CN112629680B - 基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于夏克‑哈特曼波前传感的航空相机检焦装置及方法，能够在不引入额外的测量元件的前提下，实现光学***全孔径范围内的焦面检测，且对夏克‑哈特曼波前传感器的安装位置和扫描镜的控制精度要求不高，特别适合航空成像环境。夏克‑哈特曼波前传感器放置在航空相机光学***的入瞳前方，如扫描镜的上方，这样做有利于航空相机结构小型化，还可以解决航空相机光学***像空间紧凑，采用传统光电自准直检焦法无法同时放入检焦光栅、光源组件和光电接收器件的问题。
Description
技术领域
本发明属于航空相机测试与成像技术领域，具体涉及基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置及方法。
背景技术
航空相机在工作过程中会受到自然环境(如大气、温度、地形)和载机飞行姿态的影响，造成成像探测器的光敏面位置偏离理想像平面，严重影响图像的清晰度和分辨力。因此，要想获得高清晰度的图像，就需要在航空相机成像前进行检调焦。
航空相机上常用的检调焦方法为光电自准直法，该方法在像平面上放置Ronchi光栅并用光源照明，利用光学自准直原理通过垂直于光学***光轴放置的扫描镜将光栅像原路返回并成像在与发射光栅的共轭放置的接收光栅上，在其后端使用光敏元件接收，通过接收到的能量大小来判断焦面位置。
在光刻机检焦领域，申请号201410479415.1的专利申请公开了一种基于哈特曼波前检测原理的检焦方法，用于实时检测光刻机***的硅片位置，该检焦***包括光源及准直扩束***、前置透镜组、被测硅片、后置透镜组、微透镜阵列和CCD探测器组成，该方法的组成元件较多，装调精度要求较高，环境适应性较差；申请号201910426968.3的专利申请公开了一种基于焦面哈特曼波前传感器的大视场图像清晰化装置及方法，该方法描述的测量装置中包含分光镜、焦面哈特曼波前传感器、图像采集装置和图像处理模块，分光镜将目标信息一分为二，分别通过成像探测器和哈特曼波前传感器接收，通过哈特曼波前传感器探测到的信息还原出各个视场的波前信息，再通过图像处理的方法将成像探测器采集到的图像进行清晰化处理，该申请在背景技术中描绘了航拍图像的特点，但并未指出该方法在航空相机中具体实施方法，根据专利申请的方案描述，该测量装置布置在成像镜头的像空间，这就要求航空相机光学***的像空间尺寸足够大，且该申请未指出方案的实效性如何，时效性对于航空图像的检焦至关重要。
综上，现有的航空相机自准直检焦法需要占据光学***较大的像方空间，且无法做到光学***全孔径检测，检焦精度有限；现有的基于哈特曼传感器的检焦方法测量装置较为复杂，尚未见到在航空相机检焦领域应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置及方法，能够在不引入额外的测量元件的前提下，实现光学***全孔径范围内的焦面检测，且对夏克-哈特曼波前传感器的安装位置和扫描镜的控制精度要求不高，特别适合航空成像环境。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置，包括夏克-哈特曼波前传感器、检焦光源、扫描镜、航空相机光学***、相机控制器、调焦控制器和图像处理模块；其中，夏克-哈特曼波前传感器包括微透镜阵列和成像探测器；夏克-哈特曼波前传感器与检焦光源光束发散角相匹配；
在航空相机对地成像时，扫描镜与光轴成倾斜45°工况，将地面景物信息送达光学***的入瞳内；
当需要检焦时，相机控制器发出指令，调焦控制器将扫描镜绕俯仰轴旋转180°，此时像面上的检焦光源开始工作，发出的光束经过航空相机光学***准直后沿对地成像时光路的反方向传播，经过扫描镜后入射到夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列中去，最后成像在夏克-哈特曼波前传感器的成像探测器上；调焦控制器驱动检焦光源沿光轴按事先规划的步长移动完整个调焦行程，图像处理模块将每个步长下的夏克-哈特曼波前传感器中的成像探测器上的光斑位置信息进行记录和解算，通过记录信息比对得到焦面位置信息，最后由调焦控制器驱动成像探测器到达焦面位置，完成检焦过程。
