CN103605198A - 一种多探测器光学系统联动调焦机构及其调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多探测器光学系统联动调焦机构，包括中焦光学分系统、长焦光学分系统、短焦光学分系统、探测器、物面距离计算单元、反馈电路、位置控制单元、位置测量单元、调焦单元、探测器移动模块；探测器是三个，分别与中焦光学分系统、长焦光学分系统、短焦光学分系统相连接；物面距离计算单元与反馈电路相连接；物面距离计算单元与中焦光学分系统、长焦光学分系统、短焦光学分系统连接；本发明一种多探测器光学系统联动调焦机构及调焦方法，该机构具有操控简单、调焦高精度、轻巧方便等特点，能够大大减少人力、物力的浪费。

Description

一种多探测器光学系统联动调焦机构及其调焦方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种多负载调焦机构，尤其涉及一种多探测器光学系统联动调焦机构及其调焦方法。

背景技术

随着变焦距光学系统技术的突破，为了使光学观测系统、摄影系统实现更为清晰的成像，越来越多的舰载、地基、天基经纬仪和各类天文观测系统，以及电影、电视摄影系统都已经采用了变焦距光学系统来替代传统的定焦系统。光学系统成像时，由物像公式

可知，像距会随着物距的变化而变化；尤其是变焦距光学系统，在整个光学测量过程中存在更为明显的像面移动问题，所以需要调焦机构补偿像面移动的距离；在实际应用中由于环境变化引起的像面移动对整个光学系统成像质量的影响也是很大的，同样需要调焦机构补偿像面距离。

目前国内外针对这种像面移动采用的补偿方式为控制透镜组或探测器移动来补偿。像面移动量获取则有多种方式，如：设计时对系统添加变量仿真获取、直接通过计算获取、通过对探测器上图像识别获取、光电自准法获取等等。这些方法获得的像面位置精度与光学系统自身参数有关，调焦精度受到系统自身参数的限制。

光学系统的调焦精度通常会受到自身装调精度、控制精度、以及焦深等的影响。装调精度、控制精度受到当前技术水平约束难以在短时间内获得提高，焦深对调焦精度的影响受到光学系统自身参数的约束。由焦深公式d'=2λ(F^#)²可知，对于单个光学系统来说，波长、焦距、口径都是确定的，所以想要通过改变焦深提高调焦精度也是难以见效的。

随着技术的发展，现在对光学系统的要求也越来越高，除了光学系统变焦距的要求外，多功能、轻量化也是目前光学系统的主流发展方向。为了实现系统的多功能化，通常在一个大型光学系统中设置着多个光学分系统；为了实现轻量化，应尽量减少整个系统的零件和元件。虽然目前光学系统中的各个分系统可以共用部分结构（如箱体，主、次镜），但在调焦机构上均采用各自工作方式，而这种工作方式会增加操作人员数量和系统复杂度。

发明内容

为了解决背景技术中所提出的技术问题，本发明提供了一种多探测器光学系统联动调焦机构及调焦方法，该机构具有操控简单、调焦高精度、轻巧方便等特点，能够大大减少人力、物力的浪费。

本发明的技术解决方案是：一种多探测器光学系统联动调焦机构，其特征在于：所述调焦机构包括中焦光学分系统1、长焦光学分系统2、短焦光学分系统3、探测器4、物面距离计算单元5、反馈电路6、位置控制单元7、位置测量单元8、调焦单元9、探测器移动模块10；所述探测器是三个，分别与中焦光学分系统1、长焦光学分系统2、短焦光学分系统3相连接；物面距离计算单元5与反馈电路6相连接；物面距离计算单元5与中焦光学分系统1、长焦光学分系统2、短焦光学分系统3连接；反馈电路6用于反馈探测器4、物面距离计算单元5、控制单元7的计算量和控制量；位置控制单元7有两个，分别与中焦光学分系统1、短焦光学分系统3连接；位置测量单元8与长焦光学分系统2连接；调焦单元9与长焦光学分系统连接；探测器移动模块10带动探测器4移动。

上述长焦光学分系统采用主动式调焦，中焦光学分系统1、短焦光学分系统3采用反馈式被动调焦，反馈信息来自长焦光学分系统调焦量。

上述探测器4设置在导轨上并可沿导轨移动，所述探测器4与导轨之间设置负载平台。

探测器所在的导轨上设置位移传感器，位移传感器与物面距离计算单元5连接。

计算单元包括多个子单元，子单元与光学系统的其它分系统一一对应，就是说除了长焦光学分系统外，其他分系统都具有自己的计算单元，长焦分系统仅仅获取物面距离，并通过反馈系统同时反馈给各个计算单元，这些计算单元独立计算出对应分系统的调焦量反馈给自己的控制系统进行调焦，光学分系统分别计算调焦量，通过反馈电路向对应的分系统反馈调焦量。

上述中焦光学分系统焦距f₁=1000mm，口径2a₁=250mm，F数为4；长焦光学分系统焦距f₂=2000mm，口径2a₂=360mm，F数为5.6；短焦光学分系统焦距f₃=400mm，口径2a₃=200mm，F数为2；探测器4像元尺寸为14μm×14μm。

