反射式變形鏡變焦系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種反射式變形鏡變焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括變焦執(zhí)行機構(gòu)以及用于驅(qū)動變焦執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動控制機構(gòu)。本實用新型提供了一種在圖像采集及處理電路的基礎(chǔ)上增加適量軟件工作量以實現(xiàn)對變形鏡的曲率和面形的控制、實現(xiàn)空間相機無運動部件，基于圖像的高分辨率反射式變形鏡變焦控制系統(tǒng)。
【專利說明】反射式變形鏡變焦系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種反射式變形鏡變焦系統(tǒng)，尤其涉及一種適合空間相機應(yīng)用的基于圖像的高分辨率反射式變形鏡變焦系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著空間對地遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，空間相機不再局限定焦觀測，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離目標的搜索和觀測記錄的同時還能進行大視場目標觀測和數(shù)據(jù)采集，變焦技術(shù)成為空間相機發(fā)展的重要方向。
[0003]體積、重量、更高的可靠性是空間相機較地面相機嚴格約束的條件之一，因此盡可能的減少運動部件，同時又在保證圖像質(zhì)量的條件下縮小調(diào)焦機構(gòu)的體積和重量是空間相機發(fā)展的趨勢。用對變形鏡曲率和面形的控制替代傳統(tǒng)的運動部件進行變焦和圖像質(zhì)量的控制，不僅能夠準確地執(zhí)行變焦任務(wù)進行視場切換，對空間相機在軌運行時多種離焦狀況引起的圖像質(zhì)量下降獲得像面質(zhì)量的提升，還能夠提高系統(tǒng)的可靠性，降低設(shè)備的體積重量。
[0004]變形鏡區(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)元件的重要特點是具有可控能力，是現(xiàn)代自適應(yīng)光學(xué)的核心部件之一。它可以校正由于多種內(nèi)外因素引起的波前誤差。典型的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是使用波前傳感器測量入射光的波前畸變，然后通過控制器向波前校正設(shè)備發(fā)出控制信號，使可變形反射鏡發(fā)生期望的形變，同時抵消畸變，恢復(fù)波前。
[0005]將變形鏡引入空間相機，通過對變形鏡曲率的控制，替代凸輪或其它傳動形式的變焦方式，使透鏡組間隔保持穩(wěn)定不變，鏡頭結(jié)構(gòu)構(gòu)造的復(fù)雜性大大降低，系統(tǒng)的可靠性得到提升；另外對于用戶而言，采集到的圖像數(shù)據(jù)是最終的成像效果，以光學(xué)圖像的數(shù)字量作為衡量圖像質(zhì)量的標準，采用系統(tǒng)原有的圖像處理電路，增加適量軟件數(shù)據(jù)處理量，得到變形鏡的控制參數(shù)，進行成像質(zhì)量的控制，替代變形鏡采用波前傳感器進行閉環(huán)控制的方法，從系統(tǒng)終端評價系統(tǒng)成像質(zhì)量，可以獲得更好的圖像質(zhì)量。
實用新型內(nèi)容
[0006]為了解決【背景技術(shù)】中存在的上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種在圖像采集及處理電路的基礎(chǔ)上增加適量軟件工作量以實現(xiàn)對變形鏡的曲率和面形的控制、實現(xiàn)空間相機無運動部件，基于圖像的高分辨率反射式變形鏡變焦控制系統(tǒng)。
[0007]本實用新型的技術(shù)解決方案是:一種反射式變形鏡變焦系統(tǒng)，其特殊之處在于:所述變焦系統(tǒng)包括變焦執(zhí)行機構(gòu)以及用于驅(qū)動變焦執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動控制機構(gòu)。
[0008]上述變焦執(zhí)行機構(gòu)是可變形反射鏡；所述驅(qū)動控制機構(gòu)是設(shè)置在可變形反射鏡背部的促動器；所述促動器包括設(shè)置在變形鏡中心的中心促動器以及環(huán)繞設(shè)置在中心促動器外部的外圍促動器；所述促動器帶動可變形反射鏡發(fā)生形變。
