一种沿相机光轴方向移动靶标的方法及装置

1.本发明涉及一种沿相机光轴方向移动靶标的方法及装置，属于光学成像系统领域。


背景技术：

2.相机是指集成了成像镜头和成像探测器的一类设备，其能够利用光学成像原理形成目标物体的影像并记录下来。随着光学成像技术的发展和应用需求的拓展，利用相机拍摄影像已经在人类的工业生产、日常生活、科学研究等各种活动中变得不可或缺。
3.在众多的相机应用中，沿相机的光轴方向精确地前后移动成像目标是一种常见需求；例如在测试相机的成像景深时，需要将分辨率靶标沿相机的光轴方向前后移动，观察清晰成像的距离范围；又例如将特定图案的靶标沿相机光轴方向前后移动，相机拍摄不同距离下的图像并估算成像点扩散函数；又例如在基于相位差法的相机成像波前传感中，需要沿光轴方向移动成像靶标，使相机拍摄不同离焦下的靶标图像；以上应用对移动距离和移动方向的精度要求很高；而在实际场景中，靶标运动方向与相机光轴方向不可避免地存在夹角，而夹角过大会给计算带来很大的误差，甚至可能导致计算失效；所以，为了提高计算精度，精确地沿相机光轴方向前后移动靶标是非常必要的。
4.上文所谓光轴，是指通过光学系统所有表面曲率中心的一条直线；若是轴对称光学系统，光轴是公共的旋转轴。对于普通相机而言，理论上光轴通过相机探测器靶面中心。沿光轴方向移动靶标，难点在于光轴并不是一根真实存在的线，而是从概念出发虚构的线，所以无法找到实际参考基准，即使勉强以相机的某些边线作为基准，误差也很大，不能满足高精度应用需求。
5.现有的高精度装配光轴与导轨移动轴匹配的装置，将可移动导轨固定到光学平台上，再将光轴配准系统粗安装到可移动导轨上，将电子内调焦系统安到五维调节架上，然后用五维调节架调节电子调焦系统的位置，使电子内调焦系统与光轴配准系统在同一水平线上；再将平面镜放置在光轴配准系统上，反复调节五维调整架方位俯仰使返回的十字叉丝不动为止，固定测试装置；该方法步骤繁琐，而且无法应用于相机光轴与靶标移动轴匹配。
6.一种高精度的保证靶标沿相机光轴方向移动的方法及装置亟待研发。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种沿相机光轴方向移动靶标的方法及装置，用于解决前述技术问题中的至少一个。
8.具体地，其技术方案如下：
9.一种沿相机光轴方向移动靶标的方法，包括：
10.通过光源组合系统获取一束细平行光束；
11.通过调整光源组合系统的姿态，使调整姿态后的所述光源组合系统发出的所述细平行光束与所述光源组合系统直线运动的方向平行；
12.通过调整所述相机的姿态，使所述光源组合系统沿所述相机光轴方向移动；
13.将调整姿态后的所述光源组合系统拆除，记录拆除位置；
14.将靶标设置在所述拆除位置上；
15.移动所述靶标，所述靶标将沿所述相机光轴方向移动。
16.所述“通过调整光源组合系统的姿态，使调整姿态后的所述光源组合系统发出的所述细平行光束与所述光源组合系统直线运动的方向平行”，包括：
17.将所述光源组合系统进行反复的直线运动；
18.获取所述光源组合系统在直线运动时产生的光学位移；
19.调整光源组合系统的姿态，使调整姿态后的所述光源组合系统直线运动时不再发生所述光学位移。
20.所述“获取所述光源组合系统在直线运动时产生的光学位移”，包括：
21.通过球面反射镜反射所述光源组合系统发出的细平行光束，并将反射后的光线反射到观察屏上，形成光点；
22.通过所述光点的位移变化反映所述光源组合系统的光学位移；
23.所述细平行光束的入射高度与所述球面反射镜的球心一致且所述细平行光束与所述球面反射镜的球心不重合。
24.所述“通过调整所述相机的姿态，使所述光源组合系统沿所述相机光轴方向移动”，包括：
25.将调整姿态后的所述光源组合系统发出的所述细平行光束直接照射所述相机，在所述相机中形成光斑；
26.调整所述相机的姿态，使所述光斑位于所述相机形成的图像中心，所述光源组合系统将沿所述相机光轴方向移动。
27.一种沿相机光轴方向移动靶标的装置，包括：
28.直线运动组件；
29.靶标调整单元，可拆卸的设置在所述直线运动组件上；
30.光源组合系统，用于发射一束细平行光束；
31.光学位移放大系统，设置在所述光源组合系统的输出端，用于放大所述光源组合系统直线运动时产生的光学位移；
32.相机组件，可调整的设置在调整姿态后的所述光源组合系统的输出端，用于使调整姿态后的所述光源组合系统沿所述相机的光轴移动；
33.靶标，设置在所述靶标调整单元用于安装光源组合系统的位置上，用于替换拆卸掉的调整姿态后的所述光源组合系统；
34.所述光源组合系统可调整的设置在所述靶标调整单元上，用于使调整姿态后的所述光源组合系统直线运动时不再发生所述光学位移。
35.所述相机组件，包括：
36.相机，设置在调整姿态后的所述光源组合系统的输出端，用于将所述细平行光束直接输入所述相机中形成光斑；
