（光学工程专业论文）长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究.pdf

长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 图表目录 图l 一1 透镜成像原理3 图1 2 手动调焦结构简图4 图1 3 自准直检调焦原理图5 图1 4k s 一1 4 6 相机自动渊焦控制原理6 图l 一5k s 一1 4 6 自动调焦伺服系统7 图l 一6 倾斜照相的斜距8 图2 1 空气折射率的变化量( 刀。一1 ) 随高度变化的曲线9 图2 2 单一薄透镜焦面随空气压力的位移1 0 图2 3 温度变化对相机焦面位置的影响1 1 图2 4 相机物距、像距变化关系1 2 图3 1 斜视相机自动调焦系统示意图一1 5 图3 2 相机检焦信号示意图1 6 图3 3 调焦过程示意图1 7 图3 4 相机斜距调焦原理1 8 图4 1 检焦组件结构简图1 9 图4 2 调焦组件结构简图2 1 图4 3 焦面反射镜组件结构简图2 2 图4 4 凸轮结构简图2 4 图4 5 调焦凸轮的位移、速度、加速度曲线2 4 图4 6 自动调焦系统的原理框图2 7 图5 1 调焦传动机构原理2 9 图5 2 常值侧隙示意图3 0 图5 3 几何偏心引起的可变侧隙3 0 图5 4 装置的径向侧隙引起的空回3 2 图5 5 焦面反射镜位置偏差简图3 3 图5 6 焦厩反射镜装调示意图3 4 图6 一l 斜距调焦原理测试3 5 图6 2 地面成像试验所得图像( 日标距离约7 5 k i n ) 3 7 v 长焦距斜视塞堕塾窒塑垫鱼垫塑堡垫查塑婴窒 一一 图6 3h = 3 0 0 0 m 的飞行照相所得图像( 距离约6 1 2 k m ) 3 8 表3 1 焦距在不同大气压下的变化量1 3 表3 2 工作温度范围内的焦距变化量1 4 表3 3 不同高度下的最大斜距离焦量一1 4 表4 1 不同材料的性能比较川 表6 1 相机调焦凸轮不旋转，对不同距离目标照相分辨力3 6 表6 2 相机调焦凸轮旋转，对不同距离目标照相分辨力一3 6 长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 摘要 基于一种长焦距斜视实时航空相机的研制，深入地探讨了导致相机离焦的原因， 指出环境( 温度、大气压力) 变化和照相距离的变化是导致相机离焦的主要原因，分 别从温度、大气压力、照相距离这三个方面的变化对相机离焦的影响进行研究，给出 了计算相机离焦量的简化数学模型。根据斜视相村l g t 学系统的特点，确定了自动调焦 系统方案，对其工作原理进行了详细的分析与论述，并通过对相机斜距离焦的分析， 提出了一种新的斜距离焦补偿方法，其原理简单，结构上实现起来稳定可靠，能够完 全实时补偿某一典型高度上的斜距离焦。研制出一种双层导轨、双层凸轮的自动调焦 补偿机构，两层机构同时工作能够正确的补偿光机系统因环境条件变化和照相距离变 化导致的离焦量，使相机在照相过程中始终保持光学焦面稳定在c c d 接收面上。在 对调焦机构进行精度分析的基础上，对斜距调焦原理进行了实际检验及对相机进行了 地面和飞行照相试验，表明斜视相机自动调焦系统的理论分析正确、设计合理可行。 关键词：斜视相机离焦温度大气压力 照相距离导轨凸轮 长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 s t u d yo fa u t o m a t i cf o c u s i n gt e c h n i q u e f o rl o n gf o c u so b l i q u er e a l t i m ea e r i a lc a m e r a h u ls h o u w e n d i r e c t e db yp r o f d i n gy a l i n a b s t r a c t b a s e do ns t u d y i n gal o n gf o c u so b l i q u er e a l t i m ea e r i a lc a m e r a ，t h i sp a p e rs t u d y st h e r e a s o no f b e i n go u to ff o c u ss y s t e m a t i c a l l y , a n dp o i n t st h a tt h ep r i m a r yr e a s o no fb e i n go u t o ff o c u si sd u et ot h ec h a n g eo fe n v i r o n m e n t ( t e m p e r a t u r e 、a t m o s p h e r i cp r e s s u r e ) a n d o b l i q u ep h o t o g r a p h i cd i s t a n c e ，a n da c c o r d i n