一種航空相機的檢焦裝置以及檢焦方法與流程
2024-03-27 09:42:05 2
本發明涉及光學檢測領域，特別涉及一種航空相機的檢焦裝置以及該檢焦裝置的檢焦方法。
背景技術：
航空相機在空中成像時，由於溫度、大氣壓力和照相距離的變化會造成離焦的現象，嚴重影響圖像的清晰度和解析度，長焦距相機尤其如此。所以要獲得高清晰度的圖像，就需要相機在拍照前，進行自動檢調焦。目前，航空相機上常用的檢調焦方法為光電自準直式，採用在像面上放置一個光柵作為目標，通過光學系統成像後，再通過一個反射鏡將其反射回到像面上，使用光敏元件接收，通過接收到的能量來判斷焦面。但是，每個焦面位置都需要進行光敏元件反饋電壓值的採集和分析，並根據多個焦面位置的對應電壓值的大小判斷焦面位置從而獲得調焦鏡的移動方向，由於反射鏡擺動速度變化、相機自身姿態控制、飛機姿態變化等原因，多個焦面位置的電壓值可能會受到幹擾，實際電壓值會發生偏離，降低檢焦精度。
技術實現要素：
本發明旨在克服現有技術存在的缺陷，本發明採用以下技術方案：
本發明提供了一種航空相機的檢焦裝置。所述航空相機的檢焦裝置包括：電控箱，CCD傳感器，第一光敏元件，第二光敏元件，分光稜鏡，掃描反射鏡，調焦反射鏡，相機的光學系統，光柵以及光源。所述第一光敏元件設置在所述CCD傳感器的焦面位置後。所述分光稜鏡設置在所述第一光敏元件前方。所述第二光敏元件設置在所述分光稜鏡的左側。地面景物的像經所述掃描反射鏡，所述相機的光學系統和所述調焦反射鏡同時成像在所述第一光敏元件和所述第二光敏元件上。所述電控箱包括相機控制器，調焦控制器和反射鏡控制器。所述相機控制器對調焦控制器和反射鏡控制器發出檢焦指令。所述反射鏡控制器在收到檢焦指令時控制所述掃描反射鏡在垂直光軸附近往復小幅擺動，並根據擺動的位置發出檢焦同步信號給調焦控制器。所述調焦控制器根據所述檢焦指令點亮光源照射光柵，使所述光柵成像在所述第一光敏元件和第二光敏元件上。所述調焦控制器移動調焦反射鏡到一個檢焦位置，根據檢焦同步信號的變化採集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓，然後根據第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓的差值確定最佳焦面位置。
在一些實施例中，所述航空相機的檢焦裝置還包括：散射鏡，所述散射鏡設置於所述光源與所述光柵之間。
在一些實施例中，所述第一光敏元件設置在所述在CCD傳感器的焦面位置後2-4倍焦深的平面上。
在一些實施例中，所述第二光敏元件設置在等光程像面上且位於CCD傳感器的焦面位置前2-4倍焦深的平面上。
在一些實施例中，所述第一光敏元件所在平面到CCD傳感器焦面的距離與第二光敏元件的等光程像面所在平面到CCD傳感器焦面的距離相等。
在一些實施例中，所述分光稜鏡為半反半透的分光稜鏡。
本發明還提供了一種航空相機的檢焦裝置的檢焦方法，所述方法包括以下步驟：
S1，相機控制器對調焦控制器和反射鏡控制器發出檢焦指令；
S2，所述反射鏡控制器在收到檢焦指令時控制掃描反射鏡在垂直光軸附近往復小幅擺動，並根據擺動的位置發出檢焦同步信號給調焦控制器；
S3，所述調焦控制器根據所述檢焦指令點亮光源照亮光柵，使光柵的像成像在第一光敏元件和第二光敏元件上；
S4，所述調焦控制器移動調焦反射鏡到一個檢焦位置，根據檢焦同步信號的變化採集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓並計算所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓的差值；
S5，當所述差值大於一定閾值時，重複步驟S3-步驟S5；當所述差值小於等於一定閾值時，得到最佳的檢焦位置，所述調焦控制器將檢焦結束參數發送給相機控制器；
S6，機控制器接收所述檢焦結束參數，停止發送檢焦指令，結束檢焦。
在一些實施例中，所述步驟S5中，當差值大於一定閾值時，所述調焦控制器驅動調焦反射鏡向差值減小的方向移動。
