CN103345059A - 反射式变形镜变焦方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反射式变形镜变焦方法及系统，方法包括以下步骤：1）根据外部变焦指令判断是否需要变焦；若是，则进行步骤2）；若否，则退出变焦过程；2）通过调整变形镜的曲率进行变焦控制；3）根据变焦时间判断变焦过程是否完成，若是，则退出焦距调整过程；若否，则继续执行步骤2）。为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种在图像采集及处理电路的基础上增加适量软件工作量以实现对变形镜的曲率和面形的控制、实现空间相机无运动部件，基于图像的高分辨率反射式变形镜变焦控制方法及系统。

Description

反射式变形镜变焦方法及系统

技术领域

本发明涉及一种反射式变形镜变焦方法及系统，尤其涉及一种适合空间相机应用的基于图像的高分辨率反射式变形镜变焦方法及系统。

背景技术

随着空间对地遥感技术的飞速发展，空间相机不再局限定焦观测，能够实现远距离目标的搜索和观测记录的同时还能进行大视场目标观测和数据采集，变焦技术成为空间相机发展的重要方向。

体积、重量、更高的可靠性是空间相机较地面相机严格约束的条件之一，因此尽可能的减少运动部件，同时又在保证图像质量的条件下缩小调焦机构的体积和重量是空间相机发展的趋势。用对变形镜曲率和面形的控制替代传统的运动部件进行变焦和图像质量的控制，不仅能够准确地执行变焦任务进行视场切换，对空间相机在轨运行时多种离焦状况引起的图像质量下降获得像面质量的提升，还能够提高系统的可靠性，降低设备的体积重量。

变形镜区别于传统光学元件的重要特点是具有可控能力，是现代自适应光学的核心部件之一。它可以校正由于多种内外因素引起的波前误差。典型的自适应光学系统是使用波前传感器测量入射光的波前畸变，然后通过控制器向波前校正设备发出控制信号，使可变形反射镜发生期望的形变，同时抵消畸变，恢复波前。

将变形镜引入空间相机，通过对变形镜曲率的控制，替代凸轮或其它传动形式的变焦方式，使透镜组间隔保持稳定不变，镜头结构构造的复杂性大大降低，系统的可靠性得到提升；另外对于用户而言，采集到的图像数据是最终的成像效果，以光学图像的数字量作为衡量图像质量的标准，采用系统原有的图像处理电路，增加适量软件数据处理量，得到变形镜的控制参数，进行成像质量的控制，替代变形镜采用波前传感器进行闭环控制的方法，从系统终端评价系统成像质量，可以获得更好的图像质量。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种在图像采集及处理电路的基础上增加适量软件工作量以实现对变形镜的曲率和面形的控制、实现空间相机无运动部件，基于图像的高分辨率反射式变形镜变焦控制方法及系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种反射式变形镜变焦方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1）根据外部变焦指令判断是否需要变焦；若是，则进行步骤2）；若否，则退出变焦过程；

2）通过调整变形镜的曲率进行变焦控制；

3）根据变焦时间判断变焦过程是否完成，若是，则退出焦距调整过程；若否，则继续执行步骤2）。

上述步骤2）的具体实现方式是：

2.1）确定变形镜曲率变化的执行机构以及驱动机构；所述变形镜曲率变化的执行机构是变形镜；所述驱动机构是设置在变形镜背部的促动器；所述促动器包括设置在变形镜的中心为中心促动器以及环绕设置在中心促动器外部的外围促动器；

2.2）确定变焦系统的电子学系统：所述电子学系统包括用于完成光学图像的采集功能的图像采集单元；用于完成所采集光学图像的预处理以及模数转换的视频处理单元；用于完成数字信号图像的预处理和输出、变焦指令的采集，变焦促动器控制量的计算输出、调焦感兴趣区域图像的读取、聚焦判断、调焦促动器控制量的计算及计算量输出的数字信号处理及控制信号计算单元；用于存储采集到的数字图像，以便变焦处理时图像根据感兴趣区域的坐标进行图像读回的图像存储单元；以及，促动器控制量的数模转换和促动器的电压驱动模块；

