CN112217991B - 一种图像采集装置、焦点调节装置及焦点调节方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种图像采集装置、焦点调节装置及焦点调节方法，其中，图像采集装置包括电机、移动装置、光学镜组、角度检测装置以及控制装置。根据角度检测装置检测的角度信号控制光学镜组在目标焦点位置的两侧的设定区间内往复运动，且光学镜组在设定区间内的运动时长大于设定时长后，停止电机的工作，光学镜组停在目标焦点上，从而输出清晰的图像。本申请提供的图像采集装置、焦点调节装置及焦点调节方法，结构简单，操作方便，能够充分消除系统误差，保证成像的清晰度。

Description

一种图像采集装置、焦点调节装置及焦点调节方法

技术领域

本申请涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种图像采集装置、焦点调节装置及焦点调节方法。

背景技术

红外成像技术是利用目标和背景自身红外辐射的差异或它们对自然光源的反射差异来成像的，属于被动成像技术，因此具有较强的隐蔽性和抗干扰能力，应用非常普遍。在对目标进行探测时，通常采用大视场对目标进行搜索。搜索到目标后采用小视场对目标进行跟踪，观察目标的细节。因此，在对目标的探测过程中，经常要切换大小视场。通常切换视场方式有两种：一种是径向切换式，一种是轴向移动式。径向切换式是在垂直光轴方向切换光学镜组，从而达到改变视场的目的。该方式切换机构复杂，存在同轴误差。轴向移动式是在光轴方向移动光学组件，进而达到改变视场的目的。该方式切换机构简单，同轴度好，是常用的方式。轴向切换式是移动中进行焦点定位，存在定位不准的问题。当光学镜组没有定位在视场焦点上时，则探测到的目标图像模糊，影响对目标的观察。

发明内容

本申请的目的是提供一种焦点调节精准、操作简单的图像采集装置、焦点调节装置及焦点调节方法。

为了实现上述至少之一的目的，本申请第一方面的实施例提供了一种图像采集装置，包括：电机；移动装置，所述移动装置与所述电机连接；光学镜组，所述光学镜组设置在所述移动装置上；角度检测装置，所述角度检测装置设置在所述电机的输出轴上，用于检测所述输出轴的旋转角度，并生成角度信号；以及控制装置，所述控制装置分别与所述电机及所述距离检测装置连接，所述控制装置根据所述角度信号控制所述电机的旋转方向及所述电机的停止。

在其中的一些实施例中，图像采集装置还包括：距离检测装置，所述距离检测装置与所述控制装置连接，用于检测所述光学镜组与所述目标焦点之间距离，并生成距离信号；所述控制装置根据所述距离信号控制所述电机的启动。

在其中的一些实施例中，图像采集装置还包括：滤波装置，所述滤波装置分别与所述角度检测装置及所述控制装置连接，并设置在所述角度检测装置与所述控制装置之间；所述滤波装置用于对所述角度信号进行滤波降噪处理，所述控制装置接收经过处理滤波降噪处理的所述角度信号。

在其中的一些实施例中，所述移动装置包括：齿轮组件，所述齿轮组件与所述电机连接；螺纹杆，所述螺纹杆与所述齿轮组件连接；以及移动架，所述移动架与所述螺纹杆螺纹连接，并可在所述螺纹杆上移动。

在其中的一些实施例中，所述角度检测装置为电位器，所述控制装置为FPGA芯片。

本申请第二方面的实施例提供了一种焦点调节装置，包括：调整模块，所述调整模块用于控制电机带动光学镜组沿第一方向向所述目标焦点运动；检测模块，所述检测模块用于检测所述电机的输出轴的旋转角度生成角度信号；以及控制模块，所述控制模块用于根据所述角度信号判断所述光学镜组运动过所述目标焦点位置时，控制所述电机带动所述光学镜组沿与所述第一方向相反的第二方向向所述目标焦点运动；所述控制模块根据所述角度信号判断所述光学镜组运动过所述目标焦点位置时，控制所述电机带动所述光学镜组沿所述第一方向向所述目标焦点运动；当所述光学镜组在所述目标焦点位置的两侧的设定区间内往复运动，且所述光学镜组在设定区间内的运动时长大于设定时长后，所述控制模块控制所述电机停止工作。

在其中的一些实施例中，所述检测模块包括：角度检测单元，所述角度检测单元用于检测所述电机的输出轴的旋转角度生成角度信号；以及滤波单元，所述滤波单元用于对所述角度信号进行滤波降噪处理。

