一种用于分光棱镜的装配校正方法及设备

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其是一种用于分光棱镜的装配校正方法及设备。

背景技术

现代成像技术中，为了更好地展示细节、明暗以及色彩等，除了引入计算机算法进行图像分析外，还会使用棱镜组对图像进行分光、分色处理，例如常见的三棱镜分色原理，最后将获得的多个图像叠加，获得一个更完整的图像。

例如在医学领域，内窥镜是一种常用的医疗器械，可被应用于各种检查和外科手术。与传统的外科手术相比，医用内窥镜的功能性微创伤手术已得到医生和患者的广泛接受。医用内窥镜利用人体天然孔洞或者在必要的时候开小孔，医生只要熟练地将内窥镜镜头深入体内，就能在体外进行体内的密闭手术操作。

而CMOS是内窥镜成像质量的关键部件，多个CMOS组合的方案可以为内窥镜带来更好的成像效果，从而帮助医生快速识别症状影像，高效的完成手术。对于体内成像来说，例如将细管级别的影像经过放大成像后，如果有阴影或者细节模糊的部分，可能影响医生的判断，目前使用单个CMOS难以同时满足人体内部影像的精准、明暗、细节等要求，经检索，中国申请号为CN201821374892.1的实用新型专利，公开了一种使用3个CMOS与棱镜胶合的医用内窥镜棱镜组，此棱镜组包含3个CMOS与4个棱镜胶合而成，通过3个CMOS实现对影像的分光、分色，最后将3个CMOS获得的影像重叠，进而为内窥镜提供更好的成像效果。

但是在3个CMOS的影像重叠后，常常发现，重叠后的图像边缘产生新的阴影、甚至边缘颜色模糊，尤其是细节处，并非理论上的清晰，经过研究发现，由于要求图像的一致性，多个CMOS是装在同一个光学棱镜组上，往往呈圆锥状的分布式的装配，装配方式如图3所示，由于装配工艺的误差，导致3个CMOS难以同时装配在指定的位置，进而采集到的图像重叠时，有平面内的角度差、位移差等，难以做到图像内的像素点之间的对齐，导致融合后的图像会出现像素点的偏差，影像医生的判断。

故，本申请要解决的是在棱镜组采集多个图像后，如何保证多个图像的一致性。

发明内容

发明目的：基于背景技术中提到的问题，本申请可以校正多个CMOS在装配时位置，进而进行同步装配，提高最终装配的精度，使得装配后的多个CMOS采集的图像能够直接重叠，重叠后的图像细节、色彩等更加清晰。

技术方案：一种用于分光棱镜的装配校准方法，用于若干个光接收元件在分光棱镜上的安装及校准，包括以下步骤：

S1、通过校正机构将各个光接收元件分别调整至预设位置，使光接收元件与分光棱镜形成第一配合状态；其中一个光接收元件标记为基准光接收元件，其他光接收元件标记为待调整光接收元件；

S2、分别通过基准光接收元件和待调整光接收元件采集光信号，获得基准图像和测试图像；通过预配置的图像分析单元分别计算每一测试图像与基准图像的空间差，基于空间差构建校正参数，并发送给校正机构，直至各个待调整光接收元件的位置达到预期位置；

