CN108259749A - 一种自动对焦实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动对焦实验系统，包括精密隔振光学平台，在精密隔振光学平台上沿光路设置有载物台、自动对焦光学镜头和工业相机；载物台上设置成像目标，载物台连接载物台平移系统，自动对焦光学镜头连接直流电机驱动器，载物台平移系统和直流电机驱动器均连接单片机系统，单片机系统通过串口与计算机系统连接，计算机系统连接所述工业相机。本发明每个部分都可以形成一个独立的实验系统，也可以对几个部分进行组合形成一个新的实验系统，实验教师和学生可以根据需求开设和完成更多更复杂的演示型实验、设计型实验和创新型实验，大大增加了实验内容的广度和深度，充分发挥该实验系统的应用价值。

Description

一种自动对焦实验系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种自动对焦实验系统。

背景技术

工程教育是我国高等教育的重要组成部分，随着我国高等教育与国际接轨的不断发展，国际通行的工程教育专业认证逐渐成为重要的工程教育质量保障制度，同时也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。工程教育专业认证中的一个重要的要求是毕业生具备解决复杂工程问题的能力。因此，在学生培养计划的课程体系里的有些课程的实验环节就是来训练这个能力的，具体来讲就是借助一些典型的复杂实验系统和实验内容来培养学生解决复杂工程问题的能力。自动对焦就是一个代表性的复杂工程问题，要通过解决对焦窗口选择、图像预处理、图像清晰度评价、搜索策略以及电机驱动等问题来达到解决自动对焦这样一个复杂工程问题的目的。自动对焦系统虽然已经成功应用于光电成像系统，但是自动对焦实验系统在市面上并未出现过。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动对焦实验系统，为培养学生解决复杂工程问题的能力的培养提供一种方案，解决现有实验系统无法满足某些专业复杂性和综合性实验的问题。

本发明采用的技术方案是 ：

一种自动对焦实验系统，包括精密隔振光学平台，在所述精密隔振光学平台上沿光路设置有载物台、自动对焦光学镜头和工业相机；所述载物台上设置成像目标，载物台连接载物台平移系统，所述自动对焦光学镜头连接直流电机驱动器，所述载物台平移系统和直流电机驱动器均连接单片机系统，单片机系统通过串口与计算机系统连接，计算机系统连接所述工业相机。

进一步的，所述载物台平移系统包括二维电动平移台和平移台驱动器，所述载物台设置在二维电动平移台上，二维电动平移台连接平移台驱动器，平移台驱动器连接所述单片机系统。

进一步的，所述工业相机为CCD工业相机或CMOS工业相机的一种。

一种自动对焦实验系统的应用，所述自动对焦实验系统主要应用于高等院校的教学科研和公司企业开发新产品的预研，可以完成演示型实验、设计型实验和创新型实验；所述演示型实验包括自动对焦实验、自动变焦实验、自动光圈实验、自动白平衡实验和跟踪对焦实验；所述设计型实验和创新型实验包括机器视觉测量实验、实时目标监控实验和目标跟踪实验。

本发明具备以下优点：

自动对焦实验系统主要由自动对焦光学镜头、工业相机、载物台平移系统、单片机系统和计算机系统组成，每个部分都可以形成一个独立的实验系统，也可以对几个部分进行组合形成一个新的实验系统，实验教师和学生可以根据需求开设和完成更多更复杂的演示型实验、设计型实验和创新型实验，大大增加了实验内容的广度和深度，充分发挥该实验系统的应用价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

参见图1，本发明公开一种自动对焦实验系统，该系统包括精密隔振光学平台，在精密隔振光学平台上沿光路设置有载物台、自动对焦光学镜头和工业相机，工业相机选用CCD工业相机或CMOS工业相机的一种；载物台上设置成像目标，载物台连接载物台平移系统，自动对焦光学镜头连接直流电机驱动器，载物台平移系统和直流电机驱动器均连接单片机系统，单片机系统与计算机系统连接，计算机系统连接工业相机。

载物台平移系统包括二维电动平移台和平移台驱动器，载物台设置在二维电动平移台上，二维电动平移台连接平移台驱动器，平移台驱动器连接所述单片机系统。

本发明的基本工作原理如下：

位于载物台上的成像目标经自动对焦光学镜头成像于CCD/CMOS工业相机的光敏面上，CCD/CMOS相机将成像目标的光电图像数据传送给计算机系统，计算机系统可以执行图像预处理程序、对焦窗口选择程序、图像清晰度评价程序和爬山搜算法程序，计算机系统通过串口与单片机系统进行通信，控制直流电机驱动器的工作，进而控制自动对焦光学镜头中的直流电机运动，带动镜头内部的光学透镜调整位置，改变成像目标的像面位置，使得成像目标的像面与CCD工业相机的光敏面重合，并能从显示器上观察到清晰的目标图像。

计算机系统通过单片机系统控制平移台驱动器，进而带动二维电动平移台和载物台，调整成像目标的位置，再次进行自动对焦，获得成像目标位于新位置时的清晰图像。

下面通过几个不同的实施例说明本发明系统在实验教学中的不同应用方式：

实施例1：

自动光圈实验，该实验的实验系统由成像目标、自动对焦光学镜头、CCD工业相机、计算机系统、单片机系统和直流电机驱动器组成。位于载物台上的成像目标经自动对焦光学镜头成像于CCD工业相机的光敏面上，相机将目标的光电图像数据传送给计算机系统，安装于计算机上的实验软件运行算法程序，对图像的亮度进行分析，然后根据分析结果发送命令给单片机系统，单片机系统控制自动对焦光学镜头中的直流电机旋转运动，对光圈进行调整，图像的亮度就会发生变化，最终获得一张既非过亮又非过暗的图像。