gt ot h et h r e ef a c t o r s ，t a l ka b o u tt h ee f f e c to n b e i n go u to ff o c u so fc a m e r a ，t h es i m p l em a t h se q u a t i o ni sp r e s e n t e di no r d e rt oc a l c u l a t e o u to ff o c u s a c c o r d i n gt ot h eo p t i c ss y s t e mo fo b l i q u ec a m e r a ，m a k ec e r t a i nt h es c h e m eo f a u t o f o c u s i n gs y s t e m ，a n da n a l y z ei t sp r i n c i p l ei nd e t a i l t h i sp a p e rp r e s e n t san e wm e t h o d i no r d e rt oc o m p e n s a t eo u to ff o c u so fo b l i q u ep h o t o g r a p h i cd i s t a n c e ，t h ep r i n c i p l ei sv e r y s i m p l ea n di ti ss t e a d ya n dr e l i a b l ef o rs t r u c t u r ed e s i g n aa u t o f o c u s i n gc o m p e n s a t i o n m a c h i n ei ss t u d i e dw i t hd o u b l e d e c kg u i d e w a ya n dd o u b l e d e c kc a m ，t h ed o u b l e d e c k m a c h i n e ss y n c h r o n o u so p e r a t i o ni sa b l et oc o m p e n s a t et h ed e v i a t i o no ff o c u s ，a n de n s u r e t h eo p t i c u sb e i n gf i x e do nt h ec c d sr e c e i v i n gs u r f a c ed u r i n gp h o t o g r a p h y o nt h eb a s i so f t h ep r e c i s i o na n a l y s i so ff o c u s i n gm a c h i n e ，w eh a v et e s t e dt h ef o c u s i n gp r i n c i p l eo fo b l i q u e p h o t o g r a p h y , a n dd ot h ee x p e r i m e n tb o t ho nt h eg r o u n da n di nt h ea i r i nt h ee n d ，w ed r a w t h ec o n c l u s i o nt h a tt h et h e o r yo ft h ea u t o f o c u s i n gs y s t e mi sf i g h ta n dr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：o b l i q u ec a m e r a ；o u to ff o c u s ；a t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r e ；a t m o s p h e r i cp r e s s u r e ； p h o t o g r a p h i cd i s t a n c e ；g u i d e w a y ；c a m 第一章概述 第一章概述 1 1 引言 随着航空技术日新月异的发展，航空技术已经成为带动科学技术进步的重要力量。 从航空技术的起步开始，航空遥感技术作为它的一个重要应用领域，经历了从无到有、 从弱到强的发展过程。航空遥感技术因其机动性好、时效性高、目的性强、携带仪器 多、相对投入较低等优点是获取地面信息的主要途径之，在地形测绘、土地和森林 资源渊查、铁路和公路建设、水利和农业规划以及军事侦察等诸多领域得到了广泛的 应用。 航空相机作为一种重要的获取地面信息手段，用光学拍照的形式给人以直观、清 晰的图像信息，在航空遥感技术中起着举足轻重的作用。传统的航空相机都是以胶片 为介质成像的，发展到目前技术已经相当成熟，胶片式航空相机以其性能可靠、分辨 力高、覆盖范围大等优点仍将占有很高的地位，如美国八十年代生产的k a 9 5 、k a 1 1 2 、 k s 1 4 6 等胶片相机，这些相机焦距长、分辨力高、载片量大等特点深受用户的青睐。 