CN105549187A - 一种红外对焦光学成像系统及红外对焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外对焦光学成像系统，包括依次设置的前透镜组、第一透镜组、第二透镜组和后透镜组，前透镜组，第一透镜组、第二透镜组和后透镜组等价为一理想透镜部；还包括变焦电机，变焦电机带动所述第一透镜组和第二透镜组水平往复运动；摄像部，摄像部对所成的像进行摄像；照明组件，为红外对焦光学成像系统提供光源；对焦电机，所述对焦电机带动所述摄像部往复运动；其中，还包括一测量被摄物体和所述理想透镜部距离的红外测距模块，本发明解决现有技术的如下问题：光学阴道镜等光学成像系统手动对焦速度慢，操作效率低；自动对焦系统中的图像对焦方式算法复杂，对焦速度慢，对图像或光线的依赖程度很高。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像系统领域，尤其涉及的是一种红外对焦光学成像系统及红外对焦方法。
背景技术
在望远镜、显微镜、投影仪、光学阴道镜等光学成像系统中，目前对焦基本还是靠手动调节，市场缺乏一套成熟的自动对焦系统，手动对焦速度慢，操作效率低。
而目前的自动对焦系统大多集中应用在一些数码产品中，比如手机摄像头，数码相机，还有单反机身或者镜头等。它们的对焦原理是采用对比度检测或相位检测等图像对焦方式。上述对焦方式需要先采集到图像，然后对图像进行运算估算出焦点的位置。对比度检测自动对焦需要在焦点附近做往返运动寻求最佳位置以达到最大的对比度，其运算复杂、对焦速度慢、对焦不能一步到位；而且由于对焦对图像的依赖程度很高，当图像太暗、曝光过度或者对比度相差不大的情况下，对焦容易失焦。而相位检测自动对焦方式则对原始光线的要求比较高，光线不足会很大程度上降低对焦成功率和速度。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外对焦光学成像系统及红外对焦方法，以解决现有技术的如下问题：
1.光学阴道镜等光学成像系统中对焦方式基本上还是手动调节，市场缺乏一套成熟的自动对焦系统，手动对焦速度慢，操作效率低。
2.自动对焦系统中的图像对焦方式算法复杂，对焦速度慢，对图像或光线的依赖程度很高。
本发明的技术方案如下：
一种红外对焦光学成像系统，包括用于成像并依次设置的前透镜组、第一透镜组、第二透镜组和后透镜组，所述前透镜组，第一透镜组、第二透镜组和后透镜组等价为一理想透镜部；还包括
变焦电机，变焦电机带动所述第一透镜组和所述第二透镜组水平运行到指定的位置，形成特定的放大倍率；
摄像部，所述摄像部对所成的像进行摄像；
照明组件，为红外对焦光学成像系统提供光源；
对焦电机，所述对焦电机带动所述摄像部以一定步数上下往复运动；其中，还包括一测量被摄物体和所述理想透镜部距离的红外测距模块。
所述的红外对焦光学成像系统，其中，所述红外对焦光学成像系统还包括缩短水平光路的反射镜，所述反射镜设置于所述后透镜组的后方，入射光线经过所述反射镜反射进所述摄像部。
所述的红外对焦光学成像系统，其中，所述红外对焦光学成像系统还包括对照明组件进行散热的散热风扇。
所述的红外对焦光学成像系统，其中，所述前透镜组、第一透镜组、第二透镜组和后透镜组的每一透镜组由多个凸透镜或凹透镜组成。
所述的红外对焦光学成像系统，其中，所述红外测距模块包括一发射红外光的红外发射管和位置敏感检测器，所述红外发射管以一定的角度发射红外光，经障碍物反射后的红外光被位置敏感检测器接收，红外光照射在位置敏感检测器的不同位置产生不同的电压。
所述的红外对焦光学成像系统，其中，所述摄像部为CCD摄像头。
所述的红外对焦光学成像系统，其中，所述照明组件为LED光源。
一种光学成像系统的红外对焦方法，其中，包括以下步骤：
步骤a：首先变焦电机带动第一透镜组和第二透镜组运动到指定位置，形成一个特定的放大倍率，在该放大倍率下，通过图像对焦的方法获取多组图像清晰时物距和像距的数据；
步骤b：由高斯成像公式可知物距和像距呈反比例函数关系，用MATLAB软件进行反比例曲线拟合，得出本系统中物距与像距的具体关系式和物距u与像距v的反比例曲线图；
步骤c：将物距与像距的具体关系式写入单片机控制程序中，根据红外测距模块测量到的物距u推算出对应的像距v，再换算成对焦电机需要移动的距离，对焦电机通过丝杆机构带动摄像部上下运动。
本发明的有益效果：本发明提供一种红外对焦光学成像系统及对焦方法，首先通过红外测模块测量到目标的物距，通过高斯成像公式计算出像距，然后通过步进电机带动CCD摄像头精确落在像平面景深范围内，算法简单，对焦速度快；对图像的对比度和光线无要求，无论在什么情况下都可以实现对焦。
附图说明
图1是本发明中红外对焦光学成像系统的结构示意图。
图2是本发明中红外对焦光学成像系统的工作光路图。
图3是本发明中红外对焦方法物距和像距拟合关系图。
图4是本发明中红外对焦方法的方法流程图。
图5是本发明中红外测距模块的结构示意图。
附图标注说明：
0前透镜组
1照明组件
2散热风扇
3红外测距模块
4第一透镜组
5摄像部
6第二透镜组
7变焦电机
8反射镜
9对焦电机
10后透镜组
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
参阅图1，本发明提供一种红外对焦光学成像系统，包括用于成像并依次设置的前透镜组0、第一透镜组4、第二透镜组6和后透镜组10，所述前透镜组0，第一透镜组4、第二透镜组6和后透镜组10等价为一理想透镜部；还包括