实施例2：

自动白平衡实验，该实验的实验系统由成像目标、自动对焦光学镜头、CCD工业相机、计算机系统、单片机系统和直流电机驱动器组成。位于载物台上的成像目标经自动对焦光学镜头成像于CCD工业相机的光敏面上，相机将目标的光电图像数据传送给计算机系统，安装于计算机上的实验软件运行算法程序，对图像的色温进行分析，然后根据分析结果对图像进行白平衡处理，获得与实物颜色接近的图像。

实施例3：

自动变焦实验，该实验的实验系统由成像目标、自动对焦光学镜头、CCD工业相机、计算机系统、单片机系统、直流电机驱动器和二维电动平移台及其平移台驱动器组成。位于载物台上的成像目标经自动对焦光学镜头成像于CCD工业相机的光敏面上，相机将成像目标的光电图像数据传送给计算机系统，安装于计算机上的实验软件运行算法程序，对成像目标大小进行分析，然后控制二维电动平移台带动成像目标沿光轴方向运动，这时目标的大小会变化，然后实验软件进一步分析成像目标大小，控制自动对焦光学镜头中的变焦直流电机，改变焦距，使图像恢复到初始大小。

实施例4：

自动对焦实验，该实验的实验系统由成像目标、自动对焦光学镜头、CCD工业相机、计算机系统、单片机系统、直流电机驱动器和二维电动平移台其驱动器组成。位于载物台上的成像目标经自动对焦光学镜头成像于CCD工业相机的光敏面上，相机将成像目标的光电图像数据传送给计算机系统，计算机执行图像预处理程序、对焦窗口选择程序、图像清晰度评价程序和爬山搜算法程序，计算机系统通过串口与单机系统进行通信，控制直流电机驱动器的工作，进而控制自动对焦光学镜头中的直流电机运动，带动镜头内部的光学透镜调整位置，改变成像目标的像面位置，使得成像目标的像面与CCD工业相机的光敏面重合，并能从显示器上观察到清晰的目标图像。

实施例5：

跟踪对焦实验，该实验的实验系统由成像目标、自动对焦光学镜头、CCD工业相机、计算机系统、单片机系统、直流电机驱动器和二维电动平移台其驱动器组成。在自动对焦实验的基础上，控制二维电动平移台使得成像目标沿光轴方向和垂直光轴方向移动，这是目标位置发生二维变化，安装于计算机上的实验软件运行算法程序，自动跟踪目标，并且自动对焦。

由上述实施例可见，本发明自动对焦实验系统在教学实验应用中具备以下几个主要特点。

（1）复杂性

本发明自动对焦实验系统可以满足解决复杂型问题的实验要求。

（2）综合性

本发明自动对焦实验系统的综合性能表现在于光、机、电、算等多门专业相关知识的综合运用、测量技术和控制技术的综合运用以及硬件和软件联合设计的综合运用。自动对焦实验系统特别适合于与测试测量、控制及仪器等有关的专业的实验课程、课程设计课程、毕业设计和设计竞赛等对综合性实验平台的要求，同时也满足光学工程、仪器科学与技术、兵器科学与技术等等工学学科对综合性实验平台的要求。

（3）开放性

本发明自动对焦实验系统采用了开放性的结构，学生在该实验平台上不仅可以完成演示型实验，还可以通过单片机系统预留的接口完成设计型和创新型实验，这是非常重要的有别于传统实验平台的一个特点。自动对焦涉及到复杂的软件和程序设计，提供软件和程序的编辑、调试、仿真和验证平台对学生的设计型实验和创新型实验是一个很好的支撑，特别适合于作为课程设计、毕业设计和设计竞赛等的实验平台。

（4）创新性

本发明自动对焦实验系统利用若干个独立实验系统构成一个新的完整实验系统。自动对焦实验系统的核心由自动对焦光学镜头、工业相机、载物台平移系统、单片机系统和计算机系统组成，每个部分都可以形成一个独立的实验系统，也可以对几个部分进行组合形成一个新的实验系统，实验教师和学生可以根据需求开设和完成更多更复杂的演示型实验、设计型实验和创新型实验，大大增加了实验内容的广度和深度，充分发挥该实验系统的应用价值。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (4)

1.一种自动对焦实验系统，其特征在于：包括精密隔振光学平台，在所述精密隔振光学平台上沿光路设置有载物台、自动对焦光学镜头和工业相机；所述载物台上设置成像目标，载物台连接载物台平移系统，所述自动对焦光学镜头连接直流电机驱动器，所述载物台平移系统和直流电机驱动器均连接单片机系统，单片机系统通过串口与计算机系统连接，计算机系统连接所述工业相机。

2.根据权利要求1所述的自动对焦实验系统，其特征在于：所述载物台平移系统包括二维电动平移台和平移台驱动器，所述载物台设置在二维电动平移台上，二维电动平移台连接平移台驱动器，平移台驱动器连接所述单片机系统。

3.根据权利要求1或2所述的自动对焦实验系统，其特征在于：所述工业相机为CCD工业相机或CMOS工业相机的一种。

4.根据权利要求1所述的一种自动对焦实验系统的应用，其特征在于：所述自动对焦实验系统用以进行演示型实验、设计型实验和创新型实验；所述演示型实验包括自动对焦实验、自动变焦实验、自动光圈实验、自动白平衡实验和跟踪对焦实验；所述设计型实验和创新型实验包括机器视觉测量实验、实时目标监控实验和目标跟踪实验。