本發(fā)明涉及光學(xué)檢測領(lǐng)域，特別涉及一種航空相機(jī)的檢焦裝置以及該檢焦裝置的檢焦方法。

背景技術(shù)：

航空相機(jī)在空中成像時，由于溫度、大氣壓力和照相距離的變化會造成離焦的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響圖像的清晰度和分辨率，長焦距相機(jī)尤其如此。所以要獲得高清晰度的圖像，就需要相機(jī)在拍照前，進(jìn)行自動檢調(diào)焦。目前，航空相機(jī)上常用的檢調(diào)焦方法為光電自準(zhǔn)直式，采用在像面上放置一個光柵作為目標(biāo)，通過光學(xué)系統(tǒng)成像后，再通過一個反射鏡將其反射回到像面上，使用光敏元件接收，通過接收到的能量來判斷焦面。但是，每個焦面位置都需要進(jìn)行光敏元件反饋電壓值的采集和分析，并根據(jù)多個焦面位置的對應(yīng)電壓值的大小判斷焦面位置從而獲得調(diào)焦鏡的移動方向，由于反射鏡擺動速度變化、相機(jī)自身姿態(tài)控制、飛機(jī)姿態(tài)變化等原因，多個焦面位置的電壓值可能會受到干擾，實際電壓值會發(fā)生偏離，降低檢焦精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種航空相機(jī)的檢焦裝置。所述航空相機(jī)的檢焦裝置包括：電控箱，CCD傳感器，第一光敏元件，第二光敏元件，分光棱鏡，掃描反射鏡，調(diào)焦反射鏡，相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)，光柵以及光源。所述第一光敏元件設(shè)置在所述CCD傳感器的焦面位置后。所述分光棱鏡設(shè)置在所述第一光敏元件前方。所述第二光敏元件設(shè)置在所述分光棱鏡的左側(cè)。地面景物的像經(jīng)所述掃描反射鏡，所述相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)和所述調(diào)焦反射鏡同時成像在所述第一光敏元件和所述第二光敏元件上。所述電控箱包括相機(jī)控制器，調(diào)焦控制器和反射鏡控制器。所述相機(jī)控制器對調(diào)焦控制器和反射鏡控制器發(fā)出檢焦指令。所述反射鏡控制器在收到檢焦指令時控制所述掃描反射鏡在垂直光軸附近往復(fù)小幅擺動，并根據(jù)擺動的位置發(fā)出檢焦同步信號給調(diào)焦控制器。所述調(diào)焦控制器根據(jù)所述檢焦指令點(diǎn)亮光源照射光柵，使所述光柵成像在所述第一光敏元件和第二光敏元件上。所述調(diào)焦控制器移動調(diào)焦反射鏡到一個檢焦位置，根據(jù)檢焦同步信號的變化采集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓，然后根據(jù)第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓的差值確定最佳焦面位置。

在一些實施例中，所述航空相機(jī)的檢焦裝置還包括：散射鏡，所述散射鏡設(shè)置于所述光源與所述光柵之間。

在一些實施例中，所述第一光敏元件設(shè)置在所述在CCD傳感器的焦面位置后2-4倍焦深的平面上。

在一些實施例中，所述第二光敏元件設(shè)置在等光程像面上且位于CCD傳感器的焦面位置前2-4倍焦深的平面上。

在一些實施例中，所述第一光敏元件所在平面到CCD傳感器焦面的距離與第二光敏元件的等光程像面所在平面到CCD傳感器焦面的距離相等。

在一些實施例中，所述分光棱鏡為半反半透的分光棱鏡。

本發(fā)明還提供了一種航空相機(jī)的檢焦裝置的檢焦方法，所述方法包括以下步驟：

S1，相機(jī)控制器對調(diào)焦控制器和反射鏡控制器發(fā)出檢焦指令；

S2，所述反射鏡控制器在收到檢焦指令時控制掃描反射鏡在垂直光軸附近往復(fù)小幅擺動，并根據(jù)擺動的位置發(fā)出檢焦同步信號給調(diào)焦控制器；

S3，所述調(diào)焦控制器根據(jù)所述檢焦指令點(diǎn)亮光源照亮光柵，使光柵的像成像在第一光敏元件和第二光敏元件上；

S4，所述調(diào)焦控制器移動調(diào)焦反射鏡到一個檢焦位置，根據(jù)檢焦同步信號的變化采集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓并計算所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓的差值；

S5，當(dāng)所述差值大于一定閾值時，重復(fù)步驟S3-步驟S5；當(dāng)所述差值小于等于一定閾值時，得到最佳的檢焦位置，所述調(diào)焦控制器將檢焦結(jié)束參數(shù)發(fā)送給相機(jī)控制器；

