CN103744161B - 一种高精度自动调整像面装置及其调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度自动调整像面装置，以解决现有技术操作效率低、精度低等技术问题。该装置包括用于固定光学镜头的镜头支架、用于固定CCD成像器件的基板、用于拖动镜头支架相对于基板作轴向直线位移的运动平台以及反馈控制系统；所述运动平台包括基座、直线电机、导轨和安装于导轨上的滑块，所述导轨固定于基座上，镜头支架与滑块固定连接，基板与基座相对固定；直线电机的固定部分固定安装于基座上，直线电机的活动部分沿导轨方向与滑块固定连接。本装置结构简明，易操作，控制简单、定位精度高，可广泛应用于光学镜头像面调整的工程实践。

Description

一种高精度自动调整像面装置及其调整方法

技术领域

本发明涉及一种高精度自动调整像面装置，尤其适用于航天、航空领域光学镜头的像面调整。

背景技术

光学镜头分为定焦镜头与变焦镜头，定焦镜头有体积小、重量轻、可靠性高等特点，被广泛应用于航空、航天等领域。对于一种定焦光学系统来说，焦距f′、物距L、像距L′满足公式：

$\frac{1}{L^{\′}}-\frac{1}{L}=\frac{1}{f^{\′}}$

如图1所示，一般来说，一种定焦镜头的物距L、焦距f′已知，因此其像距L′也已知，换句话说，此定焦镜头的像面位置为定值。当镜头像面位置为定值时，可认为镜头法兰与CCD成像器件间的距离为定值。通常情况下，CCD成像器件与光学镜头同时安装于基板左右两侧，通过调整光学镜头的法兰与基板间的修切垫片的厚度，从而达到调整像面位置的目的。因此，像面调整的过程就是调整修切垫片厚度的过程。

这种传统调整像面的方法虽然简单易操作，但由于需要不断修切调整垫片的厚度来调整像面的位置，不但工作效率底下，且像面位置由操作人员来判断，其精度难以保证。尤其当光学镜头数量较多时，此种方法更不可取。

发明内容

本发明提供一种高精度自动调整像面装置，以解决现有技术操作效率低、精度低等技术问题。

为实现以上发明目的，本发明提供以下基本技术方案：

一种高精度自动调整像面装置，包括用于固定光学镜头的镜头支架、用于固定CCD成像器件的基板、用于拖动镜头支架相对于基板作轴向直线位移的运动平台以及反馈控制系统；所述运动平台包括基座、直线电机、导轨和安装于导轨上的滑块，所述导轨固定于基座上，镜头支架与滑块固定连接，基板与基座相对固定；直线电机的固定部分固定安装于基座上，直线电机的活动部分沿导轨方向与滑块固定连接。

基于上述基本技术方案，本发明还进一步作了如下优化限定和改进：

在远离基板的导轨一端设置有与所述滑块位置对应的限位块，作为机械限位；在限位块的前端设置有霍尔器件，作为电限位。

上述基板通过基板支架与基座固定连接。

上述反馈控制系统采用光栅尺测量位移信息反馈至计算机形成对直线电机的反馈控制。

上述光栅尺安装于靠近基板的基座一侧。

鉴别率板包含若干组大小不等的黑白相间的条纹，当镜头对鉴别率板成像时，能够分辨的条纹宽度越小，此时镜头所成图像清晰度评价值越高，说明镜头的成像质量越好。

本发明还给出了一种应用上述高精度自动调整像面装置的操作方法，具体按照步骤进行：

将光学镜头安装于镜头支架上，将CCD成像器件与基板作为一个整体组件安装于基板支架上；移动滑块，将光学镜头法兰面移至与基板平齐，将此位置设定为“0”；在光学镜头前物距处放置鉴别率板，通过直线电机驱动光学镜头移动，同时将采集到的图像输入到计算机，通过计算机计算图像清晰度评价值，当前图像清晰度评价值不满足要求时，直线电机驱动光学镜头至下一个成像位置，直到采集的图像清晰度评价值满足要求；此时，通过光栅尺读取光学镜头移动的距离即为光学镜头与基板间修切垫片的厚度值。

本发明具有以下优点：

1、本装置结构简明，易操作，控制简单、定位精度高，可广泛应用于光学镜头像面调整的工程实践。

2、适应面广，稳定性相对好。任何成像系统均可采用此自动对焦方式。另外，该方法的输入是成像系统生成的图像，不依赖于其他因素，因此干扰因素相对少，稳定性较好。

3、智能化。在调整像面的过程中，对焦点可以采用鉴别率板，也可采用鉴别率板中局部的图像，用该局部的对比度作为对焦的根据。

附图说明

图1为本发明CCD成像器件与光学镜头安装示意图。

图2为本发明自动调整像面装置示意图。

图3为本发明自动调整像面系统原理图。

图4为本发明自动调整像面流程图。

附图标号说明：

1-光学镜头；2-CCD成像器件；3-镜头法兰；4-基板；5-修切垫片；6-底座；7-滑块；8-导轨；9-限位块；10-直线电机；11-霍尔开关；12-光栅尺；13-光学镜头固定支架；14-基板固定支架。

具体实施方式

本发明的光学镜头自动调整像面的原理是基于图像处理的自动对焦原理，采用对焦深度法。它是一种建立在搜寻过程上的对焦方式。它通过一个评价函数对不同对焦位置所成的像的清晰度进行评价，利用正确对焦位置清晰度值最大这个特征找到正确对焦位置，此方法在对焦过程中搜索10-12幅图像即可精确找到像面位置。此方法充分利用了计算机处理数字信号的硬件高速性和软件灵活性。

