CN100410712C - 用于红外光学设备的图像分析聚焦装置和方法 - Google Patents

Abstract

介绍了一种装置和一种方法，通过它可能进行红外图像分析自动聚焦。本发明中包括一待由搜索操作使用的聚焦函数，以便控制一运动装置(50)调节聚焦光学会聚装置(20)。使用本发明能够以快速、有效的途径获得聚焦图像，尽管该红外光学系统是一种复杂的系统，且在过去没有特别有价值的技术。

Description

用于红外光学设备的图像分析聚焦装置和方法

发明技术领域

本发明总体上涉及红外光学系统领域，尤其涉及在被观测物体上进行自动聚焦所要求的设备和方法。

发明背景

当考虑红外光学系统时，必须关心与这种红外技术有关的若干物理特性。与可见光自动聚焦相比，透过物镜(objective)的有限光能量构成了对红外自动聚焦的额外难度。在上面提到的红外光学系统中，约束部件(thelimiting device)为探测单元和它的工作性能以及效率特性。这就是解释过去自动红外图像分析聚焦的尝试未能成功实现的其中一个原因。

Frank R.Boddeke等人在刊物Bioimaging，2，193-203(1994)上发表的文章中公开了一种用于自动聚焦的算法，包括使用一个聚焦函数，其中该算法构成了图像分析自动聚焦的基础。描述了使用单个和多个简单的滤波器，以及在实际中减小噪声的方法。

由于前面提到的与红外自动聚焦设备相关的附加的困难，当尝试处理低能量级的红外光时，现有已知系统的复杂性会增加到一个不能被接受的程度。与这种红外系统相关的主要问题是低f-数。红外系统要求低f-数，由于这种要求，信噪比低，为了得到被观察物体足够的分辨率，必须对所得到的大量图像进行分析。由于与较高处理量相关的额外增加的成本，且该成本最终会落在最后消费者身上，故在该物镜中处理量受到限制。直到今天，对该问题依然没有成功的解决方案。

以前，选择图像探测区域的中心区段作为聚焦窗口。该中心区段实际上处于与光轴垂直的位置。从而，作为传统的处理方法，目前仍然被大多数先有已知的有效自动聚焦系统所使用。不过，该方法仅利用了被探测图像的实际区域的一个最小部分，需要使用更大的或至少是被探测图像的最大适宜区域作为聚焦窗口。

发明目的

本发明的一个目的在于提供一种用于红外光学设备的自动聚焦装置，和一种能够在被观测物体上自动聚焦的方法。

本发明的另一个目的在于提供一种用于红外光学设备的自动聚焦装置，其中考虑到光学系统中元件的发热。

本发明的又一个目的在于提供一种红外光学设备，在监控一任意过程中图像被连续地很好地聚焦。

本发明的其他目的在于提供被探测图像的最有价值的区域的分析方法，介绍一种用于自动聚焦系统的强大而有效的搜索操作，并公开了自动聚焦装置中的一种有用且有效的聚焦函数。

发明概述

现在根据本发明介绍上述问题的一种解决方法。本发明是一种用于红外光学设备的图像分析聚焦装置。它包括：可控的光学会聚装置，最好是透镜装置；图像探测装置，光学会聚装置将物体的图像投影到该图像探测装置上；处理装置，用于处理来自图像探测装置的信号以提供控制信号，控制光学会聚装置将物体的图像聚焦在图像探测装置上。

其中，上述处理装置中编译单元分析该图像探测装置的图像，以寻找将被进行聚焦的至少一个图像窗口，该图像窗口是图像的一部分。一分析单元，最好是在该处理装置中，根据使用迭代过程以便最大化对比度来提供的该图像窗口内各个探测位置(象素)之间尽可能明显的差别，提供在该至少一个图像窗口上的聚焦，该迭代过程根据图像的空间频率来选择。

本发明还提供一种用于红外光学设备的图像分析聚焦方法，该红外光学设备包括：可控光学会聚装置；图像探测装置，光学会聚装置将物体的图像投影到图像探测装置上；处理装置，用于处理来自图像探测装置的信号以提供控制信号，控制光学会聚装置将物体的图像聚焦在图像探测装置上，该方法包括下列步骤：分析图像探测装置上的图像，以寻找将被进行聚焦的图像中的至少一个图像窗口；并且根据使用迭代过程以便最大化对比度来提供的图像窗口内各个探测位置之间尽可能明显的差别，提供在该至少一个图像窗口上的聚焦，该迭代过程根据图像的空间频率来选择。

利用本发明，可能选择图像探测装置的非中心区域的一个区域以在其上聚焦。这种用于分析的区域能够实现更有趣和提供更多信息的图像部分的选择。用这种方法进行仔细的选择，能使聚焦过程在被探测图像区域的最有价值的区域上发生，从而增强该设备的聚焦特性，改善聚焦图像的质量。

