CN103389559A - 基于温度变化补偿的红外镜头及补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于温度变化补偿的红外镜头及补偿方法，通过在温度变化超过一定限度时，调用聚焦镜组补偿量与温差关系的数学函数对聚焦镜组的位置进行调整，实现起来非常简单，有效保证了温度变化后仍然能够达到最佳的成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外镜头，以及一种补偿方法，以用于温度变化时，消除或者降低温度对红外镜头成像的影响。
背景技术
随着红外热成像技术的发展，已经出现连续变焦红外热像仪，如中国专利文献CN101282428A所公开的连续变焦的非制冷红外热像仪，操作人员在后台控制端可独立控制热像仪的变倍和聚焦，既能实现大范围的搜索，又能对特定目标进行放大和识别，便于监控。
不过由于热像仪多用于户外，尤其是一些边海防线，其所处环境的温度变化比较剧烈。受限于成本和技术，目前采用的非制冷型变焦红外热像仪大多没有采用无热化设计，这就导致当热像仪在监控某一场景或目标时，尤其是在调用预置位及巡航监控时，由于环境温度的变化，成像会变模糊。需要工作人员重新调节镜头的变倍和聚焦的位置，才能达到最好的监控效果，给应用带来诸多不便。
产生上述问题的关键在于红外镜头的机械结构和所使用透镜都会有随温度变化而变化的属性，请参见说明书附图1中，变倍镜组2和聚焦镜组4之间的距离变化决定了成像的调整，也就是会使光学系统的一些参数发生相应的变化，而随温度变化的两镜组之间的距离是应当被克服的，否则会产生非人为的最佳成像的偏离，破坏既有的象差校正状态。因此，在光学系统中通常需要采用一定的措施，以消除或者降低温度的影响，使红外镜头能够工作在一个较宽的温度范围内。
中国专利文献之CN201748975U的背景技术部分对当前常用的温度补偿方式给出了较为详细的说明，并分别指出了他们的不足。进而，提出了一种应用反补偿消热设计的红外探测装置，它基于工学系统整体焦距不变或者变化很小的考量，采用温度补偿筒，而红外镜头被整体同轴地设置与温度补偿筒内，且镜筒与温度补偿筒之间在靠近红外热象仪一端的位置刚性连接，利用机械结构和材料的选择使得两个筒体在镜筒轴向产生补偿。这类结构由于需要考虑结构、材料与镜组随温度变化的特性之间的关系，造成其设计制造难度比偏大，且所附加的补偿镜筒不可避免的会增加整体结构尺寸，并不利于镜筒传动结构的设置。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构紧凑的基于温度变化补偿的红外镜头，并提供一种补偿方法，能保证红外镜头的在温度变化前后成像效果的相对稳定性。
依据本发明的一个方面，包括在光轴上前后配置的变倍镜组和聚焦镜组，以及调整两镜组在光轴上位置的驱动机构，并配置有控制所述驱动机构的控制单元，其特征在于，在镜筒内还设有连接于所述控制单元的温度传感器，而所述控制单元还连接有存储有聚焦镜组补偿量与温度关系的数学函数的存储器，从而在温度变化超过预定限度时，所述控制单元调用所述数学函数匹配温度变化得到聚焦镜组的补偿量，从而驱动聚焦镜组到对应的位置。
依据本发明的另一个方面，根据变倍镜组所处位置的不同创建m个聚焦镜组补偿量关于温差的数学函数，且所述方法进一步包括以下步骤：
当热像仪正在进行预置位的调用巡航时，若温度发生变化，且变化量小于设定阈值时，则不对聚焦镜组的位置进行补偿，若大于等于设定阈值时，则根据此时变倍镜组所处的位置选择调用对应数学函数得出此条件下聚焦镜组的补偿量，从而驱动聚焦机构对聚焦镜组的位置进行补偿。
