CN101319884B - 基于多波段靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置 - Google Patents

基于多波段靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明是基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试仪装置,属于光电领域。本发明由大口径离轴双反准直镜主镜、准直镜次镜、两轴旋转机构、平面反射镜、衰减器、分光镜A、多光谱目标靶板、分光镜B、近红外CCD、光纤耦合器、光纤、多路视频采集装置等组成;平面反射镜经旋转机构带动进行二维旋转;分光镜A的反射光路中放置多光谱目标靶板,分光镜A的透射光路经分光镜B后,透射光进入近红外CCD,同时反射光进入光纤入射端;光纤另一端经光纤耦合器与激光测距机的发射端相连,激光脉冲耦合进入光纤。本发明用于测试复杂光电系统宽光谱范围内的多光轴之间一致性的静态及动态误差,具有精度高和可便携优点。

Description

基于多波段靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置
技术领域
[0001] 本发明涉及用于测试复杂光电系统宽光谱范围内的多光轴一致性的便携式测试 装置,此装置可用于测量具有多个光学分系统平行布局的复杂光电系统的光轴一致性,属 于光电领域。
[0002] 背景技术
[0003] 近年来,随着各种光电仪器在大型光电瞄具与跟踪系统中的广泛应用,光电系统 不仅包含可见光瞄准设备、激光测距设备,而且包含有红外观瞄、电视跟瞄测试等,其光谱 范围几乎覆盖了可见光到红外光的全部波段,光轴总数多达五个或五个以上,包括红外观 瞄轴、电视跟瞄测试轴、激光测距瞄准轴、发射轴、接收轴等。为提高光电系统的瞄准与跟踪 精度,必须保证各光电仪器的光轴一致性,因此迫切需要研究高精度的光轴一致性测试仪。
[0004] 目前,国内几个科研院所在多光轴一致性测试仪器的研究方面取得了一些研究 成果,例如:中国科学院西安光学精密机械研究所设计提出的:“多波段光轴一致性测试 仪”(中国专利,申请号=200420086347. 4,公开号:CN2769875),中国科学院长春光学精密 机械与物理研究所设计提出的“宽带多传感器光电仪器光轴检测系统”(中国专利,申请号: 200610016556. 5,公开号:CN101008563)。
[0005] 对于可见光轴和红外光轴的测试,出现了几种典型方法,例如:检测可见系统时 采用卤素灯照明目标分划板,检测红外系统时采用黑体照明目标分划板,这种方法可以在 实验室中对系统进行检测,但是测试仪器较大的体积和重量,不便于现场检测。经过研究 改进,有些学者提出了采用金属十字丝作为目标,在十字丝后放置可见光源,并连接温控电 路,当检测可见系统时由可见光源作为背景,形成亮背景下的暗目标,当检测红外系统时给 十字丝加热,形成暗背景下的亮目标,这种方法采用一个十字丝可以同时为可见、红外系统 提供瞄准目标,但是金属十字丝的线宽、热变形等会引起误差,对测试精度产生较大的影 响。
[0006] 另外,国内外对于激光测距接收轴和瞄准轴一致性的测试方法研究较少,北京理 工大学申请的专利“利用光纤测量激光测距机接收轴与瞄准轴平行性的装置”(中国专利, 授权号:ZL200410087249. 7)提出将发射轴激光脉冲耦合入单模光纤,利用光纤端子在准 直系统的焦面上按照一定程序进行二维扫描移动,经准直系统返回激光测距机接收器,经 过数据处理求出接受轴和瞄准轴的偏差。这种方法中光纤一端固定在二维移动平面上,进 行二维扫描移动来确定激光测距接收视场范围,进而计算出接收轴中心。
[0007] 综上所述,现有仪器装置能完成宽光谱范围内的多光轴一致性检测,但是一般体 积大、重量大、精度低、自动化程度低,只能用于实验室检测与校准,无法应用于现场、战场 靠前保障的便携测试,而且通常不能测试激光接收轴的一致性。
发明内容
[0008] 本发明的目的是提供一种基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装 置,其中的靶板具有多光谱图形生成能力,从而解决了多光谱目标图形共光轴生成技术,实