在其中的一些实施例中，所述调整模块包括：距离检测单元，所述距离检测单元用于检测当前所述光学镜组与所述目标焦点之间的间隔距离；以及调整单元，所述调整单元用于根据所述间隔距离控制所述光学镜组沿所述第一方向向所述目标焦点运动。

本申请第三方面的实施例提供了一种焦点调节方法，包括如下步骤：控制电机带动光学镜组沿第一方向向所述目标焦点运动；

检测所述电机的输出轴的旋转角度生成角度信号；

根据所述角度信号判断所述光学镜组运动过所述目标焦点位置时，控制所述电机带动所述光学镜组沿与所述第一方向相反的第二方向向所述目标焦点运动；

根据所述角度信号判断所述光学镜组运动过所述目标焦点位置时，控制所述电机带动所述光学镜组沿所述第一方向向所述目标焦点运动；

重复上述两个步骤，当所述光学镜组在所述目标焦点位置的两侧的设定区间内往复运动，且所述光学镜组在设定区间内的运动时长大于设定时长后，控制所述电机停止工作。

在其中的一些实施例中，所述检测所述电机的输出轴的旋转角度生成角度信号具体包括：

检测所述电机的输出轴的旋转角度生成角度信号；

对所述角度信号进行滤波降噪处理。

在其中的一些实施例中，所述控制电机带动光学镜组沿第一方向向所述目标焦点运动具体包括：

检测当前所述光学镜组与所述目标焦点之间的间隔距离；

根据所述间隔距离控制所述光学镜组沿所述第一方向向所述目标焦点运动。

本申请的上述技术方案具有如下优点：检测光学镜组与目标焦点之间的距离，根据该距离确定光学镜组的移动方向以及需要移动的距离，控制电机的输出轴旋转的方向，使光学镜组向第一方向移动靠近目标焦点，同时，检测电机的输出轴的旋转角度，根据旋转角度计算出光学镜组的移动距离，由于角度检测装置检测过程中不可避免地会受到电路噪声的影响，导致所测量的移动距离和实际距离之间存在误差，会使光学镜组不能精准地停在目标焦点上，因此，当光学镜组运动过目标焦点后，控制光学镜组向与之前的移动方向相反的第二方向移动；当光学镜组运动过目标焦点后，控制光学镜组向第一方向移动，当光学镜组运动过目标焦点后，控制光学镜组向第二方向移动；当光学镜组在目标焦点位置的两侧的设定区间内往复运动，且光学镜组在设定区间内的运动时长大于设定时长后，停止电机的工作，光学镜组停在目标焦点上，从而输出清晰的图像。本申请提供的图像采集装置、焦点调节装置及焦点调节方法，结构简单，操作方便，能够充分消除系统误差，保证成像的清晰度。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，另外，本申请附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。其中：

图1是本申请所述图像采集装置第一种实施例的结构示意图；

图2是本申请所述图像采集装置第二种实施例的结构示意图；

图3是本申请所述图像采集装置第三种实施例的结构示意图；

图4是本申请所述焦点调节装置第一种实施例的结构示意图；

图5是本申请所述焦点调节装置第二种实施例的结构示意图；

图6是本申请所述焦点调节装置第三种实施例的结构示意图。

其中，图1至图6的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

电机11，移动装置12，齿轮组件121，螺纹杆122，移动架123，光学镜组13，角度检测装置14，控制装置15，距离检测装置16，滤波装置17，调整模块21，距离检测单元211，调整单元212，检测模块22，角度检测单元221，滤波单元222，控制模块23。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下述讨论提供了本申请的多个实施例。虽然每个实施例代表了申请的单一组合，但是本申请不同实施例可以替换，或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含A、B、C，另一个实施例包含B和D的组合，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本申请第一方面的实施例提供的图像采集装置包括：电机11、移动装置12、光学镜组13、角度检测装置14以及控制装置15。

电机11为直流电机11。直流电机11具有维修费用很低、运转距离比较大、启动特性和调速特性优秀、节能环保、起动和调速性能好、调速范围广平滑、过载能力较强、受电磁干扰影响小等优点。

移动装置12与电机11连接。

光学镜组13设置在移动装置12上。

角度检测装置14设置在电机11的输出轴上，用于检测输出轴的旋转角度，并生成角度信号。角度检测装置14为电位器，电位器是根据阻值的变化来进行测角的，电位器的阻值的变化转变成电压的变化可被采集，通过电压的变化可计算出电机11的输出轴的角度变化，通过输出轴的角度变化控制移动装置12的移动距离。

