自適應調焦光學系統及調焦方法
【專利摘要】一種自適應調焦光學系統，包括光學主體機構、電控箱以及自適應調焦機構；光學主體機構由鏡筒和光學鏡片組件構成，用于獲取目標的光學圖像信息；電控箱包括依次相連的探測器、圖像處理器以及控制器，用于實現調焦控制，其中，探測器安裝在電控箱與光學主體機構的接口處，圖像處理器用于根據數字圖像信息生成離焦判據信息，并發送相應控制指令到控制器，控制器與自適應調焦機構相連；自適應調焦機構的鏡筒支撐模塊與光學主體機構的鏡筒之間設有直線導槽，壓電陶瓷驅動模塊通過剛性推桿連接到鏡筒，自適應調焦機構根據接收到的控制信號調節鏡筒位置實現自適應調焦。
【專利說明】自適應調焦光學系統及調焦方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機電領域，尤其涉及一種用于微小衛星的自適應調焦光學系統及調焦方法。
【背景技術】
[0002]現代光學微小衛星具有重量輕、體積小、功耗小等特點，逐步廣泛應用于遙感、空間科學試驗、深空探測等方面，對未來航天領域的發展起到了重要的作用。但是，光學衛星在發射過程中可能會因振動導致星載光學系統出現離焦現象。光學系統離焦是影響成像質量的重要因素，為了獲得理想的衛星圖像，衛星發射后必須重新檢查光學系統的焦面位置，必要時對光學系統進行在軌調焦。
[0003]現有技術提出了多種手動調焦光學機構，但這些調焦機構屬于地面手動調焦光學系統，需要人工操作，無法實現衛星在軌航天的自適應調焦。傳統的光學衛星多采用電機驅動、氣缸驅動、液壓驅動等傳統的機械調焦機構，調焦精度不高，而且導致光學系統體積和重量都較大，使得衛星成本較高，同時也無法滿足現代光學微小衛星重量輕、體積小、功耗小的任務要求，而且無法在星上實現自適應調焦。中國專利201310258010.0提出了一種應用于光學系統的壓電陶瓷直線電機調焦裝置，比傳統的機械調焦裝置精度高、重量輕，但是該機構活動導軌較多，并且缺少調焦量程放大機構，在大口徑的光學系統上仍然存在體積和重量較大的問題，不具備應用于微小衛星的自適應調焦能力。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于，針對現有技術中調焦機構調焦精度不高，無法滿足現代光學微小衛星重量輕、體積小、功耗小的任務要求，不具備應用于微小衛星的自適應調焦能力的問題，提供一種自適應調焦機構，采用壓電陶瓷驅動，重量輕、體積小、調焦精度高。
[0005]為實現上述目的，本發明提供了一種自適應調焦機構，包括鏡筒支撐模塊、鎖緊模塊以及壓電陶瓷驅動模塊；所述鏡筒支撐模塊與一光學主體機構的鏡筒之間設有直線導槽，用于約束所述鏡筒沿光軸方向移動；所述鎖緊模塊采用撓性結構，用于對所述鏡筒進行解鎖和鎖定操作；所述壓電陶瓷驅動模塊包括壓電陶瓷驅動器、滑動連桿組件以及末端操縱器，所述壓電陶瓷驅動器和滑動連桿組件安裝在所述鏡筒支撐模塊上，所述末端操縱器通過剛性推桿連接到所述鏡筒，所述壓電陶瓷驅動器通過接收外部控制信號來調節所述滑動連桿組件的運動狀態，從而帶動所述末端操縱器滑動，調節所述鏡筒位置實現自適應調焦。
[0006]本發明的另一目的在于，針對現有技術中調焦機構調焦精度不高，無法滿足現代光學微小衛星重量輕、體積小、功耗小的任務要求，不具備應用于微小衛星的自適應調焦能力的問題，提供一種自適應調焦光學系統，采用計算機圖像處理技術與精密機械智能控制技術，能夠很好地實現星載光學系統的自適應調焦，具有智能性強、調焦精度高、范圍大，調焦機構自重小、體積小，可應用于微小衛星，能夠促使微小衛星在光學系統離焦后進行自適應調焦，獲得理想的衛星圖像。
