某長焦距攝像組件調(diào)試方法研究摘要：某型光電設(shè)備在進(jìn)行大修時(shí)，需要對其長焦距攝像組件進(jìn)行拆解保養(yǎng)，并重新裝校調(diào)試，消除光學(xué)系統(tǒng)失調(diào)與攝像機(jī)老化引起的成像性能下降等問題，全面恢復(fù)設(shè)備的技術(shù)性能。通過對該組件的構(gòu)造與工作機(jī)理進(jìn)行分析，梳理出光學(xué)鏡頭、攝像組件和整機(jī)性能調(diào)試所需的指標(biāo)與調(diào)試方法，并根據(jù)測試需要設(shè)計(jì)了一套在精度、成像、操作性和通用性較好的長焦距電視攝像組件性能檢測方法。關(guān)鍵詞：長焦距鏡頭""攝像組件""靜態(tài)成像""動態(tài)性能Research"on"the"Debugging"Method"of"a"Long-Focus"Camera"AssemblyFAN"PinggangGuangzhou"Changdao"Optoelectronic"Machinery"Factory，"Guangzhou，"Guangdong"Province，"510715"ChinaAbstract："When"a"certain"type"of"photoelectric"equipment"is"undergoing"major"overhaul，"it"is"necessary"to"disassemble"andnbsp;maintain"its"long-focus"camera"assembly，"refit，"calibrate"and"debug"it，"eliminate"the"problems"such"as"optical"system"misalignment"and"camera"aging"that"cause"a"decrease"in"imaging"performance，"and"fully"restore"the"technical"performance"of"the"equipment."By"analyzing"the"structure"and"working"mechanism"of"the"assembly，"the"indexes"and"debugging"methods"needed"for"the"performance"debugging"of"optical"lens，"camera"assembly"and"the"whole"machine"are"sorted"out，"and"a"set"of"performance"testing"methods"for"long-focus"TV"camera"assembly"with"good"accuracy，"imaging，"operability"and"universality"are"designed"according"to"the"testing"needs.Key"Words："Long-focus"lens;"Camera"assembly;"Static"imaging;"Dynamic"performanceDynamic"performance目前，市場上承修的各型號光電設(shè)備攝像組件的檢測主要依據(jù)產(chǎn)品出廠技術(shù)指標(biāo)和操作要求，通過主觀圖像評價(jià)方法進(jìn)行[1]。但室外測試易受氣候、人員操作等因素影響，測試結(jié)果主觀性強(qiáng)。因此，在組件修理中檢測、調(diào)試鏡頭參數(shù)，測試影響成像的指標(biāo)，并在等效內(nèi)場標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行組件成像質(zhì)量檢測，以更客觀地反映攝像組件修后的真實(shí)性能。1組件的組成與工作原理組件由光學(xué)系統(tǒng)、電荷耦合器件（charge"coupled"device，CCD）攝像機(jī)、控制電路、鏡座等部分組成，主要功能是將光學(xué)景像信息轉(zhuǎn)換為視頻電信號供系統(tǒng)采集處理使用。其工作原理為：光學(xué)系統(tǒng)將外界光信號信息聚焦于光電轉(zhuǎn)換器靶面，光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)為電信號，再經(jīng)電路放大處理成標(biāo)準(zhǔn)CCIR視頻信號[2]。此外，由于該型設(shè)備的使用需求，為了對不同距離上的目標(biāo)景像進(jìn)行攝取及使目標(biāo)圖像清晰，鏡頭組設(shè)計(jì)有自動光圈控制和手動/遙控變、調(diào)焦功能，通過微型電機(jī)接收指令進(jìn)行調(diào)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)鏡頭變焦距功能的精準(zhǔn)控制，可以采用閉環(huán)控制方式，通過位置電位器阻值驅(qū)動電機(jī)調(diào)節(jié)[3]以實(shí)現(xiàn)各檔焦距下視場范圍的穩(wěn)定。