本發(fā)明涉及激光技術領域，更具體的說，特別涉及一種雙光路成像的振鏡掃描系統(tǒng)及掃描方法。

背景技術：

在這個技術發(fā)展日新月異的時代，技術創(chuàng)新已經成為當今時代的標志，激光技術的發(fā)展更是獨領風騷。激光技術創(chuàng)新的許多成果正從各個方面改變著人們的生活，可以預見21世紀將會是激光技術大放光彩的時代。激光掃描技術作為激光技術的一個重要作用，將被廣泛應用于激光加工、圖像傳輸、醫(yī)用CT儀器等等方面。在多種激光掃描系統(tǒng)中，二維激光振鏡掃描系統(tǒng)以其高速，高效等特點得到了最為廣泛的應用。二維激光振鏡掃描系統(tǒng)的工作原理為：振鏡式掃描系統(tǒng)不同于一般的機械式掃描系統(tǒng)，一般的機械式掃描系統(tǒng)是采用絲桿的傳動帶動掃描頭在二維平面上來回運動完成掃描，由于是機械式的，所以掃描系統(tǒng)的慣性大，掃描響應速度比較慢。而振鏡式掃描是采用高速往復伺服電機帶動X與Y兩片微小反射鏡片協(xié)調偏轉反射激光束來達到光斑在整個平面上掃描的目的。在此較大的掃描視場中，當激光束由原點位置向邊緣掃描時，激光的光程發(fā)生了變化，因而掃描點不再是激光束的原始聚焦位置，所以為了保證激光束能實時地在掃描平面上聚焦，必須在光路上增加聚焦系統(tǒng)來保證激光束能很好的聚焦在整個工作平面上。但是這種振鏡式激光掃描系統(tǒng)在掃描過程中，如果入射光線垂直于偏轉器的轉軸，掃描線為直線。如果入射光線不垂直于轉軸，則掃描線為一條曲線，造成圖形失真。

目前在激光行業(yè)生產領域，對產品的質量要求越來越嚴格，這就要求視覺檢測設備檢測精度越來越高。市場上現(xiàn)有的具有視覺檢測功能的激光 設備在滿足產品檢測精度的條件下，檢測視場就會變得越小，這是由相機本身的分辨率決定的，同樣分辨率的相機，視場越小，視覺的檢測精度就會越高，但這樣又會帶來另一個問題，檢測效率會大幅度降低。目前市場上最高分辨率的相機也只能達到千萬像素，而且現(xiàn)在市場上很難找到一款能與之相配的如此高分辨率的鏡頭，即使能夠找到，相機與鏡頭的價格非常昂貴，很難滿足現(xiàn)在市場上高質量、高效率、低成本的要求。因此，為了滿足上述視覺檢測激光設備的在檢測效率、檢測精度、成本等方面的要求，高精度、高效率、大小視場成像的要求成為目前研究的關鍵因素。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，提供一種雙光路成像的振鏡掃描系統(tǒng)及掃描方法，能夠提高掃描系統(tǒng)的檢測精度和檢測效率。

為了解決以上提出的問題，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種雙光路成像的振鏡掃描系統(tǒng)，包括第一鏡片、第二鏡片、大視場成像單元、小視場成像單元、聚焦鏡、XY掃描振鏡和光源；

外部的激光光路透過第一鏡片到達XY掃描振鏡，經過XY掃描振鏡反射后，依次透過聚焦鏡和第二鏡片，作用在待打標物體上對其進行打標；

所述光源發(fā)出照明光路打亮待打標物體，待打標物體將照明光路反射到第二鏡片上，其中部分照明光路經第二鏡片反射到大視場成像單元中成像，用于監(jiān)控待打標物體的打標情況；還有部分照明光路依次透過第二鏡片和聚焦鏡后聚焦在XY掃描振鏡上，通過XY掃描振鏡作用至第一鏡片，并被反射至小視場成像單元中成像，用于對待打標物體的打標情況進行檢測。

