摘要：分析了反射能量法测距聚焦系统,并导出了有关计算公式。对系统特有的误差——被测目标漫反射率变化引入的误差作了详细分析,并提出了处理这个误差的重叠设计法。最后给出了实例。
引 言
在许多光学仪器、智能仪器中,为了获得真实物体的三维信息,或者是为了更清晰地获得二维图形,都需要测量目标离仪器的距离,控制系统根据目标的远近,控制光学系统进行自动调整,达到更好地获取各种所需信息的目的。测量目标的距离有很多种方法,有三角测距法、超声波反射时间法、位相法、反射能量法、象面对比度法等[1,2]。
反射能量法因其结构简单、体积小、成本低,可以广泛应用于大批量生产的光机电综合产品中,如照相机的自动聚焦系统等。但反射能量法特有的测距误差较大,在某些场合使用时,光学系统所成的象的清晰度较差。本文认为,采用重叠设计法是解决这一问题的有效方法,较好地减小了测距误差。
1 反射能量法测距原理
反射能量法测距聚焦系统原理如图1所示。整个系统包括三大部分:1.光能量发射系统,包括发射控制电路,发光元件和发射光学透镜;2.反射光接收、处理运算系统,包括接收光学透镜,光电转换器和信号处理、运算系统;3.聚焦反馈和光学成象系统,包括功率驱动,聚焦执行机构,光学成象系统等。
工作时,发射控制电路控制发光元件发射一定能量的光束,通常为红外线。经发射透镜会聚后,光束射向被测目标。经目标反射,一部分光线射向本系统的接收透镜,并会聚在光电转换器上,这部分被光电转换器接收到的光能量显然与目标离本系统的距离有关。处理运算系统对光电转换器的输出信号进行放大、分段处理,即得到了目标的距离。反馈控制系统根据测到的目标距离值,控制聚焦执行机构,使光学成象系统正确定位在理想位置上,完成测距和聚焦动作。
2 分段聚焦及其计算公式
根据文献[2],对于图2所示系统,接收系统接收到的光能量Pi为
式中K为常数,与发射系统输出功率、转换效率有关;ρ为被测目标漫反射率。当物距L远远大于系统中发射和接收透镜的间距d时,cosθ≈1。显然,若目标漫反射率ρ,发射系统发射功率及转换效率一定时,接收功率Pi与物距L三次方成反比。据此,系统可根据Pi值大小来决定物距L。在一般成象光学系统中,聚焦执行机构通常是分段非连续的,只要保证象面上象清晰,测距聚焦是成功的。
设物距的动态范围为l0(近点)～lN(远点),聚焦分N个区域,N个聚焦点分别保证一段物距范围成象清晰。为使光学成象系统象面上弥散斑直径δ尽量小,每一聚焦区域所对应的物距覆盖范围和聚焦点可由下列计算公式求出。目标对应的象距动态范围l′0和l′N为
式中f为光学成象系统焦距。
当物距远远大于成象系统焦距时,象距动态范围N等分,最大成象弥散圆δmax有最小值。第i个调焦区域其象距l′fi及其象距覆盖范围l′1i,l′2i为
对应的物距l′fi及其物距覆盖范围l1i,l2i为
最大成象弥散圆直径δmax
以上即为一般的分段式能量法测距聚焦系统设计计算公式。
3 误差分析
由于设计时假设目标漫反射率ρ为常数,而在实际使用时被测目标多种多样,漫反射率ρ变化很大,测距必然有较大的误差。
接收控制系统判断目标距离是通过接收到的光能量为依据的。设系统定标时目标漫反射率为ρ0,实际使用时被测目标漫反射率为最小ρ1,最大ρ2,则对应于第i个聚焦点,接收系统接收到的光能量在此范围内,而可能出现的实际物距范围将从l1i～l2i变化到lρ,1i～lρ,2i,由(1)式得
上式表示可能存在的最大弥散圆与物距l、漫反射率ρ有关。一组典型的数据列于表1中。由表1可见,尽管设计时最大弥散圆δ仅为0.035,而在实际使用条件下,漫反射率ρ有一定变化范围时,弥散圆δ值达到0.073,超过设计值的一倍,造成目标物的象分辨率很差。
4 重叠设计法
为了正确处理上述的能量法测距聚焦系统的特有误差,本文提出重叠设计法,即每一聚焦点区域所覆盖的目标范围有一定的相互重叠,设计时牺牲弥散圆值,在常用条件下,确保目标所成象的分辨率达到一定要求,使实际效果最好。重叠设计法原理如图3。
设计时,先设定一个合理的最大弥散圆值δ,保证目标的漫反射率范围为ρ1～ρ2,最近距离l0、最远距离lN,成象清晰。对第i个聚焦点,若最近物距l1i已知,则能保证成象清晰的最远物距l2i、焦点lfi由下列公式计算
根据以上方法,从l1i=l0开始计算,直到l2N为止,若l2N等于或接近lN值,则说明设计正确。若l2N与lN相差较大,说明设计指标不合理,必须重新选择δ值,或改变ρ1,ρ2值,直到l2N接近lN为止。整个设计过程可用图4流程表示。
5 实例及结论
根据文献[2],自然界物体平均漫反射率ρ0=24%,极大多数物体的漫反射率介于ρ1=12%到ρ2=48%之间。本文系统以ρ0=24%作定标标准,以ρ=12%-48%为设计范围,聚焦区域数N=3,最近物距1.5m,最远∞,成象光学系统f=35mm,相对孔径D/f=1/4。有关重叠设计法计算结果列于表1。为对照比较,表1中同时列出了按一般设计法时的设计数据和实际使用情况。
由表1可见,采用重叠设计法使大多数使用条件下测距精度得以提高,最大弥散圆δ从一般设计法的0.073下降到0.052,象面分辨率从14线对/mm上升到20线对/mm。作者曾在自行设计的红外能量法自动测距聚焦照相机中,分别采用重叠设计法和一般设计法的设计数据来定标照相机,经实拍比较,采用重叠设计法的照相机拍摄照片清晰度明显得以改善。本设计法适用于聚焦点数不多的自动聚焦系统,主要是三点式或两点式聚焦系统。聚焦控制电路可采用比较器等通用元件来实现,也可采用专用IC。聚焦执行机构一般采用电磁铁来控制,用一只或两只电磁铁的吸合或不吸合分别来控制三个或两个聚焦位置的镜头位置,实现较大离焦量时的自动聚焦定位。关于控制电路和聚焦执行机构,将另文详述,这里不再讨论。
参考文献
1 Geng Z J.Rainbow three-dimensional camera.Opt.Eng,1966,35(2):376～383
2 王兆远主编.照相机——原理、结构、设计基础.北京:机械工业出版社,1991.293～313
*机电部机械工业技术发展基金资助研究项目“现代照相机基础理论研究”所属内容。
本文作者：
冯华君:男,1963年9月生。1983年毕业于浙江大学光科系,1986年获浙江大学光科系硕士学位。副教授,硕士生导师,从事成象工程教学与科研。《光电工程》杂志编委,中国光学学会光电技术专业委员会委员。