2.3）生成系统焦距与各促动器控制量对照关系表：根据光学系统设计和促动器在变形镜背面的排布设计决定了系统焦距与变形镜曲率的对应关系，标定出变形镜不同曲率对应变焦时外围各促动器的工作状态；

2.4）根据变焦指令查找出变焦指令相对应的焦距的各个促动器的控制量，以并行方式经高压驱动后输出至步骤2.1）中的各个促动器；

2.5）变形镜曲率变化过程中，保持中心促动器位移不变，变形镜背部外围促动器的位移量发生预期的变化，实现变形镜曲率的控制。

上述步骤3）之后还包括：

4）通过镜头以及图像探测器采集图像；

5）对步骤4）中由图像探测器所采集得到的图像经射极跟随和视频驱动以差分形式送往视频处理单元后并进行模数转换以及图像存储；

6）将步骤5）所得到的变焦控制后的图像进行清晰度判断，若图像清晰，退出变焦过程；若图像不清晰，则通过外围促动器对变形镜面形进行微调控制得到清晰图像。

上述步骤6）中是通过聚焦评价函数对变形镜面形进行微调控制。

上述步骤6）中通过聚焦评价函数对变形镜面形进行微调控制的具体实现方式是：

6.1）对步骤5）中所获取得到的待处理图像进行清晰度判断，若清晰，则不进行变形镜面形的调整；若不清晰，则进行步骤6.2）；

6.2）将变形镜背部的中心促动器以及外围促动器在反射镜上的分布一一对应至步骤6.1）所得到的数字图像的分区中；

6.3）通过步骤6.1）所得到的数字图像的分区中不清晰的区域所对应的促动器进行闭环控制，并根据聚焦评价函数对清晰度进行判断；若聚焦评价函数达到一设定区域范围，则微调控制结束；若聚焦评价函数达到非峰值，则继续步骤6.3）。

一种用于实现如上所述的反射式变形镜变焦方法的变焦系统，其特殊之处在于：所述变焦系统包括变焦执行机构以及用于驱动变焦执行机构的驱动控制机构。

上述变焦执行机构是可变形反射镜；所述驱动控制机构是设置在可变形反射镜背部的促动器；所述促动器包括设置在变形镜中心的中心促动器以及环绕设置在中心促动器外部的外围促动器；所述促动器带动可变形反射镜发生形变。

上述促动器是压电陶瓷。

上述压电陶瓷是堆叠式压电陶瓷。

上述变焦系统还包括图像采集单元、数字图像处理单元、图像存储单元以及信号控制单元；所述图像采集单元、数字图像处理单元以及图像存储单元分别接入信号控制单元；所述信号控制单元与驱动控制机构相连；所述图像采集单元采集经变焦执行机构后的光学图像。

本发明的优点是：

本发明提供了一种基于图像的高分辨率反射式变形镜变焦方法及系统，该方法采用变形镜进行变焦控制。当系统接到变焦指令时，控制信号计算单元根据变焦指令和变形镜影响函数（控制变形镜形变的各促动器控制电压和形变量的关系，即变焦的焦距值与外围各促动器控制电压的对应关系），对支撑在反射变形镜背面不同位置的变形镜发出控制量信号，经D/A转换和驱动后转换成各个驱动器的控制电压，不同的电压量对应促动器不同的位移量，反射变形镜按控制量进行曲率变化。将变形镜引入空间相机的另一优势是可对空间诸多环境因素引起的成像质量下降进行波前校正，因此对于由于变形镜形变和空间环境某些因素引起的成像质量下降，通过对采集到的数字图像进行分析计算，对聚焦不理想部分相关促动器进行闭环控制，该变形镜依然可以起到修正综合误差的作用，最终达到理想的像面质量。具体而言，本发明具有以下优点：

1）本发明将变形镜作为反射镜，通过对变形镜曲率的控制实现系统焦距的变化，使变焦系统没有大规模运动部件，提高了系统的可靠性；（变焦系统摒弃了原有的运动部件改变焦距的方式）。变焦部件没有运动部件，提高了系统的可靠性；2）变形镜面形质量的控制，利用被测目标光学图像处理结果和面形影响函数的计算，在保证焦距的前提下，成像质量可控，获得高分辨率图像；（变形镜面形的控制不是通过波前传感器这种目前通用的方法，简化了电路，提高了控制速度）变形镜没有采用波前检测装置和相应的电控系统，简化了系统；3）在完成高精度变焦控制的基础上，以数字图像采集和处理为基础进行变形镜面形控制，充分利用了数字计算的灵活性，提高成像质量。