所述大視場成像單元采用第二CCD和第二鏡頭，小視場成像單元采用第一CCD和第一鏡頭。

還包括掃描方頭和掃描殼體，所述掃描方頭安裝在掃描殼體的上端， 兩者整體設置在待打標物體上方，所述掃描殼體和待打標物體之間設置有光源；掃描殼體內設置有第二鏡片，掃描方頭內設置有與第二鏡片同軸的XY掃描振鏡，第二鏡片和XY掃描振鏡之間還同軸設置有聚焦鏡；第一鏡頭通過連接塊安裝在掃描方頭的側面，所述連接塊內設置有與第一鏡頭位置相對應的第一鏡片，連接塊的側面加工有與第一鏡片位置相對應的通孔用于透過激光光路，第一CCD同軸安裝在第一鏡頭的端部；第二鏡頭安裝在掃描殼體的側面并與第二鏡片位置相對應，第二CCD同軸安裝在第二鏡頭的端部；第一鏡頭和第二鏡頭的布置方向垂直，第一鏡片與XY掃描振鏡的位置相對應

所述光源到待打標物體所在平面的高度能夠進行調節(jié)。

所述第一鏡頭沿豎直方向設置，第二鏡頭沿水平方向設置。

所述光源采用兩個，且對稱設置在待打標物體上方。

所述第一CCD采用圖像拼接的方法進行圖像處理，所述圖像拼接包括圖像采集、圖像匹配和圖像融合；

所述第一CCD進行圖像匹配的具體步驟如下：

步驟S11：第一CCD拍攝的第一幅圖像設為模板圖像T，在所述模板圖像T中找出階數(shù)最高的特征點，并選取其中灰度值最大的特征點作為模板圖像T的匹配特征點M；

步驟S12：第一CCD拍攝的第二幅圖像設為參考圖像P，在所述參考圖像P中找出階數(shù)等于所述匹配特征點M的階數(shù)的所有特征點，設為同階特征點；

步驟S13：用模板圖像T的匹配特征點M與參考圖像P上找到的同階特征點依次進行匹配，并計算所述兩幅圖像的相似性度量，找出相似性度量最優(yōu)的位置作為匹配位置，從而找到兩幅圖像中像素點的對應關系。

所述第一CCD進行圖像融合的具體步驟如下：

步驟S21：選擇一塊視場大小合適的棋盤格標定板；

步驟S22：由第一CCD對棋盤格標定板進行圖像采集，能夠得到不同圖像；

步驟S23：依次選取所述采集到不同圖像中的特征點，并對不同圖像中的特征點進行特征點匹配；

步驟S24：根據(jù)特征點匹配后圖像對應的單應性矩陣，以第一張圖像作為基準圖像，其余的圖像都在第一張圖像的基礎上進行拼接，直到所有的圖像都拼接完成；

步驟S25：整體進行調整得到最終的拼接圖像。

所述第二CCD對進行圖像處理后實現(xiàn)的功能包括：對打標物體進行圖像預覽、進行位置定位、進行尺寸的測量和進行瑕疵的檢測。

一種雙光路成像的振鏡掃描方法，該掃描方法具體步驟如下：

步驟一：調節(jié)光源的亮度，以及調節(jié)光源到待打標物體所在平面的高度；

步驟二：外部的激光光路透過第一鏡片到達XY掃描振鏡，經過XY掃描振鏡反射后，依次透過聚焦鏡和第二鏡片，作用在待打標物體上開始對其進行打標；

步驟三：打開光源，其發(fā)出照明光路打亮待打標物體，照明光路被待打標物體反射到第二鏡片上；

步驟四：部分照明光路經第二鏡片反射到大視場成像單元中，并一次成像在第二CCD上成像，用于監(jiān)控待達標物體的打標情況；

步驟五：對步驟四得到的圖像進行圖像處理得到監(jiān)控結果，輸出并顯示所述監(jiān)控結果；

步驟六：與步驟四的同時，還有部分照明光路依次透過第二鏡片和聚焦鏡后聚焦在XY掃描振鏡上，控制XY掃描振鏡不斷轉動，并通過第一鏡片反射至小視場成像單元，在第一CCD上不斷成像，即其不斷進行圖像采集得到n副圖像，其中n≥2；

步驟七：對第一CCD采集到的n幅圖像進行拼接，并對拼接后的圖像進行校正；

步驟八：對拼接校正后的圖像進行圖像處理得到檢測結果，輸出并顯示所述檢測結果。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明中通過大視場成像單元和小視場成像單元對待打標物體進行實習監(jiān)控和檢測，通過第二鏡片可以一次在大視場成像單元中成像，便于監(jiān)控其打標情況，可以提高系統(tǒng)的檢測效率；通過XY掃描振鏡不斷在小視場成像單元中進行成像，得到多副小圖像，通過圖像處理對多副小圖像進行處理和拼接，最后得到大圖像進行顯示，可以提高系統(tǒng)的檢測精度；整個系統(tǒng)結構簡單、可靠，并能滿足高精度、高效率以及大小視場成像的要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明雙光路成像的振鏡掃描系統(tǒng)原理圖。