附图的简要说明

现在将参照本发明最佳实施例更加详细地描述本发明，假设仅通过例子和附图中的描述进行说明，其中：

图1描述一具有根据本发明的自动聚焦的红外光学装置。

图2更详细地表示第一实施例中图1的一部分，有可能选择适当的聚焦窗口。

图3描述了第二实施例，在图2的系统中附加了用于热校准的辐射测量仪。

图4a表示第三实施例，其中使用一运动探测装置来选择适当的聚焦窗口。

图4b示意性地说明了使用根据本发明的移动式图像分析聚焦装置对电缆进行检查的例子。

图4c示意性地表示出使用根据本发明的聚焦装置的平面—倾斜(pan-tilt)装置的操作。

图5表示具有归一化滤波作为空间频率函数的低通滤波器曲线。

图6表示使用与图5中相同的坐标轴符号的高通滤波器。

图7表示根据上述图5和图6的带通滤波器。

图8表示根据上面图5到7三个图的用于进行恒量滤波的技术。

图9表示同时使用低空间频率和高空间频率进行聚焦的方法的方框图。

图10表示一示意性方块图，描述了对到被聚焦物体的距离的估计。

图11表示预先确定的物体与被观测物体的相关过程的方框图。

图12表示用来计算必须包含聚焦位置的可能透镜粒置范围的方框图。

实施例的详细描述与操作

参照图1，红外光学设备10包括若干组成部分。由一聚焦光学会聚装置20表示的光学系统，其作为一个整体部件是可运动的或包括至少一个可运动光学部分。该光学会聚装置最好包括一个透镜或透镜系统。不过，还可能具有反射部件而不是透镜，如卡塞格伦或施密特装置。聚焦光学会聚装置20作为整体或者它的可运动部分或多个可运动部分可沿光轴(图1中的z-方向)运动，通过该光学会聚装置20，被观察物体被投影到图像探测和形成装置30上。该图像探测装置30最好是一个焦平面阵列FPA，如图1所示，不过也可能为其它类型的图像探测装置。因此，即使在本实施例中探测器阵列30作为图像形成装置，也可能使用例如扫描探测器装置而不是开始所描述的探测器阵列。

通过探测器阵列30中的探测器元件产生图像信号，图像信号从探测器的输出32传送到处理单元40的输入42，处理单元最好是中央处理器CPU，微型计算机或可编程的硬件。该单元40包括两个必须的部件，编译单元140，负责利用搜索运算控制系统进行搜索操作，和一个分析单元150，负责通过迭代数学和/或相似的方法以及聚焦测量函数FMF对图像进行分析。当使用下面将要进一步描述的性质，发现将要在其上进行聚焦的特定区域后，搜索被分成至少两个连续的步骤，基于图像中较低的空间频率使用FMF进行的粗略但迅速的聚焦步骤，然后依据图像中的高空间频率使用FMF进行的后续的较慢但是更加精确的步骤。注意到计划自动进行该搜索。进行搜索的一种比较方便的方法是使用所谓的“爬山策略”进行粗略聚焦步骤，这意味着只要FMF增加，就在相同的迭代方向继续进行迭代。其后，使用“曲线拟合”方法进行精确聚焦步骤，这意味着调节数学函数，如二次多项式，高斯函数等，计算公式的最大值，基于该信息得到光学系统的可运动部分或多个可运动部分的相应的聚焦位置。

在下面的部分中将更加详细地进一步阐述并说明单元140和150的操作。因此，在处理单元40内执行系统的信号处理和图像分析，并对系统操作进行控制。

操作命令从处理单元40的输出44传导到运动装置50的输入52，运动装置50对于光学会聚装置而言作为整体或它的可运动部分，最好是一个允许足够分辨力的电动机或另外与之相似的低电力消耗装置。运动装置50连接到聚焦光学会聚装置20，并且根据它从处理单元40接收到的操作命令对装置20进行控制。反过来，这些操作命令受上面的编译单元140的搜索操作控制，构成了从处理单元40对设备10控制的操作基础。

聚焦窗口的选择

在上述类型的系统中，通过图像中观察区域的确定来对聚焦程序进行初始化，在该观察区域中该图像将被彻底地分析。该观察区域被表示为聚焦窗口。可以使用多种方法，基于不同的操作员要求，还基于技术限制进行聚焦窗口的选择。下面将描述选择聚焦窗口的若干方法，以及关于图像的多个判断标准，所有的都被考虑来在图像形成装置30中确定一个有用的聚焦窗口，在聚焦窗口上运行聚焦分析程序。该聚焦窗口正常情况下相当于图像形成装置30的一个图像区域，最好是探测器阵列中的多个探测器元件(象素)。