依据本发明的再一个方面，根据变倍镜组所处的位置不同，创建m个聚焦镜组补偿量关于温差的数学函数，取一个绝对温度作为原始温度，并存储该原始温度条件下变倍镜组和聚焦镜组的绝对位置；然后，依据景深将变倍镜组移动的总焦距分为m段，将变倍镜组固定于某一段焦距上，基于不同的温度变化，手动调整聚焦镜组使镜头达到最佳成像效果，记录变倍镜组和聚焦镜组当前的位置信息，进而拟合出聚焦镜组补偿量关于温差的数学曲线及相对应的数学函数，进而计算出变倍镜组处于不同位置、不同的温度变化下聚焦镜组的补偿量，从而在温度发生变化时，调用聚焦镜组补偿量关于温差的数学曲线及相对应的数学函数计算出对应的补偿量，驱动驱动聚焦机构对聚焦镜组的位置进行补偿。
依据本发明，从上述方案可以看出，通过聚焦镜组补偿量与温差的数学函数，当温度变化超过一定限度时，通过直接调用所述数学函数对聚焦镜组的位置进行调整，实现起来非常简单，保证了温度变化前后热像仪有最佳的成像效果。
附图说明
图1为依据本发明的一种基于温度变化补偿的红外镜头的结构示意图。
图2为依据本发明的一种基于温度变化补偿的红外镜头的电路原理图。
图3为依据本发明的一种红外镜头在温度变化时进行补偿的方法的流程图。
图中：1、变倍电位器组件，2、变倍镜组，3、聚焦电位器组件，4、聚焦镜组，5、探测器组件，6、控制电路板，7、电连接器接口，8、变倍电机组件，9、聚焦电机组件，10、温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，分别给出了一种变焦红外热像仪的内部结构原理图和电路部分结构原理图。进而请参见说明书附图1所示，基于温度变化对镜头位置进行智能补偿的变焦红外热像仪主要由在光轴上前后配置的变倍镜组2、聚焦镜组4，以及用于红外成像的探测器组件5，针对所述变倍镜组2和聚焦镜组4配置相应的检测设备，如图1中所示的变倍电位器组件1、聚焦电位器组件3，相应地，聚焦镜组4和变倍镜组2分别相应配有变倍电机组件8、聚焦电机组件9，以协调控制两者的位置变动，而控制电路板6则用于两者的协调控制，这种协调控制是本领域的一般常识，也就是变倍镜组2和聚焦镜组4的位置变动本身依据现有技术是确定的。
镜头后部的电连接器接口7用于与光纤或者其他设备连接，用于把成像的视频信号传出。
针对温度变化，配置温度传感器10，设置在镜头的内部，能够有效的测量镜头的温度变化，与镜头机械结构随温度变化中的温度具有适应性。
在图1中所示的变倍电位器组件1，在变倍镜组转动时同步输出变倍镜组的位置信息；而聚焦电位器组件3，在聚焦镜组转动时同步输出聚焦镜组的位置信息；控制电路板6实现对环境温度的采集、变倍和聚焦镜组位置信息的采集和存储、电机的驱动控制及整机的其它控制功能；电连接器接口7与上位机、监视器、控制键盘等其它外围设备连接，方便图像的观测及对热像仪的控制调节；温度传感器10，实现对镜头所处环境温度的测量。
基于温度变化对镜头位置进行智能补偿的变焦红外热像仪，温度传感器直接采集镜头温度，作为镜头调整的基准，应知，由于镜头内部温度变化相比于环境温度，受限于镜头自身壳体得影响，具有一定的延迟性，但这种变化对最终的调整影响不大，所建立的温度变化与镜头调整得要素之间的关系，也能够反映最重的温度变化与镜头的调整要素之间的关系。尤其是内部温度与代表镜头机械结构变化的关联性更具有代表性
根据“景深”的概念可以将变倍镜组移动的总焦距分为m段。当变倍镜组固定于某一段焦距时，将红外热像仪聚焦清楚，测出在各温度下聚焦镜组相对于原始环境温度TS0下位置的变化量，即下文所提到的聚焦镜组的补偿量，通过Matlab可以拟合出聚焦镜组补偿量量与温差关系的数学曲线及其对应的数学函数。采用同样的方法就可以得到变倍镜组处于不同位置时聚焦镜组补偿量与温差关系的数学函数。
在某一环境温度TS1下，当进行镜头预置位的设置时，控制系统对环境温度或者镜头内部温度及变倍、聚焦电位器的数据信息进行采集并存储，根据变倍镜组的位置确定采用哪一条曲线函数来计算聚焦镜组的补偿量，并根据此函数计算出此环境温度TS1相对于原始温度TS0聚焦镜组的补偿量FS1；当调用预置位进行巡航监控时，如果此时的环境温度相对于设置预置位时的温度TS1发生变化时，如果仍按设置预置位时存储的变倍镜组和补偿镜组的数据信息来驱动镜组驱动机构，成像会不清晰。