自c c d 器件问世后，随着其性能的不断提高及c c d 拼接技术的完善，使它很快应用 到航空相机上。随着c c d 航空相机在诸多领域应用中显现了巨大的优势，世界各国皆 着力于研究和发展c c d 型航空相机，其中，美国处于领先水平。如在2 0 世纪七十年 代中期，美国i t e k 公司把胶片型的k a 1 0 2 a 相机改装成可使用c c d 为接收器的两用 相机，该相机为透射式光学系统，焦距为1 6 8 m ，采用5 片c c d 拼接，在距离目标5 8 6 k m 时，地面像元分辨力可以达到o 4 5 m 。为了进一步提高地面像元分辨力，适应机载条件， 对相机的光学系统、c c d 器件以及保证成像质量的系统( 如像移补偿、自动调焦和材料 的选择) 都提出了更高的要求。八十年代后期，美国i t e k 公司生产的e s 一2 5 0 型相机， 进一步提高了机载c c d 相机的发展水平，该相机采用全反式光学系统和1 0 0 0 0 像元的 t d i c c d 器件，焦距为2 5 4 m ，具有可见光和近红外两个波段，在斜距1 0 0 h n 时，地 面像元分辨力理论值为o 5 m 。以c c d 为接收器的航空相机比传统的胶片型相机有以下 突出的特点： 1 ) 实时传输能力 胶片型相机完成照相任务后，其胶片的处理过程需要段时间，影响了信息 的快速性，而c c d 传输型相机能够把几十甚至上百干米的目标信息转换成数字信 号传输到地面站或者舰船h 同时，由于相机与飞机的惯导系统交联，可以确定 长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 出目标的位置，为指挥部门精确的判定、分辨目标和把握战机提供了适时的、超 视距的信息。 2 ) 穿透薄雾的能力 在晴朗的天气条件下，胶片型相机的地面分辨力优于c c d 相机的分辨力。但 在气候条件差时( 有薄雾) 由于c c d 光谱响应范围宽( 约o 4 5 1 1u1 1 1 ) ，c c d 器 件所具有的高量子效应、低噪声和背景抑制的特点，能得到优于胶片的分辨力， 特别是使用时间延迟积分的t d i c c d ，可用电子学方法增加积分时间，从而获得信 噪比高的图像，故能提高图像的质量。 3 ) 重量轻、可靠性高、便于维护 用c c d 代替胶片取消了相机的快门系统和输片系统，大大简化了相机的结构， 减轻了相机的重量，可靠性高。 早期的航空相机，多是以固定焦距的方式工作的，这是由于这些航空相机的焦距 不长，多属于短焦距或中焦距，加上照相时拍照高度有限，因而由于照相高度变化、 环境条件变化引起最佳成像面的移动对具有低、中等分辨力的照相系统的像质影响不 大。随着信息需求的不断增加，特别是军事侦察的发展需要，对远距离的目标进行大 范围、高分辨力侦察的需求不断提高，航空相机向着长焦距、大口径的方向发展，世 界各国为此都投入了大量的人力、物力，开展航空相机的研究工作。 目前高性能的航空侦察相机，多以高空斜视、向远距离目标侦察照相为特点，为 了得到大比例尺的照片，相机的焦距大为增加，随之而来的问题是，长焦距相机由于 环境条件( 温度、大气压力) 变化引起的镜头后截距变化较大，这样，其它各种为提 高照相分辨力的努力会因相机后截距变化所引起的分辨力急剧下降而前功尽弃。此外， 长焦距相机在不同飞行高度不同扫描角下照相距离的变化也会明显导致像面的偏离。 为保证相机成像质量，获得高的地面分辨力，对相机园环境条件变化和照相距离变化 引起的像面偏离进行校诈，新型高性能、长焦距航空相机都拥有自动调焦补偿系统。 1 2 本课题的研究意义 成像质量是航空相机最重要的性能指标，受光学系统形式制约的同时，还受大气、 杂光、温度、像移、c c d 器件等多种因素的影响。深入研究这些因素对航空相机成像 质量的影响机理，揭示内在规律，对于克服它们对航空相机的影响，合理设计、丌发 更高品质的航空相机具有二昨常重要的意义。 第一章概述 在影响像质的诸多因素中，环境条件变化( 大气压力、温度变化) 使相机光机系统发 生变化，结果导致相机的光学焦面产生位移，偏离光学系统f 确的焦面位置。大气压 力和温度变化主要表现为使空气和透镜的折射率发生变化，以及破坏了相机光机系统 的尺寸稳定性：此外，对于摆扫式航空相机来说，在不同的照相高度、不同的扫描角 f 照相距离的变化会导致像距发生变化，像距变化将会直接影响光学焦面的稳定性。 由此可见，无论是环境条件变化还是照相距离变化，都会降低相机的分辨力。为了获 得高清晰度的图像，必须保证焦面的稳定，也就是在相机曝光时，胶片感光乳剂面( 或 c c d 接收面1 应在相机光学系统的焦平面上，如图1 1 所示。 鞑照苎壁左塾型亘f ! ! 燕蝗亘 一 j ，一一 ，一，+ 。 ，一7 一 图l l 透镜成像原理 空中照相，由于温度、大气压力和照相距离等因素变化的影响，会造成相机光学 焦面位置的前后移动。照相时，如果感光胶片( 或c c d 接收面) 所处的位置不能随之变 化，或者两者变化不匹配，那么将造成离焦。