[0007]為實現上述目的，本發明提供了一種自適應調焦光學系統，包括光學主體機構、電控箱以及本發明所述的自適應調焦機構；所述光學主體機構由鏡筒和光學鏡片組件構成，用于獲取目標的光學圖像信息，其中所述光學鏡片組件安裝在所述鏡筒內部；所述電控箱包括依次相連的探測器、圖像處理器以及控制器，用于實現調焦控制，其中，所述探測器安裝在所述電控箱與所述光學主體機構的接口處，用于通過所述光學鏡片組件獲取目標的光學圖像信息，并生成數字圖像信息發送給所述圖像處理器；所述圖像處理器用于根據所述數字圖像信息生成離焦判據信息，并發送相應控制指令到所述控制器；所述控制器與所述自適應調焦機構相連，用于在接收到所述控制指令后，發送相應的控制信號至所述自適應調焦機構；所述自適應調焦機構的鏡筒支撐模塊與所述光學主體機構的鏡筒之間設有直線導槽，所述壓電陶瓷驅動模塊通過剛性推桿連接到所述鏡筒，所述自適應調焦機構根據接收到的控制信號調節所述鏡筒位置實現自適應調焦。
[0008]為實現上述目的，本發明還提供了一種自適應調焦方法，采用本發明所述的自適應調焦光學系統，包括如下步驟:(I)探測器通過光學主體機構獲取圖像信息并傳送至圖像處理器；(2)圖像處理器對所述圖像信息進行圖像處理生成離焦判據信息并傳送相應控制指令至控制器；(3)控制器根據所述控制指令產生相應控制信號并發送至自適應調焦機構中；(4)自適應調焦機構根據接收到的控制信號調節光學主體機構的鏡筒的位置實現自適應調焦。
[0009]本發明的優點在于:本發明采用計算機圖像處理技術與精密機械智能控制技術，能夠很好地實現星載光學系統的自適應調焦，具有智能性強、調焦精度高、范圍大，調焦機構自重小、體積小等優點。本發明提供的自適應調焦光學系統可應用于微小衛星，能夠實現星上根據圖像反饋信息自適應控制調焦；調焦精度高，最小調節精度為:lnm;焦平面移動范圍大，最大調節范圍為:0.6mm;調焦機構采用壓電陶瓷驅動，重量輕、體積小；能夠促使微小衛星在光學系統離焦后進行自適應調焦，獲得理想的衛星圖像。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1，本發明所述的自適應調焦光學系統的立體示意圖；
圖2，本發明所述的自適應調焦光學系統的結構示意圖；
圖3，本發明所述的自適應調焦機構的結構示意圖；
圖4，本發明所述的壓電陶瓷驅動模塊的滑動連桿組件結構示意圖；
圖5，本發明所述的采用自適應調焦光學系統進行自適應調焦方法的流程圖；
圖6，本發明所述自適應調焦方法實施例的流程圖；
圖7，本發明所述自適應調焦方法中自適應調焦過程的流程圖。
[0011]【主要組件符號說明】
1、光學主體機構；11、鏡筒；12、光學鏡片組件；
2、電控箱；21、探測器；22、圖像處理器；23、控制器；
3、自適應調焦機構；31、壓電陶瓷驅動模塊；32、鎖緊模塊；
33、鏡筒支撐模塊；331、法蘭支架；332、鏡筒支架；
311、壓電陶瓷驅動器；312、滑動連桿組件；313、末端操縱器； 410、第一水平導桿；420、豎直導桿；430、鉸鏈；440、第二水平導桿；
411，412，413，441，442，443、水平滑塊；
421，422，423，424、豎直滑塊。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖對本發明提供的自適應調焦光學系統及調焦方法的【具體實施方式】做詳細說明。