控制装置15分别与电机11及角度检测装置14连接，控制装置15根据角度信号控制电机11的旋转方向及电机11的停止。控制装置15为FPGA(Field Programmable GateArray)芯片。FPGA芯片是在PAL(Programmable Array Logic，可编程阵列逻辑)、GAL(通用阵列逻辑)等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA芯片具有响应速度块、可并行工作等特点。

如图2所示，图像采集装置还包括：距离检测装置16。

距离检测装置16与控制装置15连接，用于检测光学镜组13与目标焦点之间距离，并生成距离信号。

距离检测装置16检测光学镜组13与目标焦点之间的距离，并发送距离信号，控制装置15根据距离信号确定光学镜组13的移动方向以及需要移动的距离，并控制电机11的输出轴旋转的方向，通过移动装置12带光学镜组13向第一方向移动靠近目标焦点，同时，角度检测装置14检测输出轴的旋转角度并发出角度信号，控制装置15根据旋转角度计算出光学镜组13当前的移动距离，由于角度检测装置14检测过程中不可避免地会受到电路噪声(电位器的采集电路中有噪声存在，同时控制装置15采集电压值的过程中会叠加噪声)的影响，导致所测量的移动距离和实际距离之间存在误差，使光学镜组13不能精准地停在目标焦点上，因此，当光学镜组13运动过目标焦点后，控制装置15控制电机11反向转动，使移动装置12带着光学镜组13向与之前的移动方向相反的第二方向移动；当光学镜组13运动过目标焦点后，控制装置15再次控制电机11反向转动，使移动装置12带着光学镜组13向第一方向移动；当光学镜组13运动过目标焦点后，控制装置15控制电机11反向转动，使移动装置12带着光学镜组13向第二方向移动；当光学镜组13在目标焦点位置的两侧的设定区间内往复运动，且光学镜组13在设定区间内的运动时长大于设定时长后，停止电机11的工作，此时，光学镜组13停在目标焦点上。图像采集装置的供电采用正电源供电，不需采用复杂的负电源供电。

本申请提供的图像采集装置，在调节焦点的过程中，能够充分消除系统误差，使光学镜组13准确地移动焦点上，保证成像的清晰度。另外，控制部分的结构简单，重复性好，性能稳定，接线少，可在紧凑空间内使用，从而使产品做的更小。且电位器做测量元件，成本低，易安装。

如图3所示，在本申请的一个实施例中，图像采集装置还包括：滤波装置17。

滤波装置17分别与角度检测装置14及控制装置15连接，并设置在角度检测装置14与控制装置15之间；滤波装置17用于对角度信号进行滤波降噪处理，控制装置15接收经过处理滤波降噪处理的角度信号。

控制装置15以1kHz以上速度采集电位器的变化的电压值。控制装置15的A/D转换位数为12位以上。由于采集电压值的过程中叠加了噪声信号。通过滤波装置17的滑动滤波算法y＝x/2+y/2进行滤波。电压值滤波后可降低了噪声，从而降低因噪声而产生的系统误差，即使光学镜组13准确地移动焦点上，保证成像的清晰度。滤波算法中的系数在控制装置15(FPGA芯片)中非常容易实现，只需进行右移操作，一个时钟周期就可完成，速度很快。

如图1至图3所示，在本申请的一个实施例中，移动装置12包括：齿轮组件121、螺纹杆122以及移动架123。

齿轮组件121与电机11连接。

螺纹杆122与齿轮组件121连接。

移动架123与螺纹杆122螺纹连接，并可在螺纹杆122上移动。

电机11的输出轴带动齿轮组件121中的齿轮旋转，齿轮组件121带动螺纹杆122旋转，通过螺纹连接方式移动架123在螺纹杆122上移动，从而实现光学组件的直线移动。螺纹杆122与移动架123的配合为丝杆结构，丝杠具有不会渗漏、不须过滤、省能源及重现性高、摩擦损失小、传动效率高、省电、精度高、能够实现高速进给和微进给、轴向刚度高、具有传动的可逆性的特点。