通过使用根据本发明的聚焦特性，可能有意地选择某个并非是位于最中心的聚焦窗口。该选择基于与图像质量和自动聚焦特性相关的参数。因为图像处理和分析的增强，这种改进的聚焦窗口的选择是有利的，而且可以更加快速地进行聚焦窗口的选择。使用本申请所描述的聚焦方法，使具有几个表现为相同聚焦的光学装置的模糊图像分析的危险最小化。这些方法还能够在图像内获得足够高的对比度，虽然在图像形成装置30即通常是探测器阵列的最中心部分中表现为小的对比度。

另一种选择图像部分的有用的方法，即分析探测器阵列中至少一个元件(象素)，用于某些工业应用时可能是最有价值的，该方法利用图像中的热量差，即探测器阵列30中探测器元件之间的差异。如果光学红外自动聚焦装置被耦合到并与辐射测量传感器装置结合，例如下面将要描述的100、110和120，这种设计可能是进行聚焦窗口的最佳选择的有利的和重要的方法。

如上所述基于热特性的选择可能是绝对有用的，可能使用另几个实施例，所有实施例都基于同一主要装置。

注意到可以选择不只一个窗口，可以平行地运行聚焦窗口的几个同步搜索，假设光学系统的处理能力允许这种平行操作模式。在这种情形中，同时计算出光学会聚装置的不只一个的最佳位置。然后将预先确定的估计值提供给分析单元150，对条件进行比较，并确定在所分析的窗口中选择哪个窗口。

在第一实施例中，如图2所示，通过探测器阵列30内一个单一象素(在图2中表示聚焦窗口)的图像分析实现聚焦。在探测器阵列30的所有象素中搜索被图像分析，从而被聚焦的特定象素，根据它的热性质进行选择。因为它的极端温度值，该象素区别于探测器阵列的所有其它象素。被聚焦的象素可以是最冷的或最暖的。这种方法要求与探测器阵列30的每个象素和与辐射测量装置100的输入102相连的双向辐射测量连接111，从辐射测量装置100的输出104，携带有辐射测量数据的图像信号传送到处理单元40的输入42。在处理单元40中对所接收的数据进行编辑、处理和分析，首先使用低通滤波进行粗略处理，这种分析结果导致一个象素被选择，对于该象素执行用于精确聚焦的高通滤波或带通滤波。该实施例比较不同象素彼此之间的温度，从而不需要用于校准的辐射测量装置。在提供至少一次对下面所述的聚焦函数的最佳调整的基础上进行迭代，迭代作为运动装置50的输入52的操作命令，来提供被选择象素与其至少一个相邻象素之间尽可能明显的区别。

在参照图3的第二实施例中，该设备聚焦在某一预定温度值上，例如37℃，或者聚焦在一个非常相关的温度间隔上，或者聚焦在最靠近固定的预定温度值的另一个温度值上。根据本实施例温度值的绝对测量要求辐射测量校准仪。使用辐射测量校准装置110，可能与温度测量装置如温度计120一起完成辐射测量校准。辐射测量装置100的输出104被连接到辐射测量校准装置110的输入112。该装置110的另一个输入114被连接到温度计输入122。辐射测量校准装置110的数据从输出116发送到处理单元40的输入42，驱动图像中特定的象素，或者象素的特定子阵列，然后以与第一实施例相似的方法进行操作。

在例如援救行动或为了多种侦察目的要求对人进行探测时，根据第二实施例的操作将是方便的和有效的。尤其是与某些扫描装置组合在一起，能够通过最少的人力，有效地从上面搜索和勘察大的区域。

在第二实施例的另一种方案中，还参照图3，在预定的阈值温度值的基础上选择聚焦窗口。这些温度值可以被手工地或自动地写入处理单元40的参数中。这种可选实施例的应用的一个实施例子可能与热工业生产过程相关。这经常导致象素的图像子区域的产生。然后处理单元40进行迭代，以得到运动装置50的给出子区域内对聚焦函数的最佳调节的位置。

在某些热工业生产过程中，非常重要的是不能超过某个温度，在其它热处理中，温度必须不能超过最低值。然而，当这些限制无论如何都要被超过时，最好将聚焦窗口选择在被观察图像的可能发生这种不需要的温度的位置处。然后，可以形成清晰、聚焦的图像，随后控制人员对该图像进行检查，采取必要的行动。

第二实施例的另一种可选择的方案，允许处理单元40除了具有聚焦功能以外，还能够对某个内部处理图像与当前处理图像进行比较，来监测温度差是否超出了预定值或者没有超出预定值。如果超出了该温度差，可以向控制人员发出报警信号，控制人员可以采取必要的行动来控制所出现的情况。