[0013]參考圖1-2，其中，圖1所示為本發明所述的自適應調焦光學系統的立體示意圖，圖2所示為本發明所述的自適應調焦光學系統的結構示意圖。本發明所述的自適應調焦光學系統包括光學主體機構1、電控箱2以及自適應調焦機構3。隨著圖像處理技術的發展和壓電陶瓷驅動技術的成熟，視覺伺服控制技術和壓電陶瓷高精機械設計也日趨成熟。因此，將精密機械智能控制技術應用于光學系統設計，利用圖像反饋、傳感器、壓電陶瓷及相應的機械機構，進行力位控制，將光學系統的焦平面調節到目標位置，就可以方便進行高清晰成像。
[0014]所述光學主體機構I由鏡筒11和光學鏡片組件12構成,用于獲取目標的光學圖像信息。其中，所述光學鏡片組件12安裝在所述鏡筒11內部。所述鏡筒11為采用金屬材料制成的圓柱筒形，圓柱筒外部光滑，內部根據成像要求安裝光學鏡片組件12。所述金屬材料優選為鋁合金、鎂鋁合金、鈦合金等高剛度的金屬材料。
[0015]所述電控箱2包括依次相連的探測器21、圖像處理器22以及控制器23，用于實現調焦控制。
[0016]所述探測器21安裝在所述電控箱2與所述光學主體機構I的接口處，用于通過所述光學鏡片組件12獲取目標的光學圖像信息，并生成數字圖像信息發送給所述圖像處理器22。優選地，所述探測器21采用C⑶芯片實現。
[0017]所述圖像處理器22用于根據所述數字圖像信息生成離焦判據信息，并發送相應控制指令到所述控制器23。優選地，所述圖像處理器22采用FPGA芯片實現，預先嵌入了離焦判據算法，能夠根據探測器21生成的數字圖像信息生成離焦判據信息，根據離焦判據信息產生運動或停止的控制指令并發送到控制器23。
[0018]所述控制器23與所述自適應調焦機構3連接，用于在接收到所述控制指令后，發送相應的控制信號至所述自適應調焦機構3。優選地，所述控制器23采用ARM處理器，在接收到圖像處理器22的控制指令后，能夠發送控制信號給自適應調焦機構3的鎖緊模塊32和壓電陶瓷驅動模塊31。所述控制信號攜帶運動指令或停止指令；在運動指令下，控制器23控制鎖緊模塊32解鎖，并且控制壓電陶瓷驅動模塊31進行前進或后退運動；在停止指令下，控制器23控制鎖緊模塊32鎖定保持光學主體機構I的穩定性，并且控制壓電陶瓷驅動模塊31停止運動。
[0019]所述自適應調焦機構3包括鏡筒支撐模塊33、鎖緊模塊32以及壓電陶瓷驅動模塊31，所述自適應調焦機構3用于根據接收到的控制信號調節所述鏡筒11位置實現自適應調焦。以下結合附圖3所示本發明所述的自適應調焦機構的結構示意圖，對所述自適應調焦機構3做詳細介紹。
[0020]所述鏡筒支撐模塊33與所述光學主體機構I的鏡筒11之間設有直線導槽，用于約束所述鏡筒沿光軸方向移動。所述鏡筒支撐模塊33包括法蘭支架331和鏡筒支架332。電控箱2與法蘭支架331通過螺釘連接。
[0021]所述鎖緊模塊32采用撓性結構，用于對所述鏡筒11進行解鎖和鎖定操作。在控制器23的控制下，當不需要調焦時，通過撓性鎖緊結構將鏡筒11鎖緊；當需要調焦時，鎖緊模塊32解鎖，鏡筒11可以在調節范圍內移動。
[0022]所述壓電陶瓷驅動模塊31通過剛性推桿連接到所述鏡筒11，用于調節所述鏡筒11位置。所述壓電陶瓷驅動模塊31包括壓電陶瓷驅動器311、滑動連桿組件312以及末端操縱器313。所述壓電陶瓷驅動器311和滑動連桿組件312安裝在所述鏡筒支撐模塊33上，所述末端操縱器313通過剛性推桿連接到所述鏡筒11。所述壓電陶瓷驅動器311與控制器23連接，通過接收控制器23的控制信號來調節所述滑動連桿組件312的運動狀態，從而帶動所述末端操縱器313滑動，使得鏡筒11和內部的光學鏡片組件12移動，進而調節所述鏡筒11位置，最終實現調焦。