一种多探测器光学系统联动调焦方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）长焦光学分系统首先对物面成像，获取图像信息；通过人工调焦实现长焦光学分系统准确调焦；

2）通过长焦光学分系统探测器移动量和长焦光学分系统参数获得物面距离；

3）计算单元分别为中、短焦光学分系统计算出像面变化距离Δl'，反馈给各个中焦光学分系统和短焦光学分系统。

上述步骤3）的具体步骤是：

3.1）物面距离计算单元接收长焦光学分系统探测器移动距离的反馈量，将该反馈量转化为物面距离Δl+l；

3.2）再分别将反馈量转化为中焦光学分系统、短焦光学分系统探测器移动量，通过反馈电路反馈给控制单元。

本发明的优点是：本发明提供了一种多探测器光学系统联动调焦机构，该机构采用长焦光学分系统调焦方式获取物面相对移动距离，利用长焦光学分系统对目标距离的敏感，可以更准确的获得物面相对移动量。采用物面相对移动量来作为反馈信息，相对移动量包含了物面的实际移动量和环境变化移动量信息，可以更准确的为其它系统提供修正信息,以实现低误差调焦。此外采用这种联动调焦可以减少操作人员数量，减少人为误差，进一步提高系统调焦精度，同样可以使整个系统的调焦变得简单、方便，减少系统所需要的调焦装置，达到降低成本，使系统更加轻量化、智能化。

附图说明

图1是本发明所提供的多探测器光学系统计算模型图；

图2是本发明所提供的多探测器光学系统联动调焦机构工作流程图；

图3、图4是本发明所提供的多探测器光学系统联动调焦机构结构图；

其中：1-中焦光学分系统；2-长焦光学分系统；3-短焦光学分系统；4-探测器；5-物面距离计算单元；6-反馈电路；7-位置控制单元；8-位置测量单元、9-调焦单元；10-探测器移动模块。

具体实施方式

参见图1、2以及图3，本发明提供了一种多探测器光学系统联动调焦机构，该机构中包含中焦光学分系统1，该分系统焦距f₁=1000mm，口径2a₁=250mm，F数为4；长焦光学分系统2，该分系统焦距f₂=2000mm，口径2a₂=360mm，F数为5.6；短焦光学分系统3，该分系统焦距f₃=400mm，口径2a₃=200mm，F数为2；三个可见光探测器4，像元尺寸为14μm×14μm；物面距离计算单元5，该单元将接收长焦光学分系统探测器移动距离的反馈量，将该量转化为物面距离Δl+l，再分别转化为中、短焦光学分系统探测器移动量，通过反馈电路6反馈给控制单元7；反馈电路6用于反馈探测器4、物面距离计算单元5、位置控制单元7的计算量和控制量；位置控制单元7，用于控制探测器移动，实现自动调焦；位置测量单元8，用于测量长焦光学分系统中探测器移动量；调焦单元9，用于人工手动调焦；探测器移动模块10将通过轴的转动带动探测器4移动。

参见图1，多探测器光学系统计算模型图，其中：l为光学系统初始设计时物面精确位置，l'为光学系统初始设计时像面精确位置，f为光学系统物方焦距，f'为光学系统像方焦距，Δl为物面实际位置与初始设计位置间的距离，Δl'为调焦距离。

本发明的关键在于：首先通过人工调焦实现长焦光学分系统2准确调焦，再通过长焦光学分系统探测器移动量和长焦光学分系统参数获得物面距离，再由计算单元分别为中、短焦光学分系统计算出像面变化距离Δl'，反馈给各个分系统，以长焦光学分系统的调焦系统控制中、短焦光学系统的调焦系统，实现精确调焦。

通常光学系统的景深表示为其中远景深

近景深p为对准物距，ε为极限分辨角，a为入瞳半径，D为探测器像元直径。该发明所述光学系统中的三个光学分系统在观测1km远处物体时，景深分别为：

长焦光学分系统景深：

中焦光学分系统景深：

短焦光学分系统景深：

由此可知，当该系统观测的目标向远离探测器方向运动333m或向靠近探测器方向运动200m时，长、中、短焦光学系统均需要调焦；当目标向远离探测器方向运动87m或向靠近探测器方向运动74.1m时，长、中焦光学系统均需要调焦；当目标向远离探测器方向运动28.6m或向靠近探测器方向运动27m时，仅长焦光学系统需要调焦，显然长焦（大F数）光学系统对物体位移更敏感，利用长焦光学系统监测目标移动距离精度会远高于短焦（小F数）光学系统。

光学系统调焦时会有一定的误差，人工半自动调焦方式中主要包括机械误差和人为误差，还有因为焦深存在引起的调焦误差。通常情况下可以通过提高加工精度来减小机械误差，通过提高操作人员技术水平降低人为误差。对于单一的光学系统，焦深是其调焦可达到的最小允许误差精度，若能达到该精度即可以达到分辨率极限条件下调焦精度。焦深d'可由：d'=2λ(F^#)²求得。由此可知口径越小，焦距越长，焦深也就越长，越便于满足调焦精度要求。

