片反射至小视场成像单元，在第一CCD上不断成像，即其不断进行图像采集得到n副图像，其中n≥2；

步骤七：对第一CCD采集到的n幅图像进行拼接，并对拼接后的图像进行校正；

步骤八：对拼接校正后的图像进行图像处理得到检测结果，输出并显示所述检测结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明中通过大视场成像单元和小视场成像单元对待打标物体进行实习监控和检测，通过第二镜片可以一次在大视场成像单元中成像，便于监控其打标情况，可以提高系统的检测效率；通过XY扫描振镜不断在小视场成像单元中进行成像，得到多副小图像，通过图像处理对多副小图像进行处理和拼接，最后得到大图像进行显示，可以提高系统的检测精度；整个系统结构简单、可靠，并能满足高精度、高效率以及大小视场成像的要求。

附图说明

图1为本发明双光路成像的振镜扫描系统原理图。

图2为本发明双光路成像的振镜扫描系统的结构示意图。

图3为本发明大视场成像单元得到的图像尺寸图。

图4为本发明小视场成像单元得到的图像尺寸图。

图5为本发明第一CCD进行图像匹配的流程图。

图6为本发明第一CCD进行图像融合的流程图。

图7为本发明双光路成像的振镜扫描方法流程图。

附图标记说明：1-第一镜片、2-第二镜片、3-第一CCD、4-第二CCD、5-第一镜头、6-第二镜头、7-扫描方头、8-聚焦镜、9-XY扫描振镜、10-扫描壳体、11-光源、12-待打标物体、13-连接块

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的 形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1所示，本发明提供的一种双光路成像的振镜扫描系统，适用于采用XY扫描振镜的方式进行加工的设备，能够实时监控和检测待打标物体的打标情况。该振镜扫描系统包括第一镜片1、第二镜片2、大视场成像单元、小视场成像单元、聚焦镜8、XY扫描振镜9和光源11。

外部的激光光路透过第一镜片1到达XY扫描振镜9，经过XY扫描振镜9反射后，依次透过聚焦镜8和第二镜片2，作用在待打标物体12上对其进行打标。点亮所述光源11发出照明光路打亮待打标物体12，待打标物体12将照明光路反射到第二镜片2上，其中部分照明光路经第二镜片2反射到大视场成像单元中成像，大视场成像单元得到大图像，用于监控待打标物体12的打标情况；还有部分照明光路依次透过第二镜片2和聚焦镜8后聚焦在XY扫描振镜9上，通过XY扫描振镜9作用至第一镜片1，并被第一镜片1反射至小视场成像单元中成像，小视场成像单元得到小图像，用于对待打标物体12的打标情况进行检测，即检测其打标质量。

本发明的扫描系统分为两部分，一是小视场成像单元采用第一CCD3和第一镜头5，可对待打标物体12的打标质量进行高精度的检测；二是大视场成像单元采用第二CCD4和第二镜头6，可实时监控待打标物体12的打标情况。两组成像单元均选用的是高分辨率的相机和镜头，不仅可以对待打标物体12进行实时监控、清晰成像，且检测精度可根据实际需求进行选择，高低检测精度兼容，使得扫描系统的通用性非常高。

上述中，通过XY扫描振镜9可将待打标物体12分成若干个小视场，通过第一镜片1成像到第一CCD3上。通过XY扫描振镜9的扫描作用，第 一CCD3可拍摄若干个小图像(图4所示)，通过图像处理的方法对这些小图像进行图像处理。通过第二镜片2成像到第二CCD4上，第二CCD4可拍摄到一副大图像(图3所示)，通过图像处理的方法对这幅大图像进行图像处理。

由于XY扫描振镜9的扫描速度非常快，在同样相机的条件下，小视场成像单元进行成像，可以大大提高了系统的检测精度，且XY扫描振镜9、普通的面阵相机和镜头的价格非常合理，能够满足目前对设备高精度、高效率的要求，第二CCD4可一次成像，可以实时监控待打标物体，从而满足对大视场的要求。