相机允许的离焦误差应小于相机的1 2 焦 深。其计算公式如下： 占= = a = 2 f 2 五 ( 1 一1 ) 式中：6 1 2 焦深； 一相机焦深； f 一镜头相对孔径的倒数； 九一工作波长 出式f 1 1 ) 可知，可见光的波长较短，相机镜头的相对孔径倒数f 不大，所以相机 允许的离焦量很小，若超出允许范围，照相分辨力将显著下降，严重时甚至不能成像。 短焦距的航空相机镜身短、口径小，受外界因素影响产生的离焦量很小，对相机成像 的影响相对较小；而长焦距航空相机的镜身长，受外界因素影响较敏感，产生的离焦 量大，对相机成像质量产生较大的影响。当某些因素引起焦距变化时，相机的光学焦 长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 面就不在接收介质的感光面上了，因此，拍照的图像清晰度变差、分辨力低。要得到 高分辨力的图像，必颁设法保证感光胶面( 或c c d 接收面) 始终与光学系统的焦面重 合，这就是况长焦距航空相机要有适应环境因素和照相距离变化的能力。所以，发展 长焦距航空相机，自动调焦技术是必须解决的关键技术之一，长焦距航空相机要使照 相图像的清晰度和分辨率与光学系统的性能相匹配，除了对相机作其它改进以外，自 动调焦系统是必不可少的。 因此，探讨由于环境条件和照相距离变化引起的航空相机光学焦面变化，研制相 应的补偿系统一自动调焦系统，对于提高航空相机的成像质量具有重要的理论意义和 实用价值。 1 3 航空相机调焦系统的研究概况 航空相机从最初的短焦距、低分辨力发展到长焦距、高分辨力，调焦系统发挥了 重要作用。调焦系统的作用是保证像始终成在接收介质的感光面上，这就需要一套调 焦机构来实现，调焦机构经历了从手动调焦到自动调焦的发展过程，手动调焦相对简 单，早期的相机大都采用手动调焦，圈1 2 为手动调焦的四种结构形式。由于手动调 焦不能随环境变化实时地进行调整，不适应长焦距航空相机的发展要求，所以从手动 调焦发展到了自动调焦。 图1 2 手动调焦结构简图 免股_ 第一章概述 1 3 1 航空相机自动调焦系统检调焦方式 在一般普通小相机中，调焦是用人眼( 或通过放大镜等) 观看与底片平面共轭的 毛玻璃调焦屏上影像的清晰程度来做出判断的。这里人眼就作为判别影像清晰程度的 探测器。所谓自动调焦，就是用光电元件来代替人眼，并通过自动控制系统驱动执行 元件，使清晰的影像落在胶片上或c c d 接收面k 。光r 乜元件的作用就是能将合焦( 影 像清晰) 和离焦( 影像模糊) 区别丌来。 目自口多数航空相机的自动调焦系统采用自准直方式检焦，其原理如图i 一3 所示。 由目标发出的光，通过相机物镜后，成为平行光，经过反射镜反射回来，再次经过相 机物镜，目标成像在光信号接收元件上，光信号接收元件的输出经信号处理电路处理， 判断是否合焦。若判断为离焦，控制系统控制相机物镜沿轴向前后移动，直到合焦。 这时，物镜所处的位置，e 好使被照地物在胶片或c c d 上清晰成像。任何因素( 如大 气压力、温度等的变化及冲击、振动引起的结构变形等) 引起的镜头后截距的改变都 会被探测出来，通过调节相机物镜的位置，使感光面上成像清晰。这种方法由于整个 口径自准成像，准确地反映了实际光学系统对无穷远目标的成像位置，但需要有一个 质量很高的大口径平面反射镜，其口径大于光学系统的轴上点的通光孔径，并且要求 该反射镜能准确地切换于自准位置和工作位置之问，并可在自准位置附近作小幅摆动。 不用相机内的目标和光源，而直接用地物的像，由光信号接收元件检测离焦，从原 理上说更为简单。但当地物反差低甚至没有反差时，要由光信号接收元件检测出离焦 常常是非常困难的。 焦f 面 同标和光杯 接收器仆 图l 一3 自准直检调焦原理图 由于自准直法检焦具有明显的优点，多数摆扫式氏焦距航空相机都采用光电自准法 进行检焦，俭焦结束后调焦伺服系统丌始工作，使胶片孚l i f l 面或c c d 接收面始终保持 存清晰成像的位置卜。对丁 焦距透射式光学系统的航空相机来说，整个光学系统由 长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 多组物镜组成，如果调整物镜组来改变像面的位置，调焦机构不但尺寸很大，而且质 量电很大，不适合实际需要。长焦距航空相机一般有三种方式校正像面的位置。 1 ) 如果光学系统存在校正镜，可以通过调整校正镜组沿光轴方向的位置来改变光 学焦面的位置，从而实现调焦。 2 ) 如果光学系统的后截距很氏，可以在最后一块透镜和像面之问加反射镜缩短相 机的氏度，所以可阱调整后截距中的反射镜沿光轴方向的位鼹实现调焦。 3 ) 直接沿光轴方向移动焦面组件，使胶片乳剂面( 或c c d ) 与光学系统的焦面重合。 1 3 2 航空相机自动调焦系统介绍 自动调焦技术的应用大大改善了长焦距航空相机的成像质量，使长焦距航空相机 有了更为广泛的发展空间。但自动调焦系统是由光学部件、精确控剖系统和精密驱动 部件组成的，是光、机、电综合的应用。