1引言

自动检调焦技术是70年代以后发展起来的最为活跃的现代照相技术领域之一,特别是微电子学工艺突破性的技术发展,为自动检调焦技术的发展创造了极为有利的条件。透镜分离相位检焦方法已经为canon等公司生产的数码相机所普遍采用,整个系统调焦精度高。光电经纬仪在对目标进行跟踪测量过程中,目标与设备的相对距离不断地发生变化,因而造成目标像面的离焦,影响了成像质量。现在诸多经纬仪是由雷达或激光测距机送来的距离信息电压来控制调焦机构自动调焦的。相位法自动检调焦技术根据检测像的偏移量实现自动调焦,其在经纬仪中的应用使被测目标自动清晰成像,使经纬仪的自动化功能更加完善。

2相位法自动检调焦技术在经纬仪中的应用

经纬仪自动调焦系统[1],系采用放置在望远光路中的准直镜进行自动调焦:当目标在无穷远位置时,准直镜做调焦元件是将其前焦点置于望远系统的第一焦面上,而当目标是在有限距离时,目标像面就离开第一焦面,只要将准直物镜沿轴线移动,使其前焦点离开第一焦面而落在目标像面上,此时目标光线经过准直物镜变成平行光,然后经过变倍物镜成像于第二像面,准直镜前焦点离开目标像面的距离,反映在第二像面上就是离焦量。由此可见,准直物镜移动只要前焦点落在目标像面上,后面为平行光对后面的光路无影响。

通过准直镜头的光束经平面反射镜反射后进入自动检焦系统。为方便起见,不考虑平面反射镜。通过准直镜头的光束经双分离透镜后被分成两个部分,在CCD传感器上成像。光束成像后对比度最高的地方称为像的脉冲,或称相位,像的脉冲间距叫做相位差。当调焦准确时,经过分离镜片生成的两束光线投影在CCD上的距离是一定的,作为焦点检测的基准。用AB来表示作为CCD上两光斑的位置的基准。当调焦不准时,有两种可能性。一种是准直镜前焦点在目标像面之前。此时受光的CCD上两光斑的位置之间的距离短于AB;另一种情况是准直镜前焦点在目标像面之后,此时受光的CCD上两光斑的位置之间的距离长于AB,根据受光的CCD上光斑的位置之间的距离,就能鉴别出焦点是否准确。只要测出这个偏移量,就能检测出焦点的偏离状态。根据CCD上两光斑的位置的距离与AB的差值,即检测相位差的变化量,经过转换电路和模拟/数字转换电路,再送入系统的CPU中央处理单元,CPU按照设定的程序,可计算出准直镜前焦点离开第一像面的距离,以及散焦[2]方向。准直镜的移动量就是根据这种相位差的变化量来确定相应的电压信号,按一定的函数关系,由一套系统自动控制的。

3光学系统ZEMAX模拟分析及结果[3]

经纬仪的自动调焦精度指当输入准直镜前焦点离开目标像面的距离信号时,伺服系统调整后,反映在第二像面上就是离焦量,这样调焦精度取决于第一像面的焦深,Δd可按下公式计算Δd=±4λf20/D20(λ为光波波长;f0为第一像面的焦距;D0为入瞳孔径)Δd一般在0.14左右,调焦精度取其1/5左右,0.0220.03mm。通过简单的计算,选择合适的镜头数据,可以满足整个检焦系统的景深[4]在望远物镜的一半焦深范围之内的精度要求。

利用ZEMAX进行系统的性能仿真,下面是—经纬仪准直物镜和双分离透镜部分仿真(如图2,图中省略望远物镜采用理想镜头进行设计),取镜头参数满足自动调焦精度条件,假设点光源在准直物镜的前焦点上,经理想镜头后,CCD传感器上的spot diagram,移动点光源在望远系统的前后焦深范围边缘,CCD传感器上的spot diagram为一个像素,如图3、图4仿真证明满足精度要求。

在焦点附近放置点光源,移动照亮的±2°视场大小的物体,观察spot diagram质心的变化量作为CCD输出信号之间相位差获得像的相对偏移量,输入MATLAB,如图5所示,由于利用理想透镜参数进行仿真,所以光路近为近轴光学,结果近似为一条直线,但是实际情况由于像差和制造误差的影响实际情况会有所不同。不同的双分离透镜参数对应不同的关系曲线,从而可以根据需求和实际制造要求,选择合适双分离透镜参数满足不同的调焦精度要求,图中所示曲线1代表F数为8,焦距为140mm的双分离透镜,随着焦距的增大,曲线靠近Y轴,反之,则远离。

在实际信号中[5],还有许多的噪声叠加在信号上(AF系统所成光学像必须含有20至50左右像素,像素过少的话,在离焦较大时会影响AF光学像的变位运算处理),根据CCD图像传感器对图像强度分布信息进行处理:目前比较常用的CCD像点位置提取算法有相关法[6]、曲线拟合法和重心法,均可达到亚像元分辨率。实际应用中,主要根据计算量及精度要求来选择软件细分算法。

4总结

经纬仪中相位法自动检调焦系统所能达到的精度根据系统所选器件参数以及制造技术的不同而有所不同,对于检焦系统景深满足望远系统焦深范围内条件的调焦系统基本上能达到上面提到的精度要求。本文就相位法自动检调焦技术在经纬仪中的应用提供了理论研究,随着CCD面阵传感器提取精度的提高,通过双分离透镜参数的合理设置以及实验装置的可行化,为经纬仪自动检调焦功能的实用化提供了基础。

摘自：中国计量测控网