查表法修正变焦电视系统光轴跳动量

2023-03-07

在连续变焦系统中, 由于加工制造和装调误差的存在, 造成系统中各个透镜产生面倾角, 即光轴产生平移和倾斜, 从而引起光轴随着变倍和补偿系统位置的变化而始终在变化, 对于普通的变焦系统, 光轴跳动是无关紧要的, 但是对于大变倍比的跟踪测量变焦距系统, 光轴跳动是不容忽视的, 为了减少光轴跳动带来测量误差, 因此, 有必要对变焦电视系统的光轴跳动量进行软修正。本文主要讲述光轴跳动的检测与查表修正方法。

1 工作原理和工作流程

1.1 工作原理

根据光学理论知:连续变焦电视系统测量和瞄准的目标近似为无穷远, 修正无穷远轴上点所成像的跳动, 既可认为修正了光学系统的光轴跳动。

只要求出无穷远轴上点所成像的跳动量, 就可得出光轴的跳动量。通过追踪无穷远轴上点的像作为电视零位, 像点与目标点的连线作为一个新的跟踪视轴, 然后以新的视轴作为测量基准, 供瞄准测量使用。实际上光轴跳动主要是由于变焦系统内部组件在运动过程中产生平移和倾斜造成的, 但是在一段时间内, 组件与组件之间的位置配合关系在某一焦距下是固定的, 是一个系统误差, 所造成的光轴跳动也是一个系统误差, 是按照某种规律变化的。这种系统误差可以用软件查表法修正解决。

1.2 工作流程

工作流程主要由检测和修正两部分组成。

第一部分是检测出光轴的跳动量, 检测原理如图1所示, 首先, 变焦镜头和CCD组装固定好, 保证CCD和变焦镜头位置关系符合性能指标要求。开始时将镜头调焦到长焦位置, 平行光管焦面处的小孔光栏模拟无穷远目标, 经镜头成像在焦面处加载电十字丝的面阵CCD上, CCD输出信号分两路:一路直接供监视器使用, 如图2所示;另一路信号经过数字转化和图像处理后, 算出光栏像形心偏离十字线中心坐标 (x, y) 。手动调节微调机构, 使 (x, y) 输出值为零, 注意调节的过程中还要保证像斑圆度误差最小, 以确保镜头轴线与平行光管平行。接着以此点作为基准, 通过程序按一定的焦距间隔取点, 测出相应点的凸轮筒转角θ和像点的跳动量 (x, y) 。对某一量要进行多次测量, 剔出粗大误差后取其平均值存入计算机中, 然后根据测出的系列点 (x, y) 和θ, 建立数据表, 供后续查表修正使用。

第二部分是连续变焦系统的自动修正过程, 首先, 将数据表编入修正程序中, 再将程序写入基于DSP控制处理系统中的EEPROM中。根据使用时的情况驱动电机变焦, 位置传感器测出相应凸轮筒转角θ值, 根据θ查表得到对应的x, y值, (x, y) 即为该转角下对应的光轴跳动量。在此基础上测出目标像形心距离十字中心的坐标为 (X, Y) , 减去此点的光轴跳动量 (x, y) , 输出值 (X-x, Y-y) , 即为修正光轴跳动后的结果, 也可以理解为直接标定 (x, y) 点为测量原点, 测出目标像点的坐标值。

2 三个重要测量参数精度的保证

2.1 位置传感器的检测精度

位置反馈系统采用绝对式光电轴角编码器, 光电轴角编码器输出值与焦距成对应关系。已知要求凸轮筒的转动角度精度不大于10’, 而电机输出轴与凸轮筒的传动比i=4﹕1, 根据下式计算知:

因此, 采用10位光电轴角编码器能够满足测量精度要求。

2.2 图像形心坐标算法方案

该测量方法的主要误差来源于光斑中心的确定, 采用面积平衡中心算法可以大大提高测量精度。该算法主要分以下几个步骤。

(1) CCD采集到的原始图像含有电子干扰噪声, 为突出所要的信息采用中值滤波器对原始图像进行图像增强, 改善图像质量。

(2) 边缘检测, 可以从背景光中分离出像斑。在对边缘检测前先对图像进行阀值分割、二值化处理, 像斑和背景之间存在边缘, 这种边缘可以利用求导数的方法计算出来。原始图像经过处理后, 光斑图像的边缘线都变成单像素线, 为下面的定位做好准备。

(3) 面积中心算法, 预处理后的图像有n个像素单元, 单个像素的面积为Ai, X、Y的方向坐标分别为xi、yi, 则面积中心坐标为:

其中, 为目标总面积, Aixi为像素i在x方向面积距, Aiyi为像素i在y方向面积距。

2.3 电机输出精度

电机选用力矩电机, 与光电轴角编码器配合使用时, 能够快速而准确地转动到规定位置, 电机的驱动系统采用PWM驱动技术, PWM驱动系统具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等优点。

3 表格建立与调用

3.1 表格建立

设凸轮筒的转角范围为0～80°, 建立表格过程如下。

(1) 凸轮筒转角范围为0～80°, 则对应的电机输出轴转角范围为0～320°, 轴角编码器输出值φ为电机的转角, 然后对φ进行480等分。而凸轮筒转角θ=φ/4, 通过运算处理可以得到481个θ序列, 即θ=0’、10’、20’、…、4800’。

(2) 将得到的θ值在角度～跳动量表中查出对应的光轴跳动量, 并将角度值作为地址, 将跳动量 (x, y) 填入相应的位址中。

(3) 制表完成后, 将所得的跳动量按照顺序存入C语言的处理程序中。

建立的角度-跳动量转化表如表1所示。

3.2 表格调用

因为上述表1中的θ值是以按照有序排列, 以每10′为间隔计算, 因此, 采用“指针”查表法进行查表。选0为查表的参照点, 编码器输出值φ除以40即为序号值, 直接就可查到相应的光轴跳动量。

4 结语

该系统通过光轴修正后, 光轴跳动量 (x, y) 可以控制在0.004mm (一个像元尺寸大小) 。随着CCD分辨率提高, 测量与修正精度还会进一步提高。采用这样的自动检测与修正系统可以极大地减少光轴的跳动量, 提高产品的使用精度。该方法不仅方便可行, 而且具有很好的应用前景和重要的使用价值。

摘要：光轴跳动量是连续变焦电视系统的一个重要指标, 本文提出了一套检测和修正光轴跳动的方法, 通过对检测信号进行数字图像处理得到测量数据, 然后由数据建立数据表存入EEPROM中供后续查表法修正使用。变焦电视系统在使用过程中, 根据轴角编码器输出值查表得出修正值, 对变焦电视系统的光轴跳动量进行自动修正。

关键词：光轴跳动量,检测,查表,修正