3现测试仪器的小型化和高集成化,既可以用于室内检测,更可以适用于现场、野外等各种测 试场所,实现对静态光轴平行性误差和动态指示误差的测试。
[0009] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0010] 本发明的一种基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置,包括:大 口径离轴双反准直镜主镜、准直镜次镜、两轴旋转机构、平面反射镜、衰减器、分光镜A、多光 谱目标靶板、分光镜B、近红外CCD、光纤耦合器、光纤、光纤夹持器、多路视频采集装置、主 控计算机;所述平面反射镜经两轴旋转机构带动进行二维旋转;所述衰减器置于平面反射 镜与分光镜A之间;所述分光镜A的反射光路上放置多光谱目标靶板,分光镜A的透射光路 由分光镜B分为两条光路;分光镜B的透射光路上放置近红外(XD,分光镜B的反射光路上 放置光纤的一端;光纤另一端通过光纤耦合器与激光测距机的发射端相连,激光脉冲耦合 进入光纤。
[0011] 多光谱目标靶板包括镀铬层、玻璃、导热层和半导体制冷片,以及温度传感器和 温控电路;镀铬层上光刻目标图形;背面用半导体制冷片进行加热或制冷,产生红外热像 仪对准的红外目标图形;玻璃边缘用可见光源照明,产生电视摄像机对准的可见目标图形, 被测系统同时采集红外和可见对准目标可实现红外、可见光轴的静态误差测试。
[0012] 采用多光谱目标靶板、分光镜、近红外CXD构成的装置,多光谱目标靶板产生红外 热像仪、电视摄像机的对准目标图像,近红外CCD采集激光光斑并计算出光斑中心的位置, 实现红外光轴与激光发射轴、可见光轴与激光发射轴之间的静态误差测试。
[0013] 平面反射镜的旋转是由两轴旋转机构带动平面反射镜实现,用于改变光纤出射激 光的主光线方向,实现激光发射轴与激光接收轴22的光轴误差测试。
[0014] 旋转平面反射镜,用红外热像仪或电视摄像机跟踪多光谱目标靶板上的目标,并 用激光指示器发射激光,通过CXD动态连续采集激光光斑位置,实现红外和可见跟踪系统 动态跟踪性能和指示误差的测试。
[0015] 本发明对比已有技术具有如下显著优点:
[0016] 采用光刻技术在多光谱目标靶板镀铬层上生成宽光谱图像,形成红外目标和可见 目标。光刻的多光谱目标靶板精度可达到Ιμπι,相比传统0.2mm的金属十字丝目标可以显 著提高系统的测试精度。使用安装在旋转机构上的平面反射镜,在伺服系统的控制下可以 实现二维旋转,便于测试激光发射轴与激光接收轴的光轴误差,改进了现有的扫描方式,并 且实现了红外和可见跟踪系统的动态测试。
附图说明
[0017] 图1为基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试仪器的结构示意图;
[0018] 图2为多光谱目标靶板的结构示意图;
[0019] 图中:1-衰减器,2-两轴旋转机构,3-平面反射镜,4-大口径离轴双反准直镜主, 5-多光谱目标靶板,6-近红外(XD,7-分光镜B,8-分光镜A,9-光纤夹持器,10-光纤, 11-准直镜次镜,12-多路视频采集装置,13-主控计算机,14-被测系统,15-红外光轴, 16-电视光轴,17-红外热像仪,18-电视摄像机,19-光纤耦合器,20-激光测距机,21-激 光发射轴,22-激光接收轴,23-视频输出接口总线,24-稳像旋转台,25-镀铬层,26-玻璃, 27-温度传感器,28-可见光源,29-温控电路,30-半导体制冷片,31-导热层,32-可见光源。
具体实施方式
[0020] 下面将结合实例及附图对本发明作详细说明
[0021] 实施例