[0023]參見圖4，本發明所述滑動連桿組件結構示意圖，所述滑動連桿組件312包括安裝有至少一水平滑塊的第一水平導桿410、至少兩組分別安裝有一豎直滑塊的豎直導桿420以及設置在每一相鄰兩組豎直導桿420之間的鉸鏈430，每一水平滑塊與一豎直導桿固定連接并與相應鉸鏈的一端相連。所述滑動連桿組件312 —端通過一豎直滑塊與所述壓電陶瓷驅動器311相接觸，另一端通過端部水平滑塊與所述末端操縱器313相接觸，通過所述壓電陶瓷驅動器311驅動與其相接觸的豎直滑塊運動，通過鉸鏈430帶動相應水平滑塊移動，從而帶動所述末端操縱器313通過剛性連桿推動鏡筒11運動實現調焦。所述滑動連桿組件312通過鉸鏈結構設計，可以實現放大調焦量程功能，可根據具體的任務進行增加或減少鉸接結構組數來改變調焦量程放大倍數。
[0024]所述滑動連桿組件312進一步包括與所述第一水平導桿410安裝有相同數量水平滑塊的第二水平導桿440，所述第二水平導桿440上的每一水平滑塊通過一豎直導桿與所述第一水平導桿410上的相應水平滑塊固定連接，所有水平滑塊運動方向一致。第二水平導桿440及其上水平滑塊的安裝增強了所述滑動連桿組件312的剛性。
[0025]參見圖4，所述滑動連桿組件312采用3組鉸接結構設計，調節量程被放大3倍。水平滑塊411、412、413和441、442、443分別安裝在兩水平導桿410、440上，豎直滑塊421、422、423、424分別安裝在等間距的四根豎直導桿420上。當滑塊421在壓電陶瓷驅動器311作用力的作用下向上運動時，將驅動水平滑塊411向右移動；又由于鉸鏈430的作用將拉動豎直滑塊422也向上運動；豎直滑塊422又驅動水平滑塊412向右移動，同時通過鉸鏈430驅動豎直滑塊423也向上滑動；同理可知豎直滑塊424運動方向向上，水平滑塊413運動方向向右；水平滑塊441、442、443分別通過豎直導桿與水平滑塊411、412、413固聯，運動方向與水平滑塊411、412、413 —致；通過端部水平滑塊413和443使末端操縱器313運動，通過剛性連桿推動鏡筒11運動，實現調焦。水平滑塊441、442、443的安裝增強了滑動連桿組件312的剛性。
[0026]本發明提供的自適應調焦光學系統可應用于微小衛星，能夠促使微小衛星在光學系統離焦后進行自適應調焦，獲得理想的衛星圖像。這種光學系統滿足如下要求:(1)能夠實現星上根據圖像反饋信息自適應控制調焦；(2)調焦精度高，最小調節精度為:lnm;
(3)焦平面移動范圍大，最大調節范圍為:0.6mm; (4)調焦機構采用壓電陶瓷驅動，重量輕、體積小。本發明采用計算機圖像處理技術與精密機械智能控制技術，能夠很好地實現星載光學系統的自適應調焦，具有智能性強、調焦精度高、范圍大，調焦機構自重小、體積小等優點，這對提高光學衛星成像效果非常有意義。
[0027]參考圖5，本發明所述的采用自適應調焦光學系統進行自適應調焦方法的流程圖。
[0028]S510:探測器通過光學主體機構獲取圖像信息并傳送至圖像處理器。當衛星光學系統焦平面發生變化需要調節時，由光學主體機構獲取目標的光學圖像信息，電控箱中的探測器根據該光學圖像信息生成數字圖像信息，并傳送至圖像處理器。
