某長焦距攝像組件調試方法研究

摘要：某型光電設備在進行大修時，需要對其長焦距攝像組件進行拆解保養，并重新裝校調試，消除光學系統失調與攝像機老化引起的成像性能下降等問題，全面恢復設備的技術性能。通過對該組件的構造與工作機理進行分析，梳理出光學鏡頭、攝像組件和整機性能調試所需的指標與調試方法，并根據測試需要設計了一套在精度、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。

關鍵詞：長焦距鏡頭""攝像組件""靜態成像""動態性能

Research"on"the"Debugging"Method"of"a"Long-Focus"Camera"Assembly

FAN"Pinggang

Guangzhou"Changdao"Optoelectronic"Machinery"Factory，"Guangzhou，"Guangdong"Province，"510715"China

Abstract："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"performance

Dynamic"performance

目前，市場上承修的各型號光電設備攝像組件的檢測主要依據產品出廠技術指標和操作要求，通過主觀圖像評價方法進行[1]。但室外測試易受氣候、人員操作等因素影響，測試結果主觀性強。因此，在組件修理中檢測、調試鏡頭參數，測試影響成像的指標，并在等效內場標準環境下進行組件成像質量檢測，以更客觀地反映攝像組件修后的真實性能。

1組件的組成與工作原理

組件由光學系統、電荷耦合器件（charge"coupled"device，CCD）攝像機、控制電路、鏡座等部分組成，主要功能是將光學景像信息轉換為視頻電信號供系統采集處理使用。其工作原理為：光學系統將外界光信號信息聚焦于光電轉換器靶面，光電轉換系統將其轉為電信號，再經電路放大處理成標準CCIR視頻信號[2]。此外，由于該型設備的使用需求，為了對不同距離上的目標景像進行攝取及使目標圖像清晰，鏡頭組設計有自動光圈控制和手動/遙控變、調焦功能，通過微型電機接收指令進行調節。為實現鏡頭變焦距功能的精準控制，可以采用閉環控制方式，通過位置電位器阻值驅動電機調節[3]以實現各檔焦距下視場范圍的穩定。由于增加了3個電機和相應的鏡片組數，鏡頭結構復雜。

2調試分析

該光電設備指向器（含攝像組件）安裝于艙外用于對目標的探測，而裝備的修后測試旨在驗證其在各種自然環境下能正常工作，是否能達到設備使用的各項技術要求。但外場測試結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[4]。測試中，成像質量受系統特性、觀測者經驗、大氣傳輸特性等多重因素，影響觀測者對像質的印象。且測試人員難以僅憑圖像辨別出指標超差原因來進行修正。實驗室測試方法旨在量化影響像質的主要因素，以確定最佳像質。可以通過檢驗光學系統性能、調整攝像機增益、顯示器調準及測量對不同光照度和對不同目標強度的響應檢查等，全面恢復組件性能。

2.1鏡頭調試

鏡頭是攝像組件的關鍵部件，相當于人眼的晶狀體，用來對外界目標的成像聚焦。它的裝校質量會直接影響攝像組件整體的探測性能和成像指標。設備進行大修時，鏡頭組件在完成零部件的檢修和保養后，需要進行鏡頭焦距范圍、視場范圍、齊焦性、像質等光學性能調試[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，將被測光學系統放置在已知焦距為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，設玻羅板某一對線寬為d，在被測光學系統的焦面上所成像的線寬為d'，則被測系統的焦距f為

注意：平行光管焦距f0應為被測光學系統焦距f的3～5倍。

2.1.2視場測量

運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系統的像方并與被測光學系統一并安放在精密測角轉臺上。被測光學系統的物鏡前放置帶分劃目標的平行光管。將轉臺轉到一側邊緣，使顯微鏡恰好能夠看到目標像，記下此時轉臺的角度值θ1，再轉到另一側邊緣，使顯微鏡恰好能看到目標像，記下轉臺的角度值θ2，則被測光學系統的視場角為

2.1.3齊焦性調試

將精密光學平臺調成大地水平態，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，視場中心應始終指向同一位置。測試時，使用測量顯微鏡中心對準最小視場時鏡頭所成像，再調節鏡頭至最大視場，讀取此時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，調整鏡頭變焦組結構，使光學系統齊焦性滿足要求。

