普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种机器视觉识别设备，特别是涉及一种普通及特殊环境的人工 智能机器视觉识别装置。
【背景技术】
[0002] 目前，人工智能机器视觉识别设备主要通过直接拍摄图像，并结合图形图像识别 算法实现模式识别。对特定对象，使用特定的软件算法识别；此类方法技术，也主要应用于 特定、单一的识别对象。比如：药品中药片、胶囊的完整性识别；胶瓶饮料、酒类等的液面 高度识别；印染行业的图像边缘完整度识别等边缘检测识别领域等；其他如：港口、机场、 火车站、进出口物品检测等领域，一般需要人工辅助识别；强辐射、超高温、超高压等特殊领 域，比如矿井、核辐射污染区、海底热液区、行星表面等特殊环境，近距离一般需要实时的图 像远程播放，并辅助人工控制进行；远距离的行星表面等特殊环境，很难实现实时图像传输 及人工控制，所以，对算法的要求大幅度提高，同时也大幅度增加了 CPU的运算负担。
[0003] 在探测光源上，用摄像机直接拍摄，一般采用普通的照明光源；也有使用点状激光 扫描，或者线状激光扫描方法；也有使用投影仪投影输出正弦结构光照明的方法；3D立体 识别上，既有双摄像头方法，也有采用全息图拍摄的干涉方法。这一类方法，因为扫描结构 的存在，速度慢；或者，因为使用通用设备，比如投影仪，而不适合使用于高辐射、高温、高压 等特殊环境；或者，双摄像头的运算量也比较大；或者，因为利用全息干涉方法，只适用于 实验室，限制了使用环境。
[0004] 专利号200510016796. 0专利是原理相近专利，涉及的主要内容是"光学系统调制 传递函数（MTF)测量"。该专利第一发明人为本专利申请的第一发明人，在对该专利的四项 关键技术改进后，可用于普通及特殊多环境的人工智能机器视觉识别，减少软件运算量，提 高识别率。
[0005] 第一，对关键核心部件矩形光栅的选择没有针对性，单纯利用矩形光栅的制作误 差，实现的二级光谱输出，不具有可控性；改进方案是将使用占空比精确控制为大于3 : 1 的整数比的矩形透射光栅，保证利用二级光谱合成，实现关键位置，投影正弦结构光的倍增 输出。能够使用单频、双频、三频的正弦结构光投影，不会出现频率混叠，容易实现滤波算法 设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压力，提高识别率；
[0006] 第二，占有输入能量70%以上的零级频谱不能有效利用，且只能降低输出正弦结 构光的对比度；改进方案是根据各级次光谱之间的相位关系，利用1/4波片或1/2波片将零 频光能量转移到一级频谱、二级频谱、三级频谱，成倍提高局部大曲率位置的条纹密度及正 弦结构光的对比度，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式识别率；
[0007] 第三，傅立叶变换透镜及变倍率镜头为通用设计，没有针对单一波长光的针对性 设计，输出的正弦结构光像场像差较大，是测量精度提高的一大障碍；改进方案是针对光 源激光器波长，设计专用单色镜头，不需要考虑色差及消色差问题，只需解决球差、场曲、畸 变、慧差和像散问题即可，降低镜头设计、镀膜和制造的难度，并能有效降低投影正弦结构 光的波像差，再结合激光测距系统，实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄 对象的清晰度，提高识别精度；
[0008] 第四，平行光输出，如果按照输出镜头尺寸4英寸设计，投影尺寸即只有4英寸，限 制了测量的视场范围，不利于大面积投影拍摄；改进方案是配合高放大率镜头输出，加大投 影面积；以及配合高速扫描振镜的扫描，实现大尺寸、大面积投影正弦结构光输出，配合远 心镜头及图像拼接技术，静态拍摄可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的 低速物体模式识别，以及高速运动目标的捕捉及模式识别。 【实用新型内容】
[0009] 本实用新型目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种普通及特殊环境的人 工智能机器视觉识别装置。针对【背景技术】中的问题有：人工智能机器视觉识别方法图形 图像识别算法运算量大，且识别对象特征单一，识别率低；以及使用通用设备，而不适合于 超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境使用等。该技术涉及 人工智能机器视觉领域，涉及利用波片、矩形光栅或正弦光栅、滤光片及光学空间滤波器， 进行空间分频、合成，产生高于lOOlp/mm空间频率的二维正弦结构光，结合远心镜头及高 速CCD(CMOS)，以及图像处理与模式识别软件，进行人工智能机器视觉识别的一种方法和装 置。
