一种非匀速情况下的TDI相机有效曝光控制方法及装置与流程

本发明涉及扫描成像中TDI(Time Delay Integration时间延迟积分)相机的有效曝光控制方法，特别是一种非匀速情况下的TDI相机有效曝光控制方法及装置。

背景技术：

TDI是一种扫描技术，其TDI相机的图像传感器中的一列线阵像素与待成像物体的运动对准且与待成像物体的运动同步,随着图像从一行像素移向另一行,积分电荷也随着移动,用这种方式对相对运动物体进行连续的成像输出，用于高速运动的物体或高速扫描成像。TDI相机在工业生产中的各种高速流水线检测中有着非常广泛的应用。由于TDI相机的幅宽通常可达到4k～8k，高端的TDI相机幅宽可以达到16K甚至更多，而在列方向通过扫描成像可以无限拓展，在成像通量方面相对于面阵相机有极大的优越性，且TDI技术使得其灵敏度数倍于相对传统线阵相机。此外由扫描获取大视场高分辨率图像，可避免使用面阵相机进行大视场高分辨率成像时复杂的图像拼接工作，因而利用TDI相机的扫描成像在工业生产中各种需要高速连续成像的情形中得到广泛的应用。然而由于TDI相机的电荷转移原理限制，用户无法单独控制曝光时间，仅可通过软件或者外触发控制TDI过程积分电荷何时进行行间移动。在往复扫描等非匀速情况下的线扫描成像中，若使用软件控制其等时间间隔进行电荷行间移动，则由于运动速度的不均匀造成图像的拉伸或压缩变形；若通过位置编码器触发TDI相机实现等位置间隔的电荷行间移动，则由于运动速度不均匀造成TDI相机不同行的曝光时间不一致带来图像的明暗变化。

由此，急需一种非匀速情况下TDI相机有效曝光控制办法，以在非匀速情况下的线扫描中获取无图像变形、无明暗变化的高质量图像。仅对上述需求，本发明提出一种非匀速情况下TDI相机有效曝光控制办法，由位置编码器触发下的TDI相机及照明光源的精确调控，实现等位置间隔曝光、等有效曝光量的非匀速情况下的高质量扫描图像获取。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种非匀速情况下的TDI相机有效曝光控制方法，该方法能够实现非匀速情况下TDI相机的有效曝光控制。

为实现上述目的，本发明提供一种非匀速情况下的TDI相机曝光控制方法，所述非匀速情况下的TDI相机曝光控制方法包括：设置包括位置编码器、扫描成像系统、曝光控制模块和光源及照明系统，其中，扫描成像系统包括TDI相机和位移台，光源及照明系统包括光源驱动模块和光源；通过位置编码器对位移台的位置进行编码以及将位移台的当前位置编码信号输出给TDI相机和曝光控制模块；响应于位移台运动预设的固定距离间隔Δd，TDI相机按照当前位置编码信号完成一次积分电荷的行间移动并继续进行曝光，同时，曝光控制模块输出外触发信号给光源驱动模块，以控制光源进行出光和关断,使TDI相机在每一次曝光获取的有效曝光量均相同；其中，外触发信号的开始时刻t0与TDI相机的每次曝光开始时刻同步，且外触发信号的脉宽为恒定值，该恒定脉宽的最大值为位移台运动预设的固定距离间隔Δd与位移台最大运动速度之比，固定距离间隔Δd的值为TDI相机的像元大小与成像放大率的比值。

进一步地，在TDI相机的每次曝光过程光源提供相同的照明时间。

进一步地，位移台的当前位置编码信号经由曝光控制模块解析、计数及位置比较，每隔预设的固定距离输出外触发信号。

进一步地，光源采用激光光源，光源驱动模块为激光光源驱动模块，“曝光控制模块控制光源驱动模块按照外触发信号控制光源进行出光和关断”具体为：曝光控制模块将外触发信号输送给激光光源驱动模块，激光光源驱动模块控制激光光源的出光和关断。

