一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)及其調(diào)焦方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)，包括中焦光學(xué)分系統(tǒng)、長焦光學(xué)分系統(tǒng)、短焦光學(xué)分系統(tǒng)、探測器、物面距離計算單元、反饋電路、位置控制單元、位置測量單元、調(diào)焦單元、探測器移動模塊；探測器是三個，分別與中焦光學(xué)分系統(tǒng)、長焦光學(xué)分系統(tǒng)、短焦光學(xué)分系統(tǒng)相連接；物面距離計算單元與反饋電路相連接；物面距離計算單元與中焦光學(xué)分系統(tǒng)、長焦光學(xué)分系統(tǒng)、短焦光學(xué)分系統(tǒng)連接；本發(fā)明一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)及調(diào)焦方法，該機構(gòu)具有操控簡單、調(diào)焦高精度、輕巧方便等特點，能夠大大減少人力、物力的浪費。
【專利說明】一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)及其調(diào)焦方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種多負載調(diào)焦機構(gòu)，尤其涉及一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)及其調(diào)焦方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著變焦距光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)的突破，為了使光學(xué)觀測系統(tǒng)、攝影系統(tǒng)實現(xiàn)更為清晰的成像，越來越多的艦載、地基、天基經(jīng)緯儀和各類天文觀測系統(tǒng)，以及電影、電視攝影系統(tǒng)都已經(jīng)采用了變焦距光學(xué)系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的定焦系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)成像時，由物像公式
I一 I=+可知，像距會隨著物距的變化而變化；尤其是變焦距光學(xué)系統(tǒng)，在整個光學(xué)測量
過程中存在更為明顯的像面移動問題，所以需要調(diào)焦機構(gòu)補償像面移動的距離；在實際應(yīng)用中由于環(huán)境變化引起的像面移動對整個光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響也是很大的，同樣需要調(diào)焦機構(gòu)補償像面距離。
[0003]目前國內(nèi)外針對這種像面移動采用的補償方式為控制透鏡組或探測器移動來補償。像面移動量獲取則有多種方式，如:設(shè)計時對系統(tǒng)添加變量仿真獲取、直接通過計算獲取、通過對探測器上圖像識別獲取、光電自準法獲取等等。這些方法獲得的像面位置精度與光學(xué)系統(tǒng)自身參數(shù)有關(guān)，調(diào)焦精度受到系統(tǒng)自身參數(shù)的限制。
[0004]光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)焦精度通常會受到自身裝調(diào)精度、控制精度、以及焦深等的影響。裝調(diào)精度、控制精度受到當前技術(shù)水平約束難以在短時間內(nèi)獲得提高，焦深對調(diào)焦精度的影響受到光學(xué)系統(tǒng)自身參數(shù)的約束。由焦深公式d’=2X (Fs)2可知，對于單個光學(xué)系統(tǒng)來說，波長、焦距、口徑都是確定的，所以想要通過改變焦深提高調(diào)焦精度也是難以見效的。
[0005]隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在對光學(xué)系統(tǒng)的要求也越來越高，除了光學(xué)系統(tǒng)變焦距的要求外，多功能、輕量化也是目前光學(xué)系統(tǒng)的主流發(fā)展方向。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的多功能化，通常在一個大型光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)置著多個光學(xué)分系統(tǒng)；為了實現(xiàn)輕量化，應(yīng)盡量減少整個系統(tǒng)的零件和元件。