基于离焦深度法的自动对焦光路设计
发布时间：2021-12-11 02:01
基于离焦深度法设计了自动对焦光路,光路由激光光源,准直扩束透镜,调焦透镜,摄像头组成。使用ZEMAX软件模拟了对焦过程,通过控制调焦透镜的位置获取光斑半径,计算对焦位置。移动调焦透镜,分别在距离对焦目标5.62 cm,7.38 cm,14.02 cm,16.88 cm,20.94 cm处得到了弥散光斑的直径。计算得到的误差在1 mm以内。基于此,实际搭建了对焦光路并进行模拟。采用位移滑轨模拟透镜的变焦运动,由摄像头获取物面上的激光斑点,通过MATLAB编程来快速获得光斑直径的之间的比例。结果显示,对焦结果误差在1 cm以内,考虑到导轨读数存在误差,摄像头像素有限,激光功率不稳定等原因,虽然实际结果与理论模拟之间存在差异,但证实了此方法的可行性。后续工作将用位移平台替换手动滑轨,编程精密控制透镜的移动位置,实现自动对焦。研究工作为改进本课题组已经开发的便携式高灵敏毒品荧光检测系统提供技术参考。
【文章来源】：光电子·激光. 2019,30(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１自动对焦系统光路设计图Ｆｉｇ．１Ｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｄｉａｇｒａｍｏｆａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
第一个焦距为１０ｃｍ的透镜，由于透镜具有一定厚度，所以使它的前表面距离光源９．８８ｃｍ，这时恰好使光源发出的光准直。随后放置第二个焦距为１０ｃｍ的透镜，使它的前表面距离第一个透镜的后表面２０ｃｍ。因为光束在距离第二个透镜后表面９．７３ｍｍ的位置处聚焦，所以将距离第二个透镜后表面９．７３ｍｍ的位置，即Ｌ＝９．７３ｍｍ处设置为光路后表面，也就是光斑点阵图的获取位置。此时得到的激光光斑半径最小，如图３（ｂ）所示。图２自动对焦光路图Ｆｉｇ．２Ｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｏｆａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ表１ＺＥＭＡＮ模拟参数值Ｔａｂ．１ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＺＥＭＡＸ图３（ａ）ＺＥＭＡＸ模拟光路；（ｂ）对焦目标上光斑的点阵图Ｆｉｇ．３（ａ）ＯｐｔｉｃａｌｐａｔｈｗａｙｏｆＺＥＭＡＸ；（ｂ）Ｔｈｅｂｉｔｍａｐｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔｓｐｏｔｓｏｎｔｈｅｆｏｃｕｓｔａｒｇｅｔ维持光源与物面之间的距离为２９．７３ｃｍ进行模拟调焦。维持激光光源与对焦目标之间的距离不变，只移动调焦透镜运动距离ｓ，并在相距ｓ的两个位置分别获得两个光斑直径，即可求得离焦深度。设定光源距离对焦目标的距离是２９．７３ｃｍ，在保持对焦目标不动的情况下设置调焦透镜的后表面与对焦目标之间的距离为Ｌ，记录光斑点阵图的信息，即获得调焦透镜在不同位置时光斑的直径大小。取Ｌ分别为５．６２ｃｍ，７．３８ｃｍ，１４．０２ｃｍ和１６．８８ｃｍ，得到结果展示于图４中。选择四组光斑半径与透镜移动量进行自动调焦运算的模拟。在