自动调焦系统不但要在恶劣的环境条件下( 温 度、压力、冲击、振动等) 具有非常高的尺寸稳定性和结构稳定性，还要具有精确的 检测能力( 焦面位置) 以及调焦机构准确的执行能力，才能发挥调焦系统的功能。 我国目前拥有的航甲系列相机是二十世纪六十年代研制的，没有应用自动调焦技 术，分辨力很低，已经远远满足不了国防的需要。而前面提到的美国芝加哥航空公司 制造的k s 一1 4 6 型航空相机，是一种性能优良的长焦距胶片式相机，带有一套精密的自 动调焦伺服系统，主要由凋焦驱动部件、调焦传感器部件和自动调焦控制电路三部分 组成。k s 一1 4 6 相机的自动调焦系统采用光电自准法检焦，它的基本工作原理如图卜4 所示，系统组成如图1 5 所示。 图1 - - 4k s 一1 4 6 相机自动调焦控制原理 第一章概述 m 图1 一jk s1 4 6 自动调焦伺服系统 每次照相前，相机自动调焦伺服系统首先要进行校准，以便确定在开始照相之前 相机的光学焦面位置。校准时，扫描反射镜首先处于校准位置，此时扫描反射镜与相 机镜头的主光轴垂直，同时自动调焦灯照亮光栅标板，光栅标板的影像通过镜头再由 扫描反射镜反射到光电聚焦传感器上，光电聚焦传感器将所接收到的光栅像信号送放 大器进行比较放大，而后控制伺服电机工作，伺服电机驱动调整胶片展平板的位置， 当胶片乳剂面处于无限远焦面位置时，放大器输出为零，调焦驱动伺服电机停止工作， 校准结束。 校准完成后，扫描反射镜返回照相的位置，相机计算机根据相机俯角和飞机惯导 提供的高度信号求得照相斜距，并根据斜距计算出调焦补偿量，再通过电路把这个距 离调焦补偿量变成模拟电压量去控制调焦伺服机构工作，直至将胶片乳剂面调到镜头 最佳焦面位置，这时相机开始曝光。照相时相机扫描角的变化引起照相斜距的变化， 相机微机根据新的扫描角确定新的距离凋焦补偿量，调焦伺服机构进行一次新的调焦。 由于k s 一1 4 6 相机是倾斜画幅式相机，倾斜照相画幅上的不同位置相对于地面的斜距不 同，如图卜6 所示。图中斜距r ，r r ! ，而相机微机计算的距离调焦补偿量是根据r 确 定的t 所以幅面中心的聚焦精度最高，边缘的聚焦精度较低。若在拍照幅倾斜照片 上能够做到分别补偿不同斜距造成的离焦是最理想的由于画幅式相机幅面几乎同时 曝光，所以很难做到这一点。 i & 目 h n m m 目 n n # * n ，t 屯 # t t ，i 引 长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 1 4 本文研究的主要内容 图l 一6 倾斜照相的斜距 本课题来源于长光所某型长焦距斜视实时航空侦察相机的研制。对影响斜视相机 成像质量的重要因素一离焦产生原因进行分析，研究离焦补偿原理，设计离焦补偿机 构，主要内容包括： 1 ) 对引起相机离焦的因素进行了分析，指出温度、大气压力和照相距离的变化是 导致相机离焦的主要因素。围绕这三个方面对相机的影响进行了详细的讨论，分别给 出了计算离焦量的简化数学模型。 2 ) 针对环境变化和照相距离变化的影响，确定斜视相机的自动调焦系统方案，并 对检调焦原理进行了详细的分析与论述，其中根据斜视相机的工作特点，提出了一种 新的斜距离焦补偿原理，在典型高度上照相时能够实时补偿斜距离焦。 3 ) 研制了补偿环境条件变化的调焦机构和补偿斜距变化的机构，通过双层直线导轨 将两种机构协调地结合在一起，实现对相机离焦的综合补偿。 4 ) 对影响调焦系统精度的传动机构空回误差采用最大误差法进行了精度分析，分 析结果表明调焦机构的精度达到了设计要求。 5 ) 对斜距调焦原理进行了检验，相机进行了地面照相试验以及航空校飞试验，验 证了调焦系统的正确性。 第二章相机离焦的主要原因及分析 第二章相机离焦的主要原因及分析 航空相机照相时引起离焦的因素很多，如环境的变化、相机所受的冲击和振动以 及照相距离的不断变化都会导致焦面的移动。但高空照相条件下相机离焦主要是由大 气压力、温度的变化及照相距离的变化引起的。大气压力和温度的变化使空气的折射 率发生变化，同时光学系统中透镜的折射率、曲率半径、厚度、透镜之i h j 的间隔、透 镜材料内的应力变化和金属框架的伸缩等，都会导致相机后截距的变化；相机扫描照 相时，物距是不断变化的，像距也不断变化，导致像点偏离像面。而长焦距航空相机 的焦深很小，只有离焦量不超过相机的1 2 焦深时，才能得到清晰的像。 2 1 大气压力变化对相机离焦的影响 航空相机的离焦误差束源之一是大气层的光学不均匀性和不稳定性，它是光线传 输过程中温度、密度和湿度变化的结果。空中照相，随着飞行高度的变化大气压力也 随之改变，大气压力变化会引起空气折射率发生相应的变化，如图2 1 所示。 3 0 0 0 0 10 0 0 0 3 0 0 0 10 0 0 高厦l m j 31 0 3 0 0 0 3 0 0 f x l o e - 、 罐誉蠹建 弋 、 l i n 。一1 ) 图2 1 空气折射率的变化量( 力，1 ) 随高度变化的曲线 高度增加，空气密度变小，大气压力减小，空气的折射率变小，将造成焦距变短， 焦面向镜头方向移动，如图2 2 所示。