專利名稱：一種航空相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航空相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)，適用于航空相機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
成像質(zhì)量是航空相機(jī)最重要的性能指標(biāo)，受光學(xué)系統(tǒng)制約的同時(shí)，還受大氣、雜光、溫度、像移、CCD器件等多種環(huán)境因素的影響。溫度、大氣壓力和航高等環(huán)境因素的變化， 會(huì)造成相機(jī)光學(xué)焦面位置的移動(dòng)，造成離焦。若離焦量超出半焦深，照相分辨力將顯著下降，嚴(yán)重時(shí)甚至不能成像。目前的航空相機(jī)調(diào)焦，可采用對(duì)所拍攝的地面圖像進(jìn)行直接圖像處理的方法，這種方法具有一定的局限性它對(duì)所拍攝景物信息豐富的區(qū)域(例如城市)， 調(diào)焦效果顯著；然而，對(duì)于低對(duì)比度的區(qū)域(例如海洋、森林、沙漠、雪地等)，直接圖像處理的方法往往難以正確對(duì)焦。為彌補(bǔ)直接圖像處理方法的不足，目前航空相機(jī)主要采用基于光電自準(zhǔn)直的檢調(diào)焦方式，美國KA112A、長(zhǎng)春光機(jī)所斜視長(zhǎng)焦航空相機(jī)均采用光電自準(zhǔn)直的檢調(diào)焦方式進(jìn)行相機(jī)調(diào)焦，其原理如圖1所示。將膠片(或CCD)和檢焦裝置分別放置在沿光軸對(duì)稱的兩側(cè)， 膠片(或CCD)平面和檢焦光柵處，在光學(xué)系統(tǒng)的共軛位置上。在照相時(shí)，自準(zhǔn)平面反射鏡與光軸成45度，焦面鏡處在圖中虛線位置。在自動(dòng)檢調(diào)焦工作狀態(tài)時(shí)，焦面反射鏡處逆時(shí)針 90度，自準(zhǔn)平面鏡垂直豎起。由光源發(fā)出的準(zhǔn)直光照亮位于相機(jī)物鏡焦平面上的物方光柵， 光線經(jīng)過相機(jī)物鏡及平面鏡反射回來，再經(jīng)過相機(jī)物鏡成像在與物方光柵共軛的像方光柵上，在光電接收器件上產(chǎn)生一個(gè)光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)，光強(qiáng)信號(hào)由光電接收器件轉(zhuǎn)換為電信號(hào)被采集以進(jìn)行比較。當(dāng)相機(jī)準(zhǔn)確對(duì)焦時(shí)，由物方光柵經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)兩次所成的物方光柵像和像方光柵重合，光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)幅值最大，如圖2中的(a)所示，當(dāng)相機(jī)離焦時(shí)，由物方光柵經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)兩次所成的光柵像不和像方光柵重合，光強(qiáng)調(diào)制信號(hào)幅值小于重合時(shí)的幅值，如圖2 中的(b)所示。上述調(diào)焦系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜(焦面反射鏡、接收光柵組件、平面反射鏡運(yùn)動(dòng)等)不適用于小型化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決問題，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種航空相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)，以解決調(diào)焦反射鏡需要掃擺、需要焦面反射鏡、需要接收光柵，系統(tǒng)復(fù)雜度增大，傳統(tǒng)圖像處理調(diào)焦對(duì)低對(duì)比度目標(biāo)無效等的問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種航空相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)，由照明光源、準(zhǔn)直透鏡、目標(biāo)、 分光棱鏡、物鏡、反射鏡、CCD、信號(hào)采集模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊組成；其中目標(biāo)與CCD位置共軛；所述調(diào)焦系統(tǒng)包括成像和調(diào)焦兩條光路，調(diào)焦工作時(shí)，反射鏡旋轉(zhuǎn)至垂直于光軸處，照明光源發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，均勻地為放置于物鏡焦面處的目標(biāo)照明，經(jīng)過分光棱鏡反透分光，透過分光棱鏡的部分光經(jīng)過物鏡后由反射鏡反射回來，再次經(jīng)過物鏡，最后由分光棱鏡將反射部分光成像于CCD上，即相當(dāng)于對(duì)于無窮遠(yuǎn)高對(duì)比度目標(biāo)成像，信號(hào)采集模塊將圖像信號(hào)傳入驅(qū)動(dòng)控制模塊，驅(qū)動(dòng)控制模塊直接利用圖像信息計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)值，計(jì)
