專利名稱：光錐與ccd耦合的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光錐與CCD耦合的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法。
背景技術(shù)：
光錐與CCD耦合器件可以提高CCD器件的成像質(zhì)量，用途廣泛。但由于光錐像元和CCD像元在尺寸、排列、形狀上不同，像素間不可避免地會(huì)產(chǎn)生幾何對(duì)準(zhǔn)誤差，嚴(yán)重地影響耦合器件的成像質(zhì)量。
實(shí)時(shí)判斷耦合效率，是制備光錐與CCD耦合器件的核心技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的研究。我國(guó)北方夜視等公司已能生產(chǎn)光錐與CCD耦合器件，但產(chǎn)品的制備工藝、性能指標(biāo)等遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于外國(guó)公司，只能應(yīng)用于對(duì)產(chǎn)品成像質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。國(guó)外的該類產(chǎn)品，如法國(guó)Thomson公司的“面陣CCD耦合成像產(chǎn)品”，其光錐與面陣CCD耦合器件的價(jià)格昂貴。
目前，國(guó)內(nèi)制備光錐與CCD耦合器件采用的是傳統(tǒng)制備工藝，即在光錐與CCD器件的耦合過(guò)程中，通過(guò)顯微物鏡觀察來(lái)判斷耦合位置。這種傳統(tǒng)的耦合方式存在如下缺點(diǎn)1.采用顯微鏡，只能判斷耦合部分的邊緣是否對(duì)齊，即只能保證耦合的粘結(jié)部分在規(guī)定的范圍內(nèi)，并無(wú)法保證耦合器件的成像質(zhì)量。
2.采用顯微鏡，只能粗略觀測(cè)光錐及CCD平面方向的對(duì)準(zhǔn)信息，對(duì)于光錐和CCD平面不平行、像元間排列不平行等影響耦合器成像質(zhì)量的因素，則無(wú)法檢測(cè)出。
3.采集的圖像是人為觀測(cè)、判斷，受主觀因素影響極大，只能粗略地估計(jì)耦合效率，所以像元間的幾何對(duì)準(zhǔn)誤差大。
4.不能自動(dòng)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地控制誤差，耦合器的成像質(zhì)量較差。
5.由于耦合器的成像是人工控制的，所以生產(chǎn)效率低，質(zhì)量極不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光錐與CCD耦合的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法，其解決了背景技術(shù)中不能自動(dòng)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地控制光錐與CCD耦合的誤差，耦合器件的成像質(zhì)量差的技術(shù)問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種光錐與CCD耦合的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法，其特殊之處在于該方法實(shí)現(xiàn)步驟包括
1)將光錐3與光電耦合器件4穩(wěn)定地夾持在精密調(diào)節(jié)架10上；2)手動(dòng)粗調(diào)(1)手動(dòng)調(diào)節(jié)透鏡組2的像面，使調(diào)節(jié)透鏡組2的像面與光錐3的端面重合；(2)手動(dòng)調(diào)節(jié)光電耦合器件4，使光電耦合器件4的靶面與光錐3的端面平行，并將光電耦合器件4的位置確定為粗調(diào)位置；3)自動(dòng)精調(diào)(1)以粗調(diào)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)；(2)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11控制步進(jìn)電機(jī)9，動(dòng)步進(jìn)電機(jī)9驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)光電耦合器件4，使電耦合器件4的靶面位置分別沿X、Y、Z軸方向旋轉(zhuǎn)和平移；(3)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11實(shí)時(shí)記錄光電耦合器件4的采樣圖像序列及坐標(biāo)位置；(4)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)7對(duì)所采集的圖像序列進(jìn)行處理、分析，在圖像序列中找出成像最清晰的圖像，確定與之相應(yīng)的光錐3與光電耦合器件4的最佳耦合位置，得到光錐3與光電耦合器件4最佳耦合位置的坐標(biāo)值；(5)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11用光錐3與光電耦合器件4最佳耦合位置的坐標(biāo)值反饋控制步進(jìn)電機(jī)9，步進(jìn)電機(jī)9驅(qū)動(dòng)光電耦合器件4，使光電耦合器件4與光錐3耦合對(duì)準(zhǔn)；4)用光學(xué)粘接劑將光錐3與光電耦合器件4粘合，完成耦合。
上述通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)7對(duì)所采集的圖像序列進(jìn)行處理、分析，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1)采用羅伯特算子的圖像處理算法；2)確定羅伯特算子的檢測(cè)結(jié)果f；3)對(duì)采集及圖像序列進(jìn)行處理、分析，在圖像序列中找出成像最清晰的圖像，得到最佳耦合位置坐標(biāo)值。