S3、校正结束后，基于校正后的位置参数进行光接收元件与分光棱镜的装配。

进一步地，所述步骤S2中，各个待调整光接收元件的位置达到预期位置的判断过程包括：

计算测试图像与基准图像的空间差、校正参数、或待调整光接收元件当前位置与预期位置的空间距离，并判断是否小于对应的阈值。

进一步地，步骤S2中计算空间差的步骤如下：

S21、所述图像分析单元分别计算基准图像中的预设数量的基准特征及其坐标、测试图像中的预设数量的对应特征及其坐标；

S22、通过基准特征与对应特征，构建基准图像与测试图像的映射关系；

S23、通过映射关系求解基准图像与测试图像的空间差，所述空间差至少包括平面角度差

进一步地，S23中构建基准图像与测试图像的映射关系并求解空间差，包括以下步骤：

S231、设置网格图作为待采集的图像，使用所述网格图中的角点作为基准特征；所述图像分析单元引入角点算法；

S232、通过角点算法，计算出基准图像的预设数量的角点及其坐标，与基准图像对应，计算测试图像中数量及位置相同的角点及其坐标；

S233、引入坐标变化计算公式：

其中，下标

进一步地，获取所述空间角度差

S234、选取基准图像中任意两个角点，求得距离

S235、基于距离

一种用于分光棱镜的装配校准设备，基于如上述任意一项所述的用于分光棱镜的装配校准方法，包括：

图像分析单元，通过光接收元件采集测试图像，并对所述测试图像进行计算，获得基准图像与测试图像之间的空间差，输出空间差的数据信号；

处理单元，接收图像分析单元的数据信号，构建校正参数，输出对应的校正控制命令；

多轴机械臂，电性连接于处理单元；所述多轴机械臂用于调整光接收元件至初始待校正的位置；

校正机构，连接于所述多轴机械臂的输出端；所述校正机构接收控制命令，并按照控制命令对光接收元件的进行空间校正；

点胶机构，靠近所述校正机构设置，在对光接收元件的进行空间校正后，所述点胶机构接收处理单元的点胶命令，将光接收元件固定在分光棱镜上。

进一步地，所述校正机构包括：

直线移动组件，连接于所述多轴机械臂的输出端；所述直线移动组件用于控制光接收元件至分光棱镜的距离；

横向移动组件，连接于所述直线移动组件的输出端；所述横向移动组件基于横向位移差

纵向移动组件，连接于所述横向移动组件的输出端；所述纵向移动组件基于纵向位移差

第一转动组件，连接于所述纵向移动组件的输出端；所述第一转动组件的输出端自转；所述第一转动组件基于平面角度差θ，校正光接收元件的平面角度；

夹持组件，连接于所述转动组件的输出端。

进一步地，所述多轴机械臂调整直线移动组件的位置，使得直线移动组件的移动端的移动路径垂直于分光棱镜的表面。

进一步地，所述夹持组件包括：

夹具，至少两个夹臂，形成开合结构；

第二转动组件，设置在夹臂内侧；所述第二转动组件对光接收元件形成夹持状态，并基于空间角度差

进一步地，还包括用于固定分光棱镜的定位座、用于安装定位座的装配空间、安装在装配空间内部的固化灯；所述定位座中空设置，用于安装网格棋盘，所述定位座内侧的底部还安装灯箱，用于照亮网格棋盘。

进一步地，基于待校正的光接收元件数量，设置对应数量的校正机构。

有益效果：1、对光接收元件进行高精度的位置调整，例如实现CMOS的靶面实现微米级别的对准；

2、适配不同尺寸大小的光接收元件与分光棱镜的装配；

3、对多个光接收元件同步调整，同时设置阈值，使得装配后的多个光接收元件采集的图像同步，采集后的图像可以直接重叠，使得重叠后的图像细节、色彩逼近真实。

说明书附图

图1是本发明的流程图。

图2是本发明的整体结构示意图。

图3是本发明的光接收元件与分光棱镜的装配例图。

图4是本发明的3个光接收元件对网格图的角点检测示意图。

图5是本发明的校正机构示意图。

图1到图5的标注为：装配空间1、多轴机械臂2、校正机构3、点胶机构4、定位座5、分光棱镜6、光接收元件61、网格图7、直线移动组件8、横向移动组件9、纵向移动组件10、第一转动组件11、夹持组件12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步地说明。

实施例1

基于背景技术中提到的问题，本申请提出一种用于光学棱镜组的装配校准方法，并给出一种精准的装配工艺，用于解决多个光接收元件61采集的图像不一致问题，使得最后采集到的图像可以直接重叠，无需再次进行校准，例如，2个、3个或者更多个CMOS在内窥镜中的分光棱镜6的不同位置采集同一影像的医学图像后，多个医学图像可以直接重叠，进而精准呈现人体内部环境影像。

