一种用于经纬仪的实时检焦系统

　　引 言

　　现在诸多经纬仪是由雷达或激光测距机送来的距离信息电压来控制调焦机构自动调焦的。为了使经纬仪能够自动检焦，本文利用分离镜片将通过望远物镜的光线分裂成两束并进行调焦，采用 CCD 作为光电转换器件，经驱动电路、A/D 转换后，输入微机进行信号处理，求出离焦大小和方向。该装置结构紧凑，调整方便，有利于微机处理，可实现高精度自动检焦的要求。

　　1 检焦光学原理

　　经纬仪的自动调焦系统[1]，采用放在望远光路中的准直镜进行自动调焦：当目标在无穷远时，准直镜做调焦元件是将其前焦点置于望远系统的第一焦面上。而当目标是在有限距离时，目标像面就离开第一焦面，只要将准直物镜沿轴线移动，使其前焦点离开第一焦面而落在目标像面上，此时目标光线经过准直物镜变成平行光，然后经过变倍物镜成像于第二像面，准直镜前焦点离开目标像面的距离，反映在第二像面上就是离焦量。由此可见，准直物镜移动只要前焦点落在目标像面上，后面为平行光对后面的光路无影响。通过准直镜头的光束经平面反射镜反射后进入自动检焦系统[2]。为方便起见，我们不考虑平面反射镜。通过准直镜头的光束经双分离透镜[3]后被分成两个部分，在 CCD 传感器上成像。当调焦准确时，经过分离镜片生成的两束光线投影在 CCD 上的距离是一定的，作为焦点检测的基准。我们用AB 来表示作为CCD上两光斑的位置的基准。当调焦不准时，有两种可能性。一种是准直镜前焦点在目标像面之前。此时受光的CCD上两光斑的位置之间的距离短于AB;另一种情况是准直镜前焦点在目标像面之后，此时受光的CCD上两光斑的位置之间的距离长于 AB，根据受光的 CCD 上光斑的位置之间的距离，就能鉴别出焦点是否准确。只要测出这个偏移量，就能检测出焦点的偏离状态。根据CCD 上两光斑的位置的距离与AB 的差值，经过转换电路和模拟/数字转换电路，再送入系统的 CPU 中央处理单元，CPU 按照设定的程序，可计算出准直镜前焦点离开第一像面的距离，以及散焦方向。

　　设望远物镜的相对孔径 D /f1/F00= ，如图2 所示，当准直镜前焦点离焦 δ 时，经公式推导得物体成像光斑偏移距离 x 与准直物镜前焦点离开经纬仪第一像面距离 δ 的关系[4]：

　　上式表明了对离焦量的检出能力。对于 F 为 10 的经纬仪，其半焦深是 0.14mm，显然，像素级分辨能力对精密调焦来说是不够的，必须采用亚象元定位技术来提高检焦精度(一般常用的亚像素算法的精度为 0.1～0.5 个像素，有些算法在理想情况下可以达到 0.01 个像素左右的精度)。上述可知，只要满足检焦系统的景深[5-7]在望远物镜(经纬仪第一像面)的焦深范围之内要求，检焦系统能与所有经纬仪配合进行自动检焦，从而达到对焦标准。