[0029]S520:圖像處理器對所述圖像信息進行圖像處理生成離焦判據信息并傳送相應控制指令至控制器。圖像處理器中預先嵌入了離焦判據算法，能夠根據探測器生成的數字圖像信息生成離焦判據信息，根據離焦判據信息，若衛星光學系統焦平面離焦則產生運動控制指令，若未離焦或焦平面已經調整到位則產生停止控制指令，相應的控制指令被傳送到控制器中。
[0030]S530:控制器根據所述控制指令產生相應控制信號并發送至自適應調焦機構中。所述控制信號攜帶運動指令或停止指令。
[0031]S540:自適應調焦機構根據接收到的控制信號調節光學主體機構的鏡筒的位置實現自適應調焦。
[0032]在運動指令下，控制器控制鎖緊模塊解鎖，并且控制壓電陶瓷驅動模塊進行前進或后退運動，壓電陶瓷驅動模塊通過其滑動連桿組件使鏡筒移動，焦平面變化，從而實現調焦。在停止指令下，控制器控制鎖緊模塊鎖定保持光學主體機構的穩定性，并且控制壓電陶瓷驅動模塊停止運動。
[0033]以下結合圖1-4，以及圖6-7給出本發明提供的采用自適應調焦光學系統進行調焦的實施例。
[0034]不調焦時，控制器23斷電，鎖緊模塊32將鏡筒11鎖緊固定，壓電陶瓷驅動模塊31斷電，自適應調焦機構3保持穩定不動。
[0035]如圖6所示，需要調焦時，首先由光學主體機構I的光學鏡片組件12采集光學圖像信息，實現光學主體成像(步驟S61)，并映射到探測器21芯片上；探測器21采集該光學圖像信息并生成數字圖像信息(步驟S62);圖像處理器22根據探測器21生成的數字圖像信息進行預處理(步驟S63)，并對預處理后的圖像信息判斷是否滿足離焦判據計算的初始化要求(步驟S64)，若滿足，則進行離焦判據(步驟S65)，否則返回執行步驟S62 ;根據步驟S65的離焦判據判斷焦平面是否離焦(步驟S66)，若離焦，則進行自適應調焦過程(步驟S67)，若未離焦或達到調焦目標后結束調焦，則控制器23控制鎖緊模塊32將鏡筒11鎖緊固定，衛星光學系統進入正常工作狀態(步驟S68)。
[0036]自適應調焦軟件分別被嵌入到探測器21、圖像處理器22以及控制器23中，并通過
三者協同作用完成調焦控制。步驟S67自適應調焦過程進一步如圖7所示。
[0037]參考圖7，控制器23上電，并完成控制系統初始化(步驟S71-S72);根據運動指令首先對鎖緊模塊32發送解鎖指令控制鎖緊模塊32解鎖(步驟S73)，鎖緊模塊32中的壓力傳感器反饋鎖緊模塊32與鏡筒11的接觸力，當此接觸力小于設置閾值時完成解鎖(步驟S74);控制器23對壓電陶瓷驅動模塊31發送運動指令，壓電陶瓷驅動模塊31上電，壓電陶瓷驅動器311在電壓作用下發生形變驅動滑動連桿組件312運動，從而推動末端操縱器313運動(步驟S75-S77);末端操縱器313通過剛性連桿推動鏡筒1_1運動，使焦平面變化，實現調焦(步驟S78-S79)。
[0038]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種自適應調焦機構，其特征在于，包括鏡筒支撐模塊、鎖緊模塊以及壓電陶瓷驅動模塊； 所述鏡筒支撐模塊與一光學主體機構的鏡筒之間設有直線導槽，用于約束所述鏡筒沿光軸方向移動； 所述鎖緊模塊采用撓性結構，用于對所述鏡筒進行解鎖和鎖定操作； 所述壓電陶瓷驅動模塊包括壓電陶瓷驅動器、滑動連桿組件以及末端操縱器，所述壓電陶瓷驅動器和滑動連桿組件安裝在所述鏡筒支撐模塊上，所述末端操縱器通過剛性推桿連接到所述鏡筒，所述壓電陶瓷驅動器通過接收外部控制信號來調節所述滑動連桿組件的運動狀態，從而帶動所述末端操縱器滑動，調節所述鏡筒位置實現自適應調焦。