2.1.4像質的測量

使用分辨率檢測法檢測成像質量。攝像系統空間分辨率用平行光管加分辨率板進行測量。如圖1所示，在平行光管的焦面位置上放置對應板號的柵格分辨率板，在平行光管的物方處放置被測光學系統，在被測光學系統的像方位置處用測量顯微鏡觀察，能夠將分辨率板最小柵格4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）找到相應的條紋線寬b和空間頻率N0。則被測光學系統的空間分辨率N可表示為

式（3）中：f0為平行光管的焦距；f為被測光學系統的焦距。則被測光學系統的角分辨率α為

2.2成像質量測試

成像質量評價可通過測量圖像分辨率、響應率、噪聲、調制與對比度傳遞函數和畸變來完成。組件修理時，使用圖像質量測試系統對組件拍攝測試靶標的圖像，對照技術要求調試分析，確保反映設備真實狀態，使其滿足修理標準。按照設備操作規程連接組件與測試系統，按照設備使用要求調節靶標燈箱亮度設定環境參數（照度），對輸出圖像進行質量評價，此方法可以有效排除外界環境對組件測試的干擾。測試系統含多個功能檢測模塊，可用于對組件進行靜態成像質量與動態探測性能兩個維度進行測試。

2.2.1靜態成像測試

選用特殊功能寄存器（Special"Function"Register，SFR）模塊進行檢測，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，是圖像質量分析中的一個最重要的測試手段之一。系統按要求配置完成后，對攝取的目標圖像進行分析，可以通過拖動鼠標來選擇一個被測區域進行分析，軟件將調用模塊進行分析，并呈現測試結果，如圖2所示，測試結果包含了LSF"Curve、ESF"Curve、MTF"Curve等指標。測試時，可以同時對照產品設計指標參數進行調試，確保各項檢測指標符合要求。

2.2.2動態范圍測試

動態范圍測試模塊能夠測量攝像機等數碼產品在一定曝光時間，環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際工作場景信息，并對其目標景物的探測效能進行分析。

選擇eSFR模塊，測試卡帶有SFR斜邊、Tvline雙曲線、灰階環、色塊等各種目標類型，因而eSFR能夠測量的指標比較全面，如分辨率、動態范圍、噪聲、OECF（光電轉換功能）、色彩還原等關鍵指標。測試前先進行系統參數配置，再選取相應的目標圖像進行分析，可以通過自動或手動方式對圖像進行動態范圍分析。

如圖3，通過圖像噪聲分析，顯示了f-stop"noise曲線、SNR曲線指標，評估出該幅圖像的動態范圍，并以圖表的形式顯示在右側，展示了其動態范圍指標值。從圖中可以看出當為高質量動態范圍時，最大允許噪聲為7.76"eV，即6.02×7.76=46.7152"（dB）。除此之外，系統可以根據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。

2.3組件功能與可靠性檢查

組件完成光學性能及成像性能的測試后，還需對鏡頭的電控功能進行檢查，使用鏡頭調試工裝對組件的調節機構（含調光、調焦、變焦）進行調試，組件各調節機構應接收控制指令正確，執行機構轉動順暢，無卡滯、無異響等情況。最后，結合設備整機功能進行可靠性檢查，通過對設備連續加電，隨機抽查組件控制及工作情況，可以確保組件的工作穩定性。

3結語

對于長焦距鏡頭的調試，由于其光學系統結構復雜、精密，許多技術參數在調試時會相互制約，因此部件在裝配時，既要遵循部件滿足要求后才能進行總裝的原則，又要允許總裝時為滿足總體技術參數而對已經調校好的部件重新調整來補償，文中所示調試步驟與方法是根據個人調試經驗及儀器使用習慣進行設計，方法不僅于此，且由于篇幅原因，具體調試步驟及方法無法進一步細化，僅供參考；采用圖像質量評價方法對組件的修后檢測客觀、真實，操作簡單，便捷，有助于提高修理效率。通過設備試修表明，該方法可以對長焦距攝像組件進行檢修，全面恢復組件性能與精度，滿足該型設備大修要求。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試具有一定借鑒指導意義。

參考文獻

[1]趙怡然，伍盛達.視頻安防監控系統圖像質量現場檢測方法研究[J].電子產品可靠性與環境試驗，2022，40（S1）：84-87.

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[3]王富明.基于視頻監控的小區安防管理系統設計[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2020.

[4]段紅建，王健軍，胡博，等.某光電裝置光軸一致性改進分析[J].應用光學，2023，44（2）：239-245.

[5]張一嗚，楊曦晨.基于特征融合的霧化圖像質量評價方法[J].計算機技術與發展，2022，32（11）：72-80.