CN113376784B - 一种连续变焦镜头全温度段清晰点的机电主动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热像仪光学系统技术领域，具体涉及一种连续变焦镜头全温度段清晰点的机电主动补偿方法。包括：S1、确定理论清晰点分布范围，并设计小范围一键聚焦；S2、标定对应温度档数据，并依据温度采用一条曲线逼近两条标定的非线性曲线；S3、在伺服控制单元接收到跟焦指令、设置预置位指令、自身温度变化大时，开启小范围一键聚焦自补偿清晰点位置。本发明基于精准伺服控制，采用机电补偿方式，保证温度敏感的大倍率或低成本红外镜头始终停留在清晰点位置。保证连续变焦镜头在全温度段的正常使用。

Description

一种连续变焦镜头全温度段清晰点的机电主动补偿方法

技术领域

本发明属于热像仪光学系统技术领域，具体涉及一种连续变焦镜头全温度段清晰点的机电主动补偿方法。

背景技术

在红外连续变焦镜头中，由于红外或其他光学材料的折射率的温度变化系数较大，光学设计上需要设计不同温度下的光路。各焦距段温度对应的光学调焦量理论曲线所图1所示。理论上在镜头观看更小视场时，必须设计斜率更大的变化曲线。对应的图像远景在更大焦距处，图像的清晰点会受温度影响极易产生变化。

目前业内常规连续变焦镜头在10℃左右时，折射率对温度变化敏感。更长焦距的镜头必须采用光学被动式、机电主动式、机械被动式补偿图像清晰点的温度变化。但光学被动式需要专门的光学镜片，加工成本高且设计复杂。不利于低成本设计。机械被动式通过机械记忆合金补偿温度引入的变化，但这种添加机械件的方法精度差且使得镜头难以做到小型化；机电主动式补偿主动灵活，但设计与调试难度大。

发明内容

为了克服背景技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种连续变焦镜头全温度段清晰点的机电主动补偿方法。此方法通过伺服电机，依据温度档与温度差值自动跟踪清晰点。自动逼近的清晰点加一种小范围一键聚焦方法解决红外变焦镜头的温敏问题。可确保在镜头跟焦过程、设置变倍位置、静止时温差大等场景下，准确跟踪并自适应图像清晰点。

本发明所述的连续变焦镜头，包括：第一部分为带光学图像探测器的镜头机芯，此部分将光学图像信号转换为电学图像信号；第二部分为聚焦镜组,包括电机和电位计，电位计码值称为调焦电位码值，对应电机旋转的行程位置，此部分可调整不同温度段的聚焦清晰点；第三部分为变倍镜组，包括电机和电位计，电位计码值称为变倍电位码值，对应电机旋转的行程位置，此部分可调整不同视场的变倍位置；第四部分为温传板，此部分感知环境温度；第五部分为伺服控制单元，此部分控制电机动作。

一种连续变焦镜头全温度段清晰点的机电主动补偿方法，其包括以下步骤：

S1、依据结构曲线槽公式，计算不同温度下的调焦电位码值和变倍电位码值，获得理论温度曲线；

S2、由于结构与工艺上的安装偏差，对上述理论温度曲线进行标定，获得两条标定的实测温度曲线；

S3、首先依据变倍位置确定focus1与focus2的码值，然后用公式(1)计算当前温度对应的码值focusN：

temp N＝(theta*Index-zero+theta)*focus1-(theta*Index-zero)*focus2；

其中，theta对应温度档差值；zero对应初始零点温度；Index对应温度表的索引值；focus1对应比当前温度低的曲线；focus2对应比当前温度高的曲线；当前温度为temp；tempN为标定的第N个温度；

