CN102298245B - 一种航空相机调焦系统 - Google Patents

Abstract

一种航空相机调焦系统，包括照明光源、准直透镜、目标、分光棱镜、物镜、反射镜、CCD、信号采集模块和驱动控制模块；进行调焦时，反射镜旋转至垂直于光轴处，照明光源发出的光经过准直透镜准直，均匀地为放置于相机物镜焦面处的目标照明，再经过分光棱镜反透分光，透过棱镜的光经过物镜后由反射镜反射回来，再次经过物镜，最后由分光棱镜将反射光成像于CCD上；成像时，反射镜顺时针旋转45度，地面光线通过反射镜反射，经过物镜后，由分光棱镜直接将反射光成像于CCD上。本发明适于具有扫摆反射镜的中长焦航空相机的调焦，调焦光路直接指导成像光路成像，控制复杂度降低，系统的稳定性得到提高。

Description

一种航空相机调焦系统

技术领域

本发明涉及一种航空相机调焦系统，适用于航空相机领域。

背景技术

成像质量是航空相机最重要的性能指标，受光学系统制约的同时，还受大气、杂光、温度、像移、CCD器件等多种环境因素的影响。温度、大气压力和航高等环境因素的变化，会造成相机光学焦面位置的移动，造成离焦。若离焦量超出半焦深，照相分辨力将显著下降，严重时甚至不能成像。目前的航空相机调焦，可采用对所拍摄的地面图像进行直接图像处理的方法，这种方法具有一定的局限性：它对所拍摄景物信息丰富的区域（例如城市），调焦效果显著；然而，对于低对比度的区域（例如海洋、森林、沙漠、雪地等），直接图像处理的方法往往难以正确对焦。

为弥补直接图像处理方法的不足，目前航空相机主要采用基于光电自准直的检调焦方式，美国KA112A、长春光机所斜视长焦航空相机均采用光电自准直的检调焦方式进行相机调焦，其原理如图1所示。将胶片（或CCD）和检焦装置分别放置在沿光轴对称的两侧，胶片（或CCD）平面和检焦光栅处，在光学系统的共轭位置上。在照相时，自准平面反射镜与光轴成45度，焦面镜处在图中虚线位置。在自动检调焦工作状态时，焦面反射镜处逆时针90度，自准平面镜垂直竖起。由光源发出的准直光照亮位于相机物镜焦平面上的物方光栅，光线经过相机物镜及平面镜反射回来，再经过相机物镜成像在与物方光栅共轭的像方光栅上，在光电接收器件上产生一个光强调制信号，光强信号由光电接收器件转换为电信号被采集以进行比较。当相机准确对焦时，由物方光栅经光学系统两次所成的物方光栅像和像方光栅重合，光强调制信号幅值最大，如图2中的（a）所示，当相机离焦时，由物方光栅经光学系统两次所成的光栅像不和像方光栅重合，光强调制信号幅值小于重合时的幅值，如图2中的（b）所示。

上述调焦系统机械结构过于复杂（焦面反射镜、接收光栅组件、平面反射镜运动等）不适用于小型化、轻量化的发展趋势。

发明内容

本发明技术解决问题，克服现有技术的不足，提供一种航空相机调焦系统，以解决调焦反射镜需要扫摆、需要焦面反射镜、需要接收光栅，系统复杂度增大，传统图像处理调焦对低对比度目标无效等的问题。

本发明采用的技术方案为：一种航空相机调焦系统，由照明光源、准直透镜、目标、分光棱镜、物镜、反射镜、CCD、信号采集模块和驱动控制模块组成；其中目标与CCD位置共轭；所述调焦系统包括成像和调焦两条光路，调焦工作时，反射镜旋转至垂直于光轴处，照明光源发出的光经过准直透镜准直，均匀地为放置于物镜焦面处的目标照明，经过分光棱镜反透分光，透过分光棱镜的部分光经过物镜后由反射镜反射回来，再次经过物镜，最后由分光棱镜将反射部分光成像于CCD上，即相当于对于无穷远高对比度目标成像，信号采集模块将图像信号传入驱动控制模块，驱动控制模块直接利用图像信息计算评价函数值，计算采用能量梯度函数 $f\left(I\right)=\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\{{[I(x+1,y)-I(x,y)]}^2-{[I(x,y+1)-I(x,y)]}^2\},$ 其中I(x,y)为图像在(x,y)处的灰度值，m，n分别表示灰度矩阵长度和宽度，驱动调焦组至函数值f(I)最大的位置处，调焦工作完成；

成像工作时，反射镜顺时针旋转45度，地面光线通过反射镜反射，经过物镜后，由分光棱镜直接将反射部分光线成像于CCD上，然后由图像采集模块采集成像于CCD上的图像，并将所述图像进行存储传输，完成航拍任务。

