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1、第期《红外》月刊光学系统的自动调焦方法原育凯‘中国科学院上海技术物理研究所,上海,‘术已经广,摘要自动调焦技泛应用于各种精密仪器中常见的调焦方法根据其判‘,可分为主动法和被动,别准则来源于物方还是像方法主动法是指吝种方式的物距检。,测被动法则是像质评价被动法中的以数字图像处理作为调焦检测函数的方法具、。有算法灵活多变控制容易实现等优点采用图像处理法实现自动调焦的一个关键问。理想的、、题就在于图像清晰度评价函数的选取评价函数要求无偏性单峰性能反、,,。映离焦的极性对噪声敏感度低等通常为提高效率还希望计算量尽可能的小文。章简要列举了常见的一些自动调焦方法关键词自动调焦聚焦调焦检测函数数字图像
2、处理,,引言想的光学系统全部汇聚在焦平面上一点而在离焦位置上设占为离焦量呈现弥散斑,弥在光学系统中,镜头对一定距离的目标成。,散斑的形状与光学孔径形状相似以最常见的像有一个最佳像面位置这个位置通常满足物,,,圆形孔径为例图中为透镜焦距为透镜像共扼关系称为聚焦偏离了这个位,,,通光孔径平行于光轴的光线经透镜在焦平面置将导致系统离焦造成图像质量,,、。,上汇聚成一点如果探测器平面偏离焦平面下降成像模糊光学系统的相对孔径越大,。则得到一直径为的弥散圆其中与偏移量离焦表现的效果越明显离焦会直接影响后续、。、。占和通光孔径成正比与焦距成反比容易的信息提取和处理工作,,看出当探测器位于焦面前和焦面后
3、时其弥调整光学系统由离焦到聚焦的过程称为调,。散圆的尺寸变化在焦面的前后是对称的而且焦能否准确快速调焦对于一个光学系统是非。。光强在弥散圆内分布均匀常重要的传统的手动调焦依靠人的目测和手,,,探测器面调耗时长可重复性小调整精度受人员主。,观影响较大世纪年代后微电子技术的突破、大规模集成电路,和中央处理器的出现使调焦开始由过去的目测和手调成为完全的自动控制,随着自动化水平不断提高,自动调焦技术也日臻完善,应用范围不断扩大,在自动化、高精度、高稳定性等方面都取得了很大进“甲一,、、、竿展现已广泛应用于照相机摄像机显微镜图几何光学的离焦描述扫描仪等各种精密仪器中。在无像差的光学系统中,由于衍射
4、的存在,离焦的描述点光源通过光学系统其能量会散开而不能得到,几何光学认为平行光发出的光线经过理理想的点像,其亮度分布称为点扩散函数,‘级硕博连读研究生济《红外》月刊年,,点扩散函数可以通过求传输函数的幅度得到统其像面上任一点处的光强等于物面上各点传输的光强在像平面上该处所形成的光强的叠加。函数又可以通过对光瞳函数作傅里叶变换。,‘,,,,‘·得到图中为收敛于焦点的波前玺一、卜一。“一,一、,““,,为圆心位于点后处占的离焦位置点的波,前在对点张角为处产生的两个波前距离,。,,式中为光强分布范围功为物面各。,‘。差。晒其中为介质折射率由,,,,,告点光强夕了犷为系统的脉冲响应函数,、图光瞳
5、函数为即光强度为单位值的物点经过光学系统后,在。‘,,二像面形成的光强分布利用系统线性叠加的特,。。。,,性可将物方图样分解为许多基元图样的线性二替,其中。,兰卜。叠加,其他,空间不变性是指不同物点的输入单位脉,,式中的直角坐标为归一化后的波前上的点冲在输出面上造成的响应分布的函数形状都,,。,坐标当护十沪时表示圆形光瞳的边缘一样所不同的仅是在输出面上发生了与输入点相应的位移,其脉冲响应函数仅是像点的空,一一,·、间坐标位置差’劝和’功的函数即一‘‘帅,,‘,‘一‘,‘九岁,岁一夕满足线性,和空间不变性条件的光学系统‘‘‘,‘一、、其成像的光强度分布可用物面光强度分布与脉。,冲响应函数的
6、卷积来表示因此脉冲响应函数完全决定了系统的成像特性。在非相干照明条件下,点像的点扩散函数为光强度分布函数。,,即图衍射理论的离焦描述功的归一化光强分布,一一一,的,,由“从以上的分析中可以看出通过无像差的外圆形光,阑光学系统几何光学得出的点扩散函,、,数仅仅是光强分布一致的圆斑衍射理论通过由式式可写为,,,’‘一,计算离焦波前和聚焦波前的相位差是更加精确“了,卜。,,尸,,吻“,一。,的描述七的结论表明当离焦量较小吻。入时,几何光学并不适合来描述离焦式表明像面的光强度分布是物面的光。,现象离焦量较大吻全习时几何光学的强度分布和点扩散函数的卷积。离焦光学系统结果才可以在低频段近似衍射理论。
7、的光强分布就可以用物面光强度分布与离焦脉冲响应函数的卷积来表示。线性和空间不变性线性和空间不变性条件使得系统处理起来比较容易,实际中相当多的,为了研究问题的方便通常假定光学系统光学系统可以认为是线性空间不变系统。满足线性条件和空间不变性条件。,自动调焦方法综述线性条件是指在非相干照明的条件下光,自动调焦可学系统的物方图样与像方图样之间的光强度从基本原理来说以分成两大满足线性叠加的条件。满足线性条件的光学系类一类是基于镜头与被摄目标之
