专利名称：光锥与ccd耦合的自动对准方法
技术领域：
本发明涉及一种光锥与CCD耦合的自动对准方法。
背景技术：
光锥与CCD耦合器件可以提高CCD器件的成像质量，用途广泛。但由于光锥像元和CCD像元在尺寸、排列、形状上不同，像素间不可避免地会产生几何对准误差，严重地影响耦合器件的成像质量。
实时判断耦合效率，是制备光锥与CCD耦合器件的核心技术难题，国内外已进行了较长时间的研究。我国北方夜视等公司已能生产光锥与CCD耦合器件，但产品的制备工艺、性能指标等远远落后于外国公司，只能应用于对产品成像质量要求不高的场合。国外的该类产品，如法国Thomson公司的“面阵CCD耦合成像产品”，其光锥与面阵CCD耦合器件的价格昂贵。
目前，国内制备光锥与CCD耦合器件采用的是传统制备工艺，即在光锥与CCD器件的耦合过程中，通过显微物镜观察来判断耦合位置。这种传统的耦合方式存在如下缺点1.采用显微镜，只能判断耦合部分的边缘是否对齐，即只能保证耦合的粘结部分在规定的范围内，并无法保证耦合器件的成像质量。
2.采用显微镜，只能粗略观测光锥及CCD平面方向的对准信息，对于光锥和CCD平面不平行、像元间排列不平行等影响耦合器成像质量的因素，则无法检测出。
3.采集的图像是人为观测、判断，受主观因素影响极大，只能粗略地估计耦合效率，所以像元间的几何对准误差大。
4.不能自动、实时、准确地控制误差，耦合器的成像质量较差。
5.由于耦合器的成像是人工控制的，所以生产效率低，质量极不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光锥与CCD耦合的自动对准方法，其解决了背景技术中不能自动、实时、准确地控制光锥与CCD耦合的误差，耦合器件的成像质量差的技术问题。
本发明的技术解决方案是一种光锥与CCD耦合的自动对准方法，其特殊之处在于该方法实现步骤包括
1)将光锥3与光电耦合器件4稳定地夹持在精密调节架10上；2)手动粗调(1)手动调节透镜组2的像面，使调节透镜组2的像面与光锥3的端面重合；(2)手动调节光电耦合器件4，使光电耦合器件4的靶面与光锥3的端面平行，并将光电耦合器件4的位置确定为粗调位置；3)自动精调(1)以粗调位置为坐标原点；(2)通过计算机控制系统11控制步进电机9，动步进电机9驱动调节光电耦合器件4，使电耦合器件4的靶面位置分别沿X、Y、Z轴方向旋转和平移；(3)计算机控制系统11实时记录光电耦合器件4的采样图像序列及坐标位置；(4)通过计算机控制系统11的自动对焦系统7对所采集的图像序列进行处理、分析，在图像序列中找出成像最清晰的图像，确定与之相应的光锥3与光电耦合器件4的最佳耦合位置，得到光锥3与光电耦合器件4最佳耦合位置的坐标值；(5)计算机控制系统11用光锥3与光电耦合器件4最佳耦合位置的坐标值反馈控制步进电机9，步进电机9驱动光电耦合器件4，使光电耦合器件4与光锥3耦合对准；4)用光学粘接剂将光锥3与光电耦合器件4粘合，完成耦合。
上述通过计算机控制系统11的自动对焦系统7对所采集的图像序列进行处理、分析，具体实现步骤如下1)采用罗伯特算子的图像处理算法；2)确定罗伯特算子的检测结果f；3)对采集及图像序列进行处理、分析，在图像序列中找出成像最清晰的图像，得到最佳耦合位置坐标值。
上述通过计算机控制系统11的自动对焦系统7对所采集的图像序列进行处理、分析，具体实现步骤如下1)采用索伯尔算子的图像处理算法；2)确定索伯尔算子的检测结果f；3)对采集及图像序列进行处理、分析，在图像序列中找出成像最清晰的图像，得到最佳耦合位置坐标值。
上述通过计算机控制系统11的自动对焦系统7对所采集的图像序列进行处理、分析，具体实现步骤如下
1)采用罗伯特算子与索伯尔算子相结合的图像处理算法。采用该算子融合技术，对图像进行处理、分析，光锥3与电耦合器件4耦合的准确度最佳。
2)确定罗伯特算子的初始检测结果f1，索伯尔算子的初始检测结果f2；3)计算罗伯特算子的权值ω1ω1=Σf1Σf1+Σf2;]]>计算索伯尔算子的权值ω2ω2＝1-ω1。
4)采用权值融合的方法构造评价函数f＝ω1∑f1+ω2∑f25)根据构造的评价函数对采集及图像序列进行处理、分析，在图像序列中找出成像最清晰的图像，得到最佳耦合位置坐标值。