进一步地，光源采用LED光源，光源驱动模块为LED光源驱动模块，“曝光控制模块控制光源驱动模块按照外触发信号控制光源进行出光和关断”具体为：曝光控制模块按照外触发信号通过三极管/MOS管开关电路控制LED光源驱动模块输送给LED光源的驱动电流，控制LED光源的出光和关断。

本发明还提供一种非匀速情况下的TDI相机曝光控制装置，所述非匀速情况下的TDI相机曝光控制装置包括位置编码器、扫描成像系统、曝光控制模块和光源及照明系统，其中：所述扫描成像系统包括TDI相机和位移台；光源及照明系包括光源驱动模块和光源；所述位置编码器用于对所述位移台的位置进行编码以及将所述位移台的当前位置编码信号输出给所述TDI相机和所述曝光控制模块；所述TDI相机响应于所述位移台运动预设的固定距离间隔Δd的情形下，按照当前位置编码信号完成一次积分电荷的行间移动并继续进行曝光；在所述TDI相机曝光的同时，所述曝光控制模块输出外触发信号给所述光源驱动模块，以控制所述光源进行出光和关断,使得所述TDI相机在每一次曝光获取的有效曝光量均相同；其中，所述外触发信号的开始时刻t0与所述TDI相机的每次曝光开始时刻同步，且所述外触发信号的脉宽为恒定值，该恒定脉宽的最大值为所述位移台运动预设的固定距离间隔Δd与所述位移台最大运动速度之比，所述固定距离间隔Δd的值为所述TDI相机的像元大小与成像放大率的比值。

进一步地，在所述TDI相机的每次曝光过程光源提供相同的照明时间。

进一步地，所述位移台的当前位置编码信号经由所述曝光控制模块解析、计数及位置比较，每隔预设的固定距离输出所述外触发信号给所述光源驱动模块。

进一步地，所述光源采用激光光源，所述光源驱动模块为激光光源驱动模块，所述曝光控制模块将所述外触发信号输送给所述激光光源驱动模块，所述激光光源驱动模块控制所述激光光源的出光和关断。

进一步地，所述光源采用LED光源，所述光源驱动模块为LED光源驱动模块，所述曝光控制模块按照所述外触发信号通过三极管/MOS管开关电路控制所述LED光源驱动模块输送给LED光源的驱动电流，控制LED光源的出光和关断。

本发明响应于位移台运动预设的固定距离间隔，TDI相机按照当前位置编码信号完成一次积分电荷的行间移动并继续进行曝光，同时，曝光控制模块控制光源驱动模块按照外触发信号，来控制光源进行出光和关断,使TDI相机在每一次曝光获取的有效曝光量均相同，因此在非匀速情形下也能充分保证TDI相机各行的等曝光量曝光，以获取高质量的均匀曝光图像。

附图说明

图1和图2是本发明所提供的非匀速情况下的TDI相机有效曝光控制装置一实施例中的成像模块的工作原理示意图；

图3是是本发明所提供的非匀速情况下的TDI相机有效曝光控制装置一实施例结构原理示意图；

图4是图2所示的非匀速情况下的TDI相机有效曝光控制装置中的位置编码器与曝光控制模块的输出波形示意图；

图5是图2所示的非匀速情况下的TDI相机有效曝光控制装置中的TDI相机和曝光控制模块响应于位移台的当前位置编码信号的工作状态示意图；

图6是图2所示的非匀速情况下的TDI相机有效曝光控制装置中的光源驱动模块和光源的一实施例的原理示意图；

图7是图2所示的非匀速情况下的TDI相机有效曝光控制装置中的光源驱动模块和光源的另一实施例的原理示意图；

图8是图7中的三极管/Mos管开关电路的结构示意图示例。

具体实施方式

在附图中，使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本实施例所提供的非匀速情况下的TDI相机曝光控制方法包括：