2.根據權利要求1所述的自適應調焦機構，其特征在于，所述鏡筒支撐模塊包括法蘭支架和鏡筒支架，所述法蘭支架與外部的電控箱通過螺釘連接。
3.根據權利要求1所述的自適應調焦機構，其特征在于，所述滑動連桿組件包括安裝有至少一水平滑塊的第一水平導桿、至少兩組分別安裝有一豎直滑塊的豎直導桿以及設置在每一相鄰兩組豎直導桿之間的鉸鏈，每一水平滑塊與一豎直導桿固定連接并與相應鉸鏈的一端相連；所述滑動連桿組件一端通過一豎直滑塊與所述壓電陶瓷驅動器相接觸，另一端通過端部水平滑塊與所述末端操縱器相接觸，通過所述壓電陶瓷驅動器驅動與其相接觸的豎直滑塊運動，通過鉸鏈帶動相應水平滑塊移動，從而帶動所述末端操縱器通過剛性連桿推動鏡筒運動實現調焦。
4.根據權利要求3所述的自適應調焦機構，其特征在于，所述滑動連桿組件進一步包括與所述第一水平導桿安裝有相同數量水平滑塊的第二水平導桿，所述第二水平導桿上的每一水平滑塊通過一豎直導桿與所述第一水平導桿上的相應水平滑塊固定連接，所有水平滑塊運動方向一致。
5.一種自適應調焦光學系統，其特征在于，包括光學主體機構、電控箱以及如權利要求1-4任意一項所述的自適應調焦機構； 所述光學主體機構由鏡筒和光學鏡片組件構成，用于獲取目標的光學圖像信息，其中所述光學鏡片組件安裝在所述鏡筒內部； 所述電控箱包括依次相連的探測器、圖像處理器以及控制器，用于實現調焦控制，其中，所述探測器安裝在所述電控箱與所述光學主體機構的接口處，用于通過所述光學鏡片組件獲取目標的光學圖像信息，并生成數字圖像信息發送給所述圖像處理器； 所述圖像處理器用于根據所述數字圖像信息生成離焦判據信息，并發送相應控制指令到所述控制器； 所述控制器與所述自適應調焦機構相連，用于在接收到所述控制指令后，發送相應的控制信號至所述自適應調焦機構； 所述自適應調焦機構的鏡筒支撐模塊與所述光學主體機構的鏡筒之間設有直線導槽，所述壓電陶瓷驅動 模塊通過剛性推桿連接到所述鏡筒，所述自適應調焦機構根據接收到的控制信號調節所述鏡筒位置實現自適應調焦。
6.根據權利要求5所述的自適應調焦光學系統，其特征在于，所述鏡筒為采用金屬材料制成的圓柱筒形。
7.根據權利要求5所述的自適應調焦光學系統，其特征在于，所述探測器采用CCD芯片。
8.根據權利要求5所述的自適應調焦光學系統，其特征在于，所述圖像處理器采用FPGA芯片并預先嵌入離焦判據算法。
9.一種自適應調焦方法，采用權利要求5所述的自適應調焦光學系統，其特征在于，包括如下步驟: (1)探測器通過光學主體機構獲取圖像信息并傳送至圖像處理器； (2)圖像處理器對所述圖像信息進行圖像處理生成離焦判據信息并傳送相應控制指令至控制器； (3)控制器根據所述控制指令產生相應控制信號并發送至自適應調焦機構中； (4)自適應調焦機構根據接收到的控制信號調節光學主體機構的鏡筒的位置實現自適應調焦。
10.根據權利要求9所述的自適應調焦方法，其特征在于，所述控制信號攜帶運動指令或停止指令，步驟(4)進一步包括:在運動指令下，自適應調焦機構的鎖緊模塊解鎖，壓電陶瓷驅動模塊進行前進或后退運動；在停止指令下，自適應調焦機構的鎖緊模塊鎖定，并且壓電陶瓷驅動模塊停止運動， 從而調節光學主體機構的鏡筒的位置實現自適應調焦。
【文檔編號】H04N5/232GK103744162SQ201310691518
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】郭崇濱, 尹增山, 李平付, 董磊, 陳宏宇, 張科科 申請人:上海微小衛星工程中心