上述计算机控制系统11实时记录光电耦合器件4的采样图像序列及坐标位置，该采样图像序列及坐标位置的采样频率以0.5μm为宜。
本发明具有以下优点1.本发明将自动对焦方法应用于光锥与CCD耦合系统中，在光锥与CCD耦合设备过程中可实时的判断耦合效率，结合反馈控制，可有效地减小几何对准误差，确保耦合器件的成像质量。
2.自动化程度高，定位迅速准确，运行速度快。
3.结构紧凑，布局合理。
4.采用闭环反馈控制系统，系统工作性能稳定、可靠，成像质量高。
5.采用自动控制方式，可显著提高生产效率。
6.采用Roberts算子与Sobel算子相结合的图像处理算法，算法的可靠性高，对焦准确度高，较好地解决了耦合过程中监控光锥与CCD最佳耦合效率的问题。
7.实验证明，本发明的算法较单独使用Roberts算子的准确率可提高62.5％，较单独使用Sobel算子的准确率分别可提高87.5％。
8.本发明可更广泛用于各种离散元件的耦合系统中。广泛应用于航天载荷的成像系统、微光夜视、导弹电视跟踪、光谱遥感成像等系统中。
图1为本发明的结构原理示意图。
附图标号说明1-成像目标，2-透镜组，3-光锥，4-电耦合器件，5前端处理电路-，6-图像数据采集卡，7-自动对焦系统，8-RS232串行接口，9-步进电机，10-精调调节架，11-计算机控制系统。
具体实施例方式
参见图1，本实施例中透镜组2可采用海鸥F1.4标准镜头，f＝50mm；光电耦合器件4及其前端处理电路5可采用常见的640*480的面阵光电耦合器件，输出视频信号；图像数据采集卡6可采用天敏SDK-2000型图像数据采集卡；步进电机9可采用日本浚河公司的K701-30LMS型精密步进电机，最小步距为0.5微米。本发明的实现步骤如下1)在超静室中，将光锥3与光电耦合器件4即CCD稳定地夹持在精密调节架10上。
2)手动粗调(1)手动调节透镜组2的像面，使之与光锥3的端面重合。
(2)手动调节光电耦合器件4，使光电耦合器件4的靶面与光锥3的端面平行，即调节至光电耦合器件4与光锥3的理论耦合位置附近，并定位于粗调位置。
3)自动精调以粗调位置为坐标原点，通过计算机控制系统11自动调节，使光电耦合器件4与光锥3耦合对准。
(1)计算机控制系统11通过RS232串行接口8，控制驱动步进电机9，调节光电耦合器件4的靶面位置，分别沿X、Y、Z轴方向旋转和平移。
(2)同时，计算机控制系统11实时记录光电耦合器件4的采样图像序列及坐标位置，采样频率为0.5μm。
(3)自动对焦系统7对图像进行处理、分析，确定光锥3与光电耦合器件4最佳耦合位置的坐标值。计算机控制系统11通过自动对焦系统7对所采集的图像序列进行处理、分析，在图像序列中找出成像最清晰的图像，确定与之相应的光锥3与光电耦合器件4的最佳耦合位置，得到光锥3与光电耦合器件4最佳耦合位置的坐标值。
(4)用光锥3与光电耦合器件4最佳耦合位置的坐标值反馈控制步进电机9，步进电机9驱动光电耦合器件4，使光电耦合器件4与光锥3耦合对准。
4)用光学粘接剂将光锥3与光电耦合器件4粘合，充分凝固，完成耦合。
本发明通过计算机控制系统11中的自动对焦系统7对采集到的图像序列进行处理、分析，反馈最佳耦合位置坐标，实现闭环反馈控制。
对于特定的成像系统，图像的清晰度可反映系统的离焦程度。一幅图像是否对焦准确，在空间域上的反映就是图像细节是否丰富，图像的边界是否清晰。在图像处理中，可采用梯度函数提取检测图像的边缘及边缘方向信息，判断系统的离焦程度。例如，采用索伯尔算子即Sobel算子，检测垂直和水平方向的信息具有较强的响应；而采用罗伯特算子即Roberts算子，则易于检测45°方向的信息。
本发明根据实际应用需要，对耦合器件要求太高或有特殊要求的场合，可单独采用Roberts算子的图像处理算法，也可单独采用Sobel算子的图像处理算法，还可单独采用信息熵函数等图像处理算法。
本发明采用索伯尔算子与罗伯特算子相结合的算子融合技术，对图像进行处理、分析，光锥3与电耦合器件4耦合的准确度最佳。其自动对焦系统7对图像进行处理、分析，确定光锥3与光电耦合器件4最佳耦合位置的坐标值，具体实现步骤如下1)确定罗伯特算子的初始检测结果f1，索伯尔算子的初始检测结果f2。
2)计算罗伯特算子的权值ω1ω1=Σf1Σf1+Σf2;]]>计算索伯尔算子的权值ω2ω2＝1-ω1。