实际搭建了对焦光路如图５所示。对焦光路由激光光源，准直扩束透镜，光阑，调焦透镜，遮光板，滑轨，摄像头和ＰＣ组成，其中调焦透镜安置在行程２０ｃｍ的滑轨上，在滑轨末端放置黑色遮光板作为对焦目标。激光光源放置在准直扩束透镜的焦点上，激光经准直扩束透镜准直，再经过调焦透镜聚焦，最终照射在遮光板上，在滑轨上移动调焦透镜，可以在遮光板上得到半径变化的激光光斑，由摄像头采集调焦透镜处于不同位置时的光斑图像，如图６所示。通过ＭＡＴＬＡＢ软件编程并进行图像分析和处理，就可以得到光斑直径比例，再根据采集光斑是调焦透镜所处的坐标，就可以计算出离焦量。当变焦透镜在初始位置１时，读出该位置的导轨坐标，并用摄像头采集此时的光斑图像。然后将透镜移动距离ｓ到达位置２，再次用摄像头采集光斑图像。获得两张图像之后，使用ＭＡＴＬＡＢ进行图像处理，得到在位置２处采集到的光斑直径与两个光斑直径之和的比值，即透镜的离焦比例。离焦比例与透镜移动距离ｓ相乘可得透镜的离焦深度，如表３所示。图５搭建的自动对焦光路Ｆｉｇ．５Ｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｏｆａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ图６调焦透镜位于Ｌ处，遮光板上的激光光斑图像：（ａ）Ｌ＝２０．９４ｃｍ；（ｂ）Ｌ＝１６．８８ｃｍ；（ｃ）Ｌ＝１４．０２ｃｍ；（ｄ）Ｌ＝７．３８ｃｍ；（ｅ）Ｌ＝５．６２ｃｍＦｉｇ．６Ｔｈｅｌａｓｅｒｌｉｇｈｔｓｐｏｔｉｍａｇｅｏｎｔｈｅｍａｓｋｗｉｔｈ（ａ）Ｌ＝２０．９４ｃｍ；
【参考文献】：
期刊论文
[1]生活饮用水理化指标检测结果分析[J]. 任海鹏,毕红杰,李伟伟,赵进华,孔娜. 医学动物防制. 2018(02)
[2]微痕量毒品检测中的荧光技术[J]. 刘科,房喻. 中国安防. 2016(10)
[3]基于饱和像素剔除的自动对焦评价函数[J]. 王烨茹,冯华君,徐之海,李奇,陈跃庭. 光学学报. 2016(12)
[4]基于光诱导延迟发光的微量毒品检测研究[J]. 王岩,陈平,林列,张凯,马华,阮世超,周欣欣,杨若晨. 光电子·激光. 2014(11)
[5]色散型多光谱图像的全数字对焦算法[J]. 徐林丽,李宏宁,孙煜洋,冯洁,杨卫平. 光电子·激光. 2014(11)
[6]基于Hadamard变换的数码显微成像自动对焦新方法[J]. 符冉迪,易文娟,郁梅,蒋刚毅. 光电子.激光. 2008(12)
本文编号：3533805
【文章来源】：光电子·激光. 2019,30(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１自动对焦系统光路设计图Ｆｉｇ．１Ｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｄｉａｇｒａｍｏｆａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
第一个焦距为１０ｃｍ的透镜，由于透镜具有一定厚度，所以使它的前表面距离光源９．８８ｃｍ，这时恰好使光源发出的光准直。随后放置第二个焦距为１０ｃｍ的透镜，使它的前表面距离第一个透镜的后表面２０ｃｍ。因为光束在距离第二个透镜后表面９．７３ｍｍ的位置处聚焦，所以将距离第二个透镜后表面９．７３ｍｍ的位置，即Ｌ＝９．７３ｍｍ处设置为光路后表面，也就是光斑点阵图的获取位置。此时得到的激光光斑半径最小，如图３（ｂ）所示。图２自动对焦光路图Ｆｉｇ．２Ｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｏｆａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ表１ＺＥＭＡＮ模拟参数值Ｔａｂ．１ＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＺＥＭＡＸ图３（ａ）ＺＥＭＡＸ模拟光路；（ｂ）对焦目标上光斑的点阵图Ｆｉｇ．３（ａ）ＯｐｔｉｃａｌｐａｔｈｗａｙｏｆＺＥＭＡＸ；（ｂ）Ｔｈｅｂｉｔｍａｐｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔｓｐｏｔｓｏｎｔｈｅｆｏｃｕｓｔａｒｇｅｔ维持光源与物面之间的距离为２９．７３ｃｍ进行模拟调焦。维持激光光源与对焦目标之间的距离不变，只移动调焦透镜运动距离ｓ，并在相距ｓ的两个位置分别获得两个光斑直径，即可求得离焦深度。设定光源距离对焦目标的距离是２９．７３ｃｍ，在保持对焦目标不动的情况下设置调焦透镜的后表面与对焦目标之间的距离为Ｌ，记录光斑点阵图的信息，即获得调焦透镜在不同位置时光斑的直径大小。取Ｌ分别为５．６２ｃｍ，７．３８ｃｍ，１４．０２ｃｍ和１６．８８ｃｍ，得到结果展示于图４中。选择四组光斑半径与透镜移动量进行自动调焦运算的模拟。在
实际搭建了对焦光路如图５所示。对焦光路由激光光源，准直扩束透镜，光阑，调焦透镜，遮光板，滑轨，摄像头和ＰＣ组成，其中调焦透镜安置在行程２０ｃｍ的滑轨上，在滑轨末端放置黑色遮光板作为对焦目标。激光光源放置在准直扩束透镜的焦点上，激光经准直扩束透镜准直，再经过调焦透镜聚焦，最终照射在遮光板上，在滑轨上移动调焦透镜，可以在遮光板上得到半径变化的激光光斑，由摄像头采集调焦透镜处于不同位置时的光斑图像，如图６所示。通过ＭＡＴＬＡＢ软件编程并进行图像分析和处理，就可以得到光斑直径比例，再根据采集光斑是调焦透镜所处的坐标，就可以计算出离焦量。当变焦透镜在初始位置１时，读出该位置的导轨坐标，并用摄像头采集此时的光斑图像。然后将透镜移动距离ｓ到达位置２，再次用摄像头采集光斑图像。获得两张图像之后，使用ＭＡＴＬＡＢ进行图像处理，得到在位置２处采集到的光斑直径与两个光斑直径之和的比值，即透镜的离焦比例。离焦比例与透镜移动距离ｓ相乘可得透镜的离焦深度，如表３所示。图５搭建的自动对焦光路Ｆｉｇ．５Ｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｏｆａｕｔｏ－ｆｏｃｕｓｉｎｇ图６调焦透镜位于Ｌ处，遮光板上的激光光斑图像：（ａ）Ｌ＝２０．９４ｃｍ；（ｂ）Ｌ＝１６．８８ｃｍ；（ｃ）Ｌ＝１４．０２ｃｍ；（ｄ）Ｌ＝７．３８ｃｍ；（ｅ）Ｌ＝５．６２ｃｍＦｉｇ．６Ｔｈｅｌａｓｅｒｌｉｇｈｔｓｐｏｔｉｍａｇｅｏｎｔｈｅｍａｓｋｗｉｔｈ（ａ）Ｌ＝２０．９４ｃｍ；
【参考文献】：
期刊论文
[1]生活饮用水理化指标检测结果分析[J]. 任海鹏,毕红杰,李伟伟,赵进华,孔娜. 医学动物防制. 2018(02)
[2]微痕量毒品检测中的荧光技术[J]. 刘科,房喻. 中国安防. 2016(10)
[3]基于饱和像素剔除的自动对焦评价函数[J]. 王烨茹,冯华君,徐之海,李奇,陈跃庭. 光学学报. 2016(12)
[4]基于光诱导延迟发光的微量毒品检测研究[J]. 王岩,陈平,林列,张凯,马华,阮世超,周欣欣,杨若晨. 光电子·激光. 2014(11)
[5]色散型多光谱图像的全数字对焦算法[J]. 徐林丽,李宏宁,孙煜洋,冯洁,杨卫平. 光电子·激光. 2014(11)
[6]基于Hadamard变换的数码显微成像自动对焦新方法[J]. 符冉迪,易文娟,郁梅,蒋刚毅. 光电子.激光. 2008(12)
本文编号：3533805
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