[0022] 本发明由大口径离轴双反准直镜主镜4、准直镜次镜11、两轴旋转机构2、平面反 射镜3、衰减器1、分光镜A8、多光谱目标靶板5、分光镜B7、近红外CCD6、光纤耦合器19、光 纤10、光纤夹持器9、多路视频采集装置12、主控计算机13组成。平面反射镜3经两轴旋转 机构2带动进行二维旋转;衰减器1置于平面反射镜3与分光镜A8之间;分光镜A8的反 射光路上放置多光谱目标靶板5,分光镜A8的透射光路由分光镜B7分为两条光路;分光镜 B7的透射光路上放置近红外(XD6,分光镜B7的反射光路上放置光纤10的一端;光纤10另 一端通过光纤耦合器19与激光测距机20的发射端相连,激光脉冲耦合进入光纤10,如图1 所示。多光谱目标靶板5包括镀铬层25、玻璃26、导热层31和半导体制冷片30,以及温度 传感器27和温控电路29 ;镀铬层25上光刻目标图形;背面用半导体制冷片30进行加热或 制冷,产生红外热像仪17对准用的红外目标图形;玻璃26边缘用可见光源28、32照明,产 生电视摄像机18对准用的可见目标图形,被测系统14同时采集红外和可见对准目标可实 现红外、可见光轴的静态误差测试。如图2所示。
[0023] 本发明利用多光谱靶板及旋转反射镜实现多光轴光电系统的静态平行性误差和 动态指示误差的定量测试。如图1所示,大口径离轴双反准直镜系统由准直镜主镜4和准 直镜次镜11构成,作为准直系统将光线焦面发出的光变换为平行光,并覆盖被测系统14的 主要通光口径。系统光路中放置平面反射镜3,其安装在两轴旋转机构2上,在伺服系统的 控制下,能在俯仰和偏航方向进行特定角度和角速度的旋转运动,实现光路的偏转。平面反 射镜3后依次安装分光镜A8和分光镜B7,将光线分成三路,形成三个等效焦面,焦面处分别 放置多光谱目标靶板5、光纤10出射端和近红外CCD6,并采用精密调节保证多光谱目标靶 板5中心、光纤10出射端的中心和近红外(XD6视频图像中心分别与准直系统主光线重合。 在平面反射镜3和分光镜A8之间安装了衰减器1,用于衰减大功率激光的能量,避免损坏光 学元件表面。
[0024] 多路视频采集装置12采集被测系统14的电视信号和红外热像仪视频信号,检测 系统的CCD视频信号,并可以实现这些视频信号的同步采集,以减小测量不同步带来的误 差。采集的视频信号经过预处理后,传输给主控计算机13进行图像分析与处理,最终计算 出测量结果。
[0025] 本发明可以实现四种测试功能,其步骤如下:
[0026] (1)如图2所示,首先启动多光谱目标靶板5的半导体制冷片30加热导热层31, 导热层31将热量均勻传送给玻璃26,此时温度传感器27检测到玻璃26和周围环境的温 差,经过温控电路29进行反馈控制,实现玻璃26与环境之间温差的恒定,此时镀铬表面产 生具有指定温差的红外目标图像。将被测系统14的红外热像仪17视频图像中心对准目标 图形,然后开启玻璃26边缘的可见光源28、32照明,在玻璃26内部形成漫反射,并使镀铬 表面产生与红外目标图像重合的可见目标图像。采集被测系统14的电视信号,目标图形偏 离视频图像中心的距离为红外光轴15与可见光轴的静态误差。
5[0027] (2)开启多光谱目标靶板5的半导体制冷片30与温控电路29,将被测系统14的红 外热像仪17视频图像中心对准目标图形,并同时发射激光打在近红外CCD6靶面上,采集的 激光光斑中心偏离CXD视频图像中心的距离为红外光轴15与激光发射轴21的静态误差。 开启多光谱目标靶板5的可见光源28、32,将被测系统14的电视视频图像中心对准目标图 形,并同时发射激光打在近红外CCD6靶面上,采集的激光光斑中心偏离CCD视频图像中心 的距离为可见光轴与激光发射轴21的静态误差。
[0028] (3)被测系统14发射激光打在近红外(XD6靶面,计算光斑重心位置与CXD靶面中 心位置偏差。激光测距机20发射端前装有光纤耦合器19,发射的激光经过Ikm长的光纤传 输和时间延迟后,从测试装置的焦点处出射,返回到被测系统14的激光接收器,根据接收 器的读数判断是否接受到光纤回波。控制平面反射镜3按一定顺序扫描,每到达一个位置, 发射一次激光,并判断是否接受到回波。经过一定面积的扫描后,主控计算机13综合所有 的位置和扫描数据,计算出激光接收轴22相对被测系统14主光轴的偏差,与前面测试的激 光光斑与CXD图像中心偏差相加,得到激光发射轴21与激光接收轴22的光轴误差。