其中，所述检焦光源为发光二极管，发光二极管的工作波长与航空相机的光学***的工作波长相一致。
其中，所述发光二极管的工作波长为单色光波长，匹配夏克-哈特曼波前传感器的峰值响应特性。
其中，所述发光二极管的前端设有整形透镜组，发光二极管经过整形透镜组后的焦点像成像在光学***的特定像面位置。
本发明还提供了一种基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦方法，利用本发明的基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置，包括如下步骤：
检焦开始时，航空相机的相机控制器发出指令到调焦控制器，调焦控制器驱动扫描反射镜旋转180°，并点亮发光二极管，此时发光二极管发出的光通过航空相机的光学***后经过扫描镜反射后照亮微透镜阵列，通过微透镜阵列成像在探测器上；
图像处理模块在扫描反射镜到达检焦位置后，接收夏克-哈特曼波前传感器的探测器输出信号，并记录所成点像之间的位置关系用于离焦量分析，完成一次离焦量采样；图像处理模块在完成一次离焦量采样后，调焦控制器驱动发光二极管移动一个检焦步长，继续完成一次离焦量采样，直至完成总检焦行程内的全部采样；图像处理模块将采集到的各个步长下的光斑位置信息进行综合比对，选出满足平行光入射成像条件的发光二极管位置作为焦面位置，将结果反馈给调焦控制器，由调焦控制器驱动光学***成像探测器到达焦面位置，检焦过程结束。
其中，通过增加检焦光源的数量，调整检焦光源在光学***像面上的位置，对光学***中特定的波长和不同的视场下的波前质量进行测量。
有益效果：
本发明将哈特曼传感器设置在光学***的入瞳前端，并充分利用航空相机的尺寸空间，利用本发明可以在不引入额外的测量元件的前提下，实现光学***全孔径范围内的焦面检测，大大提升检焦精度。在光学***的像方位置所需引入的检焦元件只有检焦光源及其驱动组件，夏克-哈特曼波前传感器放置在航空相机光学***的入瞳前方，如扫描镜的上方，这样做有利于航空相机结构小型化，还可以解决航空相机光学***像空间紧凑，采用传统光电自准直检焦法无法同时放入检焦光栅、光源组件和光电接收器件的问题。检焦***工作时，仅需控制扫描镜旋转180°，由于检测的是平行光，因此对夏克-哈特曼波前传感器的安装位置和扫描镜的控制精度要求不高，特别适合航空成像环境。
附图说明
图1为本发明航空相机对地成像过程示意图。
图2为本发明航空相机检焦过程示意图。
图3为本发明检焦过程中夏克-哈特曼波前传感器的成像探测器上离焦光斑位置和合焦光斑位置示意图。
图4为本发明检焦电控流程框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明采用夏克-哈特曼波前传感技术，采用点光源作为检焦光源，利用光学***对焦面上点光源的准直特性实现了航空相机检焦，根据光路可逆原理，将航空相机的光学***成像光路逆用，利用航空相机的对地扫描的摆镜(扫描镜)将检焦光源的出射波前反射到夏克-哈特曼波前传感器中去，可精确测量光学***的波前质量，提升检焦效率，具有检焦元件数少，占用光学***像方空间尺寸低的优点。
由于航空相机的对地扫描的摆镜(扫描镜)尺寸重量较大，对其进行快速稳定控制存在技术困难，本发明利用了夏克-哈特曼波前传感技术对平行光路的成像一致性，所以很好地避免了传统自准直检焦方法中对扫描镜稳定控制精度要求高的这个技术困难。另外，由于夏克-哈特曼波前传感器置于平行光路中，因此夏克-哈特曼波前传感器的安装位置可以结合航空相机的外形特点和尺寸要求进行灵活布置。
进一步地，通过适当匹配检焦光源和夏克-哈特曼波前传感器的特性参数，可以实现光学***的全口径检测，相比只能进行子口径检测的传统自准直检焦方法具有检焦精度更高的特点。
实施例1：
根据几何光学成像原理，在焦平面上点光源发出的光线经过望远物镜光学***后将变成平行光束，而在其他像面位置上点光源发出的光线经过光学***后出射光束将不再平行；夏克-哈特曼S-H(Shack-Hartmann)传感器可以通过微透镜阵列测量入射光波的波前质量，当入射光为平行光(平面波前)时微透镜阵列在探测器特定区域内的成像光斑位置成对称分布的规则状态，而当入射光束不再平行，这种规则的状态将被打破，通过测量光斑位置的变化可以精确复原入射光束与理想平行光束的偏移量，夏克-哈特曼传感器在大气光学、自适应光学领域有大量应用，在航空相机的检焦领域鲜有应用。