上述通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)7對(duì)所采集的圖像序列進(jìn)行處理、分析，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1)采用索伯爾算子的圖像處理算法；2)確定索伯爾算子的檢測(cè)結(jié)果f；3)對(duì)采集及圖像序列進(jìn)行處理、分析，在圖像序列中找出成像最清晰的圖像，得到最佳耦合位置坐標(biāo)值。
上述通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)7對(duì)所采集的圖像序列進(jìn)行處理、分析，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下
1)采用羅伯特算子與索伯爾算子相結(jié)合的圖像處理算法。采用該算子融合技術(shù)，對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析，光錐3與電耦合器件4耦合的準(zhǔn)確度最佳。
2)確定羅伯特算子的初始檢測(cè)結(jié)果f1，索伯爾算子的初始檢測(cè)結(jié)果f2；3)計(jì)算羅伯特算子的權(quán)值ω1ω1=Σf1Σf1+Σf2;]]>計(jì)算索伯爾算子的權(quán)值ω2ω2＝1-ω1。
4)采用權(quán)值融合的方法構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)f＝ω1∑f1+ω2∑f25)根據(jù)構(gòu)造的評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)采集及圖像序列進(jìn)行處理、分析，在圖像序列中找出成像最清晰的圖像，得到最佳耦合位置坐標(biāo)值。
上述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11實(shí)時(shí)記錄光電耦合器件4的采樣圖像序列及坐標(biāo)位置，該采樣圖像序列及坐標(biāo)位置的采樣頻率以0.5μm為宜。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明將自動(dòng)對(duì)焦方法應(yīng)用于光錐與CCD耦合系統(tǒng)中，在光錐與CCD耦合設(shè)備過(guò)程中可實(shí)時(shí)的判斷耦合效率，結(jié)合反饋控制，可有效地減小幾何對(duì)準(zhǔn)誤差，確保耦合器件的成像質(zhì)量。
2.自動(dòng)化程度高，定位迅速準(zhǔn)確，運(yùn)行速度快。
3.結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理。
4.采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、可靠，成像質(zhì)量高。
5.采用自動(dòng)控制方式，可顯著提高生產(chǎn)效率。
6.采用Roberts算子與Sobel算子相結(jié)合的圖像處理算法，算法的可靠性高，對(duì)焦準(zhǔn)確度高，較好地解決了耦合過(guò)程中監(jiān)控光錐與CCD最佳耦合效率的問(wèn)題。
7.實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明的算法較單獨(dú)使用Roberts算子的準(zhǔn)確率可提高62.5％，較單獨(dú)使用Sobel算子的準(zhǔn)確率分別可提高87.5％。
8.本發(fā)明可更廣泛用于各種離散元件的耦合系統(tǒng)中。廣泛應(yīng)用于航天載荷的成像系統(tǒng)、微光夜視、導(dǎo)彈電視跟蹤、光譜遙感成像等系統(tǒng)中。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明1-成像目標(biāo)，2-透鏡組，3-光錐，4-電耦合器件，5前端處理電路-，6-圖像數(shù)據(jù)采集卡，7-自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，8-RS232串行接口，9-步進(jìn)電機(jī)，10-精調(diào)調(diào)節(jié)架，11-計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1，本實(shí)施例中透鏡組2可采用海鷗F1.4標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，f＝50mm；光電耦合器件4及其前端處理電路5可采用常見(jiàn)的640*480的面陣光電耦合器件，輸出視頻信號(hào)；圖像數(shù)據(jù)采集卡6可采用天敏SDK-2000型圖像數(shù)據(jù)采集卡；步進(jìn)電機(jī)9可采用日本浚河公司的K701-30LMS型精密步進(jìn)電機(jī)，最小步距為0.5微米。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下1)在超靜室中，將光錐3與光電耦合器件4即CCD穩(wěn)定地夾持在精密調(diào)節(jié)架10上。
2)手動(dòng)粗調(diào)(1)手動(dòng)調(diào)節(jié)透鏡組2的像面，使之與光錐3的端面重合。
(2)手動(dòng)調(diào)節(jié)光電耦合器件4，使光電耦合器件4的靶面與光錐3的端面平行，即調(diào)節(jié)至光電耦合器件4與光錐3的理論耦合位置附近，并定位于粗調(diào)位置。
3)自動(dòng)精調(diào)以粗調(diào)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11自動(dòng)調(diào)節(jié)，使光電耦合器件4與光錐3耦合對(duì)準(zhǔn)。
(1)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11通過(guò)RS232串行接口8，控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)9，調(diào)節(jié)光電耦合器件4的靶面位置，分別沿X、Y、Z軸方向旋轉(zhuǎn)和平移。
(2)同時(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11實(shí)時(shí)記錄光電耦合器件4的采樣圖像序列及坐標(biāo)位置，采樣頻率為0.5μm。
