一种航空相机的快速检焦装置及检焦方法
阅读说明：本技术 一种航空相机的快速检焦装置及检焦方法 (Rapid focus detection device and method for aerial camera ) 是由 陈志超 丁亚林 张洪文 匡海鹏 刘学吉 刘志明 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：一种航空相机的快速检焦装置及检焦方法,涉及航空相机测量与成像技术领域,解决现有的检焦方法存在检焦精度低的问题,扫描反射镜垂直于光轴,所述相机控制器向调焦控制器和反射镜控制器发送检焦指令,所述调焦控制器驱动调焦反射镜至调焦初始位置,反射镜控制扫描反射镜摆动；所述照明光源发出的光通过散射镜照亮发射方细密光栅A1和稀疏光栅B1,作为目标；所述目标通过依次调焦反射镜、镜头以及扫描反射镜反射后,再沿原路返回经所述调焦反射镜反射,经接收方的细密光栅A2和稀疏光栅B2后在对应的光敏元件上成像；调焦控制器用于接收两个光敏元件的电压,获得电压的峰值,用于检焦分析。本发明可以在保证检焦精度的同时还具有较短的检焦时间。(A rapid focus detection device and a focus detection method of an aerial camera relate to the technical field of aerial camera measurement and imaging, and solve the problem that the existing focus detection method is low in focus detection precision; the light emitted by the illumination light source illuminates an emission square fine grating A1 and a sparse grating B1 through a scattering mirror to serve as targets; the target is reflected by a focusing reflector, a lens and a scanning reflector in sequence, then returns along the original path, is reflected by the focusing reflector, and is imaged on a corresponding photosensitive element after passing through a fine grating A2 and a sparse grating B2 of a receiver; the focusing controller is used for receiving the voltages of the two photosensitive elements, obtaining the peak value of the voltage and being used for focus detection analysis. The invention can ensure the focus detection precision and has shorter focus detection time.)
技术领域
本发明涉及航空相机测量与成像技术领域，具体涉及一种航空相机的快检焦装置及方法。
背景技术
航空相机在空中成像时，由于温度、大气压力和照相距离的变化会造成离焦的现象，严重影响图像的清晰度和分辨率，长焦距相机尤其如此。所以要获得高清晰度的图像，就需要相机在拍照前，进行自动检调焦。目前，航空相机上常用的检调焦方法为光电自准直式，采用在像面上放置一个光栅作为目标，通过光学系统成像后，再通过一个反射镜将其反射回到像面上，使用光敏元件接收，通过接收到的能量来判断焦面。但是，该方法只有将整个检焦范围都逐个走到，才能判断检焦的最佳位置，所以会耗费较多的时间。
结合图1，传统的检焦方法为光电自准直式方法，具体检焦系统包括光敏元件1、检焦灯2、散射镜3、接收方光栅4、发射方光栅5、调焦反射镜6、镜头7和扫描反射镜8；在CCD像面位置上放置发射方光栅5作为目标，通过光学系统成像(检焦灯2的光源经散射镜3后照射发射方光栅5，目标通过调焦反射镜6、镜头7以及扫描反射镜后沿原路返回)后，再通过一个调焦反射镜6将其反射回到像面上，使用像面上的光敏元件1接收，通过接收到的能量来判断焦面。在整个检焦范围内，先分成大的步进距离，逐个点检焦，然后判断最大值点；找到最大值点后，在最大值前后的大步进距离范围内，再分成中等的步进距离，逐个点检焦，再找到最大值点；如果要求精度高，还要进一步重复上述步骤，找到最大值点，作为最佳像面位置。