37.相机调整单元，与所述相机可拆卸的连接，用于调整所述相机的姿态且使所述光斑位于所述相机形成的图像的中心。
38.所述光源组合系统，包括：
39.激光器；
40.物镜，设置在所述激光器的输出端，用于将所述激光器发出的光线会聚在所述物镜的后焦点处；
41.针孔，设置在所述物镜的后焦点处；
42.准直镜，设置在所述针孔的输出端，用于输出均匀的平行光束；
43.挡板，设置在所述准直镜的输出端，用于产生所述细平行光束。
44.所述挡板上设置有用于通过光线的透光小孔；
45.所述透光小孔位于所述挡板的非中心位置。
46.所述光学位移放大系统，包括：
47.球面反射镜，设置在所述光源组合系统的输出端，用于反射所述光细平行光束；
48.观察屏，设置在所述球面反射镜反射光线的路径上。
49.所述直线运动组件，包括：
50.直线导轨；
51.底座，设置在所述直线导轨上，用于沿所述直线导轨直线运动；
52.所述靶标调整单元可拆卸的设置在所述底座上。
53.本发明至少具有以下有益效果：
54.本发明所述的方法，通过光源组合系统获取一束细平行光束；通过调整光源组合系统的姿态，使调整姿态后的所述光源组合系统发出的所述细平行光束与所述光源组合系统直线运动的方向平行；通过调整所述相机的姿态，使所述光源组合系统沿所述相机光轴方向移动；将调整姿态后的所述光源组合系统拆除，替换为靶标；本方法具有步骤简单，易于实现，能够保证靶标将沿所述相机光轴方向移动的优点。
55.本发明所述的装置，通过将光源组合系统设置在直线运动组件上，实现光源组合系统的直线运动；通过光学位移放大系统辅助调整光源组合系统的姿态，使光源组合系统发出的光束与所述光源组合系统运动的方向平行；而后，通过调整相机调整单元中的相机的姿态，使所述光源组合系统沿所述相机光轴方向移动，最后，将靶标设置在所述直线运动组件上，替换光源组合系统，实现靶标的运动沿所述相机光轴方向移动；本装置具有结构简单、成像稳定的优点。
附图说明
56.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
57.图1为本发明所述装置的结构示意图；
58.图2为本发明所述装置中光源组合系统的光路结构框图；
59.图3为本发明所述装置中挡板的结构示意图；
60.图4为图3的a-a向截图；
61.图5为本发明所述装置中光学位移放大系统的原理图；
62.图6为本发明所述装置的使用示意图；
63.图7为本发明所述方法的流程图。
64.其中，1.直线运动组件；2.靶标调整单元；3.光源组合系统；4.光学位移放大系统；5.相机；6.相机调整单元；7.靶标；101.直线导轨；102.底座；301.激光器；302.物镜；303.针孔；304.准直镜；305.挡板；401.球面反射镜；402.观察屏；305a.透光小孔。
具体实施方式
65.本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
66.为了解决现有技术的问题，本发明公开以下实施例：
67.具体实施例i：
68.如图1-6所示，一种沿相机光轴方向移动靶标的装置，包括：直线运动组件1、靶标调整单元2、光源组合系统3、光学位移放大系统4以及相机组件；其中，靶标调整单元2设置在所述直线运动组件1上，如通过导轨；光源组合系统3，用于发射一束细平行光束；光学位移放大系统4设置在所述光源组合系统3的输出端，用于放大所述光源组合系统3直线运动时产生的光学位移；相机组件可调整的设置在调整姿态后的所述光源组合系统3的输出端，用于使调整姿态后的所述光源组合系统3沿所述相机的光轴移动；靶标7设置在所述靶标调整单元2用于安装光源组合系统3的位置上，用于替换拆卸掉的调整姿态后的所述光源组合系统3；所述光源组合系统3可调整的设置在所述靶标调整单元2上，用于使调整姿态后的所述光源组合系统3直线运动时不再发生所述光学位移。直线导轨及安装在导轨上的底座，共同实现沿导轨方向的平移运动。
69.优选的，所述直线运动组件1，包括：直线导轨101和底座102；底座102设置在所述直线导轨101上，用于沿所述直线导轨101直线运动；所述靶标调整单元2可拆卸的设置在所述底座102上。
70.优选的，靶标调整单元2能够对安装在其上的光源组合系统3或者靶标7的位置和姿态进行调整；靶标调整单元2可以实现平移、俯仰、旋转等多自由度调整；靶标调整单元2带有固定结构，如紧固螺栓结构，能够固定和锁紧光源组合系统3或靶标7。