步骤1，如图1至图3所示，设置包括位置编码器1、扫描成像系统2、曝光控制模块3和光源及照明系统4，其中，

扫描成像系统2包括成像模块、位移台22、图像采集卡23、计算机24和运动控制器25，图像采集卡23采集成像模块获取的图像信息，并将采集到的图像信息输送给计算机24。所述成像模块包括TDI相机21及成像镜头。计算机24通过运动控制器25控制位移台22的移动。位移台22带动所述成像模块或待成像目标5做直线扫描运动。位移台22的位置由位置编码器1进行编码。在往复扫描的扫描成像中，不可避免会有加减速阶段的非匀速过程。本实施例在扫描运动的位移台22上增加诸如光栅尺等类型的位置编码器1，并由位置编码器1输出位置信号，触发TDI相机21，使得TDI相机21在位移台22运动一固定距离间隔时，完成一次积分电荷的行间移动并继续进行曝光。

光源及照明系统4包括光源驱动模块41、光源42和照明系统43。

步骤2，通过位置编码器1对位移台22的位置进行编码以及将位移台22的当前位置编码信号输出给TDI相机21和曝光控制模块3。

步骤3，响应于位移台22运动预设的固定距离间隔，TDI相机21按照当前位置编码信号完成一次积分电荷的行间移动并继续进行曝光，同时，曝光控制模块3输出外触发信号给光源驱动模块41，以控制光源42进行出光和关断,使TDI相机21在每一次曝光获取的有效曝光量均相同。

其中，外触发信号的开始时刻(如图5中示出的第一个Δd内的t1、第二个Δd内的t2、第三个Δd内的t3)与TDI相机的每次曝光开始时刻同步，且外触发信号的脉宽为恒定值Δt，该恒定脉宽Δt不随位移台的速度变化而变化，恒定脉宽Δt的最大值为位移台22运动预设的固定距离间隔Δd与位移台最大运动速度之比，固定距离间隔Δd的值为TDI相机21的像元大小与成像放大率的比值。

本实施例摒弃了传统线扫描成像中使用的连续照明光源，通过使用快速响应光源，并在曝光控制模块3接收到扫描成像时和扫描运动位置对应的位置编码器信号后，精确控制光源42的出光和关断，使得在TDI相机21每一次电荷行间转移中每行像素的有效曝光量均相同。由此保证了虽然每一次电荷行间转移时各行的曝光时间不同但其有效曝光量相同，从而在非匀速情形下也能获得曝光量相同的高质量线扫描图像。

如图5所示，在图5中，从上至下依次为：位移台22做非匀速运动的位移-时间曲线、TDI相机21响应于位移台22运动预设的固定距离间隔Δd的曝光积分-时间示意图、光源42响应于位移台22运动预设的固定距离间隔Δd的开关-时间示意图。

位移台2非匀速运动的位移-时间曲线中，纵轴表示位移台22的位移，并按照每运动的固定距离间隔Δd的时刻控制TDI相机21和光源42。假设位移台22按照图示的位移-时间曲线做非匀速的往复运动，运动过程包括去程加速阶段、匀速阶段及减速阶段以及回程加速阶段、匀速阶段及减速阶段。位移台22的运动过程由位置编码器1进行编码，位置编码器1输出信号至TDI相机21，TDI相机21每隔一固定位置编码器1计数进行一次电荷行间转移，即等距离间隔(固定距离间隔Δd)进行电荷行间转移。

TDI相机21响应于位移台22运动预设的固定距离间隔Δd的曝光积分-时间示意图中，时序图下降沿表示TDI相机21开始进行电荷行间转移的时刻，低电平段(0)为相机进行行间转移需要的时间，高电平段(1)为TDI相机进行曝光积分的时间。由于位移台22在非匀速阶段，等距离间隔(固定距离间隔Δd)对应的运动时间不同，TDI相机21的曝光时间也随之发生变化。

光源42响应于位移台22运动预设的固定距离间隔Δd的开关-时间示意图中，高电平段(1)为光源打开时间，低电平段(0)为光源关闭时间，图5中示出的第一个Δd内高电平段(1)的开始时刻t01、第二个Δd内高电平段(1)的开始时刻t02、第三个Δd内高电平段(1)的开始时刻t03分别与TDI相机21的每次曝光开始时刻同步，并且高电平段(1)的脉宽Δt均相同。即在TDI相机21的每次曝光过程光源提供相同的照明时间。