在一些實施例中，所述調焦控制器驅動調焦反射鏡移動時，先採用第一步進距離，逐個點檢焦，然後判斷各點的第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓值的差值大小；找到差值最小的點後，在該點的第一步進距離範圍內，採用第二步進距離，選擇一個初始點，根據第一光敏元件和第二光敏元件的的峰值電壓的數值，向數值較小的方向移動一個第二步進距離，然後再次成像並判斷第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓值的差值大小，找到差值最小的點；在該點的前後第二步進距離的範圍內，採用第三步進距離，逐點判斷第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓值的差值大小，當峰值電壓的差值小於等於一定閾值時，認為二者的輸出值相同，從而找到最佳焦面位置。
在一些實施例中，所述第一步進距離大於所述第二步進距離，所述第二步進距離大於所述第三步進距離。
本發明的技術效果：本發明公開的航空相機的檢焦裝置與方法，通過使用兩個個光敏元件同時對光柵的像進行處理，外界因素對兩個個光敏元件的峰值電壓的影響相同，可以大大降低對航空相機的姿態控制精度、載機的穩態精度等的要求，從而獲得較高的檢焦精度。
附圖說明
圖1為根據本發明一個實施例的航空相機的檢焦裝置的結構示意圖；
圖2為根據本發明一個實施例的航空相機的檢焦裝置的電控箱的工作原理圖；
圖3為根據本發明一個實施例的航空相機的檢焦裝置的焦面位置與峰值電壓的關係圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及具體實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，而不構成對本發明的限制。
參考圖1並結合圖2所示，是本發明提供的一種航空相機的檢焦裝置100。
所述航空相機的檢焦裝置100包括：電控箱1，CCD傳感器3，第一光敏元件4，第二光敏元件5，分光稜鏡6，掃描反射鏡7，調焦反射鏡8，相機的光學系統9，光柵10以及光源11。所述第一光敏元件4設置在所述CCD傳感器3的焦面位置後。所述分光稜鏡6設置在所述第一光敏元件4前方。所述第二光敏元件5設置在所述分光稜鏡6的左側。地面景物的像經所述掃描反射鏡7，所述相機的光學系統9和所述調焦反射鏡8同時成像在所述第一光敏元件4和所述第二光敏元件5上。所述電控箱1包括相機控制器1-1，調焦控制器1-2和反射鏡控制器1-3。所述相機控制器1-1對調焦控制器1-2和反射鏡控制器1-3發出檢焦指令。所述反射鏡控制器1-3在收到檢焦指令時控制所述掃描反射鏡7在垂直光軸2附近往復小幅擺動，並根據擺動的位置發出檢焦同步信號給調焦控制器1-2。所述調焦控制器1-2根據所述檢焦指令點亮光源11照射光柵12，使所述光柵12成像在所述第一光敏元件4和第二光敏元件5上。具體地，所述光源11照射光柵10，使得光柵10的像經過相機的光學系統9的反射後回到分光稜鏡6上，最終被第一光敏元件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。
所述調焦控制器1-2移動調焦反射鏡8到一個檢焦位置，根據檢焦同步信號的變化採集所述第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓，然後根據第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的差值確定最佳焦面位置。具體地，所述調焦控制器1-2根據第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的差值確定下一個檢焦位置，最終得到最佳的檢焦位置。然後調焦控制器1-2發送給相機控制器1-1檢焦結束參數，相機控制器1-1結束檢焦。
在一些實施例中，參考圖1所示，所述航空相機的檢焦裝置還包括：散射鏡12，所述散射鏡設置於所述光源11與所述光柵10之間，用於將所述光源11的光進行擴散。
在一些實施例中，所述第一光敏元件4設置在所述在CCD傳感器3的焦面位置後2-4倍焦深的平面上。
在一些實施例中，所述第二光敏元件5設置在等光程像面上且位於CCD傳感器3的焦面位置前2-4倍焦深的平面上。
