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1引言 自動檢調(diào)焦技術是70年代以后發(fā)展起來的最為活躍的現(xiàn)代照相技術領域之一,特別是微電子學工藝突破性的技術發(fā)展,為自動檢調(diào)焦技術的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的條件。透鏡分離相位檢焦方法已經(jīng)為canon等公司生產(chǎn)的數(shù)碼相機所普遍采用,整個系統(tǒng)調(diào)焦精度高。光電經(jīng)緯儀在對目標進行跟蹤測量過程中,目標與設備的相對距離不斷地發(fā)生變化,因而造成目標像面的離焦,影響了成像質(zhì)量?，F(xiàn)在諸多經(jīng)緯儀是由雷達或激光測距機送來的距離信息電壓來控制調(diào)焦機構自動調(diào)焦的。相位法自動檢調(diào)焦技術根據(jù)檢測像的偏移量實現(xiàn)自動調(diào)焦,其在經(jīng)緯儀中的應用使被測目標自動清晰成像,使經(jīng)緯儀的自動化功能更加完善。 2相位法自動檢調(diào)焦技術在經(jīng)緯儀中的應用 經(jīng)緯儀自動調(diào)焦系統(tǒng)[1],系采用放置在望遠光路中的準直鏡進行自動調(diào)焦:當目標在無窮遠位置時,準直鏡做調(diào)焦元件是將其前焦點置于望遠系統(tǒng)的第一焦面上,而當目標是在有限距離時,目標像面就離開第一焦面,只要將準直物鏡沿軸線移動,使其前焦點離開第一焦面而落在目標像面上,此時目標光線經(jīng)過準直物鏡變成平行光,然后經(jīng)過變倍物鏡成像于第二像面,準直鏡前焦點離開目標像面的距離,反映在第二像面上就是離焦量。由此可見,準直物鏡移動只要前焦點落在目標像面上,后面為平行光對后面的光路無影響。 
通過準直鏡頭的光束經(jīng)平面反射鏡反射后進入自動檢焦系統(tǒng)。為方便起見,不考慮平面反射鏡。通過準直鏡頭的光束經(jīng)雙分離透鏡后被分成兩個部分,在CCD傳感器上成像。光束成像后對比度最高的地方稱為像的脈沖,或稱相位,像的脈沖間距叫做相位差。當調(diào)焦準確時,經(jīng)過分離鏡片生成的兩束光線投影在CCD上的距離是一定的,作為焦點檢測的基準。用AB來表示作為CCD上兩光斑的位置的基準。當調(diào)焦不準時,有兩種可能性。一種是準直鏡前焦點在目標像面之前。此時受光的CCD上兩光斑的位置之間的距離短于AB;另一種情況是準直鏡前焦點在目標像面之后,此時受光的CCD上兩光斑的位置之間的距離長于AB,根據(jù)受光的CCD上光斑的位置之間的距離,就能鑒別出焦點是否準確。只要測出這個偏移量,就能檢測出焦點的偏離狀態(tài)。根據(jù)CCD上兩光斑的位置的距離與AB的差值,即檢測相位差的變化量,經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路,再送入系統(tǒng)的CPU中央處理單元,CPU按照設定的程序,可計算出準直鏡前焦點離開第一像面的距離,以及散焦[2]方向。準直鏡的移動量就是根據(jù)這種相位差的變化量來確定相應的電壓信號,按一定的函數(shù)關系,由一套系統(tǒng)自動控制的。 3光學系統(tǒng)ZEMAX模擬分析及結果[3] 經(jīng)緯儀的自動調(diào)焦精度指當輸入準直鏡前焦點離開目標像面的距離信號時,伺服系統(tǒng)調(diào)整后,反映在第二像面上就是離焦量,這樣調(diào)焦精度取決于第一像面的焦深,Δd可按下公式計算Δd=±4λf20/D20(λ為光波波長;f0為第一像面的焦距;D0為入瞳孔徑)Δd一般在0.14左右,調(diào)焦精度取其1/5左右,0.0220.03mm。通過簡單的計算,選擇合適的鏡頭數(shù)據(jù),可以滿足整個檢焦系統(tǒng)的景深[4]在望遠物鏡的一半焦深范圍之內(nèi)的精度要求。 利用ZEMAX進行系統(tǒng)的性能仿真,下面是—經(jīng)緯儀準直物鏡和雙分離透鏡部分仿真(如圖2,圖中省略望遠物鏡采用理想鏡頭進行設計),取鏡頭參數(shù)滿足自動調(diào)焦精度條件,假設點光源在準直物鏡的前焦點上,經(jīng)理想鏡頭后,CCD傳感器上的spot diagram,移動點光源在望遠系統(tǒng)的前后焦深范圍邊緣,CCD傳感器上的spot diagram為一個像素,如圖3、圖4仿真證明滿足精度要求。 
在焦點附近放置點光源,移動照亮的±2°視場大小的物體,觀察spot diagram質(zhì)心的變化量作為CCD輸出信號之間相位差獲得像的相對偏移量,輸入MATLAB,如圖5所示,由于利用理想透鏡參數(shù)進行仿真,所以光路近為近軸光學,結果近似為一條直線,但是實際情況由于像差和制造誤差的影響實際情況會有所不同。不同的雙分離透鏡參數(shù)對應不同的關系曲線,從而可以根據(jù)需求和實際制造要求,選擇合適雙分離透鏡參數(shù)滿足不同的調(diào)焦精度要求,圖中所示曲線1代表F數(shù)為8,焦距為140mm的雙分離透鏡,隨著焦距的增大,曲線靠近Y軸,反之,則遠離。 
在實際信號中[5],還有許多的噪聲疊加在信號上(AF系統(tǒng)所成光學像必須含有20至50左右像素,像素過少的話,在離焦較大時會影響AF光學像的變位運算處理),根據(jù)CCD圖像傳感器對圖像強度分布信息進行處理:目前比較常用的CCD像點位置提取算法有相關法[6]、曲線擬合法和重心法,均可達到亞像元分辨率。實際應用中,主要根據(jù)計算量及精度要求來選擇軟件細分算法。 4總結 經(jīng)緯儀中相位法自動檢調(diào)焦系統(tǒng)所能達到的精度根據(jù)系統(tǒng)所選器件參數(shù)以及制造技術的不同而有所不同,對于檢焦系統(tǒng)景深滿足望遠系統(tǒng)焦深范圍內(nèi)條件的調(diào)焦系統(tǒng)基本上能達到上面提到的精度要求。本文就相位法自動檢調(diào)焦技術在經(jīng)緯儀中的應用提供了理論研究,隨著CCD面陣傳感器提取精度的提高,通過雙分離透鏡參數(shù)的合理設置以及實驗裝置的可行化,為經(jīng)緯儀自動檢調(diào)焦功能的實用化提供了基礎。 摘自：中國計量測控網(wǎng)
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