CN103744162A - 自适应调焦光学系统及调焦方法 - Google Patents

Abstract

一种自适应调焦光学系统，包括光学主体机构、电控箱以及自适应调焦机构；光学主体机构由镜筒和光学镜片组件构成，用于获取目标的光学图像信息；电控箱包括依次相连的探测器、图像处理器以及控制器，用于实现调焦控制，其中，探测器安装在电控箱与光学主体机构的接口处，图像处理器用于根据数字图像信息生成离焦判据信息，并发送相应控制指令到控制器，控制器与自适应调焦机构相连；自适应调焦机构的镜筒支撑模块与光学主体机构的镜筒之间设有直线导槽，压电陶瓷驱动模块通过刚性推杆连接到镜筒，自适应调焦机构根据接收到的控制信号调节镜筒位置实现自适应调焦。

Description

自适应调焦光学系统及调焦方法

技术领域

本发明涉及机电领域，尤其涉及一种用于微小卫星的自适应调焦光学系统及调焦方法。

背景技术

现代光学微小卫星具有重量轻、体积小、功耗小等特点，逐步广泛应用于遥感、空间科学试验、深空探测等方面，对未来航天领域的发展起到了重要的作用。但是，光学卫星在发射过程中可能会因振动导致星载光学系统出现离焦现象。光学系统离焦是影响成像质量的重要因素, 为了获得理想的卫星图像, 卫星发射后必须重新检查光学系统的焦面位置, 必要时对光学系统进行在轨调焦。

现有技术提出了多种手动调焦光学机构，但这些调焦机构属于地面手动调焦光学系统，需要人工操作，无法实现卫星在轨航天的自适应调焦。传统的光学卫星多采用电机驱动、气缸驱动、液压驱动等传统的机械调焦机构，调焦精度不高，而且导致光学系统体积和重量都较大，使得卫星成本较高，同时也无法满足现代光学微小卫星重量轻、体积小、功耗小的任务要求，而且无法在星上实现自适应调焦。中国专利201310258010.0提出了一种应用于光学系统的压电陶瓷直线电机调焦装置，比传统的机械调焦装置精度高、重量轻，但是该机构活动导轨较多，并且缺少调焦量程放大机构，在大口径的光学系统上仍然存在体积和重量较大的问题，不具备应用于微小卫星的自适应调焦能力。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中调焦机构调焦精度不高，无法满足现代光学微小卫星重量轻、体积小、功耗小的任务要求，不具备应用于微小卫星的自适应调焦能力的问题，提供一种自适应调焦机构，采用压电陶瓷驱动，重量轻、体积小、调焦精度高。

为实现上述目的，本发明提供了一种自适应调焦机构，包括镜筒支撑模块、锁紧模块以及压电陶瓷驱动模块；所述镜筒支撑模块与一光学主体机构的镜筒之间设有直线导槽，用于约束所述镜筒沿光轴方向移动；所述锁紧模块采用挠性结构，用于对所述镜筒进行解锁和锁定操作；所述压电陶瓷驱动模块包括压电陶瓷驱动器、滑动连杆组件以及末端操纵器，所述压电陶瓷驱动器和滑动连杆组件安装在所述镜筒支撑模块上，所述末端操纵器通过刚性推杆连接到所述镜筒，所述压电陶瓷驱动器通过接收外部控制信号来调节所述滑动连杆组件的运动状态，从而带动所述末端操纵器滑动，调节所述镜筒位置实现自适应调焦。

本发明的另一目的在于，针对现有技术中调焦机构调焦精度不高，无法满足现代光学微小卫星重量轻、体积小、功耗小的任务要求，不具备应用于微小卫星的自适应调焦能力的问题，提供一种自适应调焦光学系统，采用计算机图像处理技术与精密机械智能控制技术，能够很好地实现星载光学系统的自适应调焦，具有智能性强、调焦精度高、范围大，调焦机构自重小、体积小，可应用于微小卫星，能够促使微小卫星在光学系统离焦后进行自适应调焦，获得理想的卫星图像。