本发明的自动调整像面装置如图2所示，该装置主要包括基座、导轨、滑块、直线电机及驱动器、光学镜头固定支架、基板固定支架、霍尔器件、限位块、光栅尺以及计算机。其中，运动平台主要由基座、滑块、直线电机、导轨、限位块、霍尔器件等组成。运动平台主要为光学镜头的像面调整提供支撑及位置控制。滑块通过两根导轨固定在基座上，光学镜头固定支架安装于滑块上，而基板固定支架安装于基座上，基板安装于基板固定支架上。CCD成像器件及基板相对基座保持静止，光学镜头及镜头支架通过直线电机控制其相对CCD成像器件作直线运动。光学镜头的位置信息由光栅尺进行测量，测量值作为反馈信号反馈到计算机，从而形成闭环控制。本装置的调节距离可以达到100mm，能够满足大部分类型光学镜头的像面调整需求。另外，根据实际需要，运动平台的运动范围可以在精度允许的范围内作适当调整，根据已有的实验数据，最大可扩展到300mm。

安装方式：基座通过4×M5内六角螺钉安装于稳定平台上；两个导轨通过6×M4沉头螺钉安装于基座上，安装时保证导轨间的平行度优于0.02mm；将直线电机的固定部分（磁铁）安装于基座上；将滑块置于导轨上，同时调整直线电机运动部分（线圈）的上下位置，使滑块前后滑动时线圈可以在磁铁中间自由运动；将光学镜头固定支架与基板固定支架分别安装于滑块及基座上，安装时保证光学镜头固定支架与基板固定支架上方圆孔的同轴度优于0.02mm；将光栅尺安装于基座一侧，同时调整光栅尺位置读取模块与光栅尺之间的距离，使光栅尺能够正常工作。

本高精度自动调整像面装置采用直线电机驱动，直线电机具有控制简单、定位精度高等特点，另外在该装置中增加了电限位和机械限位装置，确保了平台工作的可靠性。另外，通过光栅尺测量平台的运动范围作为直线电机的反馈信号，形成了闭环控制。对于光学镜头图像像面的位置判定，是通过算法来自动判定，其判定精度较操作人员的判定精度有较大提高。

基于本装置的像面调整方法：将光学镜头安装于镜头固定支架上，将CCD成像器件与基板作为一个整体组件安装于基板固定支架上；移动滑块，将光学镜头法兰面移至与基板平齐，将此位置设定为“0”；在光学镜头前一定距离处放置鉴别率板，通过直线电机驱动光学镜头移动，同时将采集到的图像输入到计算机，通过计算机计算图像清晰度评价值，当前图像清晰度评价值不满足要求时，直线电机驱动光学镜头至下一个成像位置，直到采集的图像清晰度评价值满足要求；此时，通过光栅尺读取光学镜头移动的距离d即为光学镜头与基板间修切垫片的厚度值。

试验验证：该装置在焦距为F4.23mm的光学镜头调整像面的过程中效果良好。像面调整精度在5μm以内，较传统方法提高了2倍；平均每个镜头像面调整时间为2min，较传统方法效率提高了5倍。

上述具体实例只是基于本发明基本技术方案的较佳实施例说明，并做了进一步优化，该具体实例不应视为对本发明基本技术方案所确立的保护范围的限制。

Claims (5)

1.一种高精度自动调整像面装置，其特征在于：包括用于固定光学镜头的镜头支架、用于固定CCD成像器件的基板、用于拖动镜头支架相对于基板作轴向直线位移的运动平台以及反馈控制系统；所述运动平台包括基座、直线电机、导轨和安装于导轨上的滑块，所述导轨固定于基座上，镜头支架与滑块固定连接，基板与基座相对固定；直线电机的固定部分固定安装于基座上，直线电机的活动部分沿导轨方向与滑块固定连接；

所述反馈控制系统采用光栅尺测量位移信息反馈至计算机形成对直线电机的反馈控制，所述光栅尺安装于靠近基板的基座一侧。

2.根据权利要求1所述的高精度自动调整像面装置，其特征在于：在远离基板的导轨一端设置有与所述滑块位置对应的限位块，作为机械限位；在限位块的前端设置有霍尔器件，作为电限位。

3.根据权利要求1所述的高精度自动调整像面装置，其特征在于：所述基板通过基板支架与基座固定连接。

4.根据权利要求1所述的高精度自动调整像面装置，其特征在于：该高精度自动调整像面装置还设置有用于对焦的鉴别率板，鉴别率板包含若干组大小不等的黑白相间条纹。

5.应用权利要求1所述高精度自动调整像面装置进行像面调整的方法，包括以下步骤：将光学镜头安装于镜头支架上，将CCD成像器件与基板作为一个整体组件安装于基板支架上；移动滑块，将光学镜头法兰面移至与基板平齐，将此位置设定为“0”；在光学镜头前物距处放置鉴别率板，通过直线电机驱动光学镜头移动，同时将采集到的图像输入到计算机，通过计算机计算图像清晰度评价值，当前图像清晰度评价值不满足要求时，直线电机驱动光学镜头至下一个成像位置，直到采集的图像清晰度评价值满足要求；此时，通过光栅尺读取光学镜头移动的距离即为光学镜头与基板间修切垫片的厚度值。