3)采用权值融合的方法构造评价函数f＝ω1∑f1+ω2∑f2。
4)根据构造的评价函数对采集及图像序列进行处理、分析，在图像序列中找出成像最清晰的图像，得到最佳耦合位置坐标值。
权利要求
1.一种光锥与CCD耦合的自动对准方法，其特征在于该方法的实现步骤包括1)将光锥(3)与光电耦合器件(4)稳定地夹持在精密调节架(10)上；2)手动粗调(1)手动调节透镜组(2)的像面，使调节透镜组(2)的像面与光锥(3)的端面重合；(2)手动调节光电耦合器件(4)，使光电耦合器件(4)的靶面与光锥(3)的端面平行，并将光电耦合器件(4)的位置确定为粗调位置；3)自动精调(1)以粗调位置为坐标原点；(2)通过计算机控制系统(11)控制步进电机(9)，动步进电机(9)驱动调节光电耦合器件(4)，使电耦合器件(4)的靶面位置分别沿X、Y、Z轴方向旋转和平移；(3)计算机控制系统(11)实时记录光电耦合器件(4)的采样图像序列及坐标位置；(4)通过计算机控制系统(11)的自动对焦系统(7)对所采集的图像序列进行处理、分析，在图像序列中找出成像最清晰的图像，确定与之相应的光锥(3)与光电耦合器件(4)的最佳耦合位置，得到光锥(3)与光电耦合器件(4)最佳耦合位置的坐标值；(5)计算机控制系统(11)用光锥(3)与光电耦合器件(4)最佳耦合位置的坐标值反馈控制步进电机(9)，步进电机(9)驱动光电耦合器件(4)，使光电耦合器件(4)与光锥(3)耦合对准；4)用光学粘接剂将光锥(3)与光电耦合器件(4)粘合，完成耦合。
2.根据权利要求1所述的光锥与CCD耦合的自动对准方法，其特征在于所述的通过计算机控制系统(11)的自动对焦系统(7)对所采集的图像序列进行处理、分析，具体实现步骤如下1)采用罗伯特算子的图像处理算法；2)确定罗伯特算子的检测结果f；3)对采集及图像序列进行处理、分析，在图像序列中找出成像最清晰的图像，得到最佳耦合位置坐标值。
3.根据权利要求1所述的光锥与CCD耦合的自动对准方法，其特征在于所述的通过计算机控制系统(11)的自动对焦系统(7)对所采集的图像序列进行处理、分析，具体实现步骤如下1)采用索伯尔算子的图像处理算法；2)确定索伯尔算子的检测结果f；3)对采集及图像序列进行处理、分析，在图像序列中找出成像最清晰的图像，得到最佳耦合位置坐标值。
4.根据权利要求1所述的光锥与CCD耦合的自动对准方法，其特征在于所述的通过计算机控制系统(11)的自动对焦系统(7)对所采集的图像序列进行处理、分析，具体实现步骤如下1)采用罗伯特算子与索伯尔算子相结合的图像处理算法；2)确定罗伯特算子的初始检测结果f1，索伯尔算子的初始检测结果f2；3)计算罗伯特算子的权值ω1ω1=Σf1Σf1+Σf2;]]>计算索伯尔算子的权值ω2ω2＝1-ω1；4)采用权值融合的方法构造评价函数f＝ω1∑f1+ω2∑f2；5)根据构造的评价函数对采集及图像序列进行处理、分析，在图像序列中找出成像最清晰的图像，得到最佳耦合位置坐标值。
5.根据权利要求1-4之一所述的光锥与CCD耦合的自动对准方法，其特征在于所述的计算机控制系统(11)实时记录光电耦合器件(4)的采样图像序列及坐标位置，该采样图像序列及坐标位置的采样频率为0.5μm。
全文摘要
一种光锥与CCD耦合的自动对准方法，其将光锥与CCD夹持于精密调节架上，手动粗调，使调节透镜组的像面与光锥的端面重合；以粗调位置为坐标原点，通过计算机控制系统控制步进电机，使CCD分别沿X、Y、Z轴方向旋转和平移；计算机控制系统对所采集的图像序列进行处理、分析，在图像序列中找出成像最清晰的图像，得到光锥与CCD最佳耦合位置的坐标值，反馈控制步进电机，使CCD与光锥耦合对准，用粘接剂粘合，完成耦合。本发明解决了背景技术中不能自动、实时、准确地控制光锥与CCD耦合的误差而导致成像质量差的技术问题。本发明采用自动对焦法，结合用算子融合技术确保成像质量，可广泛用于各种离散元件的耦合系统中。
文档编号G01B9/04GK101051107SQ200610042630
公开日2007年10月10日 申请日期2006年4月7日 优先权日2006年4月7日
发明者田维坚, 张宏建, 王耀祥, 张薇, 冯桂兰 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所