为实现上述目的，本发明提供了一种自适应调焦光学系统，包括光学主体机构、电控箱以及本发明所述的自适应调焦机构；所述光学主体机构由镜筒和光学镜片组件构成，用于获取目标的光学图像信息，其中所述光学镜片组件安装在所述镜筒内部；所述电控箱包括依次相连的探测器、图像处理器以及控制器，用于实现调焦控制，其中，所述探测器安装在所述电控箱与所述光学主体机构的接口处，用于通过所述光学镜片组件获取目标的光学图像信息，并生成数字图像信息发送给所述图像处理器；所述图像处理器用于根据所述数字图像信息生成离焦判据信息，并发送相应控制指令到所述控制器；所述控制器与所述自适应调焦机构相连，用于在接收到所述控制指令后，发送相应的控制信号至所述自适应调焦机构；所述自适应调焦机构的镜筒支撑模块与所述光学主体机构的镜筒之间设有直线导槽，所述压电陶瓷驱动模块通过刚性推杆连接到所述镜筒，所述自适应调焦机构根据接收到的控制信号调节所述镜筒位置实现自适应调焦。

为实现上述目的，本发明还提供了一种自适应调焦方法，采用本发明所述的自适应调焦光学系统，包括如下步骤：（1）探测器通过光学主体机构获取图像信息并传送至图像处理器；（2）图像处理器对所述图像信息进行图像处理生成离焦判据信息并传送相应控制指令至控制器；（3）控制器根据所述控制指令产生相应控制信号并发送至自适应调焦机构中； （4）自适应调焦机构根据接收到的控制信号调节光学主体机构的镜筒的位置实现自适应调焦。

本发明的优点在于：本发明采用计算机图像处理技术与精密机械智能控制技术，能够很好地实现星载光学系统的自适应调焦，具有智能性强、调焦精度高、范围大，调焦机构自重小、体积小等优点。本发明提供的自适应调焦光学系统可应用于微小卫星，能够实现星上根据图像反馈信息自适应控制调焦；调焦精度高，最小调节精度为：1nm；焦平面移动范围大，最大调节范围为：0.6mm；调焦机构采用压电陶瓷驱动，重量轻、体积小；能够促使微小卫星在光学系统离焦后进行自适应调焦，获得理想的卫星图像。

附图说明

图1，本发明所述的自适应调焦光学系统的立体示意图；

图2，本发明所述的自适应调焦光学系统的结构示意图；

图3，本发明所述的自适应调焦机构的结构示意图；

图4，本发明所述的压电陶瓷驱动模块的滑动连杆组件结构示意图；

图5，本发明所述的采用自适应调焦光学系统进行自适应调焦方法的流程图；

图6，本发明所述自适应调焦方法实施例的流程图；

图7，本发明所述自适应调焦方法中自适应调焦过程的流程图。

【主要组件符号说明】

1、光学主体机构；11、镜筒；12、光学镜片组件；

2、电控箱；21、探测器；22、图像处理器；23、控制器；

3、自适应调焦机构；31、压电陶瓷驱动模块；32、锁紧模块；

33、镜筒支撑模块；331、法兰支架；332、镜筒支架；

311、压电陶瓷驱动器；312、滑动连杆组件；313、末端操纵器；

410、第一水平导杆；420、竖直导杆；430、铰链；440、第二水平导杆；

411，412，413，441，442，443、水平滑块；

421，422，423，424、竖直滑块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的自适应调焦光学系统及调焦方法的具体实施方式做详细说明。

参考图1-2，其中，图1所示为本发明所述的自适应调焦光学系统的立体示意图，图2所示为本发明所述的自适应调焦光学系统的结构示意图。本发明所述的自适应调焦光学系统包括光学主体机构1、电控箱2以及自适应调焦机构3。随着图像处理技术的发展和压电陶瓷驱动技术的成熟，视觉伺服控制技术和压电陶瓷高精机械设计也日趋成熟。因此，将精密机械智能控制技术应用于光学系统设计，利用图像反馈、传感器、压电陶瓷及相应的机械机构，进行力位控制，将光学系统的焦平面调节到目标位置，就可以方便进行高清晰成像。

所述光学主体机构1由镜筒11和光学镜片组件12构成，用于获取目标的光学图像信息。其中，所述光学镜片组件12安装在所述镜筒11内部。所述镜筒11为采用金属材料制成的圆柱筒形，圆柱筒外部光滑，内部根据成像要求安装光学镜片组件12。所述金属材料优选为铝合金、镁铝合金、钛合金等高刚度的金属材料。

所述电控箱2包括依次相连的探测器21、图像处理器22以及控制器23，用于实现调焦控制。

所述探测器21安装在所述电控箱2与所述光学主体机构1的接口处，用于通过所述光学镜片组件12获取目标的光学图像信息，并生成数字图像信息发送给所述图像处理器22。优选地，所述探测器21采用CCD芯片实现。