[0010] 为实现上述目的，本实用新型普通及特殊环境的人工智能机器视觉识别装置包括 沿光路依次配置在精密丝杠8-1和精密导轨8-2的圆光斑输出的单模激光器1、光束整形 系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高 速振镜9组成的正弦结构光输出系统，由计算机14及与之相连的远心镜头及高速CCD或 CM0S11、激光测距系统12、内部环境控制系统13组成的视觉采集识别系统和正弦结构光 输出系统的输出光路和视觉采集识别系统的采集光路指向的待识别目标10 ;正弦结构光 输出系统和视觉采集识别系统配置在带防辐射保护窗口的保护外壳15内。具有结合激光 测距系统，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合由 近及远的大视场范围测量的正弦结构光连续输出，兼顾远近不同距离，不同特征的静态、低 速，以及高速运动物体的模式识别的优点。
[0011] 作为优化，所述光束整形系统2位于激光器1的后面，对激光束扩束、准直、整形； 矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅3定位在单色傅立叶变换透镜4的 前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单 色变倍率镜头7的前焦平面上；高速振镜9位于单色变倍率镜头7后方输出光路上。
[0012] 采用平行光投影输出正弦结构光，可直接对小尺寸目标物体拍摄；中等视场，使用 单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦结构光，即可实现；大视场测量，调整单色变倍率 镜头7,输出大角度非平行光正弦结构光，可以实现；或者，使用高速振镜9,大幅度扩大视 场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦结构光投影拍摄。所有拍 摄目标方式需要同一时刻的基线距离b及激光测距系统12确定的拍摄距离L tl等结构参数 支持；配合高放大率镜头输出，加大投影面积；以及配合高速振镜9的扫描，实现大尺寸、大 面积投影正弦结构光输出，配合远心镜头及高速CCD(CMOS) 11及图像拼接技术，静态拍摄 可以达到几十米的巨大范围，能够兼顾远近不同距离的低速物体模式识别，以及高速运动 目标的捕捉及模式识别；获得的利用单频、双频、三频的正弦结构光投影拍摄的目标图像， 不会出现频率混叠，容易实现滤波算法设计，减少软件运算量，减轻图像处理CPU的运算压 力，提高识别率；将零频光能量转移到一级频谱、二级频谱、三级频谱，成倍提高局部大曲率 位置的条纹密度及正弦结构光的对比度，利于获取远距离及大尺寸的清晰图像，提高模式 识别率；结合激光测距系统12,实现在不同距离位置波像差的实时补偿，有效提高拍摄对 象的清晰度，提高识别精度。
[0013] 作为优化，所述远心镜头及高速C⑶或CMOS11、激光测距系统12并列设置。
[0014] 作为优化，所述远心镜头及高速C⑶或CMOSll位于临近正弦结构光输出系统的内 侦I所述激光测距系统12位于远离正弦结构光输出系统的外侧。
[0015] 作为优化，所述保护外壳15在正弦结构光输出系统前面和视觉采集识别系统前 面分别配置有正弦结构光输出系统的Z字形辐射防护窗口 16-1和视觉采集识别系统的Z 字形福射防护窗口 16-2。保护外壳15,带有正弦结构光扫描输出保护窗口（Z字形福射防护 窗口）16-1，及目标拍摄和测距接收输入保护窗口（Z字形辐射防护窗口）16-2 ;固定所有元 件，一般设计需要防尘、防水保护，保证内部元件稳定工作及维持内部环境稳定作用；输入、 输出保护窗口（Z字形福射防护窗口）16-1、保护窗口（Z字形福射防护窗口）16-2,根据使 用特殊环境的不同选择设计对应的方式；一般的耐压、耐高温设计选择蓝宝石窗口，防紫 外设计选择石英窗口，防高能粒子辐射，设计选择Z字形辐射防护窗口等，实现特殊环境需 要，如超低温、高真空、微重力、超高温、超高压、强腐蚀、强辐射等特殊环境。
[0016] 作为优化，所述Z字形辐射防护窗口是一个两端分别反向垂直伸出遮光端筒的遮 光主筒的两拐角处分别配置一面镜面与所述遮光端筒轴线和遮光主筒轴线呈45度夹角的 反射镜。
[0017] 作为优化，所述遮光端筒外端配置有透明窗口，所述透明窗口为蓝宝石窗口或者 石英窗口或者其它透明镜片；所述遮光主筒或者一个外遮光端筒的外端部固装在所述保护 外壳15上。
[0018] 作为优化，所述远心镜头及高速C⑶或CMOS11、激光测距系统12同高速振镜9构 成拍摄基线b ;通过激光测距系统12,获得目标的实时拍摄距离Ltl结构数据参数和目标图 像，并将数据传输至计算机14,进行模式识别处理并存储；内部环境控制系统13将设备内 部的各个参数，如温度、压力数据传输至计算机14,并受其控制，实现内部环境的稳定，保证 各个元件的正常工作。
[0019] 作为优化，所述光束整形系统2为激光扩束器式，其激光束腰位置的小孔圆度优 于微米级，且无毛刺；所述矩形光栅3要求占空比不等于I : 1 ;所述矩形光栅3和频谱选 择器5由正弦光栅代替。
[0020] 作为优化，所述频谱选择器5包括电、磁或光寻址空间光调制器SLM、数字式微反 射镜器件DMD、机械式小孔均可。
[0021]