在一些實施例中，所述第一光敏元件4所在平面到CCD傳感器3焦面的距離與第二光敏元件4的等光程像面所在平面到CCD傳感器3焦面的距離相等。
在一些實施例中，所述分光稜鏡6為半反半透的分光稜鏡。
本發明還提供了一種航空相機的檢焦裝置的檢焦方法，所述方法包括以下步驟：
S1，相機控制器對調焦控制器和反射鏡控制器發出檢焦指令；
S2，所述反射鏡控制器在收到檢焦指令時控制掃描反射鏡在垂直光軸附近往復小幅擺動，並根據擺動的位置發出檢焦同步信號給調焦控制器；
S3，所述調焦控制器根據所述檢焦指令點亮光源照亮光柵，使光柵的像成像在第一光敏元件和第二光敏元件上；
S4，所述調焦控制器移動調焦反射鏡到一個檢焦位置，根據檢焦同步信號的變化採集所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓並計算所述第一光敏元件和第二光敏元件的峰值電壓的差值；
S5，當所述差值大於一定閾值時，重複步驟S3-步驟S5；當所述差值小於等於一定閾值時，得到最佳的檢焦位置，所述調焦控制器將檢焦結束參數發送給相機控制器；
S6，機控制器接收所述檢焦結束參數，停止發送檢焦指令，結束檢焦。
下面參考圖3，為根據本發明一個實施例的航空相機的檢焦裝置的焦面位置與峰值電壓的關係圖。圖中橫坐標為焦面位置，縱坐標為檢焦峰值電壓。聚焦時，光柵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，兩個光敏元件的峰值電壓值二者相同或小於等於一定閾值。此時CCD傳感器3接收的景物圖像最清晰。
離焦時第一光敏元件4和第二光敏元件5中的一個更靠近最佳像面位置，光柵的圖像更清晰，光敏元件的峰值電壓值較大；而另一個光敏元件遠離最佳像面位置，圖像更模糊，光敏元件的峰值電壓值較小。
檢焦時反射鏡控制器1-3控制掃描反射鏡7在垂直光軸2的附近小幅往復擺動，調焦控制器1-2驅動調焦反射鏡8移動，於是就可以得到各個位置所對應的第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓，當第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓值不同時，計算此差值，調焦控制器1-2驅動調焦反射鏡8向差值減小的方向移動，最終使得差值小於一定閾值，二者的輸出值相同，從而找到最佳焦面位置。
自準直檢焦時，採用光敏元件針對光柵進行多個焦面位置的成像，通過對光敏元件的峰值電壓的數值進行處理，找到峰值電壓的極大值所對應的圖像的焦面位置，作為最佳的成像焦面。而航空相機由於載機的持續運動，反射鏡的速度誤差、相機的姿態控制誤差等，會導致光敏元件的峰值電壓的數值產生一定的誤差，即在不同的焦面位置時，由於外界因素的影響，會影響光敏元件的峰值電壓數值，從而影響檢焦精度。因此需要設計一種方法用於減小外界因素多帶來的檢焦誤差，所以設計檢焦系統使用2個光敏元件，採用半反半透稜鏡進行分光，並將2個光敏元件放在不同的焦面位置上，這樣可以確保2個光敏元件同時對光柵的像進行處理，外界因素對2個光敏元件的峰值電壓的影響相同，可以大大降低對航空相機的姿態控制精度、載機的穩態精度等的要求。
在一些實施例中，所述調焦控制器1-2驅動調焦反射鏡8移動時，先採用第一步進距離，逐個點檢焦，然後判斷各點的第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓值的差值大小；找到差值最小的點後，在該點的第一步進距離範圍內，採用第二步進距離，選擇一個初始點，根據第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的數值，向數值較小的方向移動一個第二步進距離，然後再次成像並判斷第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓值的差值大小，找到差值最小的點；在該點的前後第二步進距離的範圍內，採用第三步進距離，逐點判斷第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓值的差值大小，當峰值電壓的差值小於等於一定閾值時，認為二者的輸出值相同，從而找到最佳焦面位置。所述第一步進距離大於所述第二步進距離，所述第二步進距離大於所述第三步進距離。
