CN107707906A - 一种光学镜头在高空条件下离焦量的地面标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学镜头在高空条件下离焦量的地面标定装置及方法。使用本发明能够实现在对光学镜头的高空条件下的离焦量的高精度地面标定。本发明将光学镜头、图像传感器和调焦组件组装成完整系统后进行标定，将系统的全部误差都予以包含，能够反映光电成像设备全系统在高空中的实际离焦量，提高了测量的准确性；对平行光管的分划板图案进行了设计，使其在焦面上的清晰度很高，而在离焦时，清晰度下降很快，立刻难以分辨刻线图案，有效地提高离焦量的测量精度。最后，采用图像清晰度评价函数对图像进行评价，可直接得到实际可用的离焦量表达式，简化了标定过程，且采用图像处理技术保证了标校的客观和一致性，避免人为的误差。

Description

一种光学镜头在高空条件下离焦量的地面标定装置及方法

技术领域

本发明涉及航空光电成像技术领域，具体涉及一种光学镜头在高空条件下离焦量的地面标定装置及方法。

背景技术

空中光电成像设备中光学镜头是其关键的部分，只有光电成像设备的靶面在光学镜头的焦深范围内上，才能得到清晰的像，此时认为光电成像设备的图像传感器的靶面与镜头焦面重合。高空的气压和温度与地面相差很大，这样会引起暴露在空气中的光学镜头的焦面产生前后的移动，使得光电成像设备的靶面与焦面不重合，产生离焦，造成图像模糊，这样就需要控制调焦组件前后运动将镜头的焦面与图像传感器的靶面重新重合。由于在空中往往无参照物，人工调节困难，需要事先测得不同高度下的离焦量，绘制“离焦量-高度”曲线，供光学镜头的调焦机构进行离焦的补偿。目前，“离焦量-高度”曲线主要是采用人工的方式对低温低气压条件下的离焦量进行测量和评价，这种方法不客观，效率低。另外还可根据光学镜头所用的光学和结构材料进行分析计算，得出不同气压和温度作用下的“离焦量-高度”曲线，但由于以上的方法均没有包含镜头的加工和装调等环节，不能完全反映光电成像设备全系统的在高空中的实际离焦量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种光学镜头在高空条件下离焦量的地面标定装置及方法，能够实现在对光学镜头的高空条件下的离焦量的高精度地面标定。

本发明的光学镜头在高空条件下离焦量的地面标定装置，包括：图像传感器、光学镜头、调焦组件、平行光管、调焦组件显示控制器、图像处理计算机和试验箱；

其中，试验箱为光学镜头提供低温低压环境；图像传感器、光学镜头和调焦组件位于试验箱内，光学镜头与图像传感器连接；平行光管与光学镜头同光轴；图像传感器通过光学镜头、调焦组件、试验箱的光学窗口对平行光管中的划分板进行成像；调焦组件显示控制器用于控制调焦组件移动，并显示调焦组件的离焦量；图像处理计算机与图像传感器连接，对图像传感器的成像图像进行清晰度评价；

所述分划板的图像为全板方格形，分划板的刻线的宽度a为：a＝nlf′/f，其中，n为宽度系数，取值范围在[1,2]之间；l为图像传感器的像元尺寸；f′为平行光管的焦距；f为被测光学镜头的焦距；相邻两刻线之间的距离为刻线宽度的4～8倍。

进一步的，所述图像处理计算机采用Laplacian算子计算图像传感器成像图像的二阶微分，二阶微分的平方和即为图像的清晰度，清晰度的值越高，图像越清晰。

本发明还提供了一种采用上述地面标定装置的标定方法，包括如下步骤：

步骤1，将分划板安装在平行光管的焦平面上，将图像传感器和光学镜头组装到一起，将图像传感器、光学镜头和调焦组件放置在试验箱内，且光学镜头对准试验箱的光学窗口；试验箱外的平行光管与光学镜头同轴；

步骤2，关闭试验箱，改变试验箱内的温度和气压至设定值；采用调焦组件显示控制器移动调焦组件并显示调焦组件的离焦量，图像处理计算机实时对图像传感器的成像图像进行清晰度评价，清晰度最高的成像图像所对应的调焦组件的离焦量即为光学镜头在当前试验箱温度、气压环境下的离焦量；

步骤3，改变试验箱内的温度和气压，重复步骤2，得到光学镜头在不同试验箱温度、气压环境下的离焦量；

步骤4，采用最小二乘法对气压、温度与离焦量的对应关系进行曲线拟合，获得标定曲线。

进一步的，所述最小二乘法的阶数为5。

有益效果：

本发明将光学镜头、图像传感器和调焦组件组装成完整系统后进行标定，将系统的全部误差都予以包含，能够反映光电成像设备全系统在高空中的实际离焦量，提高了测量的准确性；对平行光管的分划板图案进行了设计，使其在焦面上的清晰度很高，而在离焦时，清晰度下降很快，立刻难以分辨刻线图案，有效地提高离焦量的测量精度。最后，采用图像清晰度评价函数对图像进行评价，可直接得到实际可用的离焦量表达式，简化了标定过程，且采用图像处理技术保证了标校的客观和一致性，避免人为的误差。