附图说明

图1-1是现有的短焦光学系统的光路结构示意图；

图1-2是现有的长焦光学系统的光路结构示意图；

图2是本发明所提供的基于变形镜反射变焦控制系统的电路框图；

图3是本发明所提供的基于变形镜反射变焦控制系统的结构框图；

图4是本发明所提供的变焦系统反射变形镜曲率变化过程示意图；

图5是本发明所提供的高分辨率变焦系统反射变形镜面形调整电子学工作过程示意图；

图6是本发明所提供的变焦方法的工作流程示意图。

具体实施方式

参见图6，本发明提供了一种反射式变形镜变焦方法，该方法包括以下步骤：

1）根据外部变焦指令（焦距值）和变形镜曲率控制促动器的控制电压值（曲率控制促动器的控制量与变形镜的曲率关系事先标定，变形镜不同曲率对应系统不同的焦距值）判断是否需要变焦；若是，则进行步骤2）；若否，则退出变焦过程；

2）通过调整变形镜的曲率进行变焦控制；

3）根据时间判断变焦过程是否完成，若是，则退出焦距调整过程；若否，则继续执行步骤2）。已知本系统设计变形镜曲率控制焦距从最小到最大控制过程小于3秒，促动器控制指令发出计时3秒，确保变形镜曲率变化完成。

上述步骤2）的具体实现方式是：

2.1）确定变形镜曲率变化的执行机构以及驱动机构；所述变形镜曲率变化的执行机构是变形镜；所述驱动机构是设置在变形镜背部的促动器；所述促动器包括设置在变形镜中心的中心促动器以及环绕设置在中心促动器外部的外围促动器；

2.2）确定变焦系统的电子学系统：所述电子学系统包括图像采集单元，主要完成光学图像的采集功能；所述电子学系统包括视频处理单元，主要完成，所采集光学图像的预处理和模数转换；所述电子学系统包括数字信号处理及控制信号计算单元，主要完成数字信号图像的预处理和输出、变焦指令的采集，变焦促动器控制量的计算输出、调焦感兴趣区域图像的读取、聚焦判断、调焦促动器控制量的计算及计算量的输出；所述电子学系统图像存储单元，用于存储采集到的数字图像，以便变焦处理时图像根据感兴趣区域的坐标进行图像读回；所述电子学系统还包括促动器控制量的数模转换和促动器的电压驱动模块；

2.3）系统焦距与各促动器控制量对照关系表：根据光学系统设计和促动器在变形镜背面的排布设计决定了系统焦距与变形镜曲率的对应关系，标定出变形镜不同曲率对应变焦时外围各促动器的工作状态，即不同焦距时外围各促动器伸出的位移量对应到促动器的控制量——系统焦距与各促动器控制量对照关系表，将这张表存储在促动器控制器中作为系统变焦控制过程中变焦控制的依据。

2.4）根据变焦指令，FPGA查找出相应焦距各个促动器的控制量，以并行方式发送到模数转换电路，经高压驱动，输出到各促动器；

2.5）变形镜曲率变化过程中，保持中心促动器位移不变，根据变焦指令，变形镜背部外围促动器的位移量发生预期的变化，实现变形镜曲率的控制。

4）通过镜头以及图像探测器采集图像，焦平面电路提供探测器控制时序、直流偏置；

5）对步骤4）所采集得到的图像进行视频处理，模数转换和图像存储；

6）将变焦控制后的图像进行清晰度判断，若图像清晰，变形镜面形不调整，则退出变焦过程；若图像不清晰，则通过外围促动器对变形镜面形进行微调控制得到清晰图像：其具体实现方式是：