所述目标（3）选用空间频率在8-12lp/mm的光栅或分辨力板，以保证目标在CCD上呈清晰像。

所述调焦光路的反射率为10%，透射率90%；成像光路的反射率为90%，透射率为10%。

本发明与现有技术相比的有益效果是：小型化、轻量化、控制复杂度降低，提高了系统的稳定性：

（1）本发明中的反射镜不需要扫摆：调焦工作时反射镜只需垂直于光轴立起，无需扫摆，减少了扫摆运动控制，提高了系统稳定性；

（2）本发明采用分光棱镜代替传统焦面反射镜：即静态部件代替动态部件，减少控制难度，同时分光棱镜组件简单，重量轻，有利于小型化、轻量化；

（3）本发明去掉了光栅接收组件：相应的信号采集电路，机械零件得到简化，同样有利于小型化、轻量化，提高了系统的稳定性；

（4）本发明在减少结构件复杂程度及尺寸重量的同时，充分将成熟基于直接图像处理的调焦技术应用于新的领域，降低了实现难度；

（5）与传统自准直调焦系统相比，其调焦系统与成像系统创新性的共用同一个CCD，减少系统机械结构、重量，提高稳定性。由于大面阵CCD帧频的限制，若需要提高效率，可以使用binning结构。本发明可适于具有扫摆反射镜的中长焦航空相机的调焦，调焦光路直接指导成像光路成像。

附图说明

图1为现有技术的调焦系统结构示意图；

图2现有调焦技术信号图；其中：a为正焦信号图，b为离焦信号图；

图3为本发明的结构示意图；

图4对焦评价函数与聚焦镜头位置关系曲线。

具体实施方式

如图3所示，本发明由照明光源1、准直透镜2、目标3、分光棱镜4、物镜5、反射镜6、CCD7、信号采集模块8和驱动控制模块9组成，其中目标3与CCD7位置共轭。

信号采集模块8包括采集放大电路和滤波电路，驱动控制模块9包括CPU（中央处理器）及位置反馈、调焦驱动。采集放大电路直接得到目标图像，滤波电路硬件预处理图像，直接传入CPU进行调焦函数计算，CPU发送指令给调焦驱动，位置反馈返回位置信息，闭环控制调焦电机M进行调焦。

本发明调焦系统包括成像和调焦两条光路，调焦工作时，反射镜6旋转至垂直于光轴处，照明光源1发出的光经过准直透镜2准直，均匀地为放置于物镜5焦面处的目标照明，经过分光棱镜4反透分光，透过分光棱镜4的部分光经过物镜5后由反射镜6反射回来，再次经过物镜5，最后由分光棱镜4将反射部分光成像于CCD7上，信号采集模块8将采集到的目标图像传入驱动控制模块9，CPU按照下述信号预处理方式和系统评价函数，处理图像，计算函数值，可直接按公式（1）计算函数值f(I)（或按照评价函数表进行计算），并按照下述搜索算法驱动调焦电机M，至函数值f(I)最大的位置处，调焦工作完成。

$f\left(I\right)=\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\{{[I(x+1,y)-I(x,y)]}^2-{[I(x,y+1)-I(x,y)]}^2\}---\left(1\right)$

其中I(x,y)为图像在(x,y)处的灰度值。

成像工作时，反射镜6顺时针旋转45度，地面光线通过反射镜6反射，经过物镜5后，由分光棱镜4直接将反射部分光线成像于CCD7上，然后由信号采集模块8将航拍图像进行存储传输，完成航拍任务。m，n分别表示灰度矩阵长度和宽度。

1、相关部件选择

照明光源选择：可见光相机的工作波段为400nm~1000nm，峰值在500nm~600nm之间。

为了与CCD7的波段范围相匹配（400nm-900nm），照明系统光源1可采用波段范围为400nm-900nm的单色光源。例如CREE公司XLamp7090型超亮LED。准直透镜2的焦距可以根据航空相机的具体要求及光源发射角进行确定。在调焦光路中，可将准直透镜2的光阑位置设定为其出瞳位置，方便于与目标3的拼接，实现高的照明均匀性。