大气压力变化不仅会造成相机后截距空气折射 率的变化，而且也会使镜头玻璃零件间隔的空气折射率发生变化，因此大气压力变化 是导致像面发生移动的主要因素之一。 长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 空气压垄蕉d ! 堕堡面位移方向 图2 2 单一薄透镜焦面随空气压力的位移 如果忽略温度随高度变化的影响，焦距随压力的变化量如下式所示： 坼= p 只- p o 。 ( 2 1 ) 式中：p 某飞行高度的大气压力； p 。相机在地面时的大气压力： 厂矿一空气折射率变化引起的焦距变化： 后一大气压力造成的相机焦距变化 把相机镜头简单地用一平凸薄透镜来表示，如图2 2 所示，薄透镜的焦距与介质折射 率间存在如下关系： ，：旦( 2 2 ) 九g m 口 式中：产_ 透镜焦距； n 。空气折射率； n j 一玻璃折射率； ，一平凸薄透镜曲面的曲率半径 将式( 2 - - 2 ) 对月。微分，得： 砜= 等等t l 一；厂若 c z l ， = 一月口 。 h 2 一l 将式( 2 3 ) 代入式( 2 一1 ) 中，得到单一薄透镜焦距随大气压力变化的计算公式为： 可( p ；2 0 。c h 飞背 ( 2 - 4 ) 第二章相机离焦的主要原因及分析 2 2 温度变化对相机离焦的影响 温度变化会使相机上不同膨胀系数的零件因结构上受到约束而产生热应力和变 形，热应变表现为线性膨胀和收缩，玻璃零件的曲率半径、厚度和直径也将随温度的 变化而改变，玻璃内部的光学性能也随之改变，这些因素在不同程度上导致相机离焦。 若只考虑温度使镜头玻璃折射率，k 的变化以及空气折射率m 的变化所造成的焦面位 移，对式( 2 - 2 ) 取微分可直接写出温度变化引起单片薄透镜焦面的位移量公式： a f ：磐村f ( 2 - 5 ) 盯g i 式中：旷玻璃折射率； 7 一温度变化量； 玑一空气折射率随温度的变化量： ，k 一玻璃折射率随温度改变的变化量 温度变化严重影响相机焦面的稳定，图2 3 是焦距为1 0 0 0 m m 的航空相机温度 变化使焦面位置发生变化的曲线，从中可以看出，环境温度在一2 0 。c 4 0 。c 范围内变化 时，f 变化量可达0 2m i l l 。由此可见，环境温度变化直接导致相机焦面位置的变化， 必须采取切实可行的补偿措施。 一一 _ _ ， p c ： 镊鹱 图2 3 温度变化对相机焦面位置的影响 为了减小温度变化对成像质量的影响，航空相机的设计者一般会选择线膨胀系数 和玻璃的膨胀系数相匹配的材料设计镜头，从材料上降低热影响，同时还可以应用温 度控制系统来稳定相机的温度，将温度变化对焦面的影响减至最小。 2 3 照相距离的变化对相机离焦的影响 对丁焦距定的物镜柬髓，物像之问存在如下关系 长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 ! + ：_ 1 ( 2 6 ) tf 式中：f 一光学镜头焦距： 1 一被照相物体到镜头前主面距离； l 一镜头后手面到像面的距离 根据成像公式可知：只有当物距为无限远时像距爿等于焦距，物距小于无限远时，像 距大于焦距，也就是况当照相距离减小时，像面向远离镜头的方向位移。照相时，如 果成像焦平面的位置不能随之变化，就造成了离焦，使图像清晰度和分辨力下降。对 于倾斜照相的航空相机，照相距离为斜距，它由飞行高度和相机的扫描角确定，不同 的斜距所对应的像面位置不同，当斜距变化时焦面位置不变，因而造成离焦。这种由 于飞行高度和扫描角变化引起像面位置变化是和环境变化无关的，为了便于说明问题， 假设飞行高度固定，相机在扫描工作时物距、像距变化关系如图2 4 所示。由图2 4 及公式( 2 - - 6 ) 得出如下关系： 上。_ l 一上 a f + f 。哆幺n 臼厂 考虑到f a f ，可得： ，“l s i n 臼( 2 7 ) 爿 式中：h 一飞行高度： e 一扫描角 图2 4 相机物距、 由公式f 2 7 ) 可知，在焦距f定的情况下， 扫描角0 的函数，容易得出当扫描角为9 0 。时， 像距变化关系 由斜距变化引起的离焦量f 是高度h 和 离焦量最大。 第三章斜视相机自动调焦系统工作原理分析 第三章斜视相机自动调焦系统工作原理分析 斜视实时航空侦察相机焦距比较v ：( f - - 15 m ) ，工作时由于环境条件f 如温度、大气压 力) 和照相距离的变化，相机的焦面将产生不同程度的偏移( 即离焦) 。馥相机镜身长，受 外界因素影响产生的离焦现象比较明显，严重影响了图像的清晰度。为了保证相机在 不同的使用条件下的成像质量，就要使相机系统在整个照相过程中保持焦面稳定，需 对相机变化的像面加以校正，因此设计一套补偿相机像面偏离的调焦系统。 3 1 斜视相机离焦量计算 空中照相条件下，相机离焦主要是由于大气压力、温度及照相斜距的变化造成的。 一方面，大气压力和温度的变化使空气的折射率发生变化，同时光学系统中透镜的折 射率、曲率半径、厚度、透镜之闻的空气间隔及金属构件尺寸的变化；另一方面，扫 描照相时物距不断变化，使像距不断改变。上述两方面都将导致相机焦面产生位移。 