摘 ?要： 通過環境對光學系統性能影響的分析，介紹了一種自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" 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title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統" title="自動調焦系統">自動調焦系統，該系統具有高精度、快速探測等性能。
關鍵詞： 自動調焦；相機
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高分辨率航空相機若要實時獲取最佳分辨率圖像，就必須對由環境變化引起的焦距變化進行補償。如果以標定焦面代替變化后的焦面，則照相性能會有顯著下降。本文介紹的自動調焦系統能在大范圍溫度、壓力的條件下獲得最佳像面，并且在獲取圖像前自動檢測焦面位置，具有精確性和快速性等特點。
1 環境對光學系統的影響
通常影響光學系統的主要環境變化因素有大氣壓力的變化、溫度變化和濕度變化。雖然這三種因素都使空氣的折射率發生變化，但是濕度的影響可以忽略不計。溫度和壓力的變化能使光學元件內部產生應力，從而改變其局部折射率和表面曲率。
1.1 壓力的影響
由于大氣壓力與大氣密度σ成正比，而大氣密度σ又與空氣折射率n0成正比，因此大氣壓力改變并影響了鏡頭的焦距，如式(1)：
其中：Δf為壓力變化引起的離焦量；f為鏡頭焦距；ng為玻璃折射率；p為周圍環境大氣壓；p0為標準大氣壓；na為空氣折射率。圖1為壓力變化與鏡頭焦距關系。
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1.2 溫度的影響
??? 溫度變化帶來玻璃熱膨脹系數的改變以及過大的溫度梯度帶來的波陣面波動都會引起鏡頭焦距的變化，如式(2)：
??? 
其中：Δf1為溫度變化引起的離焦量；f為鏡頭焦距；ng為玻璃折射率；p為周圍環境大氣壓；p0為標準大氣壓；na為空氣折射率；ΔT為溫度變化量；ag為玻璃膨脹系數。圖2為溫度變化與鏡頭焦距關系。
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2 自動調焦系統
??? 自動調焦系統包括檢焦、調焦兩個過程，如圖3所示。系統由一個微處理器、模數轉換輸入、精密焦面驅動機構、光學發射/接收光柵對和自有的光學元件（包括自準平面鏡）組成。光柵對和焦面板被固定在共面支架上，以便能通過在所需范圍改變后焦距獲得最佳焦面。支架由一個四相步進電機定位，步進電機受CPU控制。支架的位置傳感器將焦面板的位置提供給CPU。光源照亮發射光柵，通過光柵的光被收進鏡頭，透過鏡頭后，被反射鏡反射回鏡頭，透過鏡頭后返回接收器。接收器由光柵和在其后的光敏二極管探測器組成，接收的信號被數字化后輸入CPU進行處理。
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??? 相機鏡頭將發射光柵的像投射到接收光柵上，CPU控制掃描反射鏡的擺動使發射光柵的像掃過并通過接收光柵，照到大面積硅光電二極管上。當平臺處于最佳焦面位置時，將產生最高瞬間峰值信號；在離焦情況下，會產生瞬間低峰值信號。圖4為瞬時峰值與焦距之間的關系。
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此時CPU只需用簡單的登山法進行逐次比較，即能實現準確調焦。
3 自動調焦方法
鏡頭離焦誤差為其半倍焦深，如式(3)所示。
??? 圖5為分辨率與離焦量關系實測值。
在上電初始化和程序具備啟動條件后，程序控制驅動反射鏡位置以及調焦平臺位置，然后執行采樣子程序。采樣是為了在整個后焦距校正范圍內確定大致焦面位置。
采樣程序控制焦面板平臺從一端移動到另一端，隨著掃描反射鏡小范圍擺掃，平臺步進移動。每步進一步,讀取接收光柵上的光敏二極管輸出數據和相應的焦面位置并與前一次的讀數相比較，保留光敏二極管輸出最大值和其相應的焦面板位置。在完成所有步進后，平臺返回到產生光柵信號響應最大值處的步進增量位置。此時平臺所處位置應在最佳成像位置范圍內。流程圖如圖6所示。
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執行微調校正程序，平臺向焦前方向移動0.01mm，測量并儲存接收光柵上的光敏二極管輸出以及相應焦面板位置，平臺再向相反方向移動0.02mm，取得第二個光敏二極管測量值。兩次讀數的代數和除以兩次讀數的代數差，結果代表比值。如果比值小于10，平臺位置還在±0.01mm范圍內校正，縮小范圍，測量并儲存接收光柵上的光敏二極管輸出以及相應焦面板位置。重復此過程，直到比值大于等于10為止。如果比值等于10，則校正結果為±0.01mm；如果比值大于10小于等于17，校正結果為±0.005mm；如果比值大于17小于等于25，校正值為±0.0025mm；如果比值大于25，不需要校正補償。程序連續4次重復此過程。將這4個存儲的位置平均后，驅動平臺到這個位置，該位置就為最佳焦面。校正子程序完成需要大約25s～30s。流程圖如圖7所示。
系統根據溫度和壓力對應離焦量公式計算得出其離焦量，調焦校正子程序補償溫度和壓力的變化，可以通過軟件補償來實現。
4 試驗結果
在實驗室，通過對外景廣告圖標拍攝驗證了實際情況下鏡頭的焦深范圍為±0.01mm，在理論焦深2δ=0.0352mm之內，從而驗證了該自動調焦方法的精度。該檢焦過程在28s內完成，說明其具有較好的快速性能。圖8為焦距變化在±0.01mm范圍內的圖像。圖9為±0.01mm范圍以外圖片。
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當外界環境改變時，鏡頭會產生一定程度的離焦，如圖10所示。第一張為在20℃、標準大氣壓下完成自動檢焦后拍攝的圖像，圖像質量較好；改變外界條件，第二張為0℃、0.7個大氣壓下未補償拍攝圖像，從圖像上看有了一定程度的離焦；通過調焦補償，第三張為0℃、0.7個大氣壓下已補償拍攝圖像，改善了第二張圖片的效果。上述試驗是在環控箱內進行，調焦執行時間約為2s。
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在實驗室中，將設備放置在環控箱內，通過對景物照相，不但驗證了系統自動調焦的準確可靠性，而且還檢驗了該系統響應外界環境變化情況的快速性和調焦精度。本文所介紹的方法改進了傳統的爬山法，通過大量的試驗確定恰當的比值以表征檢焦精度范圍，使系統響應更加快速，精度更高。
參考文獻
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