根据光学系统的特性，光栅的空间分辨率不同时，对应的焦深也会发生变化。当光栅的空间分辨率接近光学系统的奈奎斯特频率时，检焦系统的焦深与光学系统基本相同；当光栅的空间分辨率远小于光学系统的奈奎斯特频率时，检焦系统的焦深会远大于光学系统的焦深，导致检焦精度下降。但是同时能量会提高，并且在更大范围内会有明显的传函变化，容易在较大范围内进行焦面位置的识别。
发明内容
本发明为解决现有的检焦方法存在检焦精度低的问题，提供一种航空相机的快速检焦装置及检焦方法。
一种航空相机的快速检焦装置，包括电控单元和结构单元，所述电控单元包括相机控制器、调焦控制器以及反射镜控制器；所述结构单元包括扫描反射镜、镜头、照明光源、散射镜、调焦反射镜以及光敏元件；还包括发射方的细密光栅A1和稀疏光栅B1以及接收方细密光栅A2和稀疏光栅B2；
所述扫描反射镜垂直于光轴，所述相机控制器向调焦控制器和反射镜控制器发送检焦指令，所述调焦控制器驱动调焦反射镜至调焦初始位置，反射镜控制扫描反射镜摆动；所述照明光源发出的光通过散射镜照亮发射方细密光栅A1和稀疏光栅B1，作为目标；
所述目标通过依次调焦反射镜、镜头以及扫描反射镜反射后，再沿原路返回经所述调焦反射镜反射，经接收方的细密光栅A2和稀疏光栅B2后在对应的光敏元件上成像；
所述调焦控制器用于接收两个光敏元件的电压，获得电压的峰值，用于检焦分析。
一种航空相机的快速检焦方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、点亮照明光源，在CCD像面上放置发射方的细密光栅A1和稀疏光栅B1以及接收方的细密光栅A2和稀疏光栅B2；所述相机控制器向调焦控制器和反射镜控制器发送检焦指令，所述调焦控制器驱动调焦反射镜至调焦初始位置，反射镜控制器控制扫描反射镜沿垂直于光轴扫描方向前后摆动；
步骤二、所述照明光源发出的光通过散射镜同时照亮发射方的两组分辨率不同的光栅，然后通过调焦反射镜、镜头，再经过扫描反射镜的反射，再沿原路通过所述镜头和调焦反射镜后，经接收方的细密光栅A2和稀疏光栅B2成像在对应的光敏元件上；
步骤三、所述调焦控制器接收对应光敏元件的电压，获得电压的峰值，用于焦面分析；
在所述检焦过程中，接收方的细密光栅A2和稀疏光栅B2同时检焦，在粗检焦时，采用大步距，采用稀疏光栅B2的光电池电压作为判断依据，确定粗检焦的最大值；在细检焦时，采用小步距，采用细密光栅A2的光电池电压作为判断依据，在最佳焦面位置附近的小范围内找到电压的峰值点，确定最佳焦面位置。
本发明的有益效果：
本发明所述的自动检焦的方法，该方法能够获得航空相机的较高的检焦精度和较短的检焦时间。原方法主要采用稀疏光栅或细密光栅中的一种，只采用稀疏光栅时，精度相对较低；只采用细密光栅时，只能采用小步长检焦，精度高但用时会较长。因此该方法可以在保证检焦精度的同时还具有较短的检焦时间。
附图说明
图1为现有检焦原理图。
图2为本发明所述的一种航空相机的快速检焦装置的原理图。
图3为检焦峰值信号示意图；其中，(a)为合焦状态调制信号示意图，(b)为离焦状态调制信号示意图。
图4为焦面位置与峰值电压的关系示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图2说明本实施方式，一种航空相机的快速检焦装置，包括电控单元和结构单元，所述电控单元包括相机控制器、调焦控制器以及反射镜控制器；所述结构单元包括扫描反射镜8、镜头7、照明光源9、散射镜3、调焦反射镜6、两个光敏元件C以及发射方的细密光栅A1和稀疏光栅B1以及接收方的细密光栅A2和稀疏光栅B2；
所述扫描反射镜8垂直于光轴，所述相机控制器向调焦控制器和反射镜控制器发送检焦指令，所述调焦控制器驱动调焦反射镜至调焦初始位置，反射镜控制扫描反射镜8摆动；所述照明光源9发出的光通过散射镜3照亮发射方细密光栅A1和稀疏光栅B1，作为目标；
所述目标依次通过调焦反射镜6、镜头7以及扫描反射镜8反射后，再沿原路返回经所述调焦反射镜6反射，经接收方的细密光栅A2和稀疏光栅B2后在对应的光敏元件C上成像；
所述调焦控制器用于接收两个光敏元件C的电压，经过滤波、保持采样，获得电压的峰值，用于检焦分析。
本实施方式中，照明光源照明发射方的细密光栅A1和稀疏光栅B1的一侧，光栅的像经调焦反射镜6、镜头7和扫描反射镜8，再经原路返回，成像在CCD像面上，像面上对应的位置放置光敏元件，接收光栅的像。合焦时光栅的像正好和光栅重合，此时光敏元件接收的光能量最大，输出信号最大，离焦时，光栅的像和光栅不重合，因此通过光栅的光能量小，光敏元件输出的信号小。检焦时控制反射镜在垂直光轴的位置上作小幅摆动，于是光电器件输出的信号是一个调制信号，如图3所示，(a)为合焦状态调制信号很大，(b)为离焦状态调制信号很小。
