CN106131436B - 一种航空相机的检焦装置以及检焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空相机的检焦装置和检焦方法。该航空相机的检焦装置包括：电控箱，CCD传感器，第一光敏元件，第二光敏元件，分光棱镜，扫描反射镜，调焦反射镜，相机的光学系统，光栅以及光源。所述电控箱包括相机控制器，调焦控制器和反射镜控制器。所述相机控制器对调焦控制器和反射镜控制器发出检焦指令。所述调焦控制器根据所述检焦指令点亮光源照射光栅，使所述光栅成像在所述第一光敏元件和第二光敏元件上，并根据检焦同步信号的变化采集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压，然后根据第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压的差值确定最佳焦面位置。本发明还公开了上述检焦装置的检焦方法。

Description

一种航空相机的检焦装置以及检焦方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别涉及一种航空相机的检焦装置以及该检焦装置的检焦方法。

背景技术

航空相机在空中成像时，由于温度、大气压力和照相距离的变化会造成离焦的现象，严重影响图像的清晰度和分辨率，长焦距相机尤其如此。所以要获得高清晰度的图像，就需要相机在拍照前，进行自动检调焦。目前，航空相机上常用的检调焦方法为光电自准直式，采用在像面上放置一个光栅作为目标，通过光学系统成像后，再通过一个反射镜将其反射回到像面上，使用光敏元件接收，通过接收到的能量来判断焦面。但是，每个焦面位置都需要进行光敏元件反馈电压值的采集和分析，并根据多个焦面位置的对应电压值的大小判断焦面位置从而获得调焦镜的移动方向，由于反射镜摆动速度变化、相机自身姿态控制、飞机姿态变化等原因，多个焦面位置的电压值可能会受到干扰，实际电压值会发生偏离，降低检焦精度。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种航空相机的检焦装置。所述航空相机的检焦装置包括：电控箱，CCD传感器，第一光敏元件，第二光敏元件，分光棱镜，扫描反射镜，调焦反射镜，相机的光学系统，光栅以及光源。所述第一光敏元件设置在所述CCD传感器的焦面位置后。所述分光棱镜设置在所述第一光敏元件前方。所述第二光敏元件设置在所述分光棱镜的左侧。地面景物的像经所述扫描反射镜，所述相机的光学系统和所述调焦反射镜同时成像在所述第一光敏元件和所述第二光敏元件上。所述电控箱包括相机控制器，调焦控制器和反射镜控制器。所述相机控制器对调焦控制器和反射镜控制器发出检焦指令。所述反射镜控制器在收到检焦指令时控制所述扫描反射镜在垂直光轴附近往复小幅摆动，并根据摆动的位置发出检焦同步信号给调焦控制器。所述调焦控制器根据所述检焦指令点亮光源照射光栅，使所述光栅成像在所述第一光敏元件和第二光敏元件上。所述调焦控制器移动调焦反射镜到一个检焦位置，根据检焦同步信号的变化采集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压，然后根据第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压的差值确定最佳焦面位置。

在一些实施例中，所述航空相机的检焦装置还包括：散射镜，所述散射镜设置于所述光源与所述光栅之间。

在一些实施例中，所述第一光敏元件设置在所述在CCD传感器的焦面位置后2-4倍焦深的平面上。

在一些实施例中，所述第二光敏元件设置在等光程像面上且位于CCD 传感器的焦面位置前2-4倍焦深的平面上。

在一些实施例中，所述第一光敏元件所在平面到CCD传感器焦面的距离与第二光敏元件的等光程像面所在平面到CCD传感器焦面的距离相等。

在一些实施例中，所述分光棱镜为半反半透的分光棱镜。

本发明还提供了一种航空相机的检焦装置的检焦方法，所述方法包括以下步骤：

S1，相机控制器对调焦控制器和反射镜控制器发出检焦指令；

S2，所述反射镜控制器在收到检焦指令时控制扫描反射镜在垂直光轴附近往复小幅摆动，并根据摆动的位置发出检焦同步信号给调焦控制器；

S3，所述调焦控制器根据所述检焦指令点亮光源照亮光栅，使光栅的像成像在第一光敏元件和第二光敏元件上；

S4，所述调焦控制器移动调焦反射镜到一个检焦位置，根据检焦同步信号的变化采集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压并计算所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压的差值；