S6，機(jī)控制器接收所述檢焦結(jié)束參數(shù)，停止發(fā)送檢焦指令，結(jié)束檢焦。

在一些實施例中，所述步驟S5中，當(dāng)差值大于一定閾值時，所述調(diào)焦控制器驅(qū)動調(diào)焦反射鏡向差值減小的方向移動。

在一些實施例中，所述調(diào)焦控制器驅(qū)動調(diào)焦反射鏡移動時，先采用第一步進(jìn)距離，逐個點(diǎn)檢焦，然后判斷各點(diǎn)的第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓值的差值大?。徽业讲钪底钚〉狞c(diǎn)后，在該點(diǎn)的第一步進(jìn)距離范圍內(nèi)，采用第二步進(jìn)距離，選擇一個初始點(diǎn)，根據(jù)第一光敏元件和第二光敏元件的的峰值電壓的數(shù)值，向數(shù)值較小的方向移動一個第二步進(jìn)距離，然后再次成像并判斷第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓值的差值大小，找到差值最小的點(diǎn)；在該點(diǎn)的前后第二步進(jìn)距離的范圍內(nèi)，采用第三步進(jìn)距離，逐點(diǎn)判斷第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓值的差值大小，當(dāng)峰值電壓的差值小于等于一定閾值時，認(rèn)為二者的輸出值相同，從而找到最佳焦面位置。

在一些實施例中，所述第一步進(jìn)距離大于所述第二步進(jìn)距離，所述第二步進(jìn)距離大于所述第三步進(jìn)距離。

本發(fā)明的技術(shù)效果：本發(fā)明公開的航空相機(jī)的檢焦裝置與方法，通過使用兩個個光敏元件同時對光柵的像進(jìn)行處理，外界因素對兩個個光敏元件的峰值電壓的影響相同，可以大大降低對航空相機(jī)的姿態(tài)控制精度、載機(jī)的穩(wěn)態(tài)精度等的要求，從而獲得較高的檢焦精度。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的航空相機(jī)的檢焦裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的航空相機(jī)的檢焦裝置的電控箱的工作原理圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的航空相機(jī)的檢焦裝置的焦面位置與峰值電壓的關(guān)系圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，而不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。

參考圖1并結(jié)合圖2所示，是本發(fā)明提供的一種航空相機(jī)的檢焦裝置100。

所述航空相機(jī)的檢焦裝置100包括：電控箱1，CCD傳感器3，第一光敏元件4，第二光敏元件5，分光棱鏡6，掃描反射鏡7，調(diào)焦反射鏡8，相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)9，光柵10以及光源11。所述第一光敏元件4設(shè)置在所述CCD傳感器3的焦面位置后。所述分光棱鏡6設(shè)置在所述第一光敏元件4前方。所述第二光敏元件5設(shè)置在所述分光棱鏡6的左側(cè)。地面景物的像經(jīng)所述掃描反射鏡7，所述相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)9和所述調(diào)焦反射鏡8同時成像在所述第一光敏元件4和所述第二光敏元件5上。所述電控箱1包括相機(jī)控制器1-1，調(diào)焦控制器1-2和反射鏡控制器1-3。所述相機(jī)控制器1-1對調(diào)焦控制器1-2和反射鏡控制器1-3發(fā)出檢焦指令。所述反射鏡控制器1-3在收到檢焦指令時控制所述掃描反射鏡7在垂直光軸2附近往復(fù)小幅擺動，并根據(jù)擺動的位置發(fā)出檢焦同步信號給調(diào)焦控制器1-2。所述調(diào)焦控制器1-2根據(jù)所述檢焦指令點(diǎn)亮光源11照射光柵12，使所述光柵12成像在所述第一光敏元件4和第二光敏元件5上。具體地，所述光源11照射光柵10，使得光柵10的像經(jīng)過相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)9的反射后回到分光棱鏡6上，最終被第一光敏元件4和第二光敏元件5接收，成像在所述第一光敏元件4和第二光敏元件5上。

所述調(diào)焦控制器1-2移動調(diào)焦反射鏡8到一個檢焦位置，根據(jù)檢焦同步信號的變化采集所述第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓，然后根據(jù)第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的差值確定最佳焦面位置。具體地，所述調(diào)焦控制器1-2根據(jù)第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的差值確定下一個檢焦位置，最終得到最佳的檢焦位置。然后調(diào)焦控制器1-2發(fā)送給相機(jī)控制器1-1檢焦結(jié)束參數(shù)，相機(jī)控制器1-1結(jié)束檢焦。