如附图2所示，上述各个部件的位置关系如下：

所述扫描方头7安装在扫描壳体10的上端，两者整体设置在待打标物体12上方。扫描壳体10内设置有第二镜片2，扫描方头7内设置有与第二镜片2同轴的XY扫描振镜9。第二镜片2和XY扫描振镜9之间还同轴设置有聚焦镜8，用于将照明光路聚焦在XY扫描振镜9上。第一镜头5通过连接块13并沿竖直方向安装在扫描方头7的侧面，连接块13内设置有与第一镜头5位置相对应的第一镜片1，连接块13的侧面加工有与第一镜片1位置相对应的通孔用于透过激光光路，第一CCD3同轴安装在第一镜头5的端部。第二镜头6沿水平方向安装在扫描壳体10的侧面并与第二镜片2位置相对应，第二CCD4同轴安装在第二镜头6的端部。第一镜头5和第二镜头6的布置方向垂直，第一镜片1与XY扫描振镜9的位置相对应。

为了使待打标物体12能够清晰成像，所述扫描壳体10和待打标物体12之间还设置有光源11。本实施例中，采用两个光源11对称设置。要保证第一CCD3和第二CCD4能够清晰成像，并要保证在待打标物体12表面的光照均匀，且光源11的亮度和光源11到待打标物体12所在平面的高度可以调节。

因此，对于表面很粗糙的待打标物体12，可适当的减小光源11与待打 标物体12之间的距离，对于表面很光滑且反射率很高的待打标物体12，可适当的增加两者之间的距离。

所述XY扫描振镜9包括X振镜和Y振镜，两者是通过X轴电机和Y轴电机带动实现偏转来进行平面扫描的。如果Y振镜不转动，X振镜转动，那么X振镜每转动固定的角度则第一CCD3就会取到一幅图像，且这一系列的图像是沿着X轴方向依次拍摄的；如果X振镜不转动，Y振镜转动，那么Y振镜每转动固定的角度则第一CCD3就会取到一幅图像，且这一系列的图像是沿着Y轴方向依次拍摄的。当X振镜和Y振镜都转动时，则可以得到待打标物体12其它部分的图像。

因此，通过XY扫描振镜9上X振镜和Y振镜的共同扫描作用，使得第一CCD3依次可拍摄到n幅小图像，并通过现有的图像处理方法将这n幅小图像拼接成一副完整的大图像。然后对这幅大图像进行图像处理，并根据实际需求确定是否将检测结果在外部的显示器上显示出来。

本发明通过第二镜片2，使得待打标物体12可一次成像到第二CCD4上，这样可以大大提高了扫描系统的检测效率。

上述中，第一CCD3进行图像处理的原理为：基于特征点的图像拼接算法，其可以非常有效的对图像进行拼接。图像拼接过程可以分为图像采集、图像匹配和图像融合这3个主要步骤。其中图像匹配和图像融合是关键的两步。

所述图像匹配是提取特征点对特征点进行匹配，保证特征点位置的精确性与匹配的准确性。特征点匹配是指在找出图像上的特征点后，寻找图像间特征点的对应关系，通常采用最近邻方法，即查找每一个特征点在另外一幅图像中的最近邻。理想状态下两幅图像之间相同部分的特征点应该具有相同的特征描述向量，所以他们之间的距离应该最近。

本发明中，如附图5所示，第一CCD3进行图像匹配的具体步骤如下：

步骤S11：第一CCD3拍摄的第一幅图像设为模板图像T，在所述模板 图像T中找出阶数最高的特征点，并选取其中灰度值最大的特征点作为模板图像T的匹配特征点M。

本步骤中，阶数最高的特征点有很多，在阶数最高的特征点中选取灰度值最大的特征点。选取最高阶特征点作为匹配特征点的意义在于：选取较有规律的点作为匹配特征点，可以排除个别杂波对匹配特征点选取的干扰。

步骤S12：第一CCD3拍摄的第二幅图像设为参考图像P，在所述参考图像P中找出阶数等于所述匹配特征点M的阶数的所有特征点，设为同阶特征点。

步骤S13：用模板图像T的匹配特征点M与参考图像P上找到的同阶特征点依次进行匹配，并计算所述两幅图像的相似性度量，找出相似性度量最优的位置作为匹配位置，从而找到两幅图像中像素点的对应关系。