6.1）将步骤5）FPGA从变焦控制参数中，获取感兴趣区域数字图像的位置坐标，将待处理图像数据从存储器中回读，判断该部分图像的清晰度，若清晰，则不进行变形镜面形的调整；否则，根据促动器在反射变形镜背部的排布设计，判断出哪些促动器的状态的变化覆盖该图像区域，同时FPGA不断以实时采集的该部分数字图像为反馈，作为清晰度判断依据，对不清晰区域的促动器进行聚焦控制：

聚焦判断依据：频域函数（熵函数）：对焦良好的图像的熵大于没有对焦清晰的图像。根据香农信息理论：熵最大时信息量最多，将此原理应用到对焦过程中，可认为图像能量一定时，则图像越清晰。

影响函数：变形镜每个促动器的作用都会引起一定的镜面变形，当变形镜仅由一个促动器作用时，镜面产生的形状就是该促动器对变形镜的影响函数，总的变形可以看作是单个促动器引起镜面变形的线性叠加。

当感兴趣图像区域较小，无促动器在该区域内时，以最接近该区域的促动器为控制对象；当感兴趣图像区域内只有一个促动器作用时，则以该促动器为控制对象；当感兴趣图像区域内有多个促动器时，以区域内形心为中心，最接近区域中心的促动器作为控制对象，进行微调控制。

6.2）将变形镜背部的中心促动器以及外围促动器在反射镜上的分布一一对应至步骤6.1）所得到的数字图像的分区中；

6.3）通过步骤6.1）所得到的数字图像的分区中不清晰区域所对应的促动器进行闭环控制，并根据聚焦评价函数对清晰度进行判断；若聚焦评价函数达到峰值，则微调控制结束；若聚焦评价函数达到非峰值，则继续步骤6.3）。

与此同时，本发明还提供了一种用于实现如上的反射式变形镜变焦方法的变焦系统，该变焦系统包括变焦执行机构以及用于驱动变焦执行机构的驱动控制机构；变焦执行机构是可变形反射镜；驱动控制机构是设置在可变形反射镜背部的促动器；促动器包括设置在变形镜中心的中心促动器以及环绕设置在中心促动器外部的外围促动器；促动器带动可变形反射镜发生形变。

促动器是压电陶瓷，优选是堆叠式压电陶瓷。

变焦系统还包括图像采集单元、数字图像处理单元、图像存储单元以及信号控制单元；图像采集单元、数字图像处理单元以及图像存储单元分别接入信号控制单元；信号控制单元与驱动控制机构相连；图像采集单元采集经变焦执行机构后的光学图像。

本发明系统的工作原理基于以下三点：

反射变形镜变焦的原理：

①变形镜通过合理选择变形镜前后常规反射镜的光焦度，达到变形镜曲率微小变化引起系统焦距大幅变化的目的。采用长、短焦视场不同偏置和分离主镜的设计方法，如图1-1以及图1-2所示。

②变形镜的工作原理：

参见图2，系统采用的变形镜的结构由变形镜、驱动器和基座三个部分组成。其基本工作原理是：驱动器固定在基座上，通过改变加载于压电陶瓷上的电压值来使变形镜的镜面产生不同的形变，达到改变曲率或者改变面形的目的。另外，压电陶瓷促动器具有相应速度快，位移分辨率高（纳米级控制精度），可以提供的驱动力大等特点，经分析计算可以大大提高变焦速度和控制精度。

③以数字图像为判据的变焦和像面质量系统的控制原理：

系统中变焦的控制成功与否依赖于变形镜曲率和面形的控制。从变形镜的工作原理可以看出，通过对反射变形镜背部多点促动器的控制，使镜面发生曲率形变，实现变焦的过程。由于系统焦距的改变和空间环境的影响，成像质量必然下降，采取同样非运动部件调整的方法，以采集到的图像为反馈量，以聚焦函数为判断依据，通过对区域内促动器的控制电压微量控制，同时考虑变形镜影响函数线性叠加的作用，对反射变形镜面形做进一步改善，实现焦平面上成像清晰的效果。其中像面质量调整采用聚焦检测法针对空间数字图像进行计算，得出调整判据。聚焦过程是：计算机通过镜头和图像探测器采集到图像信号，经视频处理、AD变换和数字图像聚焦评价判断图像清晰度符合要求与否，图像质量如果不满足清晰度要求，对起主要促动器控制电压做某一步距的加大或缩小，如果图像质量下降，说明电压调整的方向有误，原先升压的做减压处理，如果熵函数计算值增大，继续执行促动器电压微调，直至熵函数计算值达到一定范围，认为图像清晰，变形镜面形微调结束。