雖然目前光學(xué)系統(tǒng)中的各個分系統(tǒng)可以共用部分結(jié)構(gòu)(如箱體，主、次鏡)，但在調(diào)焦機構(gòu)上均采用各自工作方式，而這種工作方式會增加操作人員數(shù)量和系統(tǒng)復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決【背景技術(shù)】中所提出的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)及調(diào)焦方法，該機構(gòu)具有操控簡單、調(diào)焦高精度、輕巧方便等特點，能夠大大減少人力、物力的浪費。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)，其特征在于:所述調(diào)焦機構(gòu)包括中焦光學(xué)分系統(tǒng)1、長焦光學(xué)分系統(tǒng)2、短焦光學(xué)分系統(tǒng)3、探測器4、物面距離計算單元5、反饋電路6、位置控制單元7、位置測量單元8、調(diào)焦單元9、探測器移動模塊10 ;所述探測器是三個，分別與中焦光學(xué)分系統(tǒng)1、長焦光學(xué)分系統(tǒng)2、短焦光學(xué)分系統(tǒng)3相連接；物面距離計算單元5與反饋電路6相連接；物面距離計算單元5與中焦光學(xué)分系統(tǒng)1、長焦光學(xué)分系統(tǒng)2、短焦光學(xué)分系統(tǒng)3連接；反饋電路6用于反饋探測器4、物面距離計算單元5、控制單元7的計算量和控制量；位置控制單元7有兩個，分別與中焦光學(xué)分系統(tǒng)1、短焦光學(xué)分系統(tǒng)3連接；位置測量單元8與長焦光學(xué)分系統(tǒng)2連接；調(diào)焦單元9與長焦光學(xué)分系統(tǒng)連接；探測器移動模塊10帶動探測器4移動。
[0008]上述長焦光學(xué)分系統(tǒng)采用主動式調(diào)焦，中焦光學(xué)分系統(tǒng)1、短焦光學(xué)分系統(tǒng)3采用反饋式被動調(diào)焦，反饋信息來自長焦光學(xué)分系統(tǒng)調(diào)焦量。
[0009]上述探測器4設(shè)置在導(dǎo)軌上并可沿導(dǎo)軌移動，所述探測器4與導(dǎo)軌之間設(shè)置負載
T D O
[0010]探測器所在的導(dǎo)軌上設(shè)置位移傳感器，位移傳感器與物面距離計算單元5連接。
[0011]計算單元包括多個子單元，子單元與光學(xué)系統(tǒng)的其它分系統(tǒng)一一對應(yīng)，就是說除了長焦光學(xué)分系統(tǒng)外，其他分系統(tǒng)都具有自己的計算單元，長焦分系統(tǒng)僅僅獲取物面距離，并通過反饋系統(tǒng)同時反饋給各個計算單元，這些計算單元獨立計算出對應(yīng)分系統(tǒng)的調(diào)焦量反饋給自己的控制系統(tǒng)進行調(diào)焦，光學(xué)分系統(tǒng)分別計算調(diào)焦量，通過反饋電路向?qū)?yīng)的分系統(tǒng)反饋調(diào)焦量。
[0012]上述中焦光學(xué)分系統(tǒng)焦距felOOOmm，口徑2&1=250臟，F(xiàn)數(shù)為4 ;長焦光學(xué)分系統(tǒng)焦距 f2=2000mm，口徑 2a2=360mm，F(xiàn) 數(shù)為 5.6 ;短焦光學(xué)分系統(tǒng)焦距 f3=400mm，口徑 2a3=200mm，F(xiàn)數(shù)為2 ;探測器4像元尺寸為14 μ mX 14 μ m。
[0013]一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟:
[0014]I)長焦光學(xué)分系統(tǒng)首先對物面成像，獲取圖像信息；通過人工調(diào)焦實現(xiàn)長焦光學(xué)分系統(tǒng)準確調(diào)焦；
[0015]2)通過長焦光學(xué)分系統(tǒng)探測器移動量和長焦光學(xué)分系統(tǒng)參數(shù)獲得物面距離；
[0016]3)計算單元分別為中、短焦光學(xué)分系統(tǒng)計算出像面變化距離Λ I’，反饋給各個中焦光學(xué)分系統(tǒng)和短焦光學(xué)分系統(tǒng)。
[0017]上述步驟3)的具體步驟是:
[0018]3.1)物面距離計算單元接收長焦光學(xué)分系統(tǒng)探測器移動距離的反饋量，將該反饋量轉(zhuǎn)化為物面距離Λ 1+1 ；
[0019]3.2)再分別將反饋量轉(zhuǎn)化為中焦光學(xué)分系統(tǒng)、短焦光學(xué)分系統(tǒng)探測器移動量，通過反饋電路反饋給控制單元。