圖2為本發(fā)明雙光路成像的振鏡掃描系統(tǒng)的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明大視場成像單元得到的圖像尺寸圖。

圖4為本發(fā)明小視場成像單元得到的圖像尺寸圖。

圖5為本發(fā)明第一CCD進行圖像匹配的流程圖。

圖6為本發(fā)明第一CCD進行圖像融合的流程圖。

圖7為本發(fā)明雙光路成像的振鏡掃描方法流程圖。

附圖標記說明：1-第一鏡片、2-第二鏡片、3-第一CCD、4-第二CCD、5-第一鏡頭、6-第二鏡頭、7-掃描方頭、8-聚焦鏡、9-XY掃描振鏡、10-掃描殼體、11-光源、12-待打標物體、13-連接塊

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的 形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發(fā)明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。

參閱圖1所示，本發(fā)明提供的一種雙光路成像的振鏡掃描系統(tǒng)，適用于采用XY掃描振鏡的方式進行加工的設備，能夠實時監(jiān)控和檢測待打標物體的打標情況。該振鏡掃描系統(tǒng)包括第一鏡片1、第二鏡片2、大視場成像單元、小視場成像單元、聚焦鏡8、XY掃描振鏡9和光源11。

外部的激光光路透過第一鏡片1到達XY掃描振鏡9，經過XY掃描振鏡9反射后，依次透過聚焦鏡8和第二鏡片2，作用在待打標物體12上對其進行打標。點亮所述光源11發(fā)出照明光路打亮待打標物體12，待打標物體12將照明光路反射到第二鏡片2上，其中部分照明光路經第二鏡片2反射到大視場成像單元中成像，大視場成像單元得到大圖像，用于監(jiān)控待打標物體12的打標情況；還有部分照明光路依次透過第二鏡片2和聚焦鏡8后聚焦在XY掃描振鏡9上，通過XY掃描振鏡9作用至第一鏡片1，并被第一鏡片1反射至小視場成像單元中成像，小視場成像單元得到小圖像，用于對待打標物體12的打標情況進行檢測，即檢測其打標質量。

本發(fā)明的掃描系統(tǒng)分為兩部分，一是小視場成像單元采用第一CCD3和第一鏡頭5，可對待打標物體12的打標質量進行高精度的檢測；二是大視場成像單元采用第二CCD4和第二鏡頭6，可實時監(jiān)控待打標物體12的打標情況。兩組成像單元均選用的是高分辨率的相機和鏡頭，不僅可以對待打標物體12進行實時監(jiān)控、清晰成像，且檢測精度可根據(jù)實際需求進行選擇，高低檢測精度兼容，使得掃描系統(tǒng)的通用性非常高。

上述中，通過XY掃描振鏡9可將待打標物體12分成若干個小視場，通過第一鏡片1成像到第一CCD3上。通過XY掃描振鏡9的掃描作用，第 一CCD3可拍攝若干個小圖像(圖4所示)，通過圖像處理的方法對這些小圖像進行圖像處理。通過第二鏡片2成像到第二CCD4上，第二CCD4可拍攝到一副大圖像(圖3所示)，通過圖像處理的方法對這幅大圖像進行圖像處理。

由于XY掃描振鏡9的掃描速度非?？?，在同樣相機的條件下，小視場成像單元進行成像，可以大大提高了系統(tǒng)的檢測精度，且XY掃描振鏡9、普通的面陣相機和鏡頭的價格非常合理，能夠滿足目前對設備高精度、高效率的要求，第二CCD4可一次成像，可以實時監(jiān)控待打標物體，從而滿足對大視場的要求。