为克服TDI相机21随运动速度变化的曝光时间使得图像明暗不均，本实施例中的光源42由曝光控制模块3驱动，接收来自位置编码器1的信号并与TDI相机21电荷行间转移同步，在TDI相机21的每次曝光过程给予相同的照明时间。因此，TDI相机21的曝光时间随速度变化，但其每次曝光接收到的照明量相同，即实现了TDI相机21的等有效曝光量控制。TDI相机21及光源42或待成像目标5在位移台22的驱动下做直线往复扫描运动，位置编码器1控制的非匀速扫描成像系统可保证在非匀速扫描过程依旧可以采集到无拉伸或压缩等图像变形的高质量均匀曝光图像。

在一个实施例中，位移台22的当前位置编码信号经由曝光控制模块3进行解析、计数及位置比较，每隔预设的固定距离输出外触发信号给光源驱动模块。外触发信号可以是TTL\CMOS电平信号。该实施例主要是考虑到光源驱动模块41无法直接接收位置编码器信号而设置。

曝光控制模块3接收来自位置编码器1的位置编码信号，并在该信号的驱动下实现对光源42快速、准确调控。本实施例将传统的连续照明光源变换成与扫描速度相关的脉冲光源，在TDI相机21的每两次电荷行间转移之间的曝光过程进行相同时间的照明，以实现非匀速情况下的TDI相机有效曝光精确控制。如图4所示，曝光控制模块3可以接受来自位置编码器1的模拟信号或TTL信号，并完成对该信号的解析实时获取位移台的当前位置。通过计数及位置比较，每隔固定距离发出触发信号至光源驱动模块41，该信号的开始时刻与TDI相机的每次曝光开始时刻同步，该信号的脉宽为一恒定值，不随位移台22的运动速度改变而改变。该恒定脉宽的最大值为位移台运动预设的固定距离间隔Δd与位移台最大运动速度之比。

曝光控制模块3主要由FPGA实现，该模块与计算机24通讯，用户可以通过计算机24来设置恒定脉宽间隔Δt、并输入位移台22运动时预设的固定距离间隔Δd。

如图6所示，在一个实施例中，光源42采用激光光源，光源驱动模块41为激光光源驱动模块，“曝光控制模块控制光源驱动模块按照外触发信号控制光源进行出光和关断”具体为：

曝光控制模块3将外触发信号输送给激光光源驱动模块41，激光光源驱动模块41控制激光光源42的出光和关断。

本实施例中，由于激光光源驱动模块41通常都包含外触发功能，即只需发送外触发信号至光源驱动模块41即可控制激光42的出光或关断。

如图7所示，在一个实施例中，光源42采用LED光源，光源驱动模块41为LED光源驱动模块，“曝光控制模块控制光源驱动模块按照外触发信号控制光源进行出光和关断”具体为：

曝光控制模块3按照外触发信号通过三极管/MOS管开关电路44控制LED光源驱动模块41输送给LED光源42的驱动电流，控制LED光源42的出光和关断。

曝光控制模块3主要由FPGA实现，完成对输入的位置编码器信号的解析、计数及位置比较，最终发送外触发信号直接控制光源驱动模块41到光源的驱动电流实现对LED光源42的出光关断的调控。

LED光源驱动模块41块通常不包含外触发功能，需要增加三极管/MOS管开关电路44，通过直接控制LED光源驱动模块41和光源42之间的驱动电流来控制LED光源的出光或关断。三极管/MOS管开关电路44可以采用现有电路结构实现，比如图7中示出的电路结构示意图。

