2024年6月2日发(作者：籍柔惠)
光学系统的自动调焦方法
沈阳航空航天大学
摘要
自动调焦技术已经广泛应用于各种精密仪器中,常见的调焦方
法根据其判别准则来源于物方还是像方,可分为主动法和被动`法,主
动法是指吝种方式的物距检测;被动法则是像质评价。被动法中的以
数字图像处理作为调焦检测函数的方法,具有算法灵活多变、控制容
易实现等优点。采用图像处理法实现自动调焦的一个关键问题就在于
图像清晰度评价函数的选取。理想的评价函数要求:无偏性、单峰性
能反映离焦的极性、对噪声敏感度低等,通常为提高效率,还希望计算
量尽可能的小。文章简要列举了常见的一些自动调焦方法。
关键词
自动调焦 智能调焦 聚焦 数字图像处理
1引言
在光学系统中,镜头对一定距离的目标成像有一个最佳像面位置,这
个位置通常满足物像共扼关系,称为聚焦(Fouc)s;偏离了这个位置,将
导致系统离焦(Deofuc)s,造成图像质量下降、成像模糊。光学系统的
相对孔径越大,离焦表现的效果越明显。离焦会直接影响后续的信息
提取和处理工作。调整光学系统由离焦到聚焦的过程称为调焦。能否
准确快速调焦对于一个光学系统是非常重要的。传统的手动调焦依靠
人的目测和手调,耗时长,可重复性小,调整精度受人员主观影响较大。
20世纪70年代后,微电子技术.的突破、大规模集成电路和中央处理
器的出现,使调焦开始由过去的目测和手调成为完全的自动控制,随着
自动化水平不断提高,自动调焦技术也日臻完善,应用范围不断扩大,
在自动化、高精度、高稳定性等方面都取得了很大进展,现已广泛应
用照相机、摄像机、显微镜、扫描仪等各种精密仪器中。
2离焦的描述
几何光学认为,平行光发出的光线经过理`想的光学系统,全部汇聚
在焦平面上一点,而在离焦位置上(设占为离焦量)呈现弥散斑,弥散斑
的形状与光学孔径形状相似。以最常见的圆形孔径为例,图1中f为透
镜焦距,D为透镜通光孔径,平行于光轴的光线经透镜在焦平面上汇聚
成一点,如果探测器平面偏离焦平面,则得到一直径为d的弥散圆,其中
d与偏移量占和通光孔径D成正比、与焦距f成反比。、容易看出,当
探测器位于焦面前和焦面后时,其弥散圆的尺寸变化在焦面的前后是
对称的,而且光强在弥散圆内分布均匀。
图1几何光学的离焦描述
在无像差的光学系统中,由于衍射的存在,点光源通过光学系统其能量
会散开而不能得到理想的点像,其亮度分布称为点扩散函数(PSF),点
扩散函数可以通过求传输函数的幅度得到,传输函数又可以通过对光
瞳函数作傅里叶变换得到。图2中,S`为收敛于焦点F的波前,S玺为
2024年6月2日发(作者：籍柔惠)
光学系统的自动调焦方法
沈阳航空航天大学
摘要
自动调焦技术已经广泛应用于各种精密仪器中,常见的调焦方
法根据其判别准则来源于物方还是像方,可分为主动法和被动`法,主
动法是指吝种方式的物距检测;被动法则是像质评价。被动法中的以
数字图像处理作为调焦检测函数的方法,具有算法灵活多变、控制容
易实现等优点。采用图像处理法实现自动调焦的一个关键问题就在于
图像清晰度评价函数的选取。理想的评价函数要求:无偏性、单峰性
能反映离焦的极性、对噪声敏感度低等,通常为提高效率,还希望计算
量尽可能的小。文章简要列举了常见的一些自动调焦方法。
关键词
自动调焦 智能调焦 聚焦 数字图像处理
1引言
在光学系统中,镜头对一定距离的目标成像有一个最佳像面位置,这
个位置通常满足物像共扼关系,称为聚焦(Fouc)s;偏离了这个位置,将
导致系统离焦(Deofuc)s,造成图像质量下降、成像模糊。光学系统的
相对孔径越大,离焦表现的效果越明显。离焦会直接影响后续的信息
提取和处理工作。调整光学系统由离焦到聚焦的过程称为调焦。能否
准确快速调焦对于一个光学系统是非常重要的。传统的手动调焦依靠
人的目测和手调,耗时长,可重复性小,调整精度受人员主观影响较大。
20世纪70年代后,微电子技术.的突破、大规模集成电路和中央处理
器的出现,使调焦开始由过去的目测和手调成为完全的自动控制,随着
自动化水平不断提高,自动调焦技术也日臻完善,应用范围不断扩大,
在自动化、高精度、高稳定性等方面都取得了很大进展,现已广泛应
用照相机、摄像机、显微镜、扫描仪等各种精密仪器中。
2离焦的描述
几何光学认为,平行光发出的光线经过理`想的光学系统,全部汇聚
在焦平面上一点,而在离焦位置上(设占为离焦量)呈现弥散斑,弥散斑
的形状与光学孔径形状相似。以最常见的圆形孔径为例,图1中f为透
镜焦距,D为透镜通光孔径,平行于光轴的光线经透镜在焦平面上汇聚
成一点,如果探测器平面偏离焦平面,则得到一直径为d的弥散圆,其中
d与偏移量占和通光孔径D成正比、与焦距f成反比。、容易看出,当
探测器位于焦面前和焦面后时,其弥散圆的尺寸变化在焦面的前后是
对称的,而且光强在弥散圆内分布均匀。
图1几何光学的离焦描述
在无像差的光学系统中,由于衍射的存在,点光源通过光学系统其能量
会散开而不能得到理想的点像,其亮度分布称为点扩散函数(PSF),点
扩散函数可以通过求传输函数的幅度得到,传输函数又可以通过对光
瞳函数作傅里叶变换得到。图2中,S`为收敛于焦点F的波前,S玺为