所述图像处理器22用于根据所述数字图像信息生成离焦判据信息，并发送相应控制指令到所述控制器23。优选地，所述图像处理器22采用FPGA芯片实现，预先嵌入了离焦判据算法，能够根据探测器21生成的数字图像信息生成离焦判据信息，根据离焦判据信息产生运动或停止的控制指令并发送到控制器23。

所述控制器23与所述自适应调焦机构3连接，用于在接收到所述控制指令后，发送相应的控制信号至所述自适应调焦机构3。优选地，所述控制器23采用ARM处理器，在接收到图像处理器22的控制指令后，能够发送控制信号给自适应调焦机构3的锁紧模块32和压电陶瓷驱动模块31。所述控制信号携带运动指令或停止指令；在运动指令下，控制器23控制锁紧模块32解锁，并且控制压电陶瓷驱动模块31进行前进或后退运动；在停止指令下，控制器23控制锁紧模块32锁定保持光学主体机构1的稳定性，并且控制压电陶瓷驱动模块31停止运动。

所述自适应调焦机构3包括镜筒支撑模块33、锁紧模块32以及压电陶瓷驱动模块31，所述自适应调焦机构3用于根据接收到的控制信号调节所述镜筒11位置实现自适应调焦。以下结合附图3所示本发明所述的自适应调焦机构的结构示意图，对所述自适应调焦机构3做详细介绍。

所述镜筒支撑模块33与所述光学主体机构1的镜筒11之间设有直线导槽，用于约束所述镜筒沿光轴方向移动。所述镜筒支撑模块33包括法兰支架331和镜筒支架332。电控箱2与法兰支架331通过螺钉连接。

所述锁紧模块32采用挠性结构，用于对所述镜筒11进行解锁和锁定操作。在控制器23的控制下，当不需要调焦时，通过挠性锁紧结构将镜筒11锁紧；当需要调焦时，锁紧模块32解锁，镜筒11可以在调节范围内移动。

所述压电陶瓷驱动模块31通过刚性推杆连接到所述镜筒11，用于调节所述镜筒11位置。所述压电陶瓷驱动模块31包括压电陶瓷驱动器311、滑动连杆组件312以及末端操纵器313。所述压电陶瓷驱动器311和滑动连杆组件312安装在所述镜筒支撑模块33上，所述末端操纵器313通过刚性推杆连接到所述镜筒11。所述压电陶瓷驱动器311与控制器23连接，通过接收控制器23的控制信号来调节所述滑动连杆组件312的运动状态，从而带动所述末端操纵器313滑动，使得镜筒11和内部的光学镜片组件12移动，进而调节所述镜筒11位置，最终实现调焦。

参见图4，本发明所述滑动连杆组件结构示意图，所述滑动连杆组件312包括安装有至少一水平滑块的第一水平导杆410、至少两组分别安装有一竖直滑块的竖直导杆420以及设置在每一相邻两组竖直导杆420之间的铰链430，每一水平滑块与一竖直导杆固定连接并与相应铰链的一端相连。所述滑动连杆组件312一端通过一竖直滑块与所述压电陶瓷驱动器311相接触，另一端通过端部水平滑块与所述末端操纵器313相接触，通过所述压电陶瓷驱动器311驱动与其相接触的竖直滑块运动，通过铰链430带动相应水平滑块移动，从而带动所述末端操纵器313通过刚性连杆推动镜筒11运动实现调焦。所述滑动连杆组件312通过铰链结构设计，可以实现放大调焦量程功能，可根据具体的任务进行增加或减少铰接结构组数来改变调焦量程放大倍数。

所述滑动连杆组件312进一步包括与所述第一水平导杆410安装有相同数量水平滑块的第二水平导杆440，所述第二水平导杆440上的每一水平滑块通过一竖直导杆与所述第一水平导杆410上的相应水平滑块固定连接，所有水平滑块运动方向一致。第二水平导杆440及其上水平滑块的安装增强了所述滑动连杆组件312的刚性。

参见图4，所述滑动连杆组件312采用3组铰接结构设计，调节量程被放大3倍。水平滑块411、412、413和441、442、443分别安装在两水平导杆410、440上，竖直滑块421、422、423、424分别安装在等间距的四根竖直导杆420上。当滑块421在压电陶瓷驱动器311作用力的作用下向上运动时，将驱动水平滑块411向右移动；又由于铰链430的作用将拉动竖直滑块422也向上运动；竖直滑块422又驱动水平滑块412向右移动，同时通过铰链430驱动竖直滑块423也向上滑动；同理可知竖直滑块424运动方向向上，水平滑块413运动方向向右；水平滑块441、442、443分别通过竖直导杆与水平滑块411、412、413固联，运动方向与水平滑块411、412、413一致；通过端部水平滑块413和443使末端操纵器313运动，通过刚性连杆推动镜筒11运动，实现调焦。水平滑块441、442、443的安装增强了滑动连杆组件312的刚性。