[0009]上述促動器是壓電陶瓷。
[0010]上述壓電陶瓷是堆疊式壓電陶瓷。[0011]上述變焦系統(tǒng)還包括圖像采集單元、數(shù)字圖像處理單元、圖像存儲單元以及信號控制單元；所述圖像采集單元、數(shù)字圖像處理單元以及圖像存儲單元分別接入信號控制單元；所述信號控制單元與驅(qū)動控制機構(gòu)相連；所述圖像采集單元采集經(jīng)變焦執(zhí)行機構(gòu)后的光學(xué)圖像。
[0012]本實用新型的優(yōu)點是:
[0013]本實用新型提供了一種基于圖像的高分辨率反射式變形鏡變焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用變形鏡進行變焦控制。當系統(tǒng)接到變焦指令時，控制信號計算單元根據(jù)變焦指令和變形鏡影響函數(shù)(控制變形鏡形變的各促動器控制電壓和形變量的關(guān)系，即變焦的焦距值與外圍各促動器控制電壓的對應(yīng)關(guān)系)，對支撐在反射變形鏡背面不同位置的變形鏡發(fā)出控制量信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和驅(qū)動后轉(zhuǎn)換成各個驅(qū)動器的控制電壓，不同的電壓量對應(yīng)促動器不同的位移量，反射變形鏡按控制量進行曲率變化。將變形鏡引入空間相機的另一優(yōu)勢是可對空間諸多環(huán)境因素引起的成像質(zhì)量下降進行波前校正，因此對于由于變形鏡形變和空間環(huán)境某些因素引起的成像質(zhì)量下降，通過對采集到的數(shù)字圖像進行分析計算，對聚焦不理想部分相關(guān)促動器進行閉環(huán)控制，該變形鏡依然可以起到修正綜合誤差的作用，最終達到理想的像面質(zhì)量。具體而言，本實用新型具有以下優(yōu)點:
[0014]I)本實用新型將變形鏡作為反射鏡，通過對變形鏡曲率的控制實現(xiàn)系統(tǒng)焦距的變化，使變焦系統(tǒng)沒有大規(guī)模運動部件，提高了系統(tǒng)的可靠性；(變焦系統(tǒng)摒棄了原有的運動部件改變焦距的方式)。變焦部件沒有運動部件，提高了系統(tǒng)的可靠性；2)變形鏡面形質(zhì)量的控制，利用被測目標光學(xué)圖像處理結(jié)果和面形影響函數(shù)的計算，在保證焦距的前提下，成像質(zhì)量可控，獲得高分辨率圖像；(變形鏡面形的控制不是通過波前傳感器這種目前通用的方法，簡化了電路，提高了控制速度)變形鏡沒有采用波前檢測裝置和相應(yīng)的電控系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)；3)在完成高精度變焦控制的基礎(chǔ)上，以數(shù)字圖像采集和處理為基礎(chǔ)進行變形鏡面形控制，充分利用了數(shù)字計算的靈活性，提高成像質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1-1是現(xiàn)有的短焦光學(xué)系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖1-2是現(xiàn)有的長焦光學(xué)系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本實用新型所提供的基于變形鏡反射變焦控制系統(tǒng)的電路框圖；
[0018]圖3是本實用新型所提供的基于變形鏡反射變焦控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖4是本實用新型所提供的變焦系統(tǒng)反射變形鏡曲率變化過程示意圖；
[0020]圖5是本實用新型所提供的高分辨率變焦系統(tǒng)反射變形鏡面形調(diào)整電子學(xué)工作過程示意圖。
【具體實施方式】
[0021]本實用新型提供了一種反射式變形鏡變焦系統(tǒng)，該變焦系統(tǒng)包括變焦執(zhí)行機構(gòu)以及用于驅(qū)動變焦執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動控制機構(gòu)；變焦執(zhí)行機構(gòu)是可變形反射鏡；驅(qū)動控制機構(gòu)是設(shè)置在可變形反射鏡背部的促動器；促動器包括設(shè)置在變形鏡中心的中心促動器以及環(huán)繞設(shè)置在中心促動器外部的外圍促動器；促動器帶動可變形反射鏡發(fā)生形變。