航空相机的光学***属于望远物镜***，其视场角往往不大，尤其是长焦距的航空相机其视场角往往在几度左右，其成像波前的探测非常适合采用哈特曼波前传感器，理想情况下航空相机的光学***的入瞳处始终是平行光入射，而当光学***的焦面位置偏离理想像平面时，其上点光源发出的光经过光学***后将不再平行，根据上述特点，可在光学***像面位置放置点光源作为检焦光源，结合航空相机的外形特点可在光学***入瞳前端的扫描镜上方放置夏克-哈特曼波前传感器。
因此，本发明的基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置包括夏克-哈特曼波前传感器、检焦光源(点光源)、扫描镜、航空相机光学***、相机控制器、调焦控制器和图像处理模块。其中，夏克-哈特曼波前传感器包括微透镜阵列和成像探测器。在航空相机对地成像时，扫描镜与光轴成倾斜45°工况，将地面景物信息送达光学***的入瞳内，航空相机对地成像过程示意图如图1所示；当需要检焦时，由相机控制器发出指令，调焦控制器将扫描镜绕俯仰轴旋转180°，此时像面上的检焦光源开始工作，发出的光束经过航空相机光学***准直后沿对地成像时光路的反方向传播，经过扫描镜后入射到夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列中去，最后成像在夏克-哈特曼波前传感器的成像探测器上，沿光学***的光轴前后移动检焦光源，直至成像到夏克-哈特曼波前传感器中的入射光束满足平行光入射条件，即微透镜阵列的成像光斑位置在探测器的特定区域内成对称分布的规则状态时即完成了检焦工作，检焦过程示意图如图2所示。
具体地，调焦控制器驱动检焦光源沿光轴按事先规划的步长移动完整个调焦行程，并通过图像处理模块将每个步长下的夏克-哈特曼波前传感器中的成像探测器上的光斑位置信息进行记录和解算，通过记录信息比对得到焦面位置信息，最后由调焦控制器驱动成像探测器到达焦面位置，检焦过程完成。检焦过程中夏克-哈特曼波前传感器的成像探测器上离焦光斑位置和合焦光斑位置示意图如图3所示。
具体地，考虑光学***的透过率损失可选择高亮度发光二极管作为检焦光源，高亮度发光二极管的工作波长与航空相机的光学***的工作波长相一致，也可以选择单色光波长，具体选择还应并匹配夏克-哈特曼波前传感器的峰值响应特性来提高检焦灵敏度和检焦精度。
具体地，在选择夏克-哈特曼波前传感器时与检焦光源光束发散角相匹配，可实现光学***全口径检焦。
可选地，通过增加检焦光源的数量，调整检焦光源在光学***像面上的位置等手段，还可对光学***中特定的波长和不同的视场下的波前质量进行测量。
可选地，发光二极管的光束可以进行适当整形来获得更为理想的点光源，可在发光二极管的前端加入整形透镜组，将发光二极管经过整形透镜组后的焦点像(理想点光源)成像在光学***的特定像面位置。
本实施例中，航空相机的焦距200m，通光口径的尺寸为Φ50mm，半视场角15°；光学***的焦深为±0.02mm，综合考虑光学***离焦量范围和结构设计余量，规划检焦步长为0.02，规划总检焦行程为±0.5mm；高亮度发光二极管选用THORLABS公司LED610L型高亮度发光二极管，其光功率输出最大可达8mW；微透镜阵列选择的透镜单元通光口径Φ25mm，焦距100mm的非球面透镜，2×2排列模式，成像探测器选用Gpixel公司“GMAX4651”CMOS探测器，感光面积为38.75mm×27.75mm，像元尺寸4.6um，与透镜阵列一起构成夏克-哈特曼波前传感器。
本发明还提供了一种基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦方法，利用本发明的基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置，具体地检焦电控流程框图如图4所示，包括如下步骤：