聚焦镜组前进至对应位置；

S4：因调焦码值不一定是真正意义上的最佳图像清晰点，启用自动聚焦：基于0.99*最大锐度值与最小范围点的左右边界搜索最佳清晰点；最后停留至最佳清晰点。

本发明的有益效果：基于精准伺服控制，采用机电补偿方式，保证温度敏感的大倍率或低成本红外镜头始终停留在清晰点位置。保证连续变焦镜头在全温度段的正常使用。

为更清楚的阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

附图说明

图1是光学调焦理论曲线；

图2是连续变焦镜头；

图3是基于结构曲线槽的位置码值理论曲线；

图4是实际标定与逼近的温度档曲线；

图5是小范围聚焦的原理示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图2所示，整体为连续变焦镜头自身。其中，第一部分为带光学图像探测器的镜头机芯，此部分将光学图像信号转换为电学图像信号；第二部分为聚焦镜组的电机，此部分可调整不同温度段的聚焦清晰点；第三部分为变倍镜组的电机，此部分可调整不同视场的变倍位置；第四部分为温传板，此部分感知环境温度；第五部分为伺服控制单元，此部分控制电机动作。

本发明的全温度段的清晰点自适应的机电补偿方法，其包括以下步骤：

S1、确定理论清晰点分布范围，并设计小范围一键聚焦；

S2、标定对应温度档数据，并依据温度采用一条曲线逼近两条标定的非线性曲线；

S3、在伺服控制单元接收到跟焦指令、设置预置位指令、自身温度变化大时，开启小范围一键聚焦自补偿清晰点位置。

依据S1，依据光学理论公式对档位进行划分。如图3所示，依据结构曲线槽公式，得出电机控制位置码值的理论温度曲线。

依据S2，实际标定的清晰点，由于结构与工艺上的安装偏差，标定与逼近的实际温度档曲线如图4所示。其中，23℃采用20℃与30℃的曲线进行逼近。由图知，中间温度越靠近实际边沿曲线，曲线趋势越接近对应的实际边沿曲线。

中间温度的曲线focusN的计算公式采用式1进行逼近。其中theta对应温度档差值；zero对应初始零点温度；Index对应温度表的索引值；focus1对应比当前温度低的曲线；focus2对应比当前温度高的曲线；当前温度为temp。tempN为标定的第N个温度，focusN是该温度对应聚焦点位置。

temp N＝(theta*Index-zero+theta)*focus1-(theta*Index-zero)*focus2；

例如：index索引号为33，zero为-40，theta为2。Focus1为1528，focus2为1531，实际温度为25。计算的参考值focusN为1529。

依据S3，接收到跟焦、设置预置位命令或自身温度变化大于3℃时，首先依据变倍位置确定focus1与focus2的码值，然后用公式(1)计算当前温度对应的码值focusN。聚焦镜组前进至对应位置。

因调焦码值不一定是真正意义上的最佳图像清晰点，故还需启用自动聚焦在小范围调整。自动聚焦的具体流程如图5所示。基于0.99*最大锐度值与最小范围点的左右边界搜索最佳清晰点；最后停留至最佳清晰点。

由于计算的图像锐度值可能出现抖动，此时纯锐度值并不可靠，必须将最小范围超出清晰点的码值范围。本发明中，最小范围点取20。小范围聚焦不能聚焦范围太大，故限制的最大聚焦范围点取100。故实际搜索界限在搜索区域内的某个位置。

上述步骤S2中，光学清晰点标定方法，其包括以下步骤：

S1)、准备温度环境，连续变焦镜头在准备的温度环境下，对准至远景的丰富场景；

S2)、改变环境温度，设备选择自动标定模式，开始标定；

S3)、变倍镜组电机基于焦距或行程，单步前进；

S4)、前进至指定视场位置，聚焦镜组电机遍历-40℃～60℃的清晰点范围，基于机芯下发的图像锐度值并记录锐度值最大的最佳清晰点的位置。

S5)、聚焦镜组遍历结束后，变倍镜组电机前进至下一步视场位置。重复S3)-S4)，至变倍镜组电机遍历所有的视场范围。

S6)、全程标定结束，将记录的清晰点数组存至FLASH中，此时，控制变倍镜组电机控制镜头，将视场停留至最大视场的清晰点位置。

更具体地论述如下：

依据S1)，准备温度环境。将镜头置于带锗窗的高低温箱中，锗窗对准远景。

依据S2)，标定过程中，环境温度分为8档。温度对应-40℃、-25℃、-10℃、5℃、20℃、35℃、50℃、65℃。每个温度档在指定温度附近均必须标一次，自动标定共8次。