[0020]本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明提供了一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)，該機構(gòu)采用長焦光學(xué)分系統(tǒng)調(diào)焦方式獲取物面相對移動距離，利用長焦光學(xué)分系統(tǒng)對目標距離的敏感，可以更準確的獲得物面相對移動量。采用物面相對移動量來作為反饋信息，相對移動量包含了物面的實際移動量和環(huán)境變化移動量信息，可以更準確的為其它系統(tǒng)提供修正信息，以實現(xiàn)低誤差調(diào)焦。此外采用這種聯(lián)動調(diào)焦可以減少操作人員數(shù)量，減少人為誤差，進一步提高系統(tǒng)調(diào)焦精度，同樣可以使整個系統(tǒng)的調(diào)焦變得簡單、方便，減少系統(tǒng)所需要的調(diào)焦裝置，達到降低成本，使系統(tǒng)更加輕量化、智能化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明所提供的多探測器光學(xué)系統(tǒng)計算模型圖；
[0022]圖2是本發(fā)明所提供的多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)工作流程圖；[0023]圖3、圖4是本發(fā)明所提供的多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖；
[0024]其中:1-中焦光學(xué)分系統(tǒng)；2_長焦光學(xué)分系統(tǒng)；3_短焦光學(xué)分系統(tǒng)；4_探測器；5-物面距離計算單元；6_反饋電路；7_位置控制單元；8_位置測量單元、9-調(diào)焦單元；10-探測器移動模塊。
【具體實施方式】
[0025]參見圖1、2以及圖3，本發(fā)明提供了一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)，該機構(gòu)中包含中焦光學(xué)分系統(tǒng)1，該分系統(tǒng)焦距fflOOOmm，口徑2&1=250臟，F(xiàn)數(shù)為4 ;長焦光學(xué)分系統(tǒng)2，該分系統(tǒng)焦距f2=2000mm，口徑2a2=360mm，F(xiàn)數(shù)為5.6 ;短焦光學(xué)分系統(tǒng)3，該分系統(tǒng)焦距f3=400mm，口徑2a3=200mm，F(xiàn)數(shù)為2 ;三個可見光探測器4，像元尺寸為14μπιΧ14μπι;物面距離計算單元5，該單元將接收長焦光學(xué)分系統(tǒng)探測器移動距離的反饋量，將該量轉(zhuǎn)化為物面距離Λ 1+1，再分別轉(zhuǎn)化為中、短焦光學(xué)分系統(tǒng)探測器移動量，通過反饋電路6反饋給控制單元7 ;反饋電路6用于反饋探測器4、物面距離計算單元5、位置控制單元7的計算量和控制量；位置控制單元7，用于控制探測器移動，實現(xiàn)自動調(diào)焦；位置測量單元8，用于測量長焦光學(xué)分系統(tǒng)中探測器移動量；調(diào)焦單元9，用于人工手動調(diào)焦；探測器移動模塊10將通過軸的轉(zhuǎn)動帶動探測器4移動。
[0026]參見圖1，多探測器光學(xué)系統(tǒng)計算模型圖，其中:1為光學(xué)系統(tǒng)初始設(shè)計時物面精確位置，I’為光學(xué)系統(tǒng)初始設(shè)計時像面精確位置，f為光學(xué)系統(tǒng)物方焦距，f.’為光學(xué)系統(tǒng)像方焦距，λ I為物面實際位置與初始設(shè)計位置間的距離，Al’為調(diào)焦距離。
[0027]本發(fā)明的關(guān)鍵在于:首先通過人工調(diào)焦實現(xiàn)長焦光學(xué)分系統(tǒng)2準確調(diào)焦，再通過長焦光學(xué)分系統(tǒng)探測器移動量和長焦光學(xué)分系統(tǒng)參數(shù)獲得物面距離，再由計算單元分別為中、短焦光學(xué)分系統(tǒng)計算出像面變化距離△ I’，反饋給各個分系統(tǒng)，以長焦光學(xué)分系統(tǒng)的調(diào)焦系統(tǒng)控制中、短焦光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)焦系統(tǒng)，實現(xiàn)精確調(diào)焦。



[0028]通常光學(xué)系統(tǒng)的景深表示為
【權(quán)利要求】