图4a表示根据本发明的第三实施例是一种对被观察图像内运动物体进行实时识别的操作模式，以及在至少一个探测器元件，最好是探测到运动的探测器阵列30的相邻象素上相应的聚焦过程。从而，第三实施例要求增加具有一个输入132和一个输出134的运动探测装置130，输入132和输出134分别连接到探测器装置30和处理单元40。处理单元40在图像上图片的运动部分上得到一个特定的象素，然后一个图像一个图像地对该象素进行跟踪，进行迭代，直到进行最好的聚焦，通过对被选择象素附近至少一个象素的值与被选择象素的值进行比较，直到得到对聚焦函数的最佳调节。对于许多侦察应用中所使用的设备来说，本实施例可能是方便和有效的方法，对于其它多种目的，这些目的或多或少与这种侦察应用相关，本实施例也是方便和有效的方法。

图4b和4c表示其它实施例，其中图4b描述了一种用于电缆检查的系统，该系统可移动地安装在直升机中。应该注意到，可以相对车辆的位置来控制照相机的运动，增强操作和聚焦性能。图4c给出了一种所谓的平面一倾斜装置，最好是与半自动或全自动图像变焦装置组合在一起，下面将要对平面—倾斜装置进行进一步的描述。

聚焦函数

参照图1，当携带或不携带辐射测量数据的图像信号从探测器阵列30的输出32传送到处理单元40时，通过使用聚焦函数对图像信号进行整理和编译，在编译单元140中对处理和分析进行初始化。可以根据多个判断标准用多种方法选择这种聚焦函数，下面将描述若干可选的判断标准。在最接近的现有技术文件中，在本发明的背景技术部分将该文件引做参考，描述了有用的聚焦函数的若干特性。通过聚焦判断标准来确定聚焦函数的形状，某些聚焦判断标准来自被参考的文献：

●单峰性，聚焦函数一个最大值的明确无误的表现，尽管可能存在其它局部的最大值；

●精确，最大值的清晰和明显的峰值形状；

●再现性；

●范围，即使一个远离聚焦(focus)的光学系统也必须提供聚焦信息；

●实现，快速迭代计算能够尽可能快地使用最小的处理量进行聚焦；

●与多种图像类型相关的普遍性以及与现有电子装置的兼容性。

除了这些谈到的聚焦函数的判断标准以外，还存在其它独立于其它参数和除物距以外的外部条件的判断标准。

此处本发明的聚焦装置和聚焦方法使用下面的聚焦函数：

$\mathrm{FMF}\left(z\right)=\frac{1}{N}\mathrm{\Σ}{(K\⊗I_z-m)}^2---\left(1\right)$

其中聚焦测量函数FMF(z)是依赖z-方向的聚焦函数，K表示可变运算子，下面将对其进行进一步的描述，m为另一个变量，N为归一化因子。这三个函数项(K，m，N)中的每一个可以被改变，以便寻找最佳聚焦功能。

通过使用例如上面披露的公式(1)，其中运算子K由K＝[1 1 1]表示，参见图5。K的卷积产生图像信号的低通滤波，适宜作为粗略聚焦。因此，高空间频率被抑制，有时也称之为滤出，低空间频率未经改变地通过，没有任何明显地抑制。与下面所描述的高通滤波技术相比，该技术是一种更加粗略地图像分析。当聚焦时，这种低通滤波技术主要用作光学系统初始的和不精确的调节。

假设使用相同的所公开的公式(1)，其中运算子K表示为K＝[1 -1]，参见图6，卷积相应于图像的高通滤波。作为该过程的结果，得到更高和更低频率之间与上面描述部分中低通滤波过程相比相反的关系。

第三种滤波方法是带通类型的滤波，当使用运算子K＝[1 0 -1]时得到带通滤波，如图7所示。在这种情形中，高信号频率和低信号频率被抑制，而中间范围的频率没有被抑制。简单地说，允许一个频率带通过该滤波器。此外，另一种方法使用运算子K＝[1]，参见图8，由于所有的频率都可以未经改变地通过，图像保持不变，下面将该滤波技术称为全通滤波。

当在聚焦过程的不同阶段使用所述聚焦函数的多个运算子时，可能将滤波过程设计成可以极大地加快聚焦过程，最适宜地适合于当前红外光学系统。使用前面所披露的同时分析低通滤波结果和高通滤波结果的传统的方法，可以加快聚焦过程，低通滤波的粗略聚焦可以在随后的光学系统的精确调节之前发生，从而当执行高通滤波和精确调节时，通过利用低通滤波的结果可以得到精确调节的益处。