如图3所示，本实施例以3个CMOS，分别分布在内窥镜组的顶部以及左右侧，做进一步的阐述；

本实施例采用的方法包括以下步骤：

S1、设置校正机构3，校正机构3将待校正的光接收元件61夹持在待调整位置，使光接收元件61与分光棱镜6形成第一配合状态；

即在装配之前，通过校正机构3将CMOS夹持在待装配位置，即预设位置，使CMOS与分光棱镜形成第一配合状态，该预设位置可以通过多轴机械臂2配合进行事先的调整，使得位于该位置的CMOS接近分光棱镜6，或者在校正完位置后，通过直线运动，使得CMOS的光接收面平行于分光棱镜6的表面；其中一个CMOS标记为基准光接收元件，其他CMOS标记为待调整光接收元件；

S2、构建图像分析单元，通过基准光接收元件待调整光接收元件采集光信号，获得基准图像和测试图像；上位机预配置图像分析单元，计算测试图像与基准图像的空间差，基于空间差，设置阈值，当空间差大于阈值，基于空间差构建校正参数，并发送给校正机构3进行校正；当空间差≤阈值，校正结束，进行步骤S3；

其中由于机械调整精度，以及图像分析单元分析精度等特点，图像的重叠难以达到理想值，因此设置阈值范围，在空间差在阈值内，则认为是校正结束；如果超出阈值，则继续校正，直至误差在阈值之内；

本实施例以位于顶部的CMOS作为参考，该CMOS采集的图像为基准图像，进而分析左右侧CMOS采集的图像与基准图像的空间位置差，对应调整左右侧的CMOS的位置，使得三者采集的图像可以重叠；

所述步骤S2中，各个待调整光接收元件的位置达到预期位置的判断过程包括：

计算测试图像与基准图像的空间差、校正参数、或待调整光接收元件当前位置与预期位置的空间距离，并判断是否小于对应的阈值；

S3、基于校正后的位置参数进行光接收元件61与分光棱镜6的装配。即校正结束后，图像分析单元输出控制信号，控制光接收元件61相对分光棱镜6在校正后的位置进行装配，实现光接收元件61在分光棱镜6上的组装，得到一个精密度极高的光学棱镜组。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例给出一种计算空间差的方法，由于图像校正的幅度较小，因此本实施例中，通过建立并分析计算图像中的特征的坐标，从而进行精准的校正，本实施例以计算空间差为例：

S21、图像分析单元分别计算基准图像中的预设数量的基准特征及其坐标、测试图像中的预设数量的对应特征及其坐标；

S22、通过基准特征与对应特征的空间位置，构建基准图像与第一次测试图像的映射关系；本实施例中的映射关系表示对应的对应特征和对应特征的空间位移变换关系；

S23、通过映射关系求解基准图像与第一次测试图像的第一空间差，第一空间差至少包括平面角度差

实施例3

在实施例2的基础上，本实施例进一步具体提出要一种计算方案，为了突出在特征以及放大计算的坐标参数，本实施例中，选用高精准的网格图7，优选黑白交替的像素图，基准图像、以及待校正图像上及测试图像相对应的角点，包括角点的数量、角点的位置，最终计算出空间差，具体方法如下：