1.一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)，其特征在于:所述調(diào)焦機構(gòu)包括中焦光學(xué)分系統(tǒng)(I)、長焦光學(xué)分系統(tǒng)(2)、短焦光學(xué)分系統(tǒng)(3)、探測器(4)、物面距離計算單元(5)、反饋電路(6)、位置控制單元(7)、位置測量單元(8)、調(diào)焦單元(9)、探測器移動模塊(10);所述探測器是三個，分別與中焦光學(xué)分系統(tǒng)(I)、長焦光學(xué)分系統(tǒng)(2)、短焦光學(xué)分系統(tǒng)(3)相連接；物面距離計算單元(5)與反饋電路(6)相連接；物面距離計算單元(5)與中焦光學(xué)分系統(tǒng)(I)、長焦光學(xué)分系統(tǒng)(2)、短焦光學(xué)分系統(tǒng)(3)連接；反饋電路(6)用于反饋探測器(4)、物面距離計算單元(5)、位置控制單元(7)計算量和控制量；位置控制單元(7)有兩個，分別與中焦光學(xué)分系統(tǒng)(I)、短焦光學(xué)分系統(tǒng)(3)連接；位置測量單元(8)與長焦光學(xué)分系統(tǒng)(2)連接；調(diào)焦單元(9)與長焦光學(xué)分系統(tǒng)連接；探測器移動模塊(10)帶動探測器(4)移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)，其特征在于:所述長焦光學(xué)分系統(tǒng)(2)采用主動式調(diào)焦，中焦光學(xué)分系統(tǒng)(I)、短焦光學(xué)分系統(tǒng)(3)采用反饋式被動調(diào)焦，反饋信息來自長焦光學(xué)分系統(tǒng)(2 )調(diào)焦量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)，其特征在于:所述探測器(4)設(shè)置在導(dǎo)軌上沿導(dǎo)軌移動，所述探測器(4)與導(dǎo)軌之間設(shè)置負載平臺。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)，其特征在于:探測器(4)所在的導(dǎo)軌上設(shè)置位移傳感器，位移傳感器與物面距離計算單元(5)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)，其特征在于:物面距離計算單元(5)包括多個子單元，子單元與光學(xué)系統(tǒng)的其它分系統(tǒng)一一對應(yīng)，光學(xué)分系統(tǒng)分別計算調(diào)焦量，通過反饋電路向?qū)?yīng)的分系統(tǒng)反饋調(diào)焦量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦機構(gòu)，其特征在于:所述中焦光學(xué)分系統(tǒng)(I)焦距felOOOmm，口徑2&1=250πιπι，F(xiàn)數(shù)為4 ;長焦光學(xué)分系統(tǒng)(2)焦距f2=2000mm, 口徑 2a2=360mm，F(xiàn) 數(shù)為 5.6 ;短焦光學(xué)分系統(tǒng)(3)焦距 f3=400mm，口徑 2a3=200mm，F(xiàn)數(shù)為2 ;探測器(4)像元尺寸為14 μ mX 14 μ m。
7.一種多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: O長焦光學(xué)分系統(tǒng)首先對物面成像，獲取圖像信息；通過人工調(diào)焦實現(xiàn)長焦光學(xué)分系統(tǒng)準確調(diào)焦； 2)通過長焦光學(xué)分系統(tǒng)探測器移動量和長焦光學(xué)分系統(tǒng)參數(shù)獲得物面距離； 3)計算單元分別為中、短焦光學(xué)分系統(tǒng)計算出像面變化距離ΛI’，反饋給各個中焦光學(xué)分系統(tǒng)和短焦光學(xué)分系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多探測器光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)動調(diào)焦方法，其特征在于:所述步驟3)的具體步驟是: .3.1)物面距離計算單元接收長焦光學(xué)分系統(tǒng)探測器移動距離的反饋量，將該反饋量轉(zhuǎn)化為物面距離Λ 1+1 ； .3.2)再分別將反饋量轉(zhuǎn)化為中焦光學(xué)分系統(tǒng)、短焦光學(xué)分系統(tǒng)探測器移動量，通過反饋電路反饋給控制單元。
【文檔編號】G02B7/28GK103605198SQ201310552362
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月7日
【發(fā)明者】劉波, 梅超, 郝偉, 李剛, 楊曉旭, 鄧曉國 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所