本方法简单，易于实现，精度高，可以满足光学镜头在高空中离焦量的地面标定的需要，保证光电成像设备的自动离焦补偿功能的实现，使光电成像设备在空中获得清晰的图像。

附图说明

图1为设备组成及布置图。

图2为新旧图像清晰度评价函数曲线示意图。

图3为分划板图案示意图。

图4为分划板的刻线宽度和间隔与分辨率尺寸上的对比示意图。

其中，1-图像传感器，2-光学镜头，3-调焦组件，4-试验箱光学窗口，5-平行光管，6-分划板，7-调焦组件显示控制器，8-图像处理计算机，9-分划板刻线，10-图像传感器的一个像元；11-试验箱。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种光学镜头在高空条件下离焦量的地面标定装置及方法，在地面模拟空中的气压和温度条件，精密测量光学镜头在此条件下的离焦量的实现方法和相应的设备，并通过清晰度评价函数计算图像的清晰度，找到最清晰的焦面位置。

本发明的标定设备如图1所示，包括图像传感器1、光学镜头2、调焦组件3、平行光管5、调焦组件显示控制器7、图像处理计算机8和试验箱11。

其中，试验箱11用于为光学镜头2提供低温低压环境，以模拟高空环境；图像传感器1、光学镜头2、调焦组件3位于试验箱11内，其余设备(平行光管5、调焦组件显示控制器7以及图像处理计算机8)位于试验箱11外；光学镜头2与图像传感器1连接；平行光管5与光学镜头2同光轴；图像传感器1通过光学镜头2、调焦组件3、试验箱11的光学窗口4对平行光管5中的划分板6进行成像，其中，划分板6处于图像传感器1的视场中心；调焦组件显示控制器7用于控制调焦组件3移动，通过调节像面位置实现调焦功能，并实时显示由调焦组件3输出的离焦量，保证平行光管5中的分划板6的图案在图像传感器1上清晰成像。

所述图像处理计算机8与图像传感器1连接，采用图像清晰度评价函数实时对图像传感器图像进行清晰度评价，清晰度最高的图案所属对应的离焦量即为当前试验箱环境下的光学镜头离焦量。理想的图像清晰度评价函数应该具有以下几种特性：(1)无偏性，即只有物平面与聚焦平面重合时，评价函数达到极值；(2)单峰性，即评价函数有且只有一个极值；(3)较高的信噪比，即在一定噪声干扰下，能够保证系统正确地检测到离焦信号；(4)灵敏度高，即能够正确区分聚焦和轻微离焦，这是精确聚焦的内在要求。大量实验表明：Variance函数具有较大的调焦范围，而且近似为线性变化，但是灵敏度较低，适于大范围粗调焦。梯度向量平方函数、Laplacian函数和Tenengrad函数调焦范围小、灵敏度高、稳定性好，适合于小范围精确调焦。

此外，本发明对平行光管5的分划板6的图案进行了改进。平行光管分划板6常采用鉴别率板和十字丝等图案，但在焦面附近，像的弥散斑变化不明显，人眼往往不能精确定位，即便采用本发明提出的图像清晰度评价方法计算图像的清晰度，得到的图像清晰度曲线如图2中的曲线H(1)所示，定位精度仍有限。

如果要进一步提高焦面的检测的精度，则希望整个标定系统，仅在焦面和靶面重合时的很窄的区域，图像清晰，这样计算机计算出的清晰度评价数值的峰值很高，稍微偏离则图像立刻就变得很模糊，清晰度评价函数的计算值急剧下降，其清晰度曲线形成窄脉冲状，如图2中曲线H(2)。专门制作分划板如图3和图4所示，分划板图案采用全板方格形，如图3所示；图4表示分划板刻线宽度与光学镜头分辨率的关系，分划板刻线9的宽度由下式确定：

a＝nlf′/f

其中，a:分划板刻线的宽度；

n:宽度系数，取值范围在[1,2]之间；

l:图像传感器的像元尺寸；

f′:平行光管的焦距；

f:被测光学镜头的焦距。

图4中的10表示图像传感器的一个像元，与刻线在图像传感器靶面成的像的尺寸对比。为了提高图像清晰度评价处理时的对比度和稳定度，必须有足够的刻线图案进行累加，因此采用方格刻线，两刻线的间隔b为线宽a的4～8倍，如图4所示。本发明的分划板图案，其在焦面上的清晰度很高，而在离焦时，清晰度下降很快，立刻难以分辨刻线图案，可有效地提高离焦量的测量精度。