[0029] (4)首先开启多光谱目标靶板5的半导体制冷片30与温控电路29,通过两轴旋转 机构2让平面反射镜3按一定轨迹连续旋转,平面反射镜3中反射的多光谱目标靶板作为 被测系统生成动态的目标图形。被测系统14通过红外热像仪17采集的视频图像,跟踪平面 反射镜3中反射的目标图形中心,然后激光发射器连续发射激光打在近红外CCD6靶面上, 采集的激光光斑中心轨迹为红外光轴15与激光发射轴21的动态跟踪和指示误差曲线。开 启多光谱目标靶板5的可见光源28(32),被测系统14通过电视摄像机18的视频图像跟踪 动态目标图形中心,然后激光发射器连续发射激光打在近红外(XD6靶面上,近红外CXD靶 面采集的激光光斑中心轨迹为可见光轴与激光发射轴21的动态跟踪和指示误差曲线。

Claims (5)

  1. 一种基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置,其特征在于包括:大口径离轴双反准直镜主镜(4)、准直镜次镜(11)、两轴旋转机构(2)、平面反射镜(3)、衰减器(1)、分光镜A(8)、多光谱靶板(5)、分光镜B(7)、近红外CCD(6)、光纤耦合器(19)、光纤(10)、光纤夹持器(9)、多路视频采集装置(12)、主控计算机(13);所述大口径离轴双反准直镜主镜(4)和准直镜次镜(11)将焦面发出的光变换为平行光,并覆盖被测系统(14)的通光口径;所述平面反射镜(3)经两轴旋转机构(2)带动进行二维旋转;所述衰减器(1)置于平面反射镜(3)与分光镜A(8)之间;所述分光镜A(8)的反射光路上放置多光谱靶板(5),分光镜A(8)的透射光路由分光镜B(7)分为两条光路;分光镜B(7)的透射光路上放置近红外CCD(6),分光镜B(7)的反射光路上放置光纤(10)的一端;光纤(10)另一端通过光纤耦合器(19)与激光测距机(20)的发射端相连,激光脉冲耦合进入光纤(10);所述多路视频采集装置(12)采集被测系统(14)中红外热像仪(17)与电视摄像机(18)的视频信号,并传输给主控计算机(13)。
  2. 2.根据权利要求1所述的基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置,其 特征在于:所述多光谱靶板(5)包括镀铬层(25)、玻璃(26)、导热层(31)和半导体制冷片 (30),以及温度传感器(27)和温控电路(29);所述镀铬层(25)附着于玻璃(26)外表面 上,镀铬层(25)上光刻目标图形;玻璃(26)背面用半导体制冷片(30)进行加热或制冷, 产生红外热像仪(17)对准用的红外目标图形,其中半导体制冷片(30)与温控电路(29)连 接;玻璃(26)边缘用可见光源(28) (32)照明,产生电视摄像机(18)对准用的可见目标图 形;被测系统(14)同时采集红外目标图形和可见目标图形可实现红外光轴(15)、可见光轴 (16)的静态误差测试。
  3. 3.根据权利要求1所述的基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置,其 特征在于:采用多光谱靶板(5)、分光镜、近红外CXD(6)构成的装置,多光谱靶板(5)产生 红外热像仪(17)、电视摄像机(18)的对准目标图像,近红外CCD(6)采集激光光斑并计算出 光斑中心的位置,实现红外光轴(15)与激光发射轴(21)、可见光轴与激光发射轴(21)之间 的静态误差测试。
  4. 4.根据权利要求1所述的基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置,其 特征在于:平面反射镜(3)的旋转是由两轴旋转机构(2)带动平面反射镜(3)实现,用于改 变光纤出射激光的主光线方向,实现激光发射轴(21)与激光接收轴(22)的光轴误差测试。
  5. 5.根据权利要求1所述的基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置,其 特征在于:旋转平面反射镜(3),用红外热像仪(17)或电视摄像机(18)跟踪多光谱靶板 (5)上的目标,并用激光测距机(20)发射激光,通过CCD动态连续采集激光光斑位置,实现 红外和可见跟踪系统动态跟踪性能和指示误差的测试。
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