有关红外光学系统的另一个相当大的困难是与例如可见光和(UV/VIS)光学系统相比聚焦深度(f-数)的减小，为了得到可接受的清晰度，要求在配置时物镜具有更高的分辨率。从而，红外光学系统的自动聚焦要求更加复杂和全面的聚焦过程，对于具有自动聚焦装置和方法的有效的红外光学系统的发展，过程的简单化和改善是先决条件。

红外频率范围内光子的能量低于可见频率范围内光子的能量。由于这个原因，与可见光探测器相比，红外探测器尤其是未冷却的红外探测器灵敏度低。为了对此进行补偿，大多数红外系统都被设计成具有小的f-数，这意味着具有大口径和到探测器的较大的角度，允许边缘光线通过，从而增强光能的收集。在系统中产生小的聚焦深度，对更高的空间频率进行快速的光学抑制。换句话说，当光学系统散焦时，与较低频率相比，对于较高频率，所谓的幅度传递函数MTF下降的更快。

通过使用聚焦测量函数，基于该图像高空间频率内容的FMF在焦点处产生尖锐的峰值，但是当迭代过程远离焦点时，给出非常少的信息。相反，通过使用基于该图像低空间频率内容的FMF，在远离焦点时可以得到具有可分析导函数(derivative)的较宽的范围。在焦点处其峰值基本上是圆润的，具有非常小的或者甚至可以忽略的改变。

参照图9，使用基于较低和较高空间频率或者这些频率的组合的FMF，可能利用两个频率范围中产生的信息，从而得到最佳性能和有效的搜索操作。该流程图表示操作开始于使用“爬山策略”(步骤100)的粗略聚焦技术。只要FMF增加就继续粗略聚焦(步骤101)。然后使用精确聚焦技术(步骤102)直到达到适当的拟合(步骤103)，然后对聚焦结果进行检验(步骤104)。有关这种检测的预先确定的条件可以是聚焦是否在允许聚焦范围内，被聚焦的物体是否与预先确定的聚焦的物体相关等。持续这种聚焦过程直到聚焦结果符合要求(步骤105)。

为了聚焦而进行的搜索操作

在处理单元40的分析单元150中继续对图像进行分析。产生聚焦测量函数，并对聚焦测量函数进行分析。为了确定如何进行这种分析和应该包括那些步骤，要求确定聚焦光学会聚装置20的最佳位置。不过，寻找该最佳位置不是搜索操作的唯一要求。用于在光学系统中自动聚焦的搜索操作的要求通常有许多个，尤其是在红外光学系统中，由于这些系统包含附加的要求，例如折射率随温度的变化。该搜索操作必须是精确和快速、可靠的，必须要求最小的处理量。显然，搜索操作当然在各个要求之间进行均衡。将叙及搜索操作的几个关键的特性，这些特性对于自动聚焦效果而言是非常重要的。

●少量测量点，相当于少量图像需要聚焦；

●只包括少数几个最大值，即聚焦位置；

●被聚焦物体的位置改变的识别是合乎需要的。

本文中所描述的搜索操作包括若干与聚焦有关的多个步骤，从而该聚焦光学会聚装置20根据图像分析结果进行运动，其中聚焦步骤包括：

●将聚焦函数拟合成与该聚焦函数相当一致的另一个函数，最好是通过二次多项式或高斯多项式；

●迭代搜索聚焦点，即具有第一零值导数的极值，适宜采用所谓的爬山策略技术；

●当为了最小化波动而达到聚焦或焦点位置附近时，停止从处理单元40的分析单元150向运动装置50发送操作命令。

搜索操作的一个重要特性在于它能够组合上面所述的所有的三个功能。它选择对于当前时刻和当前所提供的环境来说是最具价值的功能，搜索操作可以自由选择组合所有功能。取决于光学系统的处理能力，搜索操作可以并行地运行和使用几个函数。

在红外光学系统中通常使用硅或/和锗作为透镜材料，由于这些材料对红外波长的透明性。这些材料的折射率产生基本随温度而变化的漂移，这种漂移影响聚焦精度，对红外光学系统产生非常大的影响。这些漂移是如此之大，使得在给定温度值处，所有的理论上可能的透镜位置中仅有一部分与分析有关。换句话说，当装置20处于某一温度时，在聚焦光学会聚装置20的所有可能位置的整个范围中在某一范围内可以确定无疑地得到聚焦。可以仅在该范围内进行聚焦函数的分析和对焦点位置的搜索，不会冒在该范围外寻找焦点的危险。在具有稳定的低温或稳定高温这种最佳情况下，可以省略对整个图像的大部分进行分析，从而可以进一步加快分析，加快红外光学系统的聚焦过程。