η m (、
算采用能量梯度函數(shù)/(7) = ΣΣ{[/(χ+1'>')-/(χ'力]2-[i(x,y + \)-i(χ,力]2j，其中 ι(x，y)
x=l y=\
為圖像在(x，y)處的灰度值，m，n分別表示灰度矩陣長(zhǎng)度和寬度，驅(qū)動(dòng)調(diào)焦組至函數(shù)值f(I) 最大的位置處，調(diào)焦工作完成；成像工作時(shí)，反射鏡順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度，地面光線通過反射鏡反射，經(jīng)過物鏡后，由分光棱鏡直接將反射部分光線成像于CCD上，然后由圖像采集模塊采集成像于CCD上的圖像，并將所述圖像進(jìn)行存儲(chǔ)傳輸，完成航拍任務(wù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是小型化、輕量化、控制復(fù)雜度降低，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性(1)本發(fā)明中的反射鏡不需要掃擺調(diào)焦工作時(shí)反射鏡只需垂直于光軸立起，無需掃擺，減少了掃擺運(yùn)動(dòng)控制，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；(2)本發(fā)明采用分光棱鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)焦面反射鏡即靜態(tài)部件代替動(dòng)態(tài)部件，減少控制難度，同時(shí)分光棱鏡組件簡(jiǎn)單，重量輕，有利于小型化、輕量化；(3)本發(fā)明去掉了光柵接收組件相應(yīng)的信號(hào)采集電路，機(jī)械零件得到簡(jiǎn)化，同樣有利于小型化、輕量化，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；(4)本發(fā)明在減少結(jié)構(gòu)件復(fù)雜程度及尺寸重量的同時(shí)，充分將成熟基于直接圖像處理的調(diào)焦技術(shù)應(yīng)用于新的領(lǐng)域，降低了實(shí)現(xiàn)難度；(5)與傳統(tǒng)自準(zhǔn)直調(diào)焦系統(tǒng)相比，其調(diào)焦系統(tǒng)與成像系統(tǒng)創(chuàng)新性的共用同一個(gè) CCD，減少系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、重量，提高穩(wěn)定性。由于大面陣CCD幀頻的限制，若需要提高效率， 可以使用binning結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可適于具有掃擺反射鏡的中長(zhǎng)焦航空相機(jī)的調(diào)焦，調(diào)焦光路直接指導(dǎo)成像光路成像。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2現(xiàn)有調(diào)焦技術(shù)信號(hào)圖；其中a為正焦信號(hào)圖，b為離焦信號(hào)圖；圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)與聚焦鏡頭位置關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式如圖3所示，本發(fā)明由照明光源1、準(zhǔn)直透鏡2、目標(biāo)3、分光棱鏡4、物鏡5、反射鏡 6、(XD7、信號(hào)采集模塊8和驅(qū)動(dòng)控制模塊9組成，其中目標(biāo)3與(XD7位置共軛。信號(hào)采集模塊8包括采集放大電路和濾波電路，驅(qū)動(dòng)控制模塊9包括CPU (中央處理器)及位置反饋、調(diào)焦驅(qū)動(dòng)。采集放大電路直接得到目標(biāo)圖像，濾波電路硬件預(yù)處理圖像，直接傳入CPU進(jìn)行調(diào)焦函數(shù)計(jì)算，CPU發(fā)送指令給調(diào)焦驅(qū)動(dòng)，位置反饋返回位置信息，閉環(huán)控制調(diào)焦電機(jī)M進(jìn)行調(diào)焦。本發(fā)明調(diào)焦系統(tǒng)包括成像和調(diào)焦兩條光路，調(diào)焦工作時(shí)，反射鏡6旋轉(zhuǎn)至垂直于光軸處，照明光源1發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直，均勻地為放置于物鏡5焦面處的目標(biāo)照明，經(jīng)過分光棱鏡4反透分光，透過分光棱鏡4的部分光經(jīng)過物鏡5后由反射鏡6反射回來，再次經(jīng)過物鏡5，最后由分光棱鏡4將反射部分光成像于CCD7上，信號(hào)采集模塊8將采集到的目標(biāo)圖像傳入驅(qū)動(dòng)控制模塊9，CPU按照下述信號(hào)預(yù)處理方式和系統(tǒng)評(píng)價(jià)函數(shù)，處理圖像，計(jì)算函數(shù)值，可直接按公式(1)計(jì)算函數(shù)值f (I)(或按照評(píng)價(jià)函數(shù)表進(jìn)行計(jì)算)，并按照下述搜索算法驅(qū)動(dòng)調(diào)焦電機(jī)M，至函數(shù)值f (I)最大的位置處，調(diào)焦工作完成。