如图4所示，本申请第二方面的实施例提供的焦点调节装置包括：调整模块21、检测模块22以及控制模块23。

调整模块21用于控制电机带动光学镜组沿第一方向向目标焦点运动。

检测模块22用于检测电机的输出轴的旋转角度生成角度信号。

控制模块23用于根据角度信号判断光学镜组运动过目标焦点位置时，控制电机带动光学镜组沿与第一方向相反的第二方向向目标焦点运动；控制模块23根据角度信号判断光学镜组运动过目标焦点位置时，控制电机带动光学镜组沿第一方向向目标焦点运动；当光学镜组在目标焦点位置的两侧的设定区间内往复运动，且光学镜组在设定区间内的运动时长大于设定时长后，控制模块23控制电机停止工作。

调整模块21控制光学镜组向第一方向移动靠近目标焦点，同时，检测模块22检测电机的输出轴的旋转角度并发出角度信号，控制模块23根据旋转角度计算出光学镜组当前的移动距离，由于检测模块22检测过程中不可避免地会受到电路噪声(电位器的采集电路中有噪声存在，同时控制模块23采集电压值的过程中会叠加噪声)的影响，导致所测量的移动距离和实际距离之间存在误差，使光学镜组不能精准地停在目标焦点上，因此，当光学镜组运动过目标焦点后，控制模块23控制电机反向转动，使光学镜组向与之前的移动方向相反的第二方向移动；当光学镜组运动过目标焦点后，控制模块23再次控制电机反向转动，使光学镜组向第一方向移动；当光学镜组运动过目标焦点后，控制模块23控制电机反向转动，使光学镜组向第二方向移动；当光学镜组在目标焦点位置的两侧的设定区间内往复运动，且光学镜组在设定区间内的运动时长大于设定时长后，停止电机的工作，此时，光学镜组停在目标焦点上。图像采集装置的供电采用正电源供电，不需采用复杂的负电源供电。

本申请提供的焦点调节装置，结构简单，重复性好，性能稳定，接线少，可在紧凑空间内使用，从而使产品做的更小。另外，在调节焦点的过程中，能够充分消除系统误差，使光学镜组准确地移动焦点上，保证成像的清晰度。

如图5所示，在本申请的一个实施例中，检测模块22包括：角度检测单元221及滤波单元222。

角度检测单元221用于检测电机的输出轴的旋转角度生成角度信号。

滤波单元222用于对角度信号进行滤波降噪处理。

角度检测单元221为电位器，电位器是根据阻值的变化来进行测角的，电位器的阻值的变化通过转变成电压的变化可被采集，通过电压的变化可计算出电机的输出轴角度变化，通过输出轴的角度变化控制移动装置的移动距离。电位器做测量元件，成本低，易安装。滤波单元222对电压值(角度信号)滤波后可降低了噪声，从而降低因噪声而产生的系统误差，即使光学镜组准确地移动焦点上，保证成像的清晰度。

如图6所示，在本申请的一个实施例中，调整模块21包括：距离检测单元211以及调整单元212。

距离检测单元211用于检测当前光学镜组与目标焦点之间的间隔距离。

调整单元212用于根据间隔距离控制光学镜组沿第一方向向目标焦点运动。

距离检测单元211检测光学镜组与目标焦点之间的距离，并发送距离信号，调整单元212根据距离信号确定光学镜组的移动方向以及需要移动的距离，并控制电机的输出轴旋转的方向，从而实现光学镜组的自动调节，从而提高产品的使用舒适度。

本申请第三方面的实施例提供的焦点调节方法，包括如下步骤：

S10，控制电机带动光学镜组沿第一方向向目标焦点运动。

S20，检测电机的输出轴的旋转角度生成角度信号。

S30，根据角度信号判断光学镜组运动过目标焦点位置时，控制电机带动光学镜组沿与第一方向相反的第二方向向目标焦点运动。

S40，根据角度信号判断光学镜组运动过目标焦点位置时，控制电机带动光学镜组沿第一方向向目标焦点运动。

S50，重复上述两个步骤，当光学镜组在目标焦点位置的两侧的设定区间内往复运动，且光学镜组在设定区间内的运动时长大于设定时长后，控制电机停止工作。

控制电机的输出轴旋转的方向，使光学镜组向第一方向移动靠近目标焦点，同时，检测电机的输出轴的旋转角度，根据旋转角度计算出光学镜组的移动距离，由于角度检测装置检测过程中不可避免地会受到电路噪声的影响，导致所测量的移动距离和实际距离之间存在误差，会使光学镜组不能精准地停在目标焦点上，因此，当光学镜组运动过目标焦点后，控制光学镜组向与之前的移动方向相反的第二方向移动。当光学镜组运动过目标焦点后，控制光学镜组向第一方向移动，当光学镜组运动过目标焦点后，控制光学镜组向第二方向移动。当光学镜组在目标焦点位置的两侧的设定区间(设定区间为1μm～20微米)内往复运动，且光学镜组在设定区间内的运动时长大于设定时长(设定时长为2s)后，停止电机的工作，光学镜组停在目标焦点上，从而输出清晰的图像。本申请提供焦点调节方法，操作方便，能够充分消除系统误差，保证成像的清晰度。