本发明实施例中选取CREE公司XLamp7090型超亮LED，其光谱集中于585nm-595nm之间。发散角20°，中心光通量401m（I=350mA）；准直透镜2由于航空相机结构和重量限制，焦距选择为35mm；目标3：综合CCD响应和相机结构选择10lp/mm光栅；分光棱镜4：由于成像系统是航空相机的最主要的系统，分光应充分考虑，90%的光线需到达CCD，选择反透比90%；物镜5：由设计要求决定，需要有调焦组件，选择中长焦定焦可调焦镜头；反射镜6：位于物镜5前方；CCD7:大面阵CCD；信号采集模块8：采集放大电路和滤波电路，驱动控制模块9包括CPU（中央处理器）及位置反馈、调焦驱动。采集放大电路直接得到目标图像，滤波电路硬件预处理图像，直接传入CPU进行调焦函数计算，CPU发送指令给调焦驱动，位置反馈返回位置信息，闭环控制调焦电机M进行调焦。

2、信号预处理方式

由驱动控制模块9按照空间域，如均值滤波、顺序统计滤波、自适应滤波方式，或者频域带阻滤波器、带通滤波器、陷波滤波器、维纳（wiener）滤波等方式，如果需要也可采用小波方式进行滤波。

上述为软件滤波方式，和信号采集模块8中的硬件滤波作用相似，进一步对原始图像进行处理，方便后续计算。

3、系统相关评价函数

同样在驱动控制模块9中，各离焦位置处图像的调焦评价函数选择尤其重要，可按照下表，按照单峰性，即在对焦范围内只有一个极值；无偏性，即只有在成像系统处于最佳对焦状态时，对焦评价函数才给出极大值或极小值；能反映离焦的极性(在焦前位置还是在焦后位置)；抗噪性，即能抵抗图像中含有的各类噪声；广泛的适应性，即对不同内容的图像都能对焦；运算的快速性，即要保证对焦的快速实现。等进行选择设计评价函数。

表各类评价函数

4、搜索算法选取及优化

自动对焦的过程就是求对焦评价函数最大值的过程，按照3中函数选择方式，获得的对焦评价函数与聚焦镜头位置之间的曲线如附图4所示。

检调焦是在镜头所需的调节范围内不断移动，基于一定的评价函数寻找对焦位置的过程，是一种一维最优值的搜索过程，搜索的每一步都应该是对极值点的不断逼近。自动检调焦常用的搜索策略有：遍历搜索法、Fibonacci与黄金分割法、函数逼近法、爬山法等几种。可选用爬山精调到一定程度，根据抛物线拟合求极值，极值位置即目标位置。

上述为一维搜索算法，一个离焦位置计算一次调焦评价函数值，利用上述搜索算法找到最大函数值，完成检调焦工作。

Claims (5)

1.一种航空相机调焦系统，由照明光源（1）、准直透镜（2）、目标（3）、分光棱镜（4）、物镜（5）、反射镜（6）、CCD（7）、信号采集模块（8）和驱动控制模块（9）组成,其特征在于：其中目标（3）与CCD（7）位置共轭；所述调焦系统包括成像和调焦两条光路，调焦工作时，反射镜（6）旋转至垂直于光轴处，照明光源（1）发出的光经过准直透镜（2）准直，均匀地为放置于物镜（5）焦面处的目标照明，经过分光棱镜（4）反透分光，透过分光棱镜（4）的部分光经过物镜（5）后由反射镜（6）反射回来，再次经过物镜（5），最后由分光棱镜（4）将反射部分光成像于CCD（7）上，即相当于对于无穷远高对比度目标成像，信号采集模块（8）将图像信号传入驱动控制模块（9），驱动控制模块（9）直接利用图像信息计算评价函数值，计算采用能量梯度函数 $f\left(I\right)=\underset{x=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\{{[I(x+1,y)-I(x,y)]}^2-{[I(x,y+1)-I(x,y)]}^2\},$ 其中I(x,y)为图像在(x,y)处的灰度值，m，n分别表示灰度矩阵长度和宽度，驱动调焦组至函数值f(I)最大的位置处，调焦工作完成；

成像工作时，反射镜（6）顺时针旋转45度，地面光线通过反射镜（6）反射，经过物镜（5）后，由分光棱镜（4）直接将反射部分光线成像于CCD（7）上，然后由图像采集模块（8）采集成像于CCD（7）上的图像，并将所述图像进行存储传输，完成航拍任务。

2.根据权利要求1所述的航空相机调焦系统，其特征在于：所述照明光源（1）采用波段范围为400nm-900nm的单色光源。

3.根据权利要求1所述的航空相机调焦系统，其特征在于：所述目标（3）选用空间频率在8-12lp/mm的光栅或分辨力板，以保证目标在CCD上呈清晰像。

4.根据权利要求1所述的航空相机调焦系统，其特征在于：所述调焦光路的反射率为10%，透射率90%；成像光路的反射率为90%，透射率为10%。

5.根据权利要求1所述的航空相机调焦系统，其特征在于：所述物镜（5）采用其自带的调焦组件进行调焦。

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