反射能量法测距聚焦系统及其重叠设计法

　　引　言

　　在许多光学仪器、智能仪器中,为了获得真实物体的三维信息,或者是为了更清晰地获得二维图形,都需要测量目标离仪器的距离,控制系统根据目标的远近,控制光学系统进行自动调整,达到更好地获取各种所需信息的目的。测量目标的距离有很多种方法,有三角测距法、超声波反射时间法、位相法、反射能量法、象面对比度法等[1,2]。

　　反射能量法因其结构简单、体积小、成本低,可以广泛应用于大批量生产的光机电综合产品中,如照相机的自动聚焦系统等。但反射能量法特有的测距误差较大,在某些场合使用时,光学系统所成的象的清晰度较差。本文认为,采用重叠设计法是解决这一问题的有效方法,较好地减小了测距误差。

　　1　反射能量法测距原理

　　反射能量法测距聚焦系统原理如图1所示。整个系统包括三大部分:1.光能量发射系统,包括发射控制电路,发光元件和发射光学透镜;2.反射光接收、处理运算系统,包括接收光学透镜,光电转换器和信号处理、运算系统;3.聚焦反馈和光学成象系统,包括功率驱动,聚焦执行机构,光学成象系统等。

　　工作时,发射控制电路控制发光元件发射一定能量的光束,通常为红外线。经发射透镜会聚后,光束射向被测目标。经目标反射,一部分光线射向本系统的接收透镜,并会聚在光电转换器上,这部分被光电转换器接收到的光能量显然与目标离本系统的距离有关。处理运算系统对光电转换器的输出信号进行放大、分段处理,即得到了目标的距离。反馈控制系统根据测到的目标距离值,控制聚焦执行机构,使光学成象系统正确定位在理想位置上,完成测距和聚焦动作。

　　2　分段聚焦及其计算公式

　　根据文献[2],对于图2所示系统,接收系统接收到的光能量Pi为

式中K为常数,与发射系统输出功率、转换效率有关;ρ为被测目标漫反射率。当物距L远远大于系统中发射和接收透镜的间距d时,cosθ≈1。显然,若目标漫反射率ρ,发射系统发射功率及转换效率一定时,接收功率Pi与物距L三次方成反比。据此,系统可根据Pi值大小来决定物距L。在一般成象光学系统中,聚焦执行机构通常是分段非连续的,只要保证象面上象清晰,测距聚焦是成功的。

　　设物距的动态范围为l0(近点)～lN(远点),聚焦分N个区域,N个聚焦点分别保证一段物距范围成象清晰。为使光学成象系统象面上弥散斑直径δ尽量小,每一聚焦区域所对应的物距覆盖范围和聚焦点可由下列计算公式求出。目标对应的象距动态范围l′0和l′N为