在本申请的一个实施例中，步骤S20，检测电机的输出轴的旋转角度生成角度信号具体包括：

S21，检测电机的输出轴的旋转角度生成角度信号。

S22，对角度信号进行滤波降噪处理。

对角度信号滤波后可降低了噪声，从而降低因噪声而产生的系统误差，即使光学镜组准确地移动焦点上，保证成像的清晰度。

在本申请的一个实施例中，步骤S10，控制电机带动光学镜组沿第一方向向目标焦点运动具体包括：

S11，检测当前光学镜组与目标焦点之间的间隔距离。

S12，根据间隔距离控制光学镜组沿第一方向向目标焦点运动。

检测光学镜组与目标焦点之间的距离，并发送距离信号，根据距离信号确定光学镜组的移动方向以及需要移动的距离，并控制电机的输出轴旋转的方向，从而实现光学镜组的自动调节，从而提高产品的使用舒适度。

焦点的确定过程为：调整光学镜位置，用户观察图像清晰度，在图像清晰地情况下，采集当前位置的电位器的数据，经过多次上述操作，采集多个电位器的数据，当多个电位器的数据中，某个数据占据大多数，则记录该值作为焦点的位置信号。在调节加点的过程中，根据需要选择上述中的一个焦点的位置信号作为目标焦点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。在本申请中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。在本申请中，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”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一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种焦点调节装置，其特征在于，包括：

调整模块，所述调整模块用于控制电机带动光学镜组沿第一方向向目标焦点运动；

检测模块，所述检测模块用于检测所述电机的输出轴的旋转角度生成角度信号；以及

控制模块，所述控制模块用于根据所述角度信号判断所述光学镜组运动过所述目标焦点位置时，控制所述电机带所述动光学镜组沿与所述第一方向相反的第二方向向所述目标焦点运动；所述控制模块根据所述角度信号判断所述光学镜组运动过所述目标焦点位置时，控制所述电机带动所述光学镜组沿所述第一方向向所述目标焦点运动；当所述光学镜组在所述目标焦点位置的两侧的设定区间内往复运动，且所述光学镜组在设定区间内的运动时长大于设定时长后，所述控制模块控制所述电机停止工作。

2.根据权利要求1所述的焦点调节装置，其特征在于，

所述检测模块包括：角度检测单元，所述角度检测单元用于检测所述电机的输出轴的旋转角度生成角度信号；以及

滤波单元，所述滤波单元用于对所述角度信号进行滤波降噪处理。

3.根据权利要求1所述的焦点调节装置，其特征在于，

所述调整模块包括：距离检测单元，所述距离检测单元用于检测当前所述光学镜组与所述目标焦点之间的间隔距离；以及

调整单元，所述调整单元用于根据所述间隔距离控制所述光学镜组沿所述第一方向向所述目标焦点运动。

4.一种焦点调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

控制电机带动光学镜组沿第一方向向目标焦点运动；

检测所述电机的输出轴的旋转角度生成角度信号；

根据所述角度信号判断所述光学镜组运动过所述目标焦点位置时，控制所述电机带动所述光学镜组沿与所述第一方向相反的第二方向向所述目标焦点运动；

根据所述角度信号判断所述光学镜组运动过所述目标焦点位置时，控制所述电机带动所述光学镜组沿所述第一方向向所述目标焦点运动；

重复上述两个步骤，当所述光学镜组在所述目标焦点位置的两侧的设定区间内往复运动，且所述光学镜组在设定区间内的运动时长大于设定时长后，控制所述电机停止工作。

5.根据权利要求4所述的焦点调节方法，其特征在于，

所述检测所述电机的输出轴的旋转角度生成角度信号具体包括：

检测所述电机的输出轴的旋转角度生成角度信号；

对所述角度信号进行滤波降噪处理。

6.根据权利要求4所述的焦点调节方法，其特征在于，

所述控制电机带动光学镜组沿第一方向向所述目标焦点运动具体包括：

检测当前所述光学镜组与所述目标焦点之间的间隔距离；

根据所述间隔距离控制所述光学镜组沿所述第一方向向所述目标焦点运动。

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