所述图像融合是利用线性加权函数法去除拼接后的接缝，使拼接图像达到平滑的过度。

本发明中，如附图6所示，第一CCD3进行图像融合的具体步骤如下：

步骤S21：选择一块视场大小合适的棋盘格标定板。

步骤S22：由第一CCD3对棋盘格标定板进行图像采集，能够得到多个不同图像。

步骤S23：依次选取所述采集到图像中的特征点，并对不同图像中的特征点进行特征点匹配。

步骤S24：根据特征点匹配后图像对应的单应性矩阵，以第一张图像作为基准图像，其余的图像都在第一张图像的基础上进行拼接，直到所有的图像都拼接完成。

由于匹配完成后图像与图像之间都有唯一的一个单应性矩阵，由这些单应性矩阵最终可以将所有的图像联系起来。

步骤S25：整体进行调整得到最终的拼接图像。

由于拍摄环境以及匹配误差的影响，拼接后图像的重叠部分难免会存在光照变化、色差变化等差异，由于这些影响的存在，即使是匹配很准确的两幅图像，拼接完成之后重叠处也有一道很明显的不连续接缝。

因此，利用变化的加权函数法进行融合，考虑到图像重叠区域的不规则性，加权平均权值函数随着位置的不同表达式也取不同的形式，这样能够照顾到图像的每一个细节，最后得到一副无畸变、无接缝的完整图像。

上述中，所述第二CCD4进行图像处理的原理为：对打标后的打标图案进行图像采集，将采集到的图像进行图像处理，实现实时监控打标过程并对打标效果进行检测。

所述第二CCD4对图像处理后实现的功能包括：

(1)进行图像预览：通过图像处理，获取到待打标物体12的真实图像，在屏幕上真实显示预设的图案和位置。

(2)进行位置定位：在系统运行过程中，系统采集待打标物体12的图像进行位置坐标的确定。例如激光打标系统，无论标记物体的位置如何，经过位置标定后都可以找到正确的打标位置。

(3)进行尺寸的测量。

(4)进行瑕疵的检测：在标记完成后，系统采集打标后的图像，进行图像分析，检测打标的质量。

以上只是列举了几个常用的功能，在实际应用中可以实际需要，对物体表面进行检测或尺寸的测量等。

如附图7所示，本发明还提供一种双光路成像的振镜扫描方法，该扫描方法具体步骤如下：

步骤一：调节光源11的亮度，以及调节光源11到待打标物体12所在平面的高度。

步骤二：外部的激光光路透过第一镜片1到达XY扫描振镜9，经过XY扫描振镜9反射后，依次透过聚焦镜8和第二镜片2，作用在待打标物体 12上开始对其进行打标。

步骤三：打开光源11，其发出照明光路打亮待打标物体12，照明光路被待打标物体12反射到第二镜片2上。

步骤四：部分照明光路经第二镜片2反射到大视场成像单元中，并一次成像在第二CCD4上得到大图像，用于监控待达标物体12的打标情况。

步骤五：对步骤四得到的大图像进行图像处理得到监控结果，输出并显示所述监控结果。

步骤六：与步骤四的同时，还有部分照明光路依次透过第二镜片2和聚焦镜8后聚焦在XY扫描振镜9上，控制XY扫描振镜9不断转动，并通过第一镜片1反射至小视场成像单元，在第一CCD3上不断成像，即其不断进行图像采集得到n副小图像，其中n≥2。

步骤七：对第一CCD3采集到的n幅图像进行拼接，并对拼接后的图像进行校正。

步骤八：对拼接校正后的图像进行图像处理得到检测结果，输出并显示所述检测结果。

本发明中，所提到的大图像和小图像是待打标物体12分别在第二CCD4和第一CCD3成像的大小，即相比较之下，在第二CCD4得到的图像尺寸比在第一CCD3得到的图像尺寸大，因此采用大图像和小图像对分别在第二CCD4和第一CCD3得到的图像进行区分。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。