斜视航空相机的离焦量计算如下： a ) 大气压力随高度的变化而变化，空气折射率随之发生变化，斜视相机主要在中 高空照相，工作高度是5 0 0 0 m 1 5 0 0 0 m ，高度范围变化很大，同在地面装配时相比，大 气压力变化很大，其焦距变化量如表3 1 所示。 表3 1 焦距在不同大气压下的变化量 高度( )大气压( b )空气折射率焦距变化量( m m ) 【0 1 0 l31 0 0 0 2 7 9o 5 0 0 0 0 5 41 0 0 0 1 6 8 o 3 1 1 0 0 0 00 2 6 51 0 0 0 0 9 4o 5 5 1 5 0 0 0 o 1 2 l1 0 0 0 0 4 4 0 8 3 从表中看出斜视相机在工作高度范围内的焦距变化量大大超出了相机的1 2 焦深，必将 严重影响相机的成像质量，所以，斜视航空相机必须补偿大气压力变化造成的离焦。 b ) 温度变化对像面位置的影响也很大，虽然斜视相机采用了与玻璃线膨胀系数接 近的钛合金材料作镜身，并没计了温度控制系统，可以保证相机在2 0 。c 3 。c 的温况下 工作，使相机在工作时始终有一个良好的温度环境，将温度变化对相机的影响减至最 小，但温度变化对相机的像面仍产生一一定的影响，在工作温度范围内其焦距变化量如 表3 2 所示。 长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 表3 2 工作温度范围内的焦距变化量 温度( )焦距变化量( m m ) 2 0 + 3o 0 2 7 2 0o 2 0 3o 0 2 7 c ) 斜视相机选择的典型工作高度是1 0 0 0 0 m ，根据斜距调焦原理可计算出斜距调焦 凸轮的偏心量为0 2 2 5 m m ，在这一高度扫描照相，斜距离焦可以完全补偿。在其它高 度上的剩余离焦量超出1 2 焦深的，需要移动焦面反射镜进行补偿。斜视相机在工作高 度范围内由照相距离变化引起的最大离焦量如表3 3 所示。 表3 3 不同高度下的最大斜距离焦量 相对典型高度的 作用距离( m )离焦量( m m ) 剩余离焦量( f i l m ) 5 0 0 00 4 50 2 2 5 1 0 0 0 00 2 2 50 1 5 0 0 0o 1 50 0 7 5 为保证成像质量，必须保持焦面稳定，即相机在曝光时，c c d 感光面应位于相机 焦面上。斜视相机由温度和大气压力造成的离焦量最大可达0 ：8 5 7 m m ，而相机光学系 统的焦深为01 5m m ，相机允许的离焦误差应不大于相机的l 2 焦深。 印：占o 0 7 5 r a m 由此可见，温度和大气压力造成的离焦量已经大大超出了允许范围，照相分辨力将明 显卜| 降。要得到高分辨力的图像，必需设法保证c c d 探测器的接收面始终与光学系统 的焦面重合，为实现这一目标，斜视相机设讨有自动调焦系统。 3 2 斜视相机调焦方式的确定 普通相机的调焦是通过移动相机物镜来实现的，而长焦距大口径航空相机的物镜 很重，移动不方便，不宜作为调焦镜组。斜视航空相机的后截距比较长，光束在后截 距中呈汇聚状态，为了便于凋焦，减轻调焦系统的重量同时也是为了缩短相机尺寸， 在) | 亡学系统的厉截距处增设反射镜，反射镜与光轴成4 5 。放置，所以斜视相机通过移 动后截距中的反射镜来实现调焦。反射镜沿光轴移动，使相机的后截距发生变化，光 第三章斜视相机自动调焦系统工作原理分析 学焦面的位置随之改变。斜视航空相机的自动调焦系统在借鉴国外先进技术的基础上， 针对本相机的t 作特点，研制出了一套自动补偿环境条件变化的词焦系统以及自动补 偿斜距离焦的机构。原理如图3 一l 所示。 由于相机所处的环境条件( 如压力、温度等) 变化，引起相机像面产生偏移，为保证 相机的成像质量通过调焦组件将相机变化的像而加以饺f ，然而调焦组件无法判断 相机离焦量的大小和方向，因此设计一套检焦机构检测相机是否离焦，由检焦机构检 测焦面位置，通过电控系统，将模拟量转换为数字量，再经控制器、驱动电路将信号 送给调焦电机，调焦机构工作，实现离焦量的校f 。 图3 l 斜视相机自动调焦系统示意图 3 3 斜视相机检焦原理 斜视实时航空相机采用自准直方式检焦，由光源发出的光照亮位于焦平面上的光 栅( 即目标，光源前的光栅称为物方光栅) 。光束经焦面镜、相机物镜后成为平行光束， 再通过垂直于光轴的平面反射镜反射回来，再次经过相机物镜、焦面镜，成像在光栅 的另一侧( 光电接收元件前的光栅部分称为象方光栅，它和物方光栅是一个整体) 。物 方光栅的像呈现在象方光栅上，如图3 2 。为方便凋焦，相机日i 端的扫描反射镜在其 垂直光轴的位置附近摆动，这样，物方光栅的像就在象方光栅上做水平扫描，并在光 电接收元件上产生一个光调制信号。 当合焦时，物方光栅和像方光栅重合。这时物方光栅的亮带作水平扫描，它和像 方光栅构成“光闹快门”，当物方光栅像的亮条纹f 好落在像方光栅的透光条纹上时， 亮条纹的光通过透光条纹投影在光f 乜探测器上，此时光电探测器的输出信号最大；而 当物方光栅像扫过1 个条纹宽度，物方光栅像的亮条纹落在像方光栅的不透光条纹上 长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 时，光电探测器输出的信号最小，物方光栅像一次单向水平扫描在光电探测器输出端 产生的电流信号如图3 2 ( a ) 所示。 