實施例1：
調焦控制器1-2選用美國德州儀器公司(TI)數位訊號處理器(TMS320F2812)作為主控制器，它具有高速運算能力和面向電機的高效控制能力，其特點為：50MHz工作頻率、32位數據線、18kRAM、128kFLASH、16通道PWM、3個定時器、2個全雙工SCI串口。調焦控制器與相機控制器通過RS-422串口交換數據，選用DS26C31和DS26C32作為RS-422串行通訊接口晶片。
調焦控制器1-2根據相機控制器1-1發來的指令進行檢焦，驅動調焦反射鏡8到指定焦面位置，在接收到反射鏡控制器1-3工作在小幅擺動狀態時，控制第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的採集和處理，分析該峰值電壓的數值，根據該數值進行下一個焦面位置的移動，並判斷檢焦是否結束，然後返回給相機控制器檢焦好參數。
相機控制器1-1同樣選用美國德州儀器公司(TI)的TMS320F2812作為主控制器。選用DS26C31和DS26C32作為RS-422串行通訊接口晶片，與調焦控制器1-2、反射鏡控制器1-3進行串口通訊。相機控制器1-1作為主控制器，統一發送檢焦指令給調焦控制器1-2、反射鏡控制器1-3。
反射鏡控制器1-3同樣選用美國德州儀器公司(TI)的TMS320F2812作為主控制器。選用DS26C31和DS26C32作為RS-422串行通訊接口晶片，反射鏡控制器1-3在接收到相機控制器1-1的檢焦指令後，控制掃描反射鏡7工作在檢焦狀態，即在在垂直光軸2附近小幅往復擺動。
CCD傳感器3採用線陣TDICCD傳感器，為4096像元，200級級數，像元尺寸8微米，光學系統焦距600mm，光圈5.6,可見光波段成像。選取的第一光敏元件4和第二光敏元件5的感光面積100mm2，光柵10的空間解析度5lp/mm，第一光敏元件4和第二光敏元件5分布在CCD傳感器3上下各2倍焦深，即0.14mm的位置上。首先選擇步進距離為0.4mm，在整個調焦範圍內±2.5mm內檢焦，找到第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的差值最小點所對應的焦面位置。然後再採用0.1mm的步進距離，並向第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的差值減小的方向移動焦面位置，直到差值小於一定數值。然後再採用0.03mm的步進距離，找到第一光敏元件4和第二光敏元件5的峰值電壓的差值最小時的焦面位置，作為最佳焦面位置。
本發明的技術效果：本發明公開的航空相機的檢焦裝置與方法，通過使用兩個個光敏元件同時對光柵的像進行處理，外界因素對兩個個光敏元件的峰值電壓的影響相同，可以大大降低對航空相機的姿態控制精度、載機的穩態精度等的要求，從而獲得較高的檢焦精度。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」、「軸向」、「徑向」、「周向」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係，除非另有明確的限定。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵「上」或「下」可以是第一和第二特徵直接接觸，或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」可是第一特徵在第二特徵正上方或斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」可以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
以上所述本發明的具體實施方式，並不構成對本發明保護範圍的限定。任何根據本發明的技術構思所作出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發明權利要求的保護範圍內。