本发明提供的自适应调焦光学系统可应用于微小卫星，能够促使微小卫星在光学系统离焦后进行自适应调焦，获得理想的卫星图像。这种光学系统满足如下要求：（1）能够实现星上根据图像反馈信息自适应控制调焦；（2）调焦精度高，最小调节精度为：1nm；（3）焦平面移动范围大，最大调节范围为：0.6mm；（4）调焦机构采用压电陶瓷驱动，重量轻、体积小。本发明采用计算机图像处理技术与精密机械智能控制技术，能够很好地实现星载光学系统的自适应调焦，具有智能性强、调焦精度高、范围大，调焦机构自重小、体积小等优点，这对提高光学卫星成像效果非常有意义。

参考图5，本发明所述的采用自适应调焦光学系统进行自适应调焦方法的流程图。

S510：探测器通过光学主体机构获取图像信息并传送至图像处理器。当卫星光学系统焦平面发生变化需要调节时，由光学主体机构获取目标的光学图像信息，电控箱中的探测器根据该光学图像信息生成数字图像信息，并传送至图像处理器。

S520：图像处理器对所述图像信息进行图像处理生成离焦判据信息并传送相应控制指令至控制器。图像处理器中预先嵌入了离焦判据算法，能够根据探测器生成的数字图像信息生成离焦判据信息，根据离焦判据信息，若卫星光学系统焦平面离焦则产生运动控制指令，若未离焦或焦平面已经调整到位则产生停止控制指令，相应的控制指令被传送到控制器中。

S530：控制器根据所述控制指令产生相应控制信号并发送至自适应调焦机构中。所述控制信号携带运动指令或停止指令。

S540：自适应调焦机构根据接收到的控制信号调节光学主体机构的镜筒的位置实现自适应调焦。

在运动指令下，控制器控制锁紧模块解锁，并且控制压电陶瓷驱动模块进行前进或后退运动，压电陶瓷驱动模块通过其滑动连杆组件使镜筒移动，焦平面变化，从而实现调焦。在停止指令下，控制器控制锁紧模块锁定保持光学主体机构的稳定性，并且控制压电陶瓷驱动模块停止运动。

以下结合图1-4，以及图6-7给出本发明提供的采用自适应调焦光学系统进行调焦的实施例。

不调焦时，控制器23断电，锁紧模块32将镜筒11锁紧固定，压电陶瓷驱动模块31断电，自适应调焦机构3保持稳定不动。

如图6所示，需要调焦时，首先由光学主体机构1的光学镜片组件12采集光学图像信息，实现光学主体成像（步骤S61），并映射到探测器21芯片上；探测器21采集该光学图像信息并生成数字图像信息（步骤S62）；图像处理器22根据探测器21生成的数字图像信息进行预处理（步骤S63），并对预处理后的图像信息判断是否满足离焦判据计算的初始化要求（步骤S64），若满足，则进行离焦判据（步骤S65），否则返回执行步骤S62；根据步骤S65的离焦判据判断焦平面是否离焦（步骤S66），若离焦，则进行自适应调焦过程（步骤S67），若未离焦或达到调焦目标后结束调焦，则控制器23控制锁紧模块32将镜筒11锁紧固定，卫星光学系统进入正常工作状态（步骤S68）。

自适应调焦软件分别被嵌入到探测器21、图像处理器22以及控制器23中，并通过三者协同作用完成调焦控制。步骤S67自适应调焦过程进一步如图7所示。

参考图7，控制器23上电，并完成控制系统初始化（步骤S71-S72）；根据运动指令首先对锁紧模块32发送解锁指令控制锁紧模块32解锁（步骤S73），锁紧模块32中的压力传感器反馈锁紧模块32与镜筒11的接触力，当此接触力小于设置阈值时完成解锁（步骤S74）；控制器23对压电陶瓷驱动模块31发送运动指令，压电陶瓷驱动模块31上电，压电陶瓷驱动器311在电压作用下发生形变驱动滑动连杆组件312运动，从而推动末端操纵器313运动（步骤S75-S77）；末端操纵器313通过刚性连杆推动镜筒1-1运动，使焦平面变化，实现调焦（步骤S78-S79）。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自适应调焦机构，其特征在于，包括镜筒支撑模块、锁紧模块以及压电陶瓷驱动模块； 