權(quán)利要求
1.一種航空相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于由照明光源(1)、準(zhǔn)直透鏡(2)、目標(biāo)(3)、分光棱鏡(4)、物鏡(5)、反射鏡(6)、CCD(7)、信號(hào)采集模塊(8)和驅(qū)動(dòng)控制模塊(9)組成；其中目標(biāo)C3)與CCD(7)位置共軛；所述調(diào)焦系統(tǒng)包括成像和調(diào)焦兩條光路，調(diào)焦工作時(shí)，反射鏡 (6)旋轉(zhuǎn)至垂直于光軸處，照明光源(1)發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡( 準(zhǔn)直，均勻地為放置于物鏡( 焦面處的目標(biāo)照明，經(jīng)過分光棱鏡(4)反透分光，透過分光棱鏡(4)的部分光經(jīng)過物鏡(5)后由反射鏡(6)反射回來，再次經(jīng)過物鏡(5)，最后由分光棱鏡(4)將反射部分光成像于CCD(7)上，即相當(dāng)于對(duì)于無窮遠(yuǎn)高對(duì)比度目標(biāo)成像，信號(hào)采集模塊(8)將圖像信號(hào)傳入驅(qū)動(dòng)控制模塊(9)，驅(qū)動(dòng)控制模塊(9)直接利用圖像信息計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)值，計(jì)算采用能η m ,ν量梯度函數(shù)/(7) = Σ Σ j[7(x + ！‘ y) - 7(χ，>0]2 - [1(^ } +1) - Aa 力]2 j，其中 I (χ，y)為圖像在x=l y=\(x, y)處的灰度值，m，η分別表示灰度矩陣長(zhǎng)度和寬度，驅(qū)動(dòng)調(diào)焦組至函數(shù)值f (I)最大的位置處，調(diào)焦工作完成；成像工作時(shí)，反射鏡(6)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度，地面光線通過反射鏡(6)反射，經(jīng)過物鏡 (5)后，由分光棱鏡(4)直接將反射部分光線成像于CCD(7)上，然后由圖像采集模塊(8)采集成像于CCD(7)上的圖像，并將所述圖像進(jìn)行存儲(chǔ)傳輸，完成航拍任務(wù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于所述照明光源(1)采用波段范圍為400nm-900nm的單色光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于所述目標(biāo)(3)選用空間頻率在8-121p/mm的光柵或分辨力板，以保證目標(biāo)在CXD上呈清晰像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于所述調(diào)焦光路的反射率為 10%，透射率90% ；成像光路的反射率為90%，透射率為10%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的航空相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)，其特征在于所述物鏡(5)采用其自帶的調(diào)焦組件進(jìn)行調(diào)焦。
全文摘要
一種航空相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)，包括照明光源、準(zhǔn)直透鏡、目標(biāo)、分光棱鏡、物鏡、反射鏡、CCD、信號(hào)采集模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊；進(jìn)行調(diào)焦時(shí)，反射鏡旋轉(zhuǎn)至垂直于光軸處，照明光源發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，均勻地為放置于相機(jī)物鏡焦面處的目標(biāo)照明，再經(jīng)過分光棱鏡反透分光，透過棱鏡的光經(jīng)過物鏡后由反射鏡反射回來，再次經(jīng)過物鏡，最后由分光棱鏡將反射光成像于CCD上；成像時(shí)，反射鏡順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度，地面光線通過反射鏡反射，經(jīng)過物鏡后，由分光棱鏡直接將反射光成像于CCD上。本發(fā)明適于具有掃擺反射鏡的中長(zhǎng)焦航空相機(jī)的調(diào)焦，調(diào)焦光路直接指導(dǎo)成像光路成像，控制復(fù)雜度降低，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高。
文檔編號(hào)G03B13/32GK102298245SQ20111028033
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者梁偉, 汪旋, 胡家文, 藍(lán)公仆, 高曉東 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所