根据以上特性，本实施方式中，采用在发射方和接收方均采用两个分辨率不同的光栅，细密光栅的空间分辨率为奈奎斯特频率，稀疏光栅的空间分辨率为奈奎斯特频率的1/6～1/4，然后在接收方采用2个光敏元件进行对应光栅像的接收。检焦时，两组光敏元件同时工作，根据稀疏光栅的电压变化迅速找到最佳焦面附近的位置，然后在最佳焦面位置附近根据细密光栅的电压变化进行精细检焦，如图4所示，找到最佳焦面位置，确保检焦精度满足要求。
本实施方式中，所述镜头7、发射方细密光栅A1和稀疏光栅B1、接收方细密光栅A2和稀疏光栅B2、两个光敏元件C均垂直于光轴方向。扫描反射镜8在垂直于光轴方向做小幅摆动。(图2中点划线为光轴)。
本实施方式所述的调焦控制器选用美国德州仪器公司(TI)数字信号处理器(TMS320F2812)作为主控制器，它具有高速运算能力和面向电机的高效控制能力，其特点为：50MHz工作频率、32位数据线、18kRAM、128kFLASH、16通道PWM、3个定时器、2个全双工SCI串口。调焦控制器与相机控制器和CCD数据采集系统之间通过RS-422串口交换数据，选用DS26C31和DS26C32作为RS-422串行通讯接口芯片。
所述相机控制器同样选用美国德州仪器公司(TI)的TMS320F2812作为主控制器。选用DS26C31和DS26C32作为RS-422串行通讯接口芯片，与检调焦控制器、反射镜控制器、CCD数据采集系统进行串口通讯。
所述反射镜控制器同样选用美国德州仪器公司(TI)的TMS320F2812作为主控制器。选用DS26C31和DS26C32作为RS-422串行通讯接口芯片，与相机控制器进行串口通讯。反射镜控制器收到相机控制器发送的检焦指令后，转动反射镜到检焦位置，使照明光源发出的光反射到CCD上。
具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的一种航空相机的快速检焦装置的检焦方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、点亮照明光源，在CCD像面上放置两组光栅；所述相机控制器向调焦控制器和反射镜控制器发送检焦指令，所述调焦控制器驱动调焦反射镜至调焦初始位置，反射镜控制器控制扫描反射镜沿垂直于光轴扫描方向前后摆动；
步骤二、所述照明光源发出的光通过散射镜同时照亮发射方的两组分辨率不同的光栅，然后通过调焦反射镜、镜头，再经过扫描反射镜的反射，再沿原路通过所述镜头和调焦反射镜后，经接收方的两组光栅成像在对应的光敏元件上；
步骤三、所述调焦控制器接收对应光敏元件的电压，获得电压的峰值，用于焦面分析；
在所述检焦过程中，接收方的两组光栅同时检焦，在粗检焦时，采用大步距(2-5倍焦深的距离)，采用稀疏光栅的光电池电压作为判断依据，确定粗检焦的最大值；在细检焦时，采用小步距(0.2-0.5倍焦深的距离)，采用细密光栅的光电池电压作为判断依据，在最佳焦面位置附近1倍焦深的小范围内找到电压的峰值点，确定最佳焦面位置。
本实施方式中，在所述CCD像面位置上放置的发射方细密光栅A1和稀疏光栅B1、接收方细密光栅A2和稀疏光栅B2，所述细密光栅A1和细密光栅A2的空间分辨率为奈奎斯特频率50lp/mm，稀疏光栅B1和稀疏光栅B2的空间分辨率为奈奎斯特频率的1/5,即10lp/mm。检焦时，发射方的细密光栅A2和稀疏光栅B2光栅同时检焦，在粗检焦时，采用大步距，采用稀疏光栅B2的光电池电压作为判断依据，很容易找到粗检焦的最大值；之后在细检焦时，采用小步距，采用细密光栅A2的光电池电压作为判断依据，可以在最佳焦面位置附近的小范围内找到峰值点，检焦精度能够得到保证，同时又采用了较短的检焦时间。
本实施方式中，以某型航空相机的调焦系统说明该方法的具体实现。该相机采用面阵CCD成像，光学系统焦距550mm，光圈5.6，探测器的CCD像元尺寸为10um，因此系统的奈奎斯特频率为50lp/mm，可见光波段成像，光谱范围480nm～546nm～680nm，典型波长λ为546nm，所以光学系统的焦深Δ为
Δ＝4F2λ＝4×5.62×546×10-6mm＝0.068mm
根据光学系统的性质，在焦深范围内，像质不改变，若离焦超过半焦深，会使成像质量显著变坏。所以需要检焦的精度不能超过半焦深。即误差为±0.034mm。
外界条件，如温度、压力的变化会导致离焦，根据光学系统给出的离焦量的范围，考虑到结构设计的余量，调焦的总行程为±2.0mm。
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