S5，当所述差值大于一定阈值时，重复步骤S3-步骤S5；当所述差值小于等于一定阈值时，得到最佳的检焦位置，所述调焦控制器将检焦结束参数发送给相机控制器；

S6，机控制器接收所述检焦结束参数，停止发送检焦指令，结束检焦。

在一些实施例中，所述步骤S5中，当差值大于一定阈值时，所述调焦控制器驱动调焦反射镜向差值减小的方向移动。

在一些实施例中，所述调焦控制器驱动调焦反射镜移动时，先采用第一步进距离，逐个点检焦，然后判断各点的第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压值的差值大小；找到差值最小的点后，在该点的第一步进距离范围内，采用第二步进距离，选择一个初始点，根据第一光敏元件和第二光敏元件的的峰值电压的数值，向数值较小的方向移动一个第二步进距离，然后再次成像并判断第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压值的差值大小，找到差值最小的点；在该点的前后第二步进距离的范围内，采用第三步进距离，逐点判断第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压值的差值大小，当峰值电压的差值小于等于一定阈值时，认为二者的输出值相同，从而找到最佳焦面位置。

在一些实施例中，所述第一步进距离大于所述第二步进距离，所述第二步进距离大于所述第三步进距离。

本发明的技术效果：本发明公开的航空相机的检焦装置与方法，通过使用两个个光敏元件同时对光栅的像进行处理，外界因素对两个个光敏元件的峰值电压的影响相同，可以大大降低对航空相机的姿态控制精度、载机的稳态精度等的要求，从而获得较高的检焦精度。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的航空相机的检焦装置的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的航空相机的检焦装置的电控箱的工作原理图；

图3为根据本发明一个实施例的航空相机的检焦装置的焦面位置与峰值电压的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

参考图1并结合图2所示，是本发明提供的一种航空相机的检焦装置100。

所述航空相机的检焦装置100包括：电控箱1，CCD传感器3，第一光敏元件4，第二光敏元件5，分光棱镜6，扫描反射镜7，调焦反射镜8，相机的光学系统9，光栅10以及光源11。所述第一光敏元件4设置在所述CCD 传感器3的焦面位置后。所述分光棱镜6设置在所述第一光敏元件4前方。所述第二光敏元件5设置在所述分光棱镜6的左侧。地面景物的像经所述扫描反射镜7，所述相机的光学系统9和所述调焦反射镜8同时成像在所述第一光敏元件4和所述第二光敏元件5上。所述电控箱1包括相机控制器 1-1，调焦控制器1-2和反射镜控制器1-3。所述相机控制器1-1对调焦控制器1-2和反射镜控制器1-3发出检焦指令。所述反射镜控制器1-3在收到检焦指令时控制所述扫描反射镜7在垂直光轴2附近往复小幅摆动，并根据摆动的位置发出检焦同步信号给调焦控制器1-2。所述调焦控制器1-2根据所述检焦指令点亮光源11照射光栅10 ，使所述光栅10 成像在所述第一光敏元件4和第二光敏元件5上。具体地，所述光源11照射光栅10，使得光栅10的像经过相机的光学系统9的反射后回到分光棱镜6上，最终被第一光敏元件4和第二光敏元件5接收，成像在所述第一光敏元件4和第二光敏元件5上。

所述调焦控制器1-2移动调焦反射镜8到一个检焦位置，根据检焦同步信号的变化采集所述第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值电压，然后根据第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值电压的差值确定最佳焦面位置。具体地，所述调焦控制器1-2根据第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值电压的差值确定下一个检焦位置，最终得到最佳的检焦位置。然后调焦控制器 1-2发送给相机控制器1-1检焦结束参数，相机控制器1-1结束检焦。

在一些实施例中，参考图1所示，所述航空相机的检焦装置还包括：散射镜12，所述散射镜设置于所述光源11与所述光栅10之间，用于将所述光源11的光进行扩散。

在一些实施例中，所述第一光敏元件4设置在所述在CCD传感器3的焦面位置后2-4倍焦深的平面上。

在一些实施例中，所述第二光敏元件5设置在等光程像面上且位于 CCD传感器3的焦面位置前2-4倍焦深的平面上。

在一些实施例中，所述第一光敏元件4所在平面到CCD传感器3焦面的距离与第二光敏元件5 的等光程像面所在平面到CCD传感器3焦面的距离相等。

在一些实施例中，所述分光棱镜6为半反半透的分光棱镜。

本发明还提供了一种航空相机的检焦装置的检焦方法，所述方法包括以下步骤：

S1，相机控制器对调焦控制器和反射镜控制器发出检焦指令；

S2，所述反射镜控制器在收到检焦指令时控制扫描反射镜在垂直光轴附近往复小幅摆动，并根据摆动的位置发出检焦同步信号给调焦控制器；

S3，所述调焦控制器根据所述检焦指令点亮光源照亮光栅，使光栅的像成像在第一光敏元件和第二光敏元件上；

S4，所述调焦控制器移动调焦反射镜到一个检焦位置，根据检焦同步信号的变化采集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压并计算所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压的差值；