前面所描述的聚焦过程保证了精确和正确的聚焦，因为它使用了低空间频率范围和高空间频率范围两者的优点。低频范围所包含的信息防止了在错误位置处进行聚焦，因为低频范围所包含的信息使系统能够抽取出有关其位置的信息，即使该位置远离焦点也不例外。当该系统已经达到焦点附近的位置时，从高频范围抽取的信息能够快速、精确地搜索焦点。

可以使用上述类型的系统来估计到物体的距离，在此基础上进行聚焦，假设已知系统的若干自由度，即焦点处运动部分的位置和聚焦过程中光学系统的温度。参照图10，搜索操作被写入编译单元140(参见图1)，用于执行上述的估计并显示估计结果。从聚焦结果的检测开始(步骤110)，最好是使用与图9中相同的预先确定的条件。假设聚焦结果是令人满意的(步骤111)，输出焦点处运动部分的位置信息和温度数据(步骤112)，允许对到被观察物体的距离进行估计，以及对此图中误差进行估计(步骤113)。这种估计可以是例如以写入编译单元140等中的查阅表的形式。在这种估计之后，可以以任何形式将结果显示给图像分析光学设备的用户(步骤114)。

确定参数之间的关系，如从设备10到被观察物体的距离，包括透镜在内的光学部件的温度和光学系统聚焦位置之间的关系，使得能够进行半自动或全自动校准。如果自动聚焦过程支持这种校准，还可能确定聚焦光学系统的温度和/或位置。可以使用一种与前面所述的对被观察物体的距离进行估计的相似的方法，将该信息显示给用户。并且在利用辐射测量校准装置110所提供的信息的基础上，可能确定被观察并聚焦的物体的温度。

根据图11的流程图中表示另一个实施例，该图像中的几何物体可能被预先确定和聚焦。在该程序中首先定义进行聚焦的几何物体(步骤120)，然后检查是否该物体已经包含在作为分析单元的聚焦函数装置150(步骤121)中，或者是否该物体已经被输入(步骤122)，最好是从存储单元40的存储单元160中进行输入。然后该程序开始将预先确定的物体与图像中的物体进行相关(步骤123)，直到达到相关性(步骤124)。由于相关，可以指示该系统聚焦在该图像的相关物体上(步骤125)。

参照图12，具有搜索操作装置功能的另一个实施例能够更快速地进行图像分析自动聚焦装置的存储操作，具有更大的处理能力。该实施例能够取决于聚焦处的温度，对减少数量的图像进行分析。开始(步骤130)时确定光学系统的运动部分的温度以及光学系统中的折射率。当得到该数据时(步骤131)，通过处理单元40计算包含聚焦位置在内的可能的范围(步骤132)。只要图像处于该聚焦范围之内(步骤134)，就对图像进行分析(步骤135)，如果图像出现在当前范围之外，则输入一个新的图像(步骤133)进行分析，而不分析前一个图像。

上述类型的系统还可以与所谓的平面-斜面装置组合在一起。平面-斜面装置具有图像探测装置30的若干预先确定的区域，改变这些预定区域之间的位置，最好是具有控制单元之间的定时询问通信(a pollingcommunication)。对于这种应用，该控制单元可以是处理单元40。在所述预定区域的扫描过程中，任何种类的触发作用，如运动物体、相对或绝对温度值或改变，可能导致控制单元向操作单元比如维护人员发出一报警信号，或者可以自动采取行动。

合理的应用

根据本发明的图像分析聚焦装置可以应用在多种应用中。在本节中将描述自动聚焦装置的若干可行的和适当的技术领域和范围。一个使用领域是各种检查目的，尤其是电子操作装置的检查和导线中或缆线中与温度增加有关的损害的检查。随着受损导线或电缆中的收缩所导致的电阻的增加，导致所述类型的温度的增加。另一个相干的领域为供电设备的检查。可以用安装在车辆、直升机等中的多种手提式或移动装置来进行检查(参见图4b的例子)。

与本发明相关的检查应用的列表根据应用列举如下：石油化学，炉子，医学，例如当检查肿瘤、血栓形成、身体CNS(中枢神经)损伤和乳房癌时。

另一种适当的使用领域为多种监视应用。其中某些为工艺过程控制，自动操作，以及通常用于研究和开发活动，尤其是在电子工业和部件制造中。其它应用为人类或海洋监测，飞机场监测，例如边界线的海关和安全检查。军事和准军事性也是另一个可以想象的应用领域。

当根据这种应用的本发明允许使用更少的透镜和复杂性更小的机械装置时，在红外装置中复杂的机械装置是相当昂贵的，将考虑将本发明用于大量的技术领域中，有利于进一步的开发，并且为消费者提供总价格被极大地减小的现代化装置的处理能力。

Claims (31)