[0022]促動器是壓電陶瓷，優(yōu)選是堆疊式壓電陶瓷。[0023]變焦系統(tǒng)還包括圖像采集單元、數(shù)字圖像處理單元、圖像存儲單元以及信號控制單元；圖像采集單元、數(shù)字圖像處理單元以及圖像存儲單元分別接入信號控制單元；信號控制單元與驅(qū)動控制機構(gòu)相連；圖像采集單元采集經(jīng)變焦執(zhí)行機構(gòu)后的光學(xué)圖像。
[0024]本實用新型系統(tǒng)的工作原理基于以下三點:
[0025]反射變形鏡變焦的原理:
[0026]①變形鏡通過合理選擇變形鏡前后常規(guī)反射鏡的光焦度，達到變形鏡曲率微小變化引起系統(tǒng)焦距大幅變化的目的。采用長、短焦視場不同偏置和分離主鏡的設(shè)計方法，如圖1-1以及圖1-2所示。
[0027]②變形鏡的工作原理:
[0028]參見圖2，系統(tǒng)采用的變形鏡的結(jié)構(gòu)由變形鏡、驅(qū)動器和基座三個部分組成。其基本工作原理是:驅(qū)動器固定在基座上，通過改變加載于壓電陶瓷上的電壓值來使變形鏡的鏡面產(chǎn)生不同的形變，達到改變曲率或者改變面形的目的。另外，壓電陶瓷促動器具有相應(yīng)速度快，位移分辨率高(納米級控制精度)，可以提供的驅(qū)動力大等特點，經(jīng)分析計算可以大大提高變焦速度和控制精度。
[0029]③以數(shù)字圖像為判據(jù)的變焦和像面質(zhì)量系統(tǒng)的控制原理:
[0030]系統(tǒng)中變焦的控制成功與否依賴于變形鏡曲率和面形的控制。從變形鏡的工作原理可以看出，通過對反射變形鏡背部多點促動器的控制，使鏡面發(fā)生曲率形變，實現(xiàn)變焦的過程。由于系統(tǒng)焦距的改變和空間環(huán)境的影響，成像質(zhì)量必然下降，采取同樣非運動部件調(diào)整的方法，以采集到的圖像為反饋量，以聚焦函數(shù)為判斷依據(jù)，通過對區(qū)域內(nèi)促動器的控制電壓微量控制，同時考慮變形鏡影響函數(shù)線性疊加的作用，對反射變形鏡面形做進一步改善，實現(xiàn)焦平面上成像清晰的效果。其中像面質(zhì)量調(diào)整采用聚焦檢測法針對空間數(shù)字圖像進行計算，得出調(diào)整判據(jù)。聚焦過程是:計算機通過鏡頭和圖像探測器采集到圖像信號，經(jīng)視頻處理、AD變換和數(shù)字圖像聚焦評價判斷圖像清晰度符合要求與否，圖像質(zhì)量如果不滿足清晰度要求，對起主要促動器控制電壓做某一步距的加大或縮小，如果圖像質(zhì)量下降，說明電壓調(diào)整的方向有誤，原先升壓的做減壓處理，如果熵函數(shù)計算值增大，繼續(xù)執(zhí)行促動器電壓微調(diào)，直至熵函數(shù)計算值達到一定范圍，認為圖像清晰，變形鏡面形微調(diào)結(jié)束。
[0031]本實用新型系統(tǒng)的工作過程是:
[0032]基于圖像的高精度反射式變形鏡變焦系統(tǒng)的提出是基于上述三項基本原理。其工作過程如圖3—圖5所示，把根據(jù)原理I設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)采集到的圖像進行實時處理和存儲，當系統(tǒng)需要變焦時，控制信號計算單元根據(jù)變焦指令和變形鏡響應(yīng)函數(shù)發(fā)出控制變形鏡曲率變化的控制信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和驅(qū)動后轉(zhuǎn)換成相對于各個驅(qū)動器的控制電壓，使頂在反射變形鏡背部促動器根據(jù)電壓發(fā)生不同量的位移變化，達到改變該反射變形鏡曲率的目的。另外，若變焦后像面的質(zhì)量下降，此時對變形鏡曲率調(diào)整后的采集圖像進行聚焦檢測計算，對聚焦不理想部分相關(guān)促動器進行閉環(huán)控制，最終達到理想的像面質(zhì)量。
[0033]本實用新型提供了一種基于圖像的高精度反射式變形鏡變焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:以壓電陶瓷為控制單元的可變形反射鏡(變焦執(zhí)行機構(gòu))、變形鏡驅(qū)動模塊、圖像采集及視頻處理模塊、圖像存儲、圖像處理及變形鏡控制驅(qū)動模塊。其中，變形鏡的驅(qū)動電路、圖像視頻采集及處理方法、圖像存儲、圖像處理的軟硬件設(shè)計方法可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計和要求遵循常規(guī)的軟硬件設(shè)計方案。特殊之處在于用變形鏡作為系統(tǒng)變焦的執(zhí)行機構(gòu)，同時采用圖像為反饋源進行變形鏡面形進行控制，提高圖像的分辨率。從而構(gòu)成了一個適用于空間觀測的高分辨率變焦成像系統(tǒng)。
