快速高精度望远镜调焦系统设计

发布时间：2017-08-13 05:30

  本文关键词：快速高精度望远镜调焦系统设计

  更多相关文章： 望远镜 测距调焦 离轴系统 速度补偿 电机控制

【摘要】：调焦是一个成像光学系统必须要做的工作,在科技发展的今天,我们对光学系统的调焦不再通过目视比较而确定,而是通过数字成像分析。目前的调焦方式有很多种,有对比度法、相位法、测距法等。但不管哪种调焦方式,快速、高精度而又稳定对焦是光学工作者一直追求的目标。目前的主流的调焦技术都采用两种调焦方法—图像调焦和测距调焦。图像调焦法通过像质反馈信息可以提高目标的定位精度,但是也存在对焦速度慢,物体与背景的对比度低时容易产生离焦问题。而测距调焦系统虽然直接反馈调焦系统的调节位移量,达到很快的对焦速度,但是由于没有像质反馈信息,无法根据像质自我矫正,所以其调焦精度比较低。针对大地观测反射望远镜的结构特点及光学特性,望远镜常用的测距调焦的方法,但是简单的测距调焦法无法满足高精度和高速对焦的要求,本文提出了一种改进的测距调焦方式。通过精确仿真计算得到正焦位置与目标距离的关系,同时在闭环调焦平台中针对实时调焦存在的延迟,提出了速度或者位移补偿方法,既提高了调焦系统的对焦精度,也解决了动态调焦中因滞后造成的离焦问题。首先,本文对目前的不同种类的望远镜光学系统作了简要的介绍,详细介绍了影响望远镜调焦系统的调焦误差的内部及外部因素,对有限远物点产生的像差进行分析,指出了望远镜存在一定的焦深,重点研究卡塞格林望远镜的结构、光路以及对焦误差来源。其次,实现了对反射式望远镜的ZEMAX仿真分析。要实现高精度测距调焦,必须找到正确的正焦搜索方向,这就要求我们知道如何设计望远镜,以及如何分析成像质量的好坏,借助ZEMAX软件,可以很快找到正焦位置,实现了对正焦公式的修正。利用MATLAB仿真,采用了几何光学的分析手段,提出了针对离轴望远镜的调焦方法—离轴调焦法最后,我们设计了自动调焦系统的硬件平台,分析了自动调焦系统存在调焦滞后的原因,提出了对测距调焦系统的延迟补偿方法。并测得了电机的静态误差,通过闭环试验验证了补偿效果。
【关键词】：望远镜 测距调焦 离轴系统 速度补偿 电机控制
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH743
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 引言12-19
• 1.1 研究背景和意义12-13
• 1.2 自动调焦技术的发展现状13-17
• 1.2.1 国内外自动调焦技术发展史13-14
• 1.2.2 常见的自动调焦技术14-17
• 1.3 研究内容和论文结构安排17-19
• 2 望远镜测距调焦的基本原理19-30
• 2.1 常见望远镜的对比19-21
• 2.2 目标的运动对正焦位置的影响21-24
• 2.2.1 光学成像的基本原理21-22
• 2.2.2 望远镜正焦位置的计算22
• 2.2.3 目标径向运动对调焦的影响22-23
• 2.2.4 目标横向运动对调焦的影响23-24
• 2.3 反射式望远镜对焦误差的来源24-28
• 2.3.1 外部环境对正焦位置的影响24-25
• 2.3.2 望远镜光学系统的像差25-27
• 2.3.3 光学系统的焦深27-28
• 2.4 本章小结28-30
• 3 反射式望远镜调焦仿真分析30-48
• 3.1 卡塞格林反射式望远镜的设计30-36
• 3.1.1 卡塞格林望远镜主次镜面型的选择30-32
• 3.1.2 卡塞格林望远镜非球面镜的曲面方程32-34
• 3.1.3 卡塞格林望远镜ZEMAX建模分析34-36
• 3.2 共轴望远镜系统36-39
• 3.2.1 共轴望远镜调焦仿真分析36-38
• 3.2.2 共轴光学系统的正焦位置理论修正38-39
• 3.3 离轴望远镜系统39-47
• 3.3.1 离轴望远镜主要结构及其特点39-40
• 3.3.2 离轴望远镜系统一维调焦仿真分析40-42
• 3.3.3 离轴望远镜系统二维调焦仿真分析42-45
• 3.3.4 离轴望远镜系统次镜旋转调焦仿真分析45-46
• 3.3.5 离轴望远镜调焦系统的离轴角与离轴量46-47
• 3.4 本章小结47-48
• 4 测距调焦系统延迟补偿分析及实验验证48-69
• 4.1 测距调焦系统延迟及补偿方法48-53
• 4.1.1 测距调焦系统的延迟模型48-49
• 4.1.2 速度补偿法49-50
• 4.1.3 基于轨迹预测法的位移补偿方案50-51
• 4.1.4 补偿精度分析51-53
• 4.2 测距调焦系统硬件平台53-55
• 4.2.1 DSP&FPGA介绍54
• 4.2.2 DSP与FPGA通信原理54-55
• 4.3 调焦系统的电机控制55-62
• 4.3.1 二相混合式步进电机数学模型56-57
• 4.3.2 步进电机频矩特性57-58
• 4.3.3 二相混合式步进电机细分驱动原理58-59
• 4.3.4 步进电机定位精度测试59-61
• 4.3.5 步进电机速度和方向控制61-62
• 4.4 调焦系统闭环实验62-68
• 4.4.1 目标径向运动62-66
• 4.4.2 目标横向运动66-68
• 4.5 本章小结68-69
• 5 总结与展望69-71
• 5.1 本文的主要工作69
• 5.2 本文的主要创新点69-70
• 5.3 未来工作展望70-71
• 参考文献71-74
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果74

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8 钱首尚;高精度曲面光刻实时调焦技术的研究[D];大连海事大学;2008年

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本文编号：665640