(3)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)7對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析，確定光錐3與光電耦合器件4最佳耦合位置的坐標(biāo)值。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11通過(guò)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)7對(duì)所采集的圖像序列進(jìn)行處理、分析，在圖像序列中找出成像最清晰的圖像，確定與之相應(yīng)的光錐3與光電耦合器件4的最佳耦合位置，得到光錐3與光電耦合器件4最佳耦合位置的坐標(biāo)值。
(4)用光錐3與光電耦合器件4最佳耦合位置的坐標(biāo)值反饋控制步進(jìn)電機(jī)9，步進(jìn)電機(jī)9驅(qū)動(dòng)光電耦合器件4，使光電耦合器件4與光錐3耦合對(duì)準(zhǔn)。
4)用光學(xué)粘接劑將光錐3與光電耦合器件4粘合，充分凝固，完成耦合。
本發(fā)明通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)11中的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)7對(duì)采集到的圖像序列進(jìn)行處理、分析，反饋?zhàn)罴疡詈衔恢米鴺?biāo)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制。
對(duì)于特定的成像系統(tǒng)，圖像的清晰度可反映系統(tǒng)的離焦程度。一幅圖像是否對(duì)焦準(zhǔn)確，在空間域上的反映就是圖像細(xì)節(jié)是否豐富，圖像的邊界是否清晰。在圖像處理中，可采用梯度函數(shù)提取檢測(cè)圖像的邊緣及邊緣方向信息，判斷系統(tǒng)的離焦程度。例如，采用索伯爾算子即Sobel算子，檢測(cè)垂直和水平方向的信息具有較強(qiáng)的響應(yīng)；而采用羅伯特算子即Roberts算子，則易于檢測(cè)45°方向的信息。
本發(fā)明根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，對(duì)耦合器件要求太高或有特殊要求的場(chǎng)合，可單獨(dú)采用Roberts算子的圖像處理算法，也可單獨(dú)采用Sobel算子的圖像處理算法，還可單獨(dú)采用信息熵函數(shù)等圖像處理算法。
本發(fā)明采用索伯爾算子與羅伯特算子相結(jié)合的算子融合技術(shù)，對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析，光錐3與電耦合器件4耦合的準(zhǔn)確度最佳。其自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)7對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析，確定光錐3與光電耦合器件4最佳耦合位置的坐標(biāo)值，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1)確定羅伯特算子的初始檢測(cè)結(jié)果f1，索伯爾算子的初始檢測(cè)結(jié)果f2。
2)計(jì)算羅伯特算子的權(quán)值ω1ω1=Σf1Σf1+Σf2;]]>計(jì)算索伯爾算子的權(quán)值ω2ω2＝1-ω1。
3)采用權(quán)值融合的方法構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)f＝ω1∑f1+ω2∑f2。
4)根據(jù)構(gòu)造的評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)采集及圖像序列進(jìn)行處理、分析，在圖像序列中找出成像最清晰的圖像，得到最佳耦合位置坐標(biāo)值。
權(quán)利要求
1.一種光錐與CCD耦合的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法，其特征在于該方法的實(shí)現(xiàn)步驟包括1)將光錐(3)與光電耦合器件(4)穩(wěn)定地夾持在精密調(diào)節(jié)架(10)上；2)手動(dòng)粗調(diào)(1)手動(dòng)調(diào)節(jié)透鏡組(2)的像面，使調(diào)節(jié)透鏡組(2)的像面與光錐(3)的端面重合；(2)手動(dòng)調(diào)節(jié)光電耦合器件(4)，使光電耦合器件(4)的靶面與光錐(3)的端面平行，并將光電耦合器件(4)的位置確定為粗調(diào)位置；3)自動(dòng)精調(diào)(1)以粗調(diào)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)；(2)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(11)控制步進(jìn)電機(jī)(9)，動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(9)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)光電耦合器件(4)，使電耦合器件(4)的靶面位置分別沿X、Y、Z軸方向旋轉(zhuǎn)和平移；(3)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(11)實(shí)時(shí)記錄光電耦合器件(4)的采樣圖像序列及坐標(biāo)位置；(4)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(11)的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)(7)對(duì)所采集的圖像序列進(jìn)行處理、分析，在圖像序列中找出成像最清晰的圖像，確定與之相應(yīng)的光錐(3)與光電耦合器件(4)的最佳耦合位置，得到光錐(3)與光電耦合器件(4)最佳耦合位置的坐標(biāo)值；(5)