本发明系统的工作过程是：

基于图像的高精度反射式变形镜变焦系统的提出是基于上述三项基本原理。其工作过程如图3—图5所示，把根据原理1设计的光学系统采集到的图像进行实时处理和存储，当系统需要变焦时，控制信号计算单元根据变焦指令和变形镜响应函数发出控制变形镜曲率变化的控制信号，经D/A转换和驱动后转换成相对于各个驱动器的控制电压，使顶在反射变形镜背部促动器根据电压发生不同量的位移变化，达到改变该反射变形镜曲率的目的。另外，若变焦后像面的质量下降，此时对变形镜曲率调整后的采集图像进行聚焦检测计算，对聚焦不理想部分相关促动器进行闭环控制，最终达到理想的像面质量。

本发明提供了一种基于图像的高精度反射式变形镜变焦系统。该系统包括：以压电陶瓷为控制单元的可变形反射镜（变焦执行机构）、变形镜驱动模块、图像采集及视频处理模块、图像存储、图像处理及变形镜控制驱动模块。其中，变形镜的驱动电路、图像视频采集及处理方法、图像存储、图像处理的软硬件设计方法可根据系统设计和要求遵循常规的软硬件设计方案。特殊之处在于用变形镜作为系统变焦的执行机构，同时采用图像为反馈源进行变形镜面形进行控制，提高图像的分辨率。从而构成了一个适用于空间观测的高分辨率变焦成像系统。

具体而言，以图像为评价依据反射变形镜变焦和图像质量的控制方法：

（1）曲率和镜面面形调整的方法

光学系统设计时，采用长、短焦视场不同偏置和分离主镜的设计方案来实现系统焦距改变的目的。

驱动器和反射镜镜体之间通过一定的支撑结构进行连接。当每个驱动器进行小幅度位移变化时，可以用于调节镜子的面型质量；当中心及其邻近驱动器不发生任何位移（即固定不变），而周围驱动器根据距离中心驱动器的远近进行相应位移的调整，就可以产生不同曲率半径的球面，参见图4，其中，A是外围促动器长焦位置；B是外围促动器初始位置；C是外围促动器短焦位置。

具体工作过程是：根据变焦指令——焦距值，存储在变形镜控制计算机中不同位置促动器控制量与不同焦距值的对照表（地面标定），查找出各个促动器的控制量（即面形响应函数），该控制量分别经D/A转换和驱动放大电路，使相应的促动器产生预计的位移，变形镜的曲率改变，系统焦距发生变化。

（2）成像质量的控制方法：

将变形镜引入空间成像系统，在如前述的光学系统中，反射变形镜面形质量的控制是高分辨率成像系统的重要环节。其特殊点在于：用数字图像作为变形镜面形反馈量进行计算控制。

具体的工作过程是：将探测器采集到的图像经视频处理和A/D变换后，进行数字图像处理分区域处理，对感兴趣区域根据聚焦评价函数进行聚焦判断，如图5所示，不同位置的促动器对不同成像区域的成像效果起控制作用，对不聚焦区域采用爬坡法（即聚焦函数熵最大原则），微调对应的促动器，直到聚焦计算量至某一设定范围，约定图像清晰，聚焦调整结束，系统变焦控制结束，像面质量控制达到最佳。

Claims (10)

1.一种反射式变形镜变焦方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）根据外部变焦指令判断是否需要变焦；若是，则进行步骤2）；若否，则退出变焦过程；

2）通过调整变形镜的曲率进行变焦控制；

3）根据变焦时间判断变焦过程是否完成，若是，则退出焦距调整过程；若否，则继续执行步骤2）。

2.根据权利要求1所述的反射式变形镜变焦方法，其特征在于：所述步骤2）的具体实现方式是：

2.1）确定变形镜曲率变化的执行机构以及驱动机构；所述变形镜曲率变化的执行机构是变形镜；所述驱动机构是设置在变形镜背部的促动器；所述促动器包括设置在变形镜的中心为中心促动器以及环绕设置在中心促动器外部的外围促动器；