S5，当所述差值大于一定阈值时，重复步骤S3-步骤S5；当所述差值小于等于一定阈值时，得到最佳的检焦位置，所述调焦控制器将检焦结束参数发送给相机控制器；

S6，机控制器接收所述检焦结束参数，停止发送检焦指令，结束检焦。

下面参考图3，为根据本发明一个实施例的航空相机的检焦装置的焦面位置与峰值电压的关系图。图中横坐标为焦面位置，纵坐标为检焦峰值电压。聚焦时，光栅10的像在第一光敏元件4和第二光敏元件5的像面上的模糊程度相同，两个光敏元件的峰值电压值二者相同或小于等于一定阈值。此时CCD传感器3接收的景物图像最清晰。

离焦时第一光敏元件4和第二光敏元件5中的一个更靠近最佳像面位置，光栅的图像更清晰，光敏元件的峰值电压值较大；而另一个光敏元件远离最佳像面位置，图像更模糊，光敏元件的峰值电压值较小。

检焦时反射镜控制器1-3控制扫描反射镜7在垂直光轴2的附近小幅往复摆动，调焦控制器1-2驱动调焦反射镜8移动，于是就可以得到各个位置所对应的第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值电压，当第一光敏元件4 和第二光敏元件5的峰值电压值不同时，计算此差值，调焦控制器1-2驱动调焦反射镜8向差值减小的方向移动，最终使得差值小于一定阈值，二者的输出值相同，从而找到最佳焦面位置。

自准直检焦时，采用光敏元件针对光栅进行多个焦面位置的成像，通过对光敏元件的峰值电压的数值进行处理，找到峰值电压的极大值所对应的图像的焦面位置，作为最佳的成像焦面。而航空相机由于载机的持续运动，反射镜的速度误差、相机的姿态控制误差等，会导致光敏元件的峰值电压的数值产生一定的误差，即在不同的焦面位置时，由于外界因素的影响，会影响光敏元件的峰值电压数值，从而影响检焦精度。因此需要设计一种方法用于减小外界因素多带来的检焦误差，所以设计检焦系统使用2 个光敏元件，采用半反半透棱镜进行分光，并将2个光敏元件放在不同的焦面位置上，这样可以确保2个光敏元件同时对光栅的像进行处理，外界因素对2个光敏元件的峰值电压的影响相同，可以大大降低对航空相机的姿态控制精度、载机的稳态精度等的要求。

在一些实施例中，所述调焦控制器1-2驱动调焦反射镜8移动时，先采用第一步进距离，逐个点检焦，然后判断各点的第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值电压值的差值大小；找到差值最小的点后，在该点的第一步进距离范围内，采用第二步进距离，选择一个初始点，根据第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值电压的数值，向数值较小的方向移动一个第二步进距离，然后再次成像并判断第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值电压值的差值大小，找到差值最小的点；在该点的前后第二步进距离的范围内，采用第三步进距离，逐点判断第一光敏元件4和第二光敏元件5 的峰值电压值的差值大小，当峰值电压的差值小于等于一定阈值时，认为二者的输出值相同，从而找到最佳焦面位置。所述第一步进距离大于所述第二步进距离，所述第二步进距离大于所述第三步进距离。

实施例1：

调焦控制器1-2选用美国德州仪器公司(TI)数字信号处理器 (TMS320F2812)作为主控制器，它具有高速运算能力和面向电机的高效控制能力，其特点为：50MHz工作频率、32位数据线、18kRAM、128kFLASH、 16通道PWM、3个定时器、2个全双工SCI串口。调焦控制器与相机控制器通过RS-422串口交换数据，选用DS26C31和DS26C32作为RS-422串行通讯接口芯片。

调焦控制器1-2根据相机控制器1-1发来的指令进行检焦，驱动调焦反射镜8到指定焦面位置，在接收到反射镜控制器1-3工作在小幅摆动状态时，控制第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值电压的采集和处理，分析该峰值电压的数值，根据该数值进行下一个焦面位置的移动，并判断检焦是否结束，然后返回给相机控制器检焦好参数。

相机控制器1-1同样选用美国德州仪器公司(TI)的TMS320F2812作为主控制器。选用DS26C31和DS26C32作为RS-422串行通讯接口芯片，与调焦控制器1-2、反射镜控制器1-3进行串口通讯。相机控制器1-1作为主控制器，统一发送检焦指令给调焦控制器1-2、反射镜控制器1-3。

反射镜控制器1-3同样选用美国德州仪器公司(TI)的TMS320F2812 作为主控制器。选用DS26C31和DS26C32作为RS-422串行通讯接口芯片，反射镜控制器1-3在接收到相机控制器1-1的检焦指令后，控制扫描反射镜 7工作在检焦状态，即在在垂直光轴2附近小幅往复摆动。