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(11)用光錐(3)與光電耦合器件(4)最佳耦合位置的坐標(biāo)值反饋控制步進(jìn)電機(jī)(9)，步進(jìn)電機(jī)(9)驅(qū)動(dòng)光電耦合器件(4)，使光電耦合器件(4)與光錐(3)耦合對(duì)準(zhǔn)；4)用光學(xué)粘接劑將光錐(3)與光電耦合器件(4)粘合，完成耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光錐與CCD耦合的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法，其特征在于所述的通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(11)的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)(7)對(duì)所采集的圖像序列進(jìn)行處理、分析，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1)采用羅伯特算子的圖像處理算法；2)確定羅伯特算子的檢測(cè)結(jié)果f；3)對(duì)采集及圖像序列進(jìn)行處理、分析，在圖像序列中找出成像最清晰的圖像，得到最佳耦合位置坐標(biāo)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光錐與CCD耦合的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法，其特征在于所述的通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(11)的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)(7)對(duì)所采集的圖像序列進(jìn)行處理、分析，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1)采用索伯爾算子的圖像處理算法；2)確定索伯爾算子的檢測(cè)結(jié)果f；3)對(duì)采集及圖像序列進(jìn)行處理、分析，在圖像序列中找出成像最清晰的圖像，得到最佳耦合位置坐標(biāo)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光錐與CCD耦合的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法，其特征在于所述的通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(11)的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)(7)對(duì)所采集的圖像序列進(jìn)行處理、分析，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1)采用羅伯特算子與索伯爾算子相結(jié)合的圖像處理算法；2)確定羅伯特算子的初始檢測(cè)結(jié)果f1，索伯爾算子的初始檢測(cè)結(jié)果f2；3)計(jì)算羅伯特算子的權(quán)值ω1ω1=Σf1Σf1+Σf2;]]>計(jì)算索伯爾算子的權(quán)值ω2ω2＝1-ω1；4)采用權(quán)值融合的方法構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)f＝ω1∑f1+ω2∑f2；5)根據(jù)構(gòu)造的評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)采集及圖像序列進(jìn)行處理、分析，在圖像序列中找出成像最清晰的圖像，得到最佳耦合位置坐標(biāo)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的光錐與CCD耦合的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(11)實(shí)時(shí)記錄光電耦合器件(4)的采樣圖像序列及坐標(biāo)位置，該采樣圖像序列及坐標(biāo)位置的采樣頻率為0.5μm。
全文摘要
一種光錐與CCD耦合的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方法，其將光錐與CCD夾持于精密調(diào)節(jié)架上，手動(dòng)粗調(diào)，使調(diào)節(jié)透鏡組的像面與光錐的端面重合；以粗調(diào)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)，使CCD分別沿X、Y、Z軸方向旋轉(zhuǎn)和平移；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)所采集的圖像序列進(jìn)行處理、分析，在圖像序列中找出成像最清晰的圖像，得到光錐與CCD最佳耦合位置的坐標(biāo)值，反饋控制步進(jìn)電機(jī)，使CCD與光錐耦合對(duì)準(zhǔn)，用粘接劑粘合，完成耦合。本發(fā)明解決了背景技術(shù)中不能自動(dòng)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地控制光錐與CCD耦合的誤差而導(dǎo)致成像質(zhì)量差的技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明采用自動(dòng)對(duì)焦法，結(jié)合用算子融合技術(shù)確保成像質(zhì)量，可廣泛用于各種離散元件的耦合系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G01B9/04GK101051107SQ200610042630
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2006年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者田維堅(jiān), 張宏建, 王耀祥, 張薇, 馮桂蘭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所