由于增加了3個電機(jī)和相應(yīng)的鏡片組數(shù)，鏡頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜。該光電設(shè)備指向器（含攝像組件）安裝于艙外用于對目標(biāo)的探測，而裝備的修后測試旨在驗(yàn)證其在各種自然環(huán)境下能正常工作，是否能達(dá)到設(shè)備使用的各項(xiàng)技術(shù)要求。但外場測試結(jié)果受外界條件影響大，惡劣天氣下可能因信噪比限制等原因而難以通過測試指標(biāo)[4]。測試中，成像質(zhì)量受系統(tǒng)特性、觀測者經(jīng)驗(yàn)、大氣傳輸特性等多重因素，影響觀測者對像質(zhì)的印象。且測試人員難以僅憑圖像辨別出指標(biāo)超差原因來進(jìn)行修正。實(shí)驗(yàn)室測試方法旨在量化影響像質(zhì)的主要因素，以確定最佳像質(zhì)?？梢酝ㄟ^檢驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)性能、調(diào)整攝像機(jī)增益、顯示器調(diào)準(zhǔn)及測量對不同光照度和對不同目標(biāo)強(qiáng)度的響應(yīng)檢查等，全面恢復(fù)組件性能。2.1鏡頭調(diào)試鏡頭是攝像組件的關(guān)鍵部件，相當(dāng)于人眼的晶狀體，用來對外界目標(biāo)的成像聚焦。它的裝校質(zhì)量會直接影響攝像組件整體的探測性能和成像指標(biāo)。設(shè)備進(jìn)行大修時(shí)，鏡頭組件在完成零部件的檢修和保養(yǎng)后，需要進(jìn)行鏡頭焦距范圍、視場范圍、齊焦性、像質(zhì)等光學(xué)性能調(diào)試[5]。2.1.1焦距測量使用放大倍率法測量鏡頭的焦距。如圖1所示，將被測光學(xué)系統(tǒng)放置在已知焦距為f0的平行光管的物鏡前，平行光管的物鏡焦平面上放置玻羅板（一組已知刻線間隔的精密分劃板）；在組件焦面上用顯微鏡觀測玻羅板所成像，設(shè)玻羅板某一對線寬為d，在被測光學(xué)系統(tǒng)的焦面上所成像的線寬為d'，則被測系統(tǒng)的焦距f為注意：平行光管焦距f0應(yīng)為被測光學(xué)系統(tǒng)焦距f的3～5倍。2.1.2視場測量運(yùn)用精密測角裝置法測量鏡頭的視場。將測量顯微鏡放置在被測光學(xué)系統(tǒng)的像方并與被測光學(xué)系統(tǒng)一并安放在精密測角轉(zhuǎn)臺上。被測光學(xué)系統(tǒng)的物鏡前放置帶分劃目標(biāo)的平行光管。將轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到一側(cè)邊緣，使顯微鏡恰好能夠看到目標(biāo)像，記下此時(shí)轉(zhuǎn)臺的角度值θ1，再轉(zhuǎn)到另一側(cè)邊緣，使顯微鏡恰好能看到目標(biāo)像，記下轉(zhuǎn)臺的角度值θ2，則被測光學(xué)系統(tǒng)的視場角為2.1.3齊焦性調(diào)試將精密光學(xué)平臺調(diào)成大地水平態(tài)，使鏡頭主光軸與平臺平行。從測量顯微鏡觀察鏡頭所成像位于視場中心，鏡頭切換各檔焦距時(shí)，視場中心應(yīng)始終指向同一位置。測試時(shí)，使用測量顯微鏡中心對準(zhǔn)最小視場時(shí)鏡頭所成像，再調(diào)節(jié)鏡頭至最大視場，讀取此時(shí)測量顯微鏡中心至視場中心偏差量β0，即為鏡頭齊焦性偏差量，調(diào)整鏡頭變焦組結(jié)構(gòu)，使光學(xué)系統(tǒng)齊焦性滿足要求。2.1.4像質(zhì)的測量使用分辨率檢測法檢測成像質(zhì)量。攝像系統(tǒng)空間分辨率用平行光管加分辨率板進(jìn)行測量。如圖1所示，在平行光管的焦面位置上放置對應(yīng)板號的柵格分辨率板，在平行光管的物方處放置被測光學(xué)系統(tǒng)，在被測光學(xué)系統(tǒng)的像方位置處用測量顯微鏡觀察，能夠?qū)⒎直媛拾遄钚鸥?個方向上的條紋看清楚，記下分辨率板號和單元號，再查表（平行光管附帶的角值表）找到相應(yīng)的條紋線寬b和空間頻率N0。則被測光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率N可表示為式（3）中：f0為平行光管的焦距；f為被測光學(xué)系統(tǒng)的焦距。則被測光學(xué)系統(tǒng)的角分辨率α為2.2成像質(zhì)量測試成像質(zhì)量評價(jià)可通過測量圖像分辨率、響應(yīng)率、噪聲、調(diào)制與對比度傳遞函數(shù)和畸變來完成。組件修理時(shí)，使用圖像質(zhì)量測試系統(tǒng)對組件拍攝測試靶標(biāo)的圖像，對照技術(shù)要求調(diào)試分析，確保反映設(shè)備真實(shí)狀態(tài)，使其滿足修理標(biāo)準(zhǔn)。按照設(shè)備操作規(guī)程連接組件與測試系統(tǒng)，按照設(shè)備使用要求調(diào)節(jié)靶標(biāo)燈箱亮度設(shè)定環(huán)境參數(shù)（照度），對輸出圖像進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)，此方法可以有效排除外界環(huán)境對組件測試的干擾。