发明所述光学系统中的三个光学分系统的焦深分别为：

长焦光学分系统焦深：

中焦光学分系统焦深：

短焦光学分系统焦深：

所以由焦深确定的最小允许误差量分别为：Δ_长=34μm、Δ_中=17.6μm、Δ_短=4.4μm。

长焦光学分系统调焦机械精度可以高达1μm，那么长焦光学分系统调焦引入的最大误差量为

取物距l为1km，l'近似为光学系统焦距f'。当该误差量转化为反馈信息，馈给中焦光学分系统时对应的误差量近似为：

反馈给短焦光学分系统时对应的误差量为：

由于电动微位移平台精度达1μm，所以对于中焦光学分系统，采用该反馈式调焦后调焦精度为

对于短焦光学分系统，采用该反馈式调焦后调焦精度为由上述计算可知Δ'_中<<Δ_中，Δ'_小<<Δ_小，故该联动调焦机构可以大大提高调焦精度。

本发明提供的多探测器光学系统联动调焦机构的工作原理是：

长焦光学分系统首先对物面成像，获取图像信息。通过长焦光学分系统调焦机构，手动调焦将图像调整清楚，通过读数可获取调整距离Δl'。已知设计的长焦光学分系统物距l、像距l'、物方焦距f、像方焦距f′，便可以通过高斯公式：

求得：

该过程由长焦光学分系统物面距离计算单元7完成计算并通过长-中焦光学系统反馈机构9和长-短焦光学分系统反馈机构10反馈给中焦光学分系统调焦机构5和短焦光学分系统调焦机构6，完成调焦。调焦距离

其中l'_中为中焦光学分系统初始情况下的像距，Δl'_中为中焦光学分系统需要的调焦量。同理可得光学系统在短焦情况下调焦距离

其中l'_小为短焦光学系统初始情况下的像距，Δl'_小为短焦光学分系统需要的调焦量。

Claims (8)

1.一种多探测器光学系统联动调焦机构，其特征在于：所述调焦机构包括中焦光学分系统（1）、长焦光学分系统（2）、短焦光学分系统（3）、探测器（4）、物面距离计算单元（5）、反馈电路（6）、位置控制单元（7）、位置测量单元（8）、调焦单元（9）、探测器移动模块（10）；所述探测器是三个，分别与中焦光学分系统（1）、长焦光学分系统（2）、短焦光学分系统（3）相连接；物面距离计算单元（5）与反馈电路（6）相连接；物面距离计算单元（5）与中焦光学分系统（1）、长焦光学分系统（2）、短焦光学分系统（3）连接；反馈电路（6）用于反馈探测器（4）、物面距离计算单元（5）、位置控制单元（7）计算量和控制量；位置控制单元（7）有两个，分别与中焦光学分系统（1）、短焦光学分系统（3）连接；位置测量单元（8）与长焦光学分系统（2）连接；调焦单元（9）与长焦光学分系统连接；探测器移动模块（10）带动探测器（4）移动。

2.根据权利要求1所述的多探测器光学系统联动调焦机构，其特征在于：所述长焦光学分系统（2）采用主动式调焦，中焦光学分系统（1）、短焦光学分系统（3）采用反馈式被动调焦，反馈信息来自长焦光学分系统（2）调焦量。

3.根据权利要求2所述的多探测器光学系统联动调焦机构，其特征在于：所述探测器（4）设置在导轨上沿导轨移动，所述探测器（4）与导轨之间设置负载平台。

4.根据权利要求3所述的多探测器光学系统联动调焦机构，其特征在于：探测器（4）所在的导轨上设置位移传感器，位移传感器与物面距离计算单元（5）连接。

5.根据权利要求4所述的多探测器光学系统联动调焦机构，其特征在于：物面距离计算单元（5）包括多个子单元，子单元与光学系统的其它分系统一一对应，光学分系统分别计算调焦量，通过反馈电路向对应的分系统反馈调焦量。

6.根据权利要求5所述的多探测器光学系统联动调焦机构，其特征在于：所述中焦光学分系统（1）焦距f₁=1000mm，口径2a₁=250mm，F数为4；长焦光学分系统（2）焦距f₂=2000mm，口径2a₂=360mm，F数为5.6；短焦光学分系统（3）焦距f₃=400mm，口径2a₃=200mm，F数为2；探测器（4）像元尺寸为14μm×14μm。

7.一种多探测器光学系统联动调焦方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1）长焦光学分系统首先对物面成像，获取图像信息；通过人工调焦实现长焦光学分系统准确调焦；

2）通过长焦光学分系统探测器移动量和长焦光学分系统参数获得物面距离；

3）计算单元分别为中、短焦光学分系统计算出像面变化距离Δl'，反馈给各个中焦光学分系统和短焦光学分系统。

8.根据权利要求7所述的多探测器光学系统联动调焦方法，其特征在于：所述步骤3）的具体步骤是：

3.1）物面距离计算单元接收长焦光学分系统探测器移动距离的反馈量，将该反馈量转化为物面距离Δl+l；

3.2）再分别将反馈量转化为中焦光学分系统、短焦光学分系统探测器移动量，通过反馈电路反馈给控制单元。

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