所述镜筒支撑模块与一光学主体机构的镜筒之间设有直线导槽，用于约束所述镜筒沿光轴方向移动； 

所述锁紧模块采用挠性结构，用于对所述镜筒进行解锁和锁定操作； 

所述压电陶瓷驱动模块包括压电陶瓷驱动器、滑动连杆组件以及末端操纵器，所述压电陶瓷驱动器和滑动连杆组件安装在所述镜筒支撑模块上，所述末端操纵器通过刚性推杆连接到所述镜筒，所述压电陶瓷驱动器通过接收外部控制信号来调节所述滑动连杆组件的运动状态，从而带动所述末端操纵器滑动，调节所述镜筒位置实现自适应调焦。

2.根据权利要求1所述的自适应调焦机构，其特征在于，所述镜筒支撑模块包括法兰支架和镜筒支架，所述法兰支架与外部的电控箱通过螺钉连接。

3.根据权利要求1所述的自适应调焦机构，其特征在于，所述滑动连杆组件包括安装有至少一水平滑块的第一水平导杆、至少两组分别安装有一竖直滑块的竖直导杆以及设置在每一相邻两组竖直导杆之间的铰链，每一水平滑块与一竖直导杆固定连接并与相应铰链的一端相连；所述滑动连杆组件一端通过一竖直滑块与所述压电陶瓷驱动器相接触，另一端通过端部水平滑块与所述末端操纵器相接触，通过所述压电陶瓷驱动器驱动与其相接触的竖直滑块运动，通过铰链带动相应水平滑块移动，从而带动所述末端操纵器通过刚性连杆推动镜筒运动实现调焦。

4.根据权利要求3所述的自适应调焦机构，其特征在于，所述滑动连杆组件进一步包括与所述第一水平导杆安装有相同数量水平滑块的第二水平导杆，所述第二水平导杆上的每一水平滑块通过一竖直导杆与所述第一水平导杆上的相应水平滑块固定连接，所有水平滑块运动方向一致。

5.一种自适应调焦光学系统，其特征在于，包括光学主体机构、电控箱以及如权利要求1-4任意一项所述的自适应调焦机构； 

所述光学主体机构由镜筒和光学镜片组件构成，用于获取目标的光学图像信息，其中所述光学镜片组件安装在所述镜筒内部； 

所述电控箱包括依次相连的探测器、图像处理器以及控制器，用于实现调焦控制，其中，所述探测器安装在所述电控箱与所述光学主体机构的接口处，用于通过所述光学镜片组件获取目标的光学图像信息，并生成数字图像信息发送给所述图像处理器； 

所述图像处理器用于根据所述数字图像信息生成离焦判据信息，并发送相应控制指令到所述控制器； 

所述控制器与所述自适应调焦机构相连，用于在接收到所述控制指令后，发送相应的控制信号至所述自适应调焦机构； 

所述自适应调焦机构的镜筒支撑模块与所述光学主体机构的镜筒之间设有直线导槽，所述压电陶瓷驱动模块通过刚性推杆连接到所述镜筒，所述自适应调焦机构根据接收到的控制信号调节所述镜筒位置实现自适应调焦。

6.根据权利要求5所述的自适应调焦光学系统，其特征在于，所述镜筒为采用金属材料制成的圆柱筒形。

7.根据权利要求5所述的自适应调焦光学系统，其特征在于，所述探测器采用CCD芯片。

8.根据权利要求5所述的自适应调焦光学系统，其特征在于，所述图像处理器采用FPGA芯片并预先嵌入离焦判据算法。

9.一种自适应调焦方法，采用权利要求5所述的自适应调焦光学系统，其特征在于，包括如下步骤： 

（1）探测器通过光学主体机构获取图像信息并传送至图像处理器； 

（2）图像处理器对所述图像信息进行图像处理生成离焦判据信息并传送相应控制指令至控制器； 

（3）控制器根据所述控制指令产生相应控制信号并发送至自适应调焦机构中； 

（4）自适应调焦机构根据接收到的控制信号调节光学主体机构的镜筒的位置实现自适应调焦。

10.根据权利要求9所述的自适应调焦方法，其特征在于，所述控制信号携带运动指令或停止指令，步骤（4）进一步包括：在运动指令下，自适应调焦机构的锁紧模块解锁，压电陶瓷驱动模块进行前进或后退运动；在停止指令下，自适应调焦机构的锁紧模块锁定，并且压电陶瓷驱动模块停止运动，从而调节光学主体机构的镜筒的位置实现自适应调焦。

Images