如附圖2所示，上述各個部件的位置關系如下：

所述掃描方頭7安裝在掃描殼體10的上端，兩者整體設置在待打標物體12上方。掃描殼體10內設置有第二鏡片2，掃描方頭7內設置有與第二鏡片2同軸的XY掃描振鏡9。第二鏡片2和XY掃描振鏡9之間還同軸設置有聚焦鏡8，用于將照明光路聚焦在XY掃描振鏡9上。第一鏡頭5通過連接塊13并沿豎直方向安裝在掃描方頭7的側面，連接塊13內設置有與第一鏡頭5位置相對應的第一鏡片1，連接塊13的側面加工有與第一鏡片1位置相對應的通孔用于透過激光光路，第一CCD3同軸安裝在第一鏡頭5的端部。第二鏡頭6沿水平方向安裝在掃描殼體10的側面并與第二鏡片2位置相對應，第二CCD4同軸安裝在第二鏡頭6的端部。第一鏡頭5和第二鏡頭6的布置方向垂直，第一鏡片1與XY掃描振鏡9的位置相對應。

為了使待打標物體12能夠清晰成像，所述掃描殼體10和待打標物體12之間還設置有光源11。本實施例中，采用兩個光源11對稱設置。要保證第一CCD3和第二CCD4能夠清晰成像，并要保證在待打標物體12表面的光照均勻，且光源11的亮度和光源11到待打標物體12所在平面的高度可以調節(jié)。

因此，對于表面很粗糙的待打標物體12，可適當?shù)臏p小光源11與待打 標物體12之間的距離，對于表面很光滑且反射率很高的待打標物體12，可適當?shù)脑黾觾烧咧g的距離。

所述XY掃描振鏡9包括X振鏡和Y振鏡，兩者是通過X軸電機和Y軸電機帶動實現(xiàn)偏轉來進行平面掃描的。如果Y振鏡不轉動，X振鏡轉動，那么X振鏡每轉動固定的角度則第一CCD3就會取到一幅圖像，且這一系列的圖像是沿著X軸方向依次拍攝的；如果X振鏡不轉動，Y振鏡轉動，那么Y振鏡每轉動固定的角度則第一CCD3就會取到一幅圖像，且這一系列的圖像是沿著Y軸方向依次拍攝的。當X振鏡和Y振鏡都轉動時，則可以得到待打標物體12其它部分的圖像。

因此，通過XY掃描振鏡9上X振鏡和Y振鏡的共同掃描作用，使得第一CCD3依次可拍攝到n幅小圖像，并通過現(xiàn)有的圖像處理方法將這n幅小圖像拼接成一副完整的大圖像。然后對這幅大圖像進行圖像處理，并根據(jù)實際需求確定是否將檢測結果在外部的顯示器上顯示出來。

本發(fā)明通過第二鏡片2，使得待打標物體12可一次成像到第二CCD4上，這樣可以大大提高了掃描系統(tǒng)的檢測效率。

上述中，第一CCD3進行圖像處理的原理為：基于特征點的圖像拼接算法，其可以非常有效的對圖像進行拼接。圖像拼接過程可以分為圖像采集、圖像匹配和圖像融合這3個主要步驟。其中圖像匹配和圖像融合是關鍵的兩步。

所述圖像匹配是提取特征點對特征點進行匹配，保證特征點位置的精確性與匹配的準確性。特征點匹配是指在找出圖像上的特征點后，尋找圖像間特征點的對應關系，通常采用最近鄰方法，即查找每一個特征點在另外一幅圖像中的最近鄰。理想狀態(tài)下兩幅圖像之間相同部分的特征點應該具有相同的特征描述向量，所以他們之間的距離應該最近。

本發(fā)明中，如附圖5所示，第一CCD3進行圖像匹配的具體步驟如下：

步驟S11：第一CCD3拍攝的第一幅圖像設為模板圖像T，在所述模板 圖像T中找出階數(shù)最高的特征點，并選取其中灰度值最大的特征點作為模板圖像T的匹配特征點M。

本步驟中，階數(shù)最高的特征點有很多，在階數(shù)最高的特征點中選取灰度值最大的特征點。選取最高階特征點作為匹配特征點的意義在于：選取較有規(guī)律的點作為匹配特征點，可以排除個別雜波對匹配特征點選取的干擾。

步驟S12：第一CCD3拍攝的第二幅圖像設為參考圖像P，在所述參考圖像P中找出階數(shù)等于所述匹配特征點M的階數(shù)的所有特征點，設為同階特征點。

步驟S13：用模板圖像T的匹配特征點M與參考圖像P上找到的同階特征點依次進行匹配，并計算所述兩幅圖像的相似性度量，找出相似性度量最優(yōu)的位置作為匹配位置，從而找到兩幅圖像中像素點的對應關系。