此时，控制电路板的处理器将此时采集的环境温度TR分别与设置预置位时的环境温度TS1及原始温度TS0进行比较，根据比较信息确定是否需要进行补偿及补偿量的多少，并驱动聚焦直流电机转动，同时采集变倍、聚焦电位器数据信息，当达到指定的补偿量要求时，电机停止转动，实现对聚焦镜组位置的补偿，此时，在调用预置位进行巡航监控的过程中镜头会始终呈现清晰的成像效果，从而消除环境温度对热像仪成像效果的影响。
系统的微处理器对镜头所处的环境温度的采集采用单总线的温度传感器，对变倍、聚焦镜头位置的采集采用精密电位器，以便能够采集到精确的变倍、聚焦位置信息。
在一些实施例中，温度变化时镜头补偿量的生成及控制方法：
1） 根据“景深”的概念将变倍镜组移动的总焦距分为m段；
2） 在室温条件（TS0 = 25℃）下，将变倍镜组固定在某一段焦距内调节聚焦镜组将镜头聚焦清楚，记录此时的温度、变倍镜组和聚焦镜组的位置数据，并作为原始数据；
3） 在镜头所处环境发生变化时使镜头的成像效果发生微小的变化时，将镜头重新聚焦清楚，并记录一次当前环境的温度及热像仪的变倍镜组及聚焦镜组的位置信息；
4） 以环境温度与原始温度的差值作为横坐标，聚焦镜组的位置数据与原始位置数据的差值作为纵坐标，使用Matlab将所得到的一系列数据拟合成一条聚焦镜组补偿量与温差（|TR-TS0|或|TSn-TS0|）关系的数学曲线，并相应得到在变倍镜组处于某一段焦距内，聚焦镜组的补偿量与温差（|TR-TS0|或|TSn-TS0|）的数学函数y = AnTn+An-1Tn-1+… …+AT+A0 ；
5） 改变变倍镜组所处的位置，可以得到变倍镜组处于不同位置时的m条聚焦补偿量关于温差的曲线及相对应的函数。
将原始温度、变倍镜组处于不同温度时分别对应的m条聚焦补偿量关于温差的数学函数进行存储，以便于调用。
如图3所示，给出了智能变焦补偿的程序流程图，包括以下步骤：
a.系统上电后，处理器开始进行初始化设置，包括A/D转换模块的初始化、通信端口的初始化等，初始化工作完成之后，执行步骤b；
b.接收上位机通过RS485传送的指令；
c.解析上位机指令，判断自动补偿功能是否开启，如果关闭则返回继续等待上位机指令或执行其它操作，如果开启，则执行步骤d；
d.当红外热像仪在配合云台进行巡航监控的过程中，用户可以设置一系列的预置位作为巡航监控点。在设置预置位时，处理器将通过A/D转换电路实时采集各点对应的变倍电位器、聚焦电位器的位置信息Zsn、Fsn及镜头所处的环境温度Tsn，并存入处理器的片内EEPROM中，将首先调用镜头的预置位；
e.当热像仪正常工作时，打开自动变焦补偿功能。
f.当设置预置位时，如果此时环境温度TS1相对原始温度TS0变化量大于所设置阈值时，即|TS1-TS0|>Tmin，控制器将采集并存储此时的环境温度TS1及变倍镜组和补偿镜组的位置信息。
g.当巡航监控需要调用预置位时，如果此时环境温度TR相对设置预置位时的环境温度TS1变化量大于所设置阈值时，即|TS1-TS0|>Tmin，控制器将采集并存储此时的环境温度TR及变倍镜组和补偿镜组的位置信息。
h. 在预置位的设置或者巡航的过程中如果温度的变化满足第f、g条的规定，则根据变倍镜组所处的位置选择使用哪一个补偿函数来计算聚焦镜组的补偿量，再将所得到的温度差值（|TS1-TS0|和|TR-TS0|）代入该函数y = AnTn+An-1Tn-1+… …+AT+A0，从而求出聚焦镜组的补偿量F=FR-FS1，根据聚焦镜组补偿量驱动直流电机旋转，并实时采集聚焦电位器的的数据信息，当达到指定的补偿量时，停止电机转动，从而实现对红外热像仪聚焦镜组的智能补偿。
温度阈值，可以表现为如前所述的Tmin，受镜头驱动部分和成像质量的制约，其中受机械阻尼的影响，如果镜头中镜组的位置变化量比较小，即便是对应的驱动部分产生驱动，但镜组不会产生任何变化，对此本领域的技术人员应有清楚的理解。另外，关于成像质量，在温度变化比较小时，变化后的成像质量在可被接受的范围内，是不需要对镜组进行位置调整的，对此同样本领域的技术人员应有清楚的理解。