当离焦时，物方光栅像和像方光栅像不重合。当物方光栅像的暗条纹和像方光栅 的透光条纹对正时，由于物方光栅像的亮条纹发出的光仍有一部分可照在像方光栅的 透光条纹卜，所以光r 乜探测器上仍能产生一定大小的电流信号，此时，i 。( 合焦时) i 。( 离焦时) ，同理，当物方光栅像的亮条纹和像方光栅的透光条纹一对时，亮条纹发 出的光只是一部分能透过像方光栅的透光条纹，而另一部分照到像方光栅的不透光条 纹上，此时i 、 1 、 口459 01 4 51 b d2 2 5 2 7 03 1 5 图4 一j 调焦凸轮的位移、速度、加速度曲线 4 3 3 2 凸轮机构运动转化原理 凸轮与齿轮通过螺钉联结在一起，借助精密轴承支撑在导轨架上，修研凸轮与轴承 的接合面，使其间隙近似为零，凸轮在导轨架上回转自如，紧固轴承压盖，保证凸轮机构 相对导轨架轴向位置不变。凸轮轴( 从动件) 借助精密轴承装在反射镜座上，修研凸轮轴 使其与轴承配合为小过盈量，保证凸轮轴与反射镜座相对位置不变。凸轮轴轴端与凸轮 槽配合( 保证间隙为0 0 0 2 0 0 0 , 3m m ) ，凸轮轴将凸轮与反射镜座联系在一起，齿轮转 动，凸轮随之转动，通过，、轮轴将运动传递给反射镜座，由凸轮传递的运动可分解为垂 直于光轴方向的移动和绕光轴方向的转动，而反射镜座旋转运动通过导轨机构限位，从 而实现旋转运动转化为垂直- j 二光轴疗向的直线运动。 第四章自动调焦系统的分析与设计 4 3 3 3 导向机构设计 导向机构是精密直线运动导轨副，主要由精密直线运动轴承、导向轴、导轨座组成。 它的精度直接影响到焦面反射镜的导向精度与位置精度。为方便调整和提高工艺性，两 侧导轨设计成一侧为固定端，一侧为活动端，固定端与导轨架是一体的，活动端通过螺钉 固定在导轨架上，两导向轴通过螺钉刨定在两测的导轨座上。以固定端为基准，明整及 修研活动端，使两导向轴平行度为o 0 0 3 o 0 0 5 m m 。焦面反射镜座通过两直线运动轴 承与两导向轴联接，修磨导向轴，使其与直线运动轴承小过盈量配合，移动灵活。 4 3 3 4 调焦量的设计 焦面反射镜垂直于光轴方向的移动，光学系统的焦面产生相应的改变，焦面镜的移 动范围与像面改变成线性比例关系，根据上述原理，由计算可知，因环境条件变化导致 像面最大离焦量为0 8 5 7 m r n ，由于计算时将整个相机简化成单一薄透镜，得出的结果必 然会比实际的离焦量小，在结构设计时，综合考虑调焦机构的复杂程度，允许机构占有 空间尺寸，在保证调焦机构功能的前提下，尽量提高调焦范围，增加调焦裕度，确保成 像质量。 调焦电机借助凸轮机构将调焦电机旋转运动转化为焦面反射镜垂直于光轴的直线 移动，而调焦范围主要决定于凸轮曲线的设计范围，综合考虑凸轮曲线的加工工艺性， 凸轮强度、刚度及允许的结构空间尺寸等，在凸轮曲线轴线偏离凸轮轴回转中心2 5 m m 的情况下，可实现最大调焦量为2 5 m m 。 4 3 3 5 提高调焦精度采取的措旆 调焦电机借助齿轮、蜗轮蜗杆、凸轮等传动机构，将力传递给焦面反射镜组件，使 其垂直于光轴方向平移，其精度主要由传动机构精度决定尽管传动件的加工精度较高， 但还存在一定的加1 和装配误差，导致传动副阳j 存在一定的误差( 阳j 隙) ，这些误差将不 同程度的反映在焦面镜的凋焦精度和稳定性上，为了减小传动副问存在的问隙，在每对 传动副中设计了活动环节，通过调节两传动副中心距减小间隙；由于凸轮是内凸轮曲线 形式，与凸轮轴啮合必然会存在f 叫致，才能保证凸轮轴转动自如。为了消除凸轮传动副 间隙对调焦精度的影响，采取了消间隙机构，即在焦面反射镜座组件与导轨架之间对称 布置两性能相同的拉簧，通过拉簧的拉j ，消除凸轮传动副间的间隙，实现提高凋焦精 度的目的。 长焦距斜视实时航空相机自动调焦技术的研究 4 3 3 6 调焦位置反馈机构设计 调焦电机借助传动机构，驱动焦面反射镜垂直于光轴平移，为提高调焦效率，在粗 调焦时借助位置反馈电位计确定细调焦的起始点。在结构设计时，设罱有调焦位置反馈 机构，调焦位置反馈机构主要由电位计、固定法兰组成。电位计参数如下： a ) 阻值： l o k q 5 b ) 线性度：o5 电位计转轴直接固定在凸轮回转轴上，二者保证同轴，借助于固定法兰，将电位计 固定在导轨架上。调焦量的大小和方向与凸轮的转角成正弦关系，因此，调焦量的大小 和方向与电位计的输出成正弦关系。在装调时，将电位计的零位与机械零位( 焦面镜处 于凸轮的中间位置) 重合，当调焦组件工作时，调焦量的大小和方向，可直接通过电位 计的输出信号反映出来。这样调焦反射镜的位景信号转变为电位计的电信号，反馈给微 处理机，微处理机通过控制电路控制调焦电机工作。 4 3 4 斜距调焦组件的设计 为了使焦面镜工作时能准确反映出由于环境和斜距变化而改变的光学焦面，在设计 补偿环境变化的调焦机