所述圖像融合是利用線性加權函數(shù)法去除拼接后的接縫，使拼接圖像達到平滑的過度。

本發(fā)明中，如附圖6所示，第一CCD3進行圖像融合的具體步驟如下：

步驟S21：選擇一塊視場大小合適的棋盤格標定板。

步驟S22：由第一CCD3對棋盤格標定板進行圖像采集，能夠得到多個不同圖像。

步驟S23：依次選取所述采集到圖像中的特征點，并對不同圖像中的特征點進行特征點匹配。

步驟S24：根據(jù)特征點匹配后圖像對應的單應性矩陣，以第一張圖像作為基準圖像，其余的圖像都在第一張圖像的基礎上進行拼接，直到所有的圖像都拼接完成。

由于匹配完成后圖像與圖像之間都有唯一的一個單應性矩陣，由這些單應性矩陣最終可以將所有的圖像聯(lián)系起來。

步驟S25：整體進行調整得到最終的拼接圖像。

由于拍攝環(huán)境以及匹配誤差的影響，拼接后圖像的重疊部分難免會存在光照變化、色差變化等差異，由于這些影響的存在，即使是匹配很準確的兩幅圖像，拼接完成之后重疊處也有一道很明顯的不連續(xù)接縫。

因此，利用變化的加權函數(shù)法進行融合，考慮到圖像重疊區(qū)域的不規(guī)則性，加權平均權值函數(shù)隨著位置的不同表達式也取不同的形式，這樣能夠照顧到圖像的每一個細節(jié)，最后得到一副無畸變、無接縫的完整圖像。

上述中，所述第二CCD4進行圖像處理的原理為：對打標后的打標圖案進行圖像采集，將采集到的圖像進行圖像處理，實現(xiàn)實時監(jiān)控打標過程并對打標效果進行檢測。

所述第二CCD4對圖像處理后實現(xiàn)的功能包括：

(1)進行圖像預覽：通過圖像處理，獲取到待打標物體12的真實圖像，在屏幕上真實顯示預設的圖案和位置。

(2)進行位置定位：在系統(tǒng)運行過程中，系統(tǒng)采集待打標物體12的圖像進行位置坐標的確定。例如激光打標系統(tǒng)，無論標記物體的位置如何，經過位置標定后都可以找到正確的打標位置。

(3)進行尺寸的測量。

(4)進行瑕疵的檢測：在標記完成后，系統(tǒng)采集打標后的圖像，進行圖像分析，檢測打標的質量。

以上只是列舉了幾個常用的功能，在實際應用中可以實際需要，對物體表面進行檢測或尺寸的測量等。

如附圖7所示，本發(fā)明還提供一種雙光路成像的振鏡掃描方法，該掃描方法具體步驟如下：

步驟一：調節(jié)光源11的亮度，以及調節(jié)光源11到待打標物體12所在平面的高度。

步驟二：外部的激光光路透過第一鏡片1到達XY掃描振鏡9，經過XY掃描振鏡9反射后，依次透過聚焦鏡8和第二鏡片2，作用在待打標物體 12上開始對其進行打標。

步驟三：打開光源11，其發(fā)出照明光路打亮待打標物體12，照明光路被待打標物體12反射到第二鏡片2上。

步驟四：部分照明光路經第二鏡片2反射到大視場成像單元中，并一次成像在第二CCD4上得到大圖像，用于監(jiān)控待達標物體12的打標情況。

步驟五：對步驟四得到的大圖像進行圖像處理得到監(jiān)控結果，輸出并顯示所述監(jiān)控結果。

步驟六：與步驟四的同時，還有部分照明光路依次透過第二鏡片2和聚焦鏡8后聚焦在XY掃描振鏡9上，控制XY掃描振鏡9不斷轉動，并通過第一鏡片1反射至小視場成像單元，在第一CCD3上不斷成像，即其不斷進行圖像采集得到n副小圖像，其中n≥2。

步驟七：對第一CCD3采集到的n幅圖像進行拼接，并對拼接后的圖像進行校正。

步驟八：對拼接校正后的圖像進行圖像處理得到檢測結果，輸出并顯示所述檢測結果。

本發(fā)明中，所提到的大圖像和小圖像是待打標物體12分別在第二CCD4和第一CCD3成像的大小，即相比較之下，在第二CCD4得到的圖像尺寸比在第一CCD3得到的圖像尺寸大，因此采用大圖像和小圖像對分別在第二CCD4和第一CCD3得到的圖像進行區(qū)分。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。