測試系統(tǒng)含多個功能檢測模塊，可用于對組件進(jìn)行靜態(tài)成像質(zhì)量與動態(tài)探測性能兩個維度進(jìn)行測試。2.2.1靜態(tài)成像測試選用特殊功能寄存器（Special"Function"Register，SFR）模塊進(jìn)行檢測，該模塊能夠測試圖像的分辨率，量化銳度、清晰度、色差等指標(biāo)，是圖像質(zhì)量分析中的一個最重要的測試手段之一。系統(tǒng)按要求配置完成后，對攝取的目標(biāo)圖像進(jìn)行分析，可以通過拖動鼠標(biāo)來選擇一個被測區(qū)域進(jìn)行分析，軟件將調(diào)用模塊進(jìn)行分析，并呈現(xiàn)測試結(jié)果，如圖2所示，測試結(jié)果包含了LSF"Curve、ESF"Curve、MTF"Curve等指標(biāo)。測試時(shí)，可以同時(shí)對照產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，確保各項(xiàng)檢測指標(biāo)符合要求。2.2.2動態(tài)范圍測試動態(tài)范圍測試模塊能夠測量攝像機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品在一定曝光時(shí)間，環(huán)境光很暗或很亮的情況下記錄場景的能力，此測試可模擬組件在外界實(shí)際工作場景信息，并對其目標(biāo)景物的探測效能進(jìn)行分析。選擇eSFR模塊，測試卡帶有SFR斜邊、Tvline雙曲線、灰階環(huán)、色塊等各種目標(biāo)類型，因而eSFR能夠測量的指標(biāo)比較全面，如分辨率、動態(tài)范圍、噪聲、OECF（光電轉(zhuǎn)換功能）、色彩還原等關(guān)鍵指標(biāo)。測試前先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)配置，再選取相應(yīng)的目標(biāo)圖像進(jìn)行分析，可以通過自動或手動方式對圖像進(jìn)行動態(tài)范圍分析。如圖3，通過圖像噪聲分析，顯示了f-stop"noise曲線、SNR曲線指標(biāo)，評估出該幅圖像的動態(tài)范圍，并以圖表的形式顯示在右側(cè)，展示了其動態(tài)范圍指標(biāo)值。從圖中可以看出當(dāng)為高質(zhì)量動態(tài)范圍時(shí)，最大允許噪聲為7.76"eV，即6.02×7.76=46.7152"（dB）。除此之外，系統(tǒng)可以根據(jù)需要用于測量分辨率、顏色還原、灰階（噪聲、OECF），以及測試畸變、均勻性、視場角等指標(biāo)。2.3組件功能與可靠性檢查組件完成光學(xué)性能及成像性能的測試后，還需對鏡頭的電控功能進(jìn)行檢查，使用鏡頭調(diào)試工裝對組件的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（含調(diào)光、調(diào)焦、變焦）進(jìn)行調(diào)試，組件各調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)接收控制指令正確，執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動順暢，無卡滯、無異響等情況。最后，結(jié)合設(shè)備整機(jī)功能進(jìn)行可靠性檢查，通過對設(shè)備連續(xù)加電，隨機(jī)抽查組件控制及工作情況，可以確保組件的工作穩(wěn)定性。對于長焦距鏡頭的調(diào)試，由于其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密，許多技術(shù)參數(shù)在調(diào)試時(shí)會相互制約，因此部件在裝配時(shí)，既要遵循部件滿足要求后才能進(jìn)行總裝的原則，又要允許總裝時(shí)為滿足總體技術(shù)參數(shù)而對已經(jīng)調(diào)校好的部件重新調(diào)整來補(bǔ)償，文中所示調(diào)試步驟與方法是根據(jù)個人調(diào)試經(jīng)驗(yàn)及儀器使用習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計(jì)，方法不僅于此，且由于篇幅原因，具體調(diào)試步驟及方法無法進(jìn)一步細(xì)化，僅供參考；采用圖像質(zhì)量評價(jià)方法對組件的修后檢測客觀、真實(shí)，操作簡單，便捷，有助于提高修理效率。通過設(shè)備試修表明，該方法可以對長焦距攝像組件進(jìn)行檢修，全面恢復(fù)組件性能與精度，滿足該型設(shè)備大修要求。該方法對該型攝像組件及其類似的長焦鏡頭攝像組件的修理調(diào)試具有一定借鑒指導(dǎo)意義。[1]趙怡然，伍盛達(dá).視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)圖像質(zhì)量現(xiàn)場檢測方法研究[J].電子產(chǎn)品可靠