S231、设置网格图7作为待采集的图像，使用网格图7中的角点作为基准特征；图像分析单元引入角点算法；

S232、通过角点算法，计算出基准图像的预设数量的角点及其坐标，与基准图像对应，计算与第一次测试图像中与数量及位置的角点及其坐标；

S233、引入坐标变化计算公式：

其中，下标

如图4所示，通过观察采集卡成像端水平移动测试距离保证拍摄到的棋盘格占90%以上时固定拍摄距离，距离为

本实施例中的角点确认算法如下：

1、计算光接收元件获得图像在

T表示角点检测阈值；

2、计算图像两个方向梯度的乘积

3、对矩阵M中的每个元素进行高斯平滑滤波，消除不必要的孤立点和凸起得到新的矩阵M

4、计算M

5、基于角点检测阈值，检测角点，在矩阵中同时满足大于角点检测阈值和

实施例4

在实施例2或3的基础上，本实施例在获得平面角度差

S234、选取基准图像中任意两个角点，求得距离

S235、基于

实施例5

基于实施例1提出的校正方法，如图2和图5所示，本实施例对应的给出一种校正及装配的设备，包括：图像分析单元、处理单元、多轴机械臂2、校正机构3以及点胶机构4，其中图像分析单元通过光接收元件61采集测试图像，并对测试图像进行计算，以其中一个测试图像为基准图像，获得基准图像与测试图像之间的空间差，输出空间差的数据信号，数据信号至少包括平面角度差

本实施例还包括多轴机械臂2，多轴机械臂2电性连接处理单元，多轴机械臂2用于调整光接收元件61至待校正的位置，为粗调，使得光接收元件61靠近分光棱镜6，多轴机械臂2的输出端安装校正机构3，点胶机构4设置在校正机构3附近，在对光接收元件61的进行空间校正后，点胶机构4接收处理单元的点胶指令，对光接收元件61点胶，使其固定在分光棱镜6上。本申请中，点胶机构4可以采用多轴机械臂2及校正机构3相近的机械结构。

实施例6

在实施例5的基础上，基于空间差的参数，本实施例的校正机构3至少包括直线移动组件8、横向移动组件9、纵向移动组件10、第一转动组件11，其中多轴机械臂2的输出端安装直线移动组件8，直线移动组件8用于控制光接收元件61至分光棱镜6的距离，即当位置校正完成后，直线移动组件8控制光接收元件61贴近光学棱镜进行固定；直线移动组件8的输出端安装横向移动组件9，横向移动组件9基于横向位移差

本实施例中，直线移动组件8、横向移动组件9、纵向移动组件10可采用高精度的丝杆结构，第一转动组件11可采用舵机，舵机接收处理单元的信号，调整转动角度。

实施例7

在进行校正时，为了消除校正后，光接收元件61向分光棱镜6运动时，产生的偏移误差，通过设置多轴机械臂2的输出端的方向，使得直线移动组件8的输出端即自身的移动端，移动路径垂直于分光棱镜6的表面。防止校正后，移动光接收元件61至分棱镜固定时，产生新的横向位移差

实施例8

在实施例6的基础上，本实施例给出一种夹持组件12的具体结构，包括夹具和第二转动组件，其中夹具至少设置两个夹臂，形成开合结构，两个夹臂内侧的对称安装第二转动组件，进而第二转动组件对光接收元件61夹持并旋转，基于空间角度差

实施例9

如图2和图5所示，本实施例基于实施例1-8的方法及机构，给出一种校正及装配设备，还包括用于固定分光棱镜6的定位座5、用于安装定位座5的装配空间1、安装在装配空间1内部的固化灯，定位座5中空设置，用于安装网格棋盘，上述实施例中的网格图可以通过网格棋盘提供，进而作为测试图像，定位座5内侧的底部还安装灯箱，用于照亮测试图像。

使用时，多轴机械臂2却将光接收元件61调整至预设的待调整位置，采集测试图像，图像分析单元进行第一次分析，给出校正信号，校正机构3进行校正，此时再次采集测试图像，进行误差分析，当误差在阈值内时，则控制光接收元件61贴近分光棱镜6，点胶机构4进行点胶，固化灯加快固化。

实施例10

与实施例9不同的是，本实施例基于待校正的光接收元件61数量，设置对应数量的校正机构3。对于两个及以上的光接收元件61进行装配时，优选同步装配，减少先后装配产生的误差。

实施例11

在实施例1-10的基础上，如图2所示，本实施例还包括安装在装配空间1的上位机，上位机管理多轴机械臂2、校正机构3、点胶机构4、固化灯的启停时间，上位机至少包括图像分析单元、处理单元以及显示屏，使用时，只需将分光棱镜固定在定位座5上，即可进行装配。

尽管结合具体特征及其实施例对本申请进行了描述，显而易见的，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本申请的示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包括这些改动和变型在内。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。