上述实施例中，高带宽的激光光源或LED光源芯片可以接收百赫兹到千赫兹频率的外触发信号并在小于10μs的时间内完成响应，实现光源的开或关。此种光源无荧光粉故不存在磷光滞留的现象，可以实现快速的完全开启和完全关断。可根据需要选择波长范围在400nm～1200nm的某一波长下的单色激光或者选择波长范围在400nm～1200nm的某一波长下的准单色LED光源，或者由多种波长的单色激光或准单色LED光源组成的复色光，激光光源或LED光源由各自对应的光源驱动模块41驱动。

根据扫描成像的需求选择合适的照明方式，如均匀的线状透射照明或反射照明，照明区域完全覆盖TDI相机21对应成像区域。通过控制光源驱动模块41，可以实现光照度的改变以适应不同的成像需求。

如图1至图3所示，本发明还提供一种非匀速情况下的TDI相机曝光控制装置，其特征在于，包括位置编码器1、扫描成像系统2、曝光控制模块3和光源及照明系统4，其中：

扫描成像系统2包括成像模块、位移台22、图像采集卡23、计算机24和运动控制器25，图像采集卡23采集成像模块获取的图像信息，并将采集到的图像信息输送给计算机24。所述成像模块包括TDI相机21及成像镜头。计算机24通过运动控制器25控制位移台22的移动。位移台22带动所述成像模块或待成像目标5做直线扫描运动。位移台22的位置由位置编码器1进行编码。在往复扫描的扫描成像中，不可避免会有加减速阶段的非匀速过程。本实施例在扫描运动的位移台22上增加诸如光栅尺等类型的位置编码器1，并由位置编码器1输出位置信号，触发TDI相机21，使得TDI相机21在位移台22运动一固定距离间隔时，完成一次积分电荷的行间移动并继续进行曝光。

光源及照明系统4包括光源驱动模块41、光源42和照明系统43。

位置编码器1用于对位移台22的位置进行编码以及将位移台22的当前位置编码信号输出给TDI相机21和曝光控制模块3。

TDI相机21响应于位移台22运动预设的固定距离间隔Δd，按照当前位置编码信号完成一次积分电荷的行间移动并继续进行曝光。

在TDI相机21曝光的同时，曝光控制模块3响应于位移台22运动预设的固定距离间隔Δd，输出外触发信号给所述光源驱动模块41，以控制所述光源42进行出光和关断,使得TDI相机21在每一次曝光获取的有效曝光量均相同。

其中，外触发信号的开始时刻(如图5中示出的第一个Δd内的t1、第二个Δd内的t2、第三个Δd内的t3)与TDI相机的每次曝光开始时刻同步，且外触发信号的脉宽为恒定值Δt，该恒定脉宽Δt不随位移台的速度变化而变化，恒定脉宽Δt的最大值为位移台22运动预设的固定距离间隔Δd与位移台最大运动速度之比，固定距离间隔Δd的值为TDI相机21的像元大小与成像放大率的比值。

本实施例摒弃了传统线扫描成像中使用的连续照明光源，通过使用快速响应光源，并在曝光控制模块3接收到扫描成像时和扫描运动位置对应的位置编码器信号后，精确控制光源42的出光和关断，使得在TDI相机21每一次电荷行间转移中每行像素的有效曝光量均相同。由此保证了虽然每一次电荷行间转移时各行的曝光时间不同但其有效曝光量相同，从而在非匀速情形下也能获得曝光量相同的高质量线扫描图像。

在一个实施例中，在TDI相机21的每次曝光过程光源提供相同的照明时间。

在一个实施例中，位移台22的当前位置编码信号经由所述曝光控制模块3解析、计数，并每隔预设的固定距离输出所述外触发信号给所述光源驱动模块41。

在一个实施例中，光源42采用激光光源，光源驱动模块41为激光光源驱动模块，曝光控制模块3将所述外触发信号输送给所述激光光源驱动模块，所述激光光源驱动模块控制所述激光光源的出光和关断。

在一个实施例中，光源42采用LED光源，光源驱动模块41为LED光源驱动模块，曝光控制模块3按照所述外触发信号通过三极管/MOS管开关电路44控制所述LED光源驱动模块41输送给LED光源的驱动电流，控制LED光源的出光和关断。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。