1. 一种用于红外光学设备(10)的图像分析聚焦装置，包括：可控的光学会聚装置(20)；图像探测装置(30)，光学会聚装置(20)将物体的图像投影到图像探测装置(30)上；处理装置(40)，用于处理来自图像探测装置(30)的信号以提供控制信号，控制光学会聚装置(20)将物体的图像聚焦在图像探测装置(30)上，其特征在于：

该处理装置(40)中的编译单元(140)分析该图像探测装置(30)上的图像，以寻找将被进行聚焦的图像中至少一个图像窗口；以及

一在该处理装置(40)中的分析单元(150)，根据使用迭代过程以便最大化对比度来提供的该图像窗口内各个探测位置之间尽可能明显的差别，提供在该至少一个图像窗口上的聚焦，其中该迭代过程根据图像的空间频率来选择。

2. 如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述分析单元是聚焦函数装置(150)，该聚焦函数装置(150)将聚焦分成粗略聚焦和精确聚焦，其使用聚焦测量函数FMF在图像中低空间频率的基础上进行粗略聚焦，使用基于图像中高空间频率的FMF进行精确聚焦。

3. 如权利要求2所述的装置，其特征在于：使用“爬山策略”技术通过分析FMF进行粗略聚焦，使用“曲线拟合”技术通过分析FMF进行精确聚焦。

4. 如权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其特征在于：根据预先确定的条件来寻找将被进行聚焦的图像中至少一个图像窗口，且该预先确定的条件提供选择：

选择图像探测装置(30)的一聚焦窗口区域，该聚焦窗口区域不是位于最中心的区域；

将得到的聚焦图像以数字方式存储在处理装置(40)的存储单元(160)中；并且

将该装置与多种类型的支持半自动或全自动作出判定的系统组合在一起。

5. 如权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其特征在于：根据预先确定的条件来寻找将被进行聚焦的图像中至少一个图像窗口，且该用于寻找图像窗口的预先确定的条件包括该装置与一传感器装置(100)的连接，能够取决于它们的热特性将物体聚焦在成象的视觉区域内。

6. 如权利要求5所述的装置，其特征在于：使用该传感器装置(100)，同时监控图像窗口内预先确定的温度差或温度变化。

7. 如权利要求5所述的装置，其特征在于：该预先确定的条件包括为传感器装置(100)提供一辐射测量校准装置(110)。

8. 如权利要求7所述的装置，其特征在于：在使用该传感器装置(100)和辐射测量校准装置(110)的同时，监控图像窗口内预先确定的温度或温度间隔。

9. 如权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其特征在于：根据预先确定的条件来寻找将被进行聚焦的图像中至少一个图像窗口，且该预先确定的条件包括半自动或全自动校准下面参数中至少两个之间的关系：

从设备(10)到被观察物体的距离；

该光学会聚装置(20)的温度；以及

该光学会聚装置(20)的聚焦位置，其中该校准由自动聚焦支持。

10. 如权利要求1到3中任一个权利要求所述的装置，其特征在于：根据预先确定的条件来寻找将被进行聚焦的图像中至少一个图像窗口，且该预先确定的条件包括在光学会聚装置(20)的温度和/或位置的信息的基础上，估计从该设备(10)到被观察物体的距离。

11. 如权利要求10所述的装置，其特征在于：该预先确定的条件包括在光学会聚装置(20)的温度和/或位置信息的基础上估计从该设备(10)到被观察物体的距离，包括其中至少一种选择方案：

显示到被观察物体的估计距离；

显示估计的误差；

显示上述估计距离和误差的组合；

仅当编译单元(140)已经达到可接受的聚焦位置时显示数据。

12. 如权利要求10所述的装置，其特征在于：基于校准装置(110)提供的从设备(10)到被观察物体的距离的估计信息，以及光学会聚装置(20)的光学系统的温度和/或位置的信息，对被观察物体的温度进行估计。

13. 如权利要求12所述的装置，其特征在于：基于从设备(10)到被观察物体的距离信息，以及光学会聚装置(20)的光学系统的温度和/或聚焦位置的信息，对被观察物体的温度进行估计，包括至少一种选择方案：

显示被观察物体的估计温度；

显示该估计的误差；

显示上面的估计温度与误差的组合；

仅当编译单元(140)已经达到可接受的聚焦位置时显示数据。

14. 如权利要求1-3中任一权利要求所述的装置，其特征在于：根据预先确定的条件来寻找将被进行聚焦的图像中至少一个图像窗口，且该用于寻找图像窗口的预先确定的条件包括连接到一运动探测装置(130)上，利用分析单元(150)，该连接能够对运动物体进行聚焦，从而该聚焦窗口可在图像上运动，并在聚焦过程中跟随该窗口中的运动物体。

