计算机确定CCD相机焦面的误差分析

    1　引言

    在CCD相机的研制工作中,为了能够将CCD精确地安置于相机光学系统的焦面处,采用了计算机技术来确定相机光学系统的焦面位置。这项技术是利用计算机的图像处理功能,将光学系统对CCD所成的图像进行测量和计算,通过对最佳象面的搜寻,来完成确定相机光学系统焦面的工作,简称计算机定焦。

    由于在测量过程中采用了计算机技术进行图像识别与比较,判定条件具有客观、稳定等特性,降低了主观因素的影响,从而使测试设备、测量环境等因素的影响成为产生测量误差的主要误差来源。

    按照误差理论,在剔除了测量数据中的粗大误差之后,测量误差可按其性质分成两类:一类为偶然误差,它影响测量数据的离散性,即精密度;另一类为系统误差,它影响测量数据对真实值的偏离程度,即正确度。这两类误差的产生原因、作用效果及处理方法各不相同,需要分别加以讨论。

    偶然误差是由测量过程中的偶然性干扰因素随机造成的,它具有总体之和趋于零的特性,可以采用多次测量并计算均值的方法予以消除。偶然误差的大小,表征了测量过程中多次测量的数据的分布范围,通常用R表示 ;在实际工作中,有时也用极限误(偏)差的形式来表示,一般取极限误差范围$=±3R。

    本文中,应用计算机随机模拟法对偶然误差进行分析,并将数字滤波技术应用到图像处理过程中,降低了偶然误差对单次测量数据的影响,因而大大提高了数据的精密度。相比之下,对系统误差的分析和处理过程要复杂得多。

　　系统误差是指在测量过程中,系统本身所固有的误差因素对测量造成的偏差。由于系统误差相对稳定,仅靠对测量数据的统计处理无法消除其影响,通常要将测量值与真实值进行比较来确定。但是,对于定焦测量来说,由于事先无法确知相机焦面的真实值,这就给处理系统误差带来了一定的难度。

    为解决这一难题,经过分析计算机定焦的数学模型,定义了一个函数,称之为定焦曲线评价函数。它能够对系统误差在测量过程中的影响进行分析,虽然不能直接计算系统误差的大小、却可以将其对测量数据的影响予以量化,从而为我们研究、分析系统误差的产生原因及其作用过程,并最终减小系统误差的影响提供了较为有效的检测手段。

    计算机精密定焦技术现已在“资源一号”CCD相机的研制工作中得到了实际应用,取得了较好的效果。

    2　计算机定焦的数学原理

    将计算机技术应用于确定光学系统的焦面,是近年来的一项新技术。它利用计算机的图像处理功能,对在焦面前、后沿光轴方向上不同象面位置处的图像进行测量、计算和比较,通过搜寻最佳象面,来完成光学系统的定焦工作。