在一些實施例中，參考圖1所示，所述航空相機(jī)的檢焦裝置還包括：散射鏡12，所述散射鏡設(shè)置于所述光源11與所述光柵10之間，用于將所述光源11的光進(jìn)行擴(kuò)散。

在一些實施例中，所述第一光敏元件4設(shè)置在所述在CCD傳感器3的焦面位置后2-4倍焦深的平面上。

在一些實施例中，所述第二光敏元件5設(shè)置在等光程像面上且位于CCD傳感器3的焦面位置前2-4倍焦深的平面上。

在一些實施例中，所述第一光敏元件4所在平面到CCD傳感器3焦面的距離與第二光敏元件4的等光程像面所在平面到CCD傳感器3焦面的距離相等。

在一些實施例中，所述分光棱鏡6為半反半透的分光棱鏡。

本發(fā)明還提供了一種航空相機(jī)的檢焦裝置的檢焦方法，所述方法包括以下步驟：

S1，相機(jī)控制器對調(diào)焦控制器和反射鏡控制器發(fā)出檢焦指令；

S2，所述反射鏡控制器在收到檢焦指令時控制掃描反射鏡在垂直光軸附近往復(fù)小幅擺動，并根據(jù)擺動的位置發(fā)出檢焦同步信號給調(diào)焦控制器；

S3，所述調(diào)焦控制器根據(jù)所述檢焦指令點(diǎn)亮光源照亮光柵，使光柵的像成像在第一光敏元件和第二光敏元件上；

S4，所述調(diào)焦控制器移動調(diào)焦反射鏡到一個檢焦位置，根據(jù)檢焦同步信號的變化采集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓并計算所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓的差值；

S5，當(dāng)所述差值大于一定閾值時，重復(fù)步驟S3-步驟S5；當(dāng)所述差值小于等于一定閾值時，得到最佳的檢焦位置，所述調(diào)焦控制器將檢焦結(jié)束參數(shù)發(fā)送給相機(jī)控制器；

S6，機(jī)控制器接收所述檢焦結(jié)束參數(shù)，停止發(fā)送檢焦指令，結(jié)束檢焦。

下面參考圖3，為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的航空相機(jī)的檢焦裝置的焦面位置與峰值電壓的關(guān)系圖。圖中橫坐標(biāo)為焦面位置，縱坐標(biāo)為檢焦峰值電壓。聚焦時，光柵10的像在第一光敏元件4和第二光敏元件5的像面上的模糊程度相同，兩個光敏元件的峰值電壓值二者相同或小于等于一定閾值。此時CCD傳感器3接收的景物圖像最清晰。

離焦時第一光敏元件4和第二光敏元件5中的一個更靠近最佳像面位置，光柵的圖像更清晰，光敏元件的峰值電壓值較大；而另一個光敏元件遠(yuǎn)離最佳像面位置，圖像更模糊，光敏元件的峰值電壓值較小。

檢焦時反射鏡控制器1-3控制掃描反射鏡7在垂直光軸2的附近小幅往復(fù)擺動，調(diào)焦控制器1-2驅(qū)動調(diào)焦反射鏡8移動，于是就可以得到各個位置所對應(yīng)的第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓，當(dāng)?shù)谝还饷粼?和第二光敏元件5的峰值電壓值不同時，計算此差值，調(diào)焦控制器1-2驅(qū)動調(diào)焦反射鏡8向差值減小的方向移動，最終使得差值小于一定閾值，二者的輸出值相同，從而找到最佳焦面位置。

自準(zhǔn)直檢焦時，采用光敏元件針對光柵進(jìn)行多個焦面位置的成像，通過對光敏元件的峰值電壓的數(shù)值進(jìn)行處理，找到峰值電壓的極大值所對應(yīng)的圖像的焦面位置，作為最佳的成像焦面。而航空相機(jī)由于載機(jī)的持續(xù)運(yùn)動，反射鏡的速度誤差、相機(jī)的姿態(tài)控制誤差等，會導(dǎo)致光敏元件的峰值電壓的數(shù)值產(chǎn)生一定的誤差，即在不同的焦面位置時，由于外界因素的影響，會影響光敏元件的峰值電壓數(shù)值，從而影響檢焦精度。因此需要設(shè)計一種方法用于減小外界因素多帶來的檢焦誤差，所以設(shè)計檢焦系統(tǒng)使用2個光敏元件，采用半反半透棱鏡進(jìn)行分光，并將2個光敏元件放在不同的焦面位置上，這樣可以確保2個光敏元件同時對光柵的像進(jìn)行處理，外界因素對2個光敏元件的峰值電壓的影響相同，可以大大降低對航空相機(jī)的姿態(tài)控制精度、載機(jī)的穩(wěn)態(tài)精度等的要求。