依据S3)，变倍镜组电机选择变倍码值697作为位置起点，步长43作为单步前进距离。

依据S4)，电机运动并遍历清晰点范围过程中，实时记录固定视场下的全局最大图像锐度值。在遍历全视场过程中，最大图像锐度值对应的位置在固定视场下会实时更新，最大锐度值对应的位置会作为最佳清晰点位置存储。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种在电机运动控制过程中，基于图像最大锐度值的全温度段自清晰红外连续变焦镜头。基于特定的标定逼近曲线，在保证数值可靠的前提下，采用机电主动补偿方式完成全温度段的自适应。此发明可有效解决连续变焦镜头的温漂问题，新的逼近方法+小范围一键聚焦不影响客户的感官体验。解决业内大倍率或低成本红外镜头的温度敏感问题。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种连续变焦镜头全温度段清晰点的机电主动补偿方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、依据结构曲线槽公式，计算不同温度下的调焦电位码值和变倍电位码值，获得理论温度曲线；

S2、由于结构与工艺上的安装偏差，对上述理论温度曲线进行标定，获得两条标定的实测温度曲线；

S3、首先依据变倍位置确定focus1与focus2的码值，然后用如下公式计算当前温度对应的码值focusN：

tempN＝(theta*Index-zero+theta)*focus1-(theta*Index-zero)*focus2；

；

其中，theta对应温度档差值；zero对应初始零点温度；Index对应温度表的索引值；focus1对应比当前温度低的曲线；focus2对应比当前温度高的曲线；当前温度为temp；tempN为标定的第N个温度；

聚焦镜组前进至对应位置；

S4：因调焦码值不一定是真正意义上的最佳图像清晰点，启用自动聚焦。

2.根据权利要求1所述的机电主动补偿方法，其特征在于，S4自动聚焦过程中，基于0.99*最大锐度值与最小范围点的左右边界搜索最佳清晰点；最后停留至最佳清晰点。

3.根据权利要求1所述的机电主动补偿方法，其特征在于，上述步骤S2中标定方法，包括以下步骤：

S1)、准备温度环境，连续变焦镜头在准备的温度环境下，对准至远景的丰富场景；

S2)、改变环境温度，设备选择自动标定模式，开始标定；

S3)、变倍镜组电机基于焦距或行程，单步前进；

S4)、前进至指定视场位置，聚焦镜组电机遍历-40℃～60℃的清晰点范围，基于机芯下发的图像锐度值并记录锐度值最大的最佳清晰点的位置；

S5)、聚焦镜组遍历结束后，变倍镜组电机前进至下一步视场位置，重复S3-S4，至变倍镜组电机遍历所有的视场范围；

S6)、全程标定结束，将记录的清晰点数组存至FLASH中，此时，控制变倍镜组电机控制镜头，将视场停留至最大视场的清晰点位置。

4.根据权利要求3所述的机电主动补偿方法，其特征在于，依据S1)，准备温度环境，将镜头置于带锗窗的高低温箱中，锗窗对准远景。

5.根据权利要求3所述的机电主动补偿方法，其特征在于，依据S2)，标定过程中，环境温度分为8档，温度对应-40℃、-25℃、-10℃、5℃、20℃、35℃、50℃、65℃，每个温度档在指定温度附近均标一次，自动标定共8次。

6.根据权利要求3所述的机电主动补偿方法，其特征在于，依据S3)，变倍镜组电机选择变倍码值697作为位置起点，步长43作为单步前进距离。

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