变焦电机7，变焦电机7带动所述第一透镜组4和所述第二透镜组6水平往复运动；还包括摄像部5，所述摄像部5对所成的像进行摄像，在本实施例中，摄像部5为CCD摄像头；照明组件1，为红外对焦光学成像系统提供光源，在本实施例中，照明组件1为LED光源，LED光源发光效率高，可达到200流明/瓦，而且其使用寿命长，单色性好，光谱比较窄，非常适合应用于光学成像系统的照明；对焦电机9，所述对焦电机9带动所述摄像部5上下往复运动；其中，还包括一测量被摄物体和所述理想透镜部距离的红外测距模块3。
参阅图2，优选地，所述红外对焦光学成像系统还包括缩短水平光路的反射镜8，所述反射镜8设置于所述后透镜组10的后方，入射光线透过前透镜组0、第一透镜组4、第二透镜组6和后透镜组10后被所述反射镜8反射进所述摄像部5。针对不同被摄物的物距不同，对焦电机9通过丝杆机构(图中未标示)带动摄像部5上下运动以使摄像部5精确落在像平面景深范围内。
进一步地，所述红外对焦光学成像系统还包括对照明组件1进行散热的散热风扇2。
进一步地，所述前透镜组0、第一透镜组4、第二透镜组6和后透镜组10均由多个凸透镜或凹透镜组成。
参阅图5，所述红外测距模块3包括一发射红外光的红外发射管31和位置敏感检测器32，所述红外发射管31以一定的角度发射红外光，经障碍物反射后的红外光被位置敏感检测器32接收，红外光经过不同距离的障碍物反射会照射于位置敏感检测器32的不同位置，红外光照射在位置敏感检测器32的不同位置产生不同的电压，然后根据电压信号与距离的对应关系计算出障碍物和红外测距模块3之间的距离。
参阅图4，本发明还提供一种光学成像系统的红外对焦方法，其中，包括以下步骤：
步骤a：首先变焦电机7带动第一透镜组4和第二透镜组6运动到指定位置，形成一个特定的放大倍率，在该放大倍率下，通过图像对焦的方法获取多组图像清晰时物距和像距的数据；
步骤b：由高斯成像公式可知物距和像距呈反比例函数关系，用MATLAB软件进行反比例曲线拟合，得出如图3所示的本系统中物距与像距的具体关系式和物距u与像距v的反比例曲线图；
步骤c：将物距与像距的具体关系式写入单片机控制程序中，根据红外测距模块3测量到的物距u推算出对应的像距v，再换算成对焦电机9需要移动的距离，对焦电机9通过丝杆机构带动摄像部5上下运动。
本发明首先通过红外测距模块测量到目标的物距，通过多组物距和像距的数据拟合反比例曲线并得到像距和物距的关系式，计算出像距，然后通过步进电机带动CCD摄像头精确落在像平面景深范围内，算法简单，对焦速度快；对图像的对比度和光线无要求，无论在什么情况下都可以实现对焦。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种红外对焦光学成像系统，包括用于成像并依次设置的前透镜组、第一透镜组、第二透镜组和后透镜组，所述前透镜组，第一透镜组、第二透镜组和后透镜组等价为一理想透镜部；还包括
变焦电机，变焦电机带动所述第一透镜组和所述第二透镜组水平运行到指定的位置，形成特定的放大倍率；
摄像部，所述摄像部对所成的像进行摄像；
照明组件，为红外对焦光学成像系统提供光源；
对焦电机，所述对焦电机带动所述摄像部以一定步数上下往复运动；
其特征在于，还包括一测量被摄物体和所述理想透镜部距离的红外测距模块。
2.根据权利要求1所述的红外对焦光学成像系统，其特征在于，所述红外对焦光学成像系统还包括缩短水平光路的反射镜，所述反射镜设置于所述后透镜组的后方，入射光线经过所述反射镜反射进所述摄像部。
3.根据权利要求1所述的红外对焦光学成像系统，其特征在于，所述红外对焦光学成像系统还包括对照明组件进行散热的散热风扇。
4.根据权利要求1所述的红外对焦光学成像系统，其特征在于，所述前透镜组、第一透镜组、第二透镜组和后透镜组均由多个凸透镜或凹透镜组成。
5.根据权利要求1所述的红外对焦光学成像系统，其特征在于，所述红外测距模块包括一发射红外光的红外发射管和位置敏感检测器，所述红外发射管以一定的角度发射红外光，经障碍物反射后的红外光被位置敏感检测器接收，红外光照射在位置敏感检测器的不同位置产生不同的电压。
6.根据权利要求1所述的红外对焦光学成像系统，其特征在于，所述摄像部为CCD摄像头。
7.根据权利要求1所述的红外对焦光学成像系统，其特征在于，所述照明组件为LED光源。
8.一种光学成像系统的红外对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：首先变焦电机带动第一透镜组和第二透镜组运动到指定位置，形成一个特定的放大倍率，在该放大倍率下，通过图像对焦的方法获取多组图像清晰时物距和像距的数据；
步骤b：由高斯成像公式可知物距和像距呈反比例函数关系，用MATLAB软件进行反比例曲线拟合，得出本系统中物距与像距的具体关系式和物距u与像距v的反比例曲线图；
步骤c：将物距与像距的具体关系式写入单片机控制程序中，根据红外测距模块测量到的物距u推算出对应的像距v，再换算成对焦电机需要移动的距离，对焦电机通过丝杆机构带动摄像部上下运动。
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2016
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