[0034]具體而言，以圖像為評價依據(jù)反射變形鏡變焦和圖像質(zhì)量的控制方法:
[0035](I)曲率和鏡面面形調(diào)整的方法
[0036]光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時，采用長、短焦視場不同偏置和分離主鏡的設(shè)計方案來實現(xiàn)系統(tǒng)焦距改變的目的。
[0037]驅(qū)動器和反射鏡鏡體之間通過一定的支撐結(jié)構(gòu)進行連接。當每個驅(qū)動器進行小幅度位移變化時，可以用于調(diào)節(jié)鏡子的面型質(zhì)量；當中心及其鄰近驅(qū)動器不發(fā)生任何位移(即固定不變)，而周圍驅(qū)動器根據(jù)距離中心驅(qū)動器的遠近進行相應(yīng)位移的調(diào)整，就可以產(chǎn)生不同曲率半徑的球面，參見圖4，其中，A是外圍促動器長焦位置出是外圍促動器初始位置；C是外圍促動器短焦位置。
[0038]具體工作過程是:根據(jù)變焦指令一焦距值，存儲在變形鏡控制計算機中不同位置促動器控制量與不同焦距值的對照表(地面標定)，查找出各個促動器的控制量(即面形響應(yīng)函數(shù))，該控制量分別經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和驅(qū)動放大電路，使相應(yīng)的促動器產(chǎn)生預(yù)計的位移，變形鏡的曲率改變，系統(tǒng)焦距發(fā)生變化。
[0039](2)成像質(zhì)量的控制方法:
[0040]將變形鏡引入空間成像系統(tǒng)，在如前述的光學(xué)系統(tǒng)中，反射變形鏡面形質(zhì)量的控制是高分辨率成像系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。其特殊點在于:用數(shù)字圖像作為變形鏡面形反饋量進行計算控制。
[0041]具體的工作過程是:將探測器采集到的圖像經(jīng)視頻處理和A/D變換后，進行數(shù)字圖像處理分區(qū)域處理，對感興趣區(qū)域根據(jù)聚焦評價函數(shù)進行聚焦判斷，如圖5所示，不同位置的促動器對不同成像區(qū)域的成像效果起控制作用，對不聚焦區(qū)域采用爬坡法(即聚焦函數(shù)熵最大原則)，微調(diào)對應(yīng)的促動器，直到聚焦計算量至某一設(shè)定范圍，約定圖像清晰，聚焦調(diào)整結(jié)束，系統(tǒng)變焦控制結(jié)束，像面質(zhì)量控制達到最佳。
【權(quán)利要求】
1.一種反射式變形鏡變焦系統(tǒng)，其特征在于:所述反射式變形鏡變焦系統(tǒng)包括變焦執(zhí)行機構(gòu)以及用于驅(qū)動變焦執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動控制機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射式變形鏡變焦系統(tǒng)，其特征在于:所述變焦執(zhí)行機構(gòu)是可變形反射鏡；所述驅(qū)動控制機構(gòu)是設(shè)置在可變形反射鏡背部的促動器；所述促動器包括設(shè)置在變形鏡中心的中心促動器以及環(huán)繞設(shè)置在中心促動器外部的外圍促動器；所述促動器帶動可變形反射鏡發(fā)生形變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的反射式變形鏡變焦系統(tǒng)，其特征在于:所述促動器是壓電陶瓷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反射式變形鏡變焦系統(tǒng)，其特征在于:所述壓電陶瓷是堆疊式壓電陶瓷。
【文檔編號】G02B26/06GK203414678SQ201320384278
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】杜云飛, 趙惠, 樊學(xué)武, 鄒剛毅, 高偉, 王煒, 任國瑞, 蘇宇, 羅明偉 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所