在一些實施例中，所述調(diào)焦控制器1-2驅(qū)動調(diào)焦反射鏡8移動時，先采用第一步進(jìn)距離，逐個點(diǎn)檢焦，然后判斷各點(diǎn)的第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓值的差值大?。徽业讲钪底钚〉狞c(diǎn)后，在該點(diǎn)的第一步進(jìn)距離范圍內(nèi)，采用第二步進(jìn)距離，選擇一個初始點(diǎn)，根據(jù)第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的數(shù)值，向數(shù)值較小的方向移動一個第二步進(jìn)距離，然后再次成像并判斷第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓值的差值大小，找到差值最小的點(diǎn)；在該點(diǎn)的前后第二步進(jìn)距離的范圍內(nèi)，采用第三步進(jìn)距離，逐點(diǎn)判斷第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓值的差值大小，當(dāng)峰值電壓的差值小于等于一定閾值時，認(rèn)為二者的輸出值相同，從而找到最佳焦面位置。所述第一步進(jìn)距離大于所述第二步進(jìn)距離，所述第二步進(jìn)距離大于所述第三步進(jìn)距離。

實施例1：

調(diào)焦控制器1-2選用美國德州儀器公司(TI)數(shù)字信號處理器(TMS320F2812)作為主控制器，它具有高速運(yùn)算能力和面向電機(jī)的高效控制能力，其特點(diǎn)為：50MHz工作頻率、32位數(shù)據(jù)線、18kRAM、128kFLASH、16通道PWM、3個定時器、2個全雙工SCI串口。調(diào)焦控制器與相機(jī)控制器通過RS-422串口交換數(shù)據(jù)，選用DS26C31和DS26C32作為RS-422串行通訊接口芯片。

調(diào)焦控制器1-2根據(jù)相機(jī)控制器1-1發(fā)來的指令進(jìn)行檢焦，驅(qū)動調(diào)焦反射鏡8到指定焦面位置，在接收到反射鏡控制器1-3工作在小幅擺動狀態(tài)時，控制第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的采集和處理，分析該峰值電壓的數(shù)值，根據(jù)該數(shù)值進(jìn)行下一個焦面位置的移動，并判斷檢焦是否結(jié)束，然后返回給相機(jī)控制器檢焦好參數(shù)。

相機(jī)控制器1-1同樣選用美國德州儀器公司(TI)的TMS320F2812作為主控制器。選用DS26C31和DS26C32作為RS-422串行通訊接口芯片，與調(diào)焦控制器1-2、反射鏡控制器1-3進(jìn)行串口通訊。相機(jī)控制器1-1作為主控制器，統(tǒng)一發(fā)送檢焦指令給調(diào)焦控制器1-2、反射鏡控制器1-3。

反射鏡控制器1-3同樣選用美國德州儀器公司(TI)的TMS320F2812作為主控制器。選用DS26C31和DS26C32作為RS-422串行通訊接口芯片，反射鏡控制器1-3在接收到相機(jī)控制器1-1的檢焦指令后，控制掃描反射鏡7工作在檢焦?fàn)顟B(tài)，即在在垂直光軸2附近小幅往復(fù)擺動。

CCD傳感器3采用線陣TDICCD傳感器，為4096像元，200級級數(shù)，像元尺寸8微米，光學(xué)系統(tǒng)焦距600mm，光圈5.6,可見光波段成像。選取的第一光敏元件4和第二光敏元件5的感光面積100mm2，光柵10的空間分辨率5lp/mm，第一光敏元件4和第二光敏元件5分布在CCD傳感器3上下各2倍焦深，即0.14mm的位置上。首先選擇步進(jìn)距離為0.4mm，在整個調(diào)焦范圍內(nèi)±2.5mm內(nèi)檢焦，找到第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的差值最小點(diǎn)所對應(yīng)的焦面位置。然后再采用0.1mm的步進(jìn)距離，并向第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的差值減小的方向移動焦面位置，直到差值小于一定數(shù)值。然后再采用0.03mm的步進(jìn)距離，找到第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的差值最小時的焦面位置，作為最佳焦面位置。

本發(fā)明的技術(shù)效果：本發(fā)明公開的航空相機(jī)的檢焦裝置與方法，通過使用兩個個光敏元件同時對光柵的像進(jìn)行處理，外界因素對兩個個光敏元件的峰值電壓的影響相同，可以大大降低對航空相機(jī)的姿態(tài)控制精度、載機(jī)的穩(wěn)態(tài)精度等的要求，從而獲得較高的檢焦精度。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。

以上所述本發(fā)明的具體實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思所作出的各種其他相應(yīng)的改變與變形，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。