在以上的内容中，原始位置表现为一个绝对位置和一个绝对温度的确定，补偿量相比于位置信息的数据量要小，不仅可以降低存储的资源消耗，而且计算速度相对也会比较快，提高了对温度的响应速度。
关于电位器，相比于如编码器，成本要低得多，且由于镜头调整镜筒转动不少过一周，因此，电位器完全可以使用。另外，当前一些精密的电位器完全具备编码器一样的精度，可以满足镜头调整的需要。
在如图2所示的结构中，通过RS485接收上位机指令，如果启用镜头位置的智能补偿功能，当设置镜头预置位时，控制电路板的处理器采集环境温度信息，并通过A/D转换电路，采集变倍、聚焦位置信息，将环境温度及变倍、聚焦位置信息存入片内EEPROM中；将当前环境温度及变倍、聚焦位置信息与EEPROM中存储的环境温度及变倍、聚焦位置信息进行比较，根据比较结果输出补偿量，驱动变倍、聚焦电机实现对变倍、聚焦镜组位置的精确补偿。
通过镜组当前环境温度及位置信息与原始信息的比较，根据输出的补偿信息来驱动变倍和聚焦电机，实现对变倍、聚焦镜组的位置补偿，确保了多次补偿造成的累积误差的影响，有效保证了最佳成像效果，逼真地再现了温度变化前的成像效果。电路控制精确可靠，结构简洁耐用，布局清晰合理，经济实用，能有效提高设备工作效率，实现红外热像仪的智能监控。
Claims (7)
1.一种基于温度变化补偿的红外镜头，包括在光轴上前后配置的变倍镜组和聚焦镜组，以及调整两镜组在光轴上位置的驱动机构，并配置有控制所述驱动机构的控制单元，其特征在于，在镜筒内还设有连接于所述控制单元的温度传感器，而所述控制单元还连接有存储有聚焦镜组补偿量与温度关系的数学函数的存储器，从而在温度变化超过预定限度时，所述控制单元调用所述数学函数匹配温度变化得到聚焦镜组的补偿量，从而驱动聚焦镜组到对应的位置。
2.根据权利要求1所述的基于温度变化补偿的红外镜头，其特征在于，所述驱动机构配有输出连接所述控制单元的检测装置，以闭环控制变倍镜组和聚焦镜组的位置。
3.根据权利要求2所述的基于温度变化补偿的红外镜头，其特征在于，所述驱动机构为相应配置于变倍镜组和聚焦镜组的各一套电机及传动机构，而检测装置为连接于电机轴或者传动机构中传动轴上的转动参数检测装置。
4.根据权利要求3所述的基于温度变化补偿的红外镜头，其特征在于，所述转动参数检测装置为电位器。
5.根据权利要求1至4任一所述的基于温度变化补偿的红外镜头，其特征在于，所述控制单元配有与上位机通信的接口，以便于人工介入。
6.一种对红外镜头在温度变化时进行补偿的方法，其特征在于，根据变倍镜组所处位置的不同创建m个聚焦镜组补偿量关于温差的数学函数，且所述方法进一步包括以下步骤：
当热像仪正在进行预置位的调用巡航时，若温度发生变化，且变化量小于设定阈值时，则不对聚焦镜组的位置进行补偿，若大于等于设定阈值时，则根据此时变倍镜组所处的位置选择调用对应数学函数得出此条件下聚焦镜组的补偿量，从而驱动聚焦机构对聚焦镜组的位置进行补偿。
7.一种红外镜头在温度变化时进行补偿的方法，其特征在于，根据变倍镜组所处的位置不同，创建m个聚焦镜组补偿量关于温差的数学函数，取一个绝对温度作为原始温度，并存储该原始温度条件下变倍镜组和聚焦镜组的绝对位置；然后，依据景深将变倍镜组移动的总焦距分为m段，将变倍镜组固定于某一段焦距上，基于不同的温度变化，手动调整聚焦镜组使镜头达到最佳成像效果，记录变倍镜组和聚焦镜组当前的位置信息，进而拟合出聚焦镜组补偿量关于温差的数学曲线及相对应的数学函数，进而计算出变倍镜组处于不同位置、不同的温度变化下聚焦镜组的补偿量，从而在温度发生变化时，调用聚焦镜组补偿量关于温差的数学曲线及相对应的数学函数计算出对应的补偿量，驱动驱动聚焦机构对聚焦镜组的位置进行补偿。
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