71.如图2，本实施例中的光源组合系统3提供平行细光束出射；光源组合系统3主要由激光器301、物镜302、针孔303、准直镜304、挡板305组成；优选的，激光器301、物镜302、针孔303、准直镜304、挡板305依序中心对准共光轴布置；激光器301提供激光光源，出射的激光光束经过物镜302后被会聚在物镜302的后焦点处；针孔303位于物镜302的后焦点处，对会聚光斑进行空间滤波；优选的，针孔303位于准直镜304的前焦点处，从针孔303出射的球面波经过准直镜304后，被准直为均匀平行光出射；挡板305位于准直镜304后侧，挡板305不通光，其上开有透光小孔305a，透光小孔305a能通光且所述透光小孔305a位于所述挡板305的非中心位置，如附图3和4所示；光源组合系统3可固定在靶标调整单元2上，通过靶标调整单元2对光源组合系统3的水平位置、高度以及方向进行调整。
72.光学位移放大系统4对光源组合系统3直线运动中的光学位移进行放大和显示；具体的，光学位移放大系统主要由球面反射镜401、观察屏402组成。球面反射镜401的反射面
对着光源组合系统3发射的细平行光束方向，将细平行光束反射出去，观察屏402放置在反射光束的传播路线上，反射光束在观察屏402上形成一个光点；通过靶标调整单元2调整光源组合系统3的水平位置和高度，使球面反射镜401的球心与细平行光束在同一高度上，而在水平方向错开一定距离。
73.如上所述的光学位移放大系统4的工作原理如附图5所示；图中，光源组合系统3在直线导轨101上某位置时，出射细光束设为a，a照射到球面反射镜401的反射面a处，反射光束与观察屏402的交点为a1；光源组合系统3沿直线导轨101平移到另一位置时，出射细光束设为b，b照射到球面反射镜401的反射面b处，该反射光束与观察屏402的交点为b1；因为光源组合系统3只是前后平移，所以光束方向不变，a//b；但是因为光束方向与沿直线导轨101平移方向有夹角θ，所以a和b有一个位移d；d正比于夹角θ；由于θ比较小，所以d也比较小，直接放置观察屏402不易区分位移d；本实施例中，利用球面反射镜401的光线反射，通过反射光束与观察屏402的交点位置能够对位移d放大，如图中a1和b1所示；通过合理设计相关参数例如球面半径、球面与观察屏的距离等，能够轻松地将光学位移放大几十倍、几百倍甚至上千倍，并在观察屏402显示。当光源组合系统3沿直线导轨101直线平移时，通过观察观察屏402上光点的位移轨迹，即可对光束方向与光源组合系统3运动方向的夹角大小进行评估。
74.所述相机组件，包括：相机5和相机调整单元6；其中，相机5设置在调整姿态后的所述光源组合系统3的输出端，用于将所述细平行光束直接输入所述相机中形成光斑；相机调整单元6与所述相机5可拆卸的连接，用于调整所述相机的姿态且使所述光斑位于所述相机形成的图像的中心；优选的，相机调整单元6对安装在其上的相机5的位置和姿态进行调整。相机调整单元6可以实现平移、俯仰、旋转等多自由度调整。相机调整单元6带固定结构，能够固定相机5；相机调整单元6带锁紧结构，调整姿态合适后，能够锁紧相机5。
75.总之，本实施例中的装置，通过直线导轨101、底座102、靶标调整单元2、相机调整单元6实现沿相机光轴方向移动成像靶标，而光源组合系统3、光学位移放大系统4则用于辅助调整，使靶标运动方向平行于相机光轴方向；相机调整单元6对安装在其上的相机5的位置和姿态进行调整；光源组合系统3出射平行细光束，球面反射镜401和观察屏402组成光学位移放大系统，对光束方向和光源组合系统3运动方向不一致引起的光学位移进行放大和显示，有助于精确调整光源组合系统3的姿态。
76.具体实施例ii：
77.针对具体实施例i中的装置，本发明提供一种沿相机光轴方向移动靶标的方法，如图7，具体包括以下步骤：
78.步骤1：将光源组合系统3平移到直线导轨101行程的一端，光源组合系统3发射细平行光束；调节光源组合系统3的水平位置和高度，使细平行光束的高度与球面反射镜401的球心高度一致，细平行光束与球心在水平方向错开一定距离；
79.步骤2：光源组合系统3沿直线导轨101平移到行程的另一端，在这过程中根据观察屏402上光点变化轨迹，调整光源组合系统3的俯仰、旋转自由度，观察屏上光点轨迹变化；
80.步骤3：重复光源组合系统3沿直线导轨101行程往返平移以及调整过程，直至整个行程中观察屏402上的光点位置基本无变化，即不发生光学位移；此时，认为细光束方向平行于光源组合系统3的平移方向；而后，锁紧靶标调整装置2，固定光源组合系统3的姿态与
位置；
81.步骤4：取下球面反射镜401，调节相机5的水平位置和高度，使细平行光束进入相机5中心，采集光斑图像，通过相机调整单元6调整相机5的俯仰、旋转自由度，使光斑精确地位于图像中心位置；此时，认为细平行光束的方向平行于相机5的光轴方向，锁紧相机调整装置6，固定相机5的姿态；
82.步骤5：取下光源组合系统3，将靶标7安装在靶标调整单元2上，沿直线导轨101平移运动，即可实现精确地沿相机光轴方向移动靶标。
83.以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。