检焦开始时，航空相机的相机控制器发出指令到调焦控制器，调焦控制器驱动扫描反射镜旋转180°，并点亮发光二极管。此时发光二极管发出的光通过航空相机的光学***后经过扫描镜反射后照亮微透镜阵列，通过微透镜阵列成像在探测器上。图像处理模块在扫描反射镜到达检焦位置后，接收夏克-哈特曼波前传感器的探测器输出信号，并记录所成点像之间的位置关系用于离焦量分析，完成一次离焦量采样；图像处理模块在完成一次离焦量采样后，调焦控制器驱动发光二极管移动一个检焦步长，继续完成一次离焦量采样，直至完成总检焦行程内的全部采样；图像处理模块将采集到的各个步长下的光斑位置信息进行综合比对，选出满足平行光入射成像条件的发光二极管位置作为焦面位置，将结果反馈给调焦控制器，由调焦控制器驱动光学***成像探测器到达焦面位置，检焦过程结束。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置，其特征在于，包括夏克-哈特曼波前传感器、检焦光源、扫描镜、航空相机光学***、相机控制器、调焦控制器和图像处理模块；其中，夏克-哈特曼波前传感器包括微透镜阵列和成像探测器；夏克-哈特曼波前传感器与检焦光源光束发散角相匹配；所述检焦光源为点光源；
在航空相机对地成像时，扫描镜与光轴成倾斜45°工况，将地面景物信息送达光学***的入瞳内；
当需要检焦时，相机控制器发出指令，调焦控制器将扫描镜绕俯仰轴旋转180°，此时像面上的检焦光源开始工作，发出的光束经过航空相机光学***准直后沿对地成像时光路的反方向传播，经过扫描镜后入射到夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列中去，最后成像在夏克-哈特曼波前传感器的成像探测器上；调焦控制器驱动检焦光源沿光轴按事先规划的步长移动完整个调焦行程，图像处理模块将每个步长下的夏克-哈特曼波前传感器中的成像探测器上的光斑位置信息进行记录和解算，通过记录信息比对得到焦面位置信息，最后由调焦控制器驱动航空相机光学***的成像探测器到达焦面位置，完成检焦过程。
2.如权利要求1所述的基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置，其特征在于，所述检焦光源为发光二极管，发光二极管的工作波长与航空相机的光学***的工作波长相一致。
3.如权利要求2所述的基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置，其特征在于，所述发光二极管的工作波长为单色光波长，匹配夏克-哈特曼波前传感器的峰值响应特性。
4.如权利要求2所述的基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置，其特征在于，所述发光二极管的前端设有整形透镜组，发光二极管经过整形透镜组后的焦点像成像在光学***的特定像面位置。
5.一种基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦方法，其特征在于，利用如权利要求2-4任意一项所述的基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦装置，包括如下步骤：
检焦开始时，航空相机的相机控制器发出指令到调焦控制器，调焦控制器驱动扫描镜旋转180°，并点亮发光二极管，此时发光二极管发出的光通过航空相机的光学***后经过扫描镜反射后照亮微透镜阵列，通过微透镜阵列成像在夏克-哈特曼波前传感器的成像探测器上；
图像处理模块在扫描镜到达检焦位置后，接收夏克-哈特曼波前传感器的成像探测器输出信号，并记录所成点像之间的位置关系用于离焦量分析，完成一次离焦量采样；图像处理模块在完成一次离焦量采样后，调焦控制器驱动发光二极管移动一个检焦步长，继续完成一次离焦量采样，直至完成总检焦行程内的全部采样；图像处理模块将采集到的各个步长下的光斑位置信息进行综合比对，选出满足平行光入射成像条件的发光二极管位置作为焦面位置，将结果反馈给调焦控制器，由调焦控制器驱动光学***成像探测器到达焦面位置，检焦过程结束。
6.如权利要求5所述的基于夏克-哈特曼波前传感的航空相机检焦方法，其特征在于，通过增加检焦光源的数量，调整检焦光源在光学***像面上的位置，对光学***中特定的波长和不同的视场下的波前质量进行测量。
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