15. 如权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其特征在于：根据预先确定的条件来寻找将被进行聚焦的图像中至少一个图像窗口，且该用于寻找图像窗口的预先确定的条件包括在对被观察图像的特定几何对象进行聚焦之前，使图像中的几何对象与分析单元(150)中预先确定的几何对象进行相关。

16. 如权利要求15所述的装置，其特征在于：用于相关操作的分析单元(150)包括通过例如PC-卡或另一个信息发送装置所提供的作为2-维电子潜象的几何对象。

17. 如权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其特征在于：根据预先确定的条件来寻找将被进行聚焦的图像中至少一个图像窗口，且该预先确定的条件包括通过分析单元(150)计算某一温度下聚焦位置的可能范围，从而能够省略在不可能的范围内进行图像分析，减小处理量。

18. 如权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其特征在于：根据预先确定的条件来寻找将被进行聚焦的图像中至少一个图像窗口，且该预先确定的条件包括通过分析单元(150)进行控制，以在被观察图像内发现没有物体聚焦时，调节聚焦位置为无穷远。

19. 如权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其特征在于：该装置被用在平面-斜面型装置中，其中处理单元(40)控制被观察图像内预先确定的物体或聚焦窗口之间运动的重复序列，并可响应预先确定的触发条件发送通知报文。

20. 如权利要求19所述的装置，其特征在于：该处理单元(40)中的平面-斜面装置包括一个存储单元(160)，存储在从一个被观察区域运动到下一个被观察区域的过程中用于调节聚焦位置或聚焦位置附近的聚焦数据，从而得到更快的聚焦，导致更有效的操作。

21. 如权利要求19所述的装置，其特征在于：该预先确定的触发条件包括例如热条件和/或预定区域内物体的运动。

22. 如权利要求1-3中任一权利要求所述的装置，其特征在于：该装置可以用来与半自动或全自动变焦装置组合在一起，或集成在半自动或全自动变焦装置中。

23. 如权利要求1-3中任一权利要求所述的装置，其特征在于：该装置可以用来组合或安装在集成的位置确定装置中，如全球定位系统GPS，从而处理装置(40)可以计算并显示被观察物体与来自GPS的定位数据有关的位置。

24. 一种用于红外光学设备(10)的图像分析聚焦方法，该红外光学设备包括：可控光学会聚装置(20)；图像探测装置(30)，光学会聚装置(20)将物体的图像投影到图像探测装置(30)上；处理装置(40)，用于处理来自图像探测装置(30)的信号以提供控制信号，控制光学会聚装置(20)将物体的图像聚焦在图像探测装置(30)上，该方法的特点在于：

分析图像探测装置(30)上的图像，以寻找将被进行聚焦的图像中的至少一个图像窗口；并且

根据使用迭代过程以便最大化对比度来提供的图像窗口内各个探测位置之间尽可能明显的差别，提供在该至少一个图像窗口上的聚焦，其中该迭代过程根据图像的空间频率来选择。

25. 如权利要求24所述的方法，其特征在于：将聚焦分成粗略聚焦步骤和精确聚焦步骤，并且基于图像中低空间频率使用FMF进行粗略聚焦，基于图像中高空间频率使用FMF进行精确聚焦，从而可以组合两个聚焦步骤得到最佳结果。

26. 如权利要求24所述的方法，其特征在于：使用“爬山策略”技术通过分析FMF进行粗略聚焦，使用“曲线拟合”技术通过分析FMF进行精确聚焦。

27. 如权利要求24到26中任一权利要求所述的方法，其特征在于：根据预先确定的条件来寻找将被进行聚焦的图像中至少一个图像窗口，且该预先确定的聚焦条件包括使用 $\mathrm{FMF}\left(z\right)=\frac{1}{N}\mathrm{\Σ}{(K\⊗I_z-m)}^2$ 形式的聚焦函数，其中K为运算子，N为归一化因子，m为一个变量。

28. 如权利要求27所述的方法，其特征在于：该聚焦函数的运算子的值包括：K＝[111]，K＝[1-1]，K＝[10-1]和K＝[1]。

29. 如权利要求28所述的方法，其特征在于：取决于每个系统的特殊要求改变聚焦函数的运算子的值。

30. 如权利要求29所述的方法，其特征在于：通过在图像中沿不只一个方向应用运算子函数。

31. 如权利要求24到26中任一权利要求所述的方法，其特征在于：它至少可应用在下面的任一技术领域中：

检查电力操作装置；

与温度相关的过程检查、监控和监视；

医学，化学，石油化学和炉膛检查，可以使用安装在车辆、直升机中的手提式和/或移动单元来进行某些检查；

研究和开发，尤其是与电子工业和部件制造有关的研制和开发；

人类，民用和军用监视。

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