2.2）确定变焦系统的电子学系统：所述电子学系统包括用于完成光学图像的采集功能的图像采集单元；用于完成所采集光学图像的预处理以及模数转换的视频处理单元；用于完成数字信号图像的预处理和输出、变焦指令的采集、变焦促动器控制量的计算输出、调焦感兴趣区域图像的读取、聚焦判断、调焦促动器控制量的计算及计算量输出的数字信号处理及控制信号计算单元；用于存储采集到的数字图像，以便变焦处理时图像根据感兴趣区域的坐标进行图像读回的图像存储单元；以及促动器控制量的数模转换和促动器的电压驱动模块；

2.3）生成系统焦距与各促动器控制量对照关系表：根据光学系统设计和促动器在变形镜背面的排布设计决定了系统焦距与变形镜曲率的对应关系，标定出变形镜不同曲率对应变焦时外围各促动器的工作状态；

2.4）根据变焦指令查找出变焦指令相对应的焦距的各个促动器的控制量，以并行方式经高压驱动后输出至步骤2.1）中的各个促动器；

2.5）变形镜曲率变化过程中，保持中心促动器位移不变，变形镜背部外围促动器的位移量发生预期的变化，实现变形镜曲率的控制。

3.根据权利要求1或2所述的反射式变形镜变焦方法，其特征在于：所述步骤3）之后还包括：

4）通过镜头以及图像探测器采集图像；

5）对步骤4）中由图像探测器所采集得到的图像经射极跟随和视频驱动以差分形式送往视频处理单元后并进行模数转换以及图像存储；

6）将步骤5）所得到的变焦控制后的图像进行清晰度判断，若图像清晰，退出变焦过程；若图像不清晰，则通过外围促动器对变形镜面形进行微调控制得到清晰图像。

4.根据权利要求3所述的反射式变形镜变焦方法，其特征在于：所述步骤6）中是通过聚焦评价函数对变形镜面形进行微调控制。

5.根据权利要求4所述的反射式变形镜变焦方法，其特征在于：所述步骤6）中通过聚焦评价函数对变形镜面形进行微调控制的具体实现方式是：

6.1）对步骤5）中所获取得到的待处理图像进行清晰度判断，若清晰，则不进行变形镜面形的调整；若不清晰，则进行步骤6.2）；

6.2）将变形镜背部的中心促动器以及外围促动器在反射镜上的分布一一对应至步骤6.1）所得到的数字图像的分区中；

6.3）通过步骤6.1）所得到的数字图像的分区中不清晰的区域所对应的促动器进行闭环控制，并根据聚焦评价函数对清晰度进行判断；若聚焦评价函数达到一设定区域范围，则微调控制结束；若聚焦评价函数达到非峰值，则继续步骤6.3）。

6.一种用于实现权利要求1-5任一权利要求所述的反射式变形镜变焦方法的变焦系统，其特征在于：所述变焦系统包括变焦执行机构以及用于驱动变焦执行机构的驱动控制机构。

7.根据权利要求6所述的变焦系统，其特征在于：所述变焦执行机构是可变形反射镜；所述驱动控制机构是设置在可变形反射镜背部的促动器；所述促动器包括设置在变形镜中心的中心促动器以及环绕设置在中心促动器外部的外围促动器；所述促动器带动可变形反射镜发生形变。

8.根据权利要求7所述的变焦系统，其特征在于：所述促动器是压电陶瓷。

9.根据权利要求8所述的变焦系统，其特征在于：所述压电陶瓷是堆叠式压电陶瓷。

10.根据权利要求6或7或8或9所述的变焦系统，其特征在于：所述变焦系统还包括图像采集单元、数字图像处理单元、图像存储单元以及信号控制单元；所述图像采集单元、数字图像处理单元以及图像存储单元分别接入信号控制单元；所述信号控制单元与驱动控制机构相连；所述图像采集单元采集经变焦执行机构后的光学图像。

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