由于本发明采用的划分板为全板方格形图案，采用Laplacian函数进行图像清晰度评价更为适合。因此，本发明的图像清晰度评价函数选择Laplacian函数，利用Laplacian算子计算图像的二阶微分，二阶微分的平方和作为最后评价结果，其表达式为：

其中，g(x,y)为图像中一个像元的灰度值；f(n)为一幅图像的图像清晰度评价函数的值。

通过调焦组件显示控制器7控制调焦组件3在其调焦范围内移动，实时计算不同调焦组件3离焦量下的图像传感器1图像的清晰度f(n)，记录最大f(n)所对应的试验箱内的气压、温度以及调焦组件显示控制器显示的离焦量。该离焦量即为当前试验箱环境(温度、气压)下的光学镜头离焦量。

上述标定装置的标定方法如下：

1)在地面常温下，先将专用分划板安装到平行光管的焦平面上，然后将光学镜头与图像传感器组装到一起，并通过调焦组件调节像面位置保证平行光管发出的分划板的图案在图像传感器清晰成像，并且保证调焦组件显示控制器可正常控制调焦组件实现调焦功能以及实时显示由调焦组件输出的离焦量。

2)将系统全部设备如图1所示，安装布置好，其中平行光管、图像处理计算机和调焦组件显示控制器布置在低温低气压试验箱的外部。其余放在低温低气压试验箱内部。

3)将光学镜头对准低温低气压试验箱的光学窗口，并将整个系统连接好，通电正常后，关闭试验箱。

4)通过调节光管的位置使之与光学镜头同轴。保证光管分划板的像在视场中心。

5)通过图像处理计算机利用图像清晰度评价函数，计算和显示当前的图像清晰度值，通过调焦组件显示控制器控制调焦组件调焦，使图像清晰度值最大，这也就是图像最清晰的位置。这时记录试验箱内的气压、温度以及调焦组件显示控制器显示的离焦量。

6)通过改变试验箱内的气压和温度，来模拟不同高度下的大气压强和温度，重复步骤5，得到不同高度下光学镜头的离焦量。

7)将上述试验的数据进行整理，用最小二乘法进行气压、温度与离焦量的对应关系的曲线拟合，最小二乘法的阶数取5。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光学镜头在高空条件下离焦量的地面标定装置，其特征在于，包括：图像传感器(1)、光学镜头(2)、调焦组件(3)、平行光管(5)、调焦组件显示控制器(7)、图像处理计算机(8)和试验箱(11)；

其中，试验箱(11)为光学镜头(2)提供低温低压环境；图像传感器(1)、光学镜头(2)和调焦组件(3)位于试验箱(11)内，光学镜头(2)与图像传感器(1)连接；平行光管(5)与光学镜头(2)同光轴；图像传感器(1)通过光学镜头(2)、调焦组件(3)、试验箱(11)的光学窗口(4)对平行光管(5)中的划分板(6)进行成像；调焦组件显示控制器(7)用于控制调焦组件(3)移动，并显示调焦组件(3)的离焦量；图像处理计算机(8)与图像传感器(1)连接，对图像传感器的成像图像进行清晰度评价；

所述分划板(6)的图像为全板方格形，分划板(6)的刻线(9)的宽度a为：a＝nlf′/f，其中，n为宽度系数，取值范围在[1,2]之间；l为图像传感器的像元尺寸；f′为平行光管的焦距；f为被测光学镜头的焦距；相邻两刻线之间的距离为刻线宽度的4～8倍。

2.如权利要求1所述的光学镜头在高空条件下离焦量的地面标定装置，其特征在于，所述图像处理计算机(8)采用Laplacian算子计算图像传感器成像图像的二阶微分，二阶微分的平方和即为图像的清晰度，清晰度的值越高，图像越清晰。

3.一种采用如权利要求1或2所述的光学镜头在高空条件下离焦量的地面标定装置的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将分划板安装在平行光管的焦平面上，将图像传感器和光学镜头组装到一起，将图像传感器、光学镜头和调焦组件放置在试验箱内，且光学镜头对准试验箱的光学窗口；试验箱外的平行光管与光学镜头同轴；

步骤2，关闭试验箱，改变试验箱内的温度和气压至设定值；采用调焦组件显示控制器(7)移动调焦组件并显示调焦组件的离焦量，图像处理计算机(8)实时对图像传感器的成像图像进行清晰度评价，清晰度最高的成像图像所对应的调焦组件的离焦量即为光学镜头在当前试验箱温度、气压环境下的离焦量；

步骤3，改变试验箱内的温度和气压，重复步骤2，得到光学镜头在不同试验箱温度、气压环境下的离焦量；

步骤4，采用最小二乘法对气压、温度与离焦量的对应关系进行曲线拟合，获得标定曲线。

4.如权利要求3所述的标定方法，其特征在于，所述最小二乘法的阶数为5。