CCD传感器3采用线阵TDICCD传感器，为4096像元，200级级数，像元尺寸8微米，光学系统焦距600mm，光圈5.6,可见光波段成像。选取的第一光敏元件4和第二光敏元件5的感光面积100mm2，光栅10的空间分辨率5lp/mm，第一光敏元件4和第二光敏元件5分布在CCD传感器3 上下各2倍焦深，即0.14mm的位置上。首先选择步进距离为0.4mm，在整个调焦范围内±2.5mm内检焦，找到第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值电压的差值最小点所对应的焦面位置。然后再采用0.1mm的步进距离，并向第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值电压的差值减小的方向移动焦面位置，直到差值小于一定数值。然后再采用0.03mm的步进距离，找到第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值电压的差值最小时的焦面位置，作为最佳焦面位置。

本发明的技术效果：本发明公开的航空相机的检焦装置与方法，通过使用两个个光敏元件同时对光栅的像进行处理，外界因素对两个个光敏元件的峰值电压的影响相同，可以大大降低对航空相机的姿态控制精度、载机的稳态精度等的要求，从而获得较高的检焦精度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种航空相机的检焦装置，其特征在于，包括：

电控箱，CCD传感器，第一光敏元件，第二光敏元件，分光棱镜，扫描反射镜，调焦反射镜，相机的光学系统，光栅以及光源；

所述第一光敏元件设置在所述CCD传感器的焦面位置后；

所述分光棱镜设置在所述第一光敏元件前方；

所述第二光敏元件设置在所述分光棱镜的左侧；

地面景物的像经所述扫描反射镜，所述相机的光学系统和所述调焦反射镜同时成像在所述第一光敏元件和所述第二光敏元件上；

所述电控箱包括相机控制器，调焦控制器和反射镜控制器；

所述相机控制器对调焦控制器和反射镜控制器发出检焦指令；所述反射镜控制器在收到检焦指令时控制所述扫描反射镜在垂直光轴附近往复小幅摆动，并根据摆动的位置发出检焦同步信号给调焦控制器；

所述调焦控制器根据所述检焦指令点亮光源照射光栅，使所述光栅成像在所述第一光敏元件和第二光敏元件上；

所述调焦控制器移动调焦反射镜到一个检焦位置，根据检焦同步信号的变化采集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压，然后根据第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压的差值确定最佳焦面位置；

所述第一光敏元件所在平面到CCD传感器焦面的距离与第二光敏元件的等光程像面所在平面到CCD传感器焦面的距离相等；

所述第一光敏元件设置在所述在CCD传感器的焦面位置后2-4倍焦深的平面上；

所述第二光敏元件设置在等光程像面上且位于CCD传感器的焦面位置前2-4倍焦深的平面上。

2.根据权利要求1所述的航空相机的检焦装置，其特征在于，还包括：散射镜，所述散射镜设置于所述光源与所述光栅之间。

3.根据权利要求1所述的航空相机的检焦装置，其特征在于，所述分光棱镜为半反半透的分光棱镜。

4.根据权利要求1-3任一项所述的航空相机的检焦装置的检焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，相机控制器对调焦控制器和反射镜控制器发出检焦指令；

S2，所述反射镜控制器在收到检焦指令时控制扫描反射镜在垂直光轴附近往复小幅摆动，并根据摆动的位置发出检焦同步信号给调焦控制器；

S3，所述调焦控制器根据所述检焦指令点亮光源照亮光栅，使光栅的像成像在第一光敏元件和第二光敏元件上；

S4，所述调焦控制器移动调焦反射镜到一个检焦位置，根据检焦同步信号的变化采集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压并计算所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压的差值；

S5，当所述差值大于一定阈值时，重复步骤S3-步骤S5；当所述差值小于等于一定阈值时，得到最佳的检焦位置，所述调焦控制器将检焦结束参数发送给相机控制器；

S6，相 机控制器接收所述检焦结束参数，停止发送检焦指令，结束检焦。

5.根据权利要求4所述的检焦方法，其特征在于，所述步骤S5中，当差值大于一定阈值时，所述调焦控制器驱动调焦反射镜向差值减小的方向移动。

6.根据权利要求4所述的检焦方法，其特征在于，所述调焦控制器驱动调焦反射镜移动时，先采用第一步进距离，逐个点检焦，然后判断各点的第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压值的差值大小；

找到差值最小的点后，在该点的第一步进距离范围内，采用第二步进距离，选择一个初始点，根据第一光敏元件和第二光敏元件的的峰值电压的数值，向数值较小的方向移动一个第二步进距离，然后再次成像并判断第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压值的差值大小，找到差值最小的点；在该点的前后第二步进距离的范围内，采用第三步进距离，逐点判断第一光敏元件和第二光敏元件的峰值电压值的差值大小，当峰值电压的差值小于等于一定阈值时，认为二者的输出值相同，从而找到最佳焦面位置。

7.根据权利要求6所述的检焦方法，其特征在于，所述第一步进距离大于所述第二步进距离，所述第二步进距离大于所述第三步进距离。