CN101726358B

CN101726358B - 共分划面全光谱标靶

Info

Publication number: CN101726358B
Application number: CN2009102374380A
Authority: CN
Inventors: 赵维谦; 贾馨; 徐荣甫; 沙定国; 邱丽荣
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: CN101726358A

Abstract

本发明属于光电成像与测试技术领域，涉及一种共分划面全光谱标靶。本发明包括基底、多象限探测器、星点孔和分划线；其中，多象限探测器制作在基底分划线以外的区域上，分划线是多象限探测器的区域分割线，星点孔为通孔，位于基底中心处；基底是全光谱透射材质，分划线是具有标识特征的任意图形。本发明将可透射全光谱波段的材料应用于分划板基底，大大减少了人工或机械调整控制转换对测量精度的影响，该分划板可实现可见、红外、激光分划标靶合一的功能，具有无失调、精度高、体积小、重量轻等显著特点，可用于全光谱多光轴一致性检测系统中，实现高精度、无失调的分划瞄准。

Description

共分划面全光谱标靶

技术领域

本发明涉及共分划面全光谱标靶技术，属于光电成像与测试技术领域，可广泛应用于光电成像系统的测量与校准中。

技术背景

许多光电观瞄和跟踪系统主要用于全天候侦察、制导、跟踪目标等，通常由可见光观瞄、红外热像、激光测距等多光轴系统组成，各分系统的光轴平行性是其重要的参数。多光轴平行性检校系统是用于检验和校准上述光电观瞄和跟踪系统多光轴平行性的一种精密检校装置，由准直物镜、分划板、光源及信号采集和处理系统等组成。在全光谱的工作条件下，各类光电传感器工作在不同的光谱波段上，检校系统需要定量鉴定多个光轴的偏差，用同一分划板进行全光谱光轴的精密检测具有很高的难度。分划板是该装置的核心部件，其设计及材料选取、照明方法将直接影响多光轴平行性的检测精度及可靠性。

目前国内研究机构对全光谱光轴一致性的测量也提出了一些方法，主要有：中国科学院西安光学精密机械研究所在《室内多波段光轴一致性测试系统的设计》一文中提出的测量原理如图1所示，被测设备放置于平行光管前，其中可见光设备直接瞄准焦面上的十字目标，调整可见光设备使得可见光设备的十字丝中心和焦面的十字目标像重合，以这一点作为基准和红外设备的十字中心像进行对比，即可得到可见与红外设备之间的光轴偏差量；同时，该被测设备发出的激光光斑通过全光谱分光镜成像在CCD电视上。此系统采用直径0.1mm的铁镍铝合金丝作为十字瞄准目标，优点在于采用同一个十字分划丝可以同时满足红外目标和可见目标的要求，但该方法用于测量激光光轴时，无法避免检测时更换十字分划线而产生的误差。这种方法所采用的分划板不具有一致性，将引起测量精度失调，光路调整较困难，加大了测量的随机误差。

长春光学精密机械学院在《全光谱光学系统光学平行性的调校和检验方法探讨》一文中提出的测量原理如图2所示，为调校红外系统和可见光系统的光轴平行性，采用既能透可见光又透红外光的熔石英玻璃制成的棱镜系统。此系统的优点在于采用同一个十字分划丝能同时测量可见光和近红外的光轴平行性，但熔石英玻璃无法检测远红外光的光轴平行性。该方法没有提出测量激光发射靶光轴的方案，当测量激光、可见、红外分划标靶等多光轴一致性时，所采用的基准目标十字分划标靶不具有一致性，将给系统引入测量误差，更换十字分划标靶易受温度、气流、振动等环境状态因素的干扰，导致重复性差、稳定性不好、精度低等不足。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在《强激光与红外光学系统光轴平行性检测方法的探讨》一文中提出的测量原理如图3所示，星点孔及可见光CCD摄像机均放置在光学准直系统的焦面上，测量时照明星点孔，使其成像在可见光系统的视场中心。由激光测距机发出的激光光束经过衰减片汇聚在可见光CCD摄像机上，通过测量激光像点偏离可见光CCD摄像机中心的量，即得到激光测距机与可见光系统的平行性误差。这种方法的优点在于被测可见光系统和红外系统的通光口径是可调整的，减少了由于激光的发散角带来的测量误差。但该方法利用星点孔作为对准目标，降低了测量精确性，无法将激光、可见、红外分划标靶完全统一，难以保证各标靶间的一致性，因而存在测量校准精度不高、效率低、自动化程度低等不足。

此外，以色列在2008年SPIE中《Electro-optical systems toaccurately align(boresight)laser designator，FLIR and CCD on the groundbefore the mission》一文中提出的测量方法如图4所示，其原理采用热靶技术，即激光器发射的1.06μm的激光光束转换为3μm-5μm及8μm-12μm红外光线的热斑。测量时，将被测激光光束经过准直系统聚焦在热靶上，使其产生热斑，热斑经准直系统进入被检红外系统，成像在红外系统的像面上。热斑像偏离视场中心的角度即为激光测距机的光轴与红外系统的光轴平行性误差。这种方法的优点在于，简化了仪器结构，使测量装置简单。该校轴靶存在的主要缺陷是：靶面为整块材料，其热扩散后导致光斑增大，当用重复频率激光脉冲打点时，会出现多个光点无法区分的现象，影响校轴的基准计算精度。当测量激光、红外以及可见光系统的光轴时，必须通过人工或机械调整控制转换，增加了系统测量的失调误差。此测量过程中所采用的基准十字分划板不具有一致性，无法将激光、可见、红外分划标靶完全统一，无法实现激光、可见、红外分划标靶的绝对不失调特性。

以上几种全光谱光轴测量方法均采用激光、可见、红外光轴的分离检测与校轴，但由于激光、可见、红外分划标靶不能完全统一，难以保证各标靶间的一致性，因而存在测量校准精度不高、效率低、自动化程度低等不足。

为此，本发明提出一种将激光、可见、红外分划标靶完全统一的共分划面全光谱标靶技术，以期实现激光、可见、红外分划标靶的绝对不失调特性。

共分划面全光谱标靶的工作原理：在基底上刻蚀分划线作为对准目标，用于测量可见光的光轴平行性。在基底上镀光敏材料形成多象限探测器，用于测量激光发射轴及红外热像仪的光轴平行性。在基底中心开孔形成星点，用于检测激光接收轴的平行性，即实现“四轴合一分划标靶”的精密测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述已有技术的缺点，提出一种共分划面全光谱标靶，用于解决全光谱光轴一致性的高精度测量问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的共分划面全光谱标靶，包括基底、多象限探测器、星点孔和分划线；其中，多象限探测器制作在基底分划线以外的区域上，分划线是多象限探测器的区域分割线，星点孔为通孔，位于基底中心处；基底是全光谱透射材质，分划线是具有标识特征的任意图形。

该标靶可以是基底与多象限探测器的组合，多象限探测器制作在基底上。

该标靶可以是基底与星点孔的组合，星点孔位于基底中心处。

该标靶还可以是基底和薄膜层的组合，薄膜层镀在基底分划线以外的区域上。

该标靶可在基底分划线以外的区域上增加薄膜层；多象限探测器制作在薄膜层上。

多象限探测器还可以是多象限探测器组，其中多象限探测器组由多个具有不同光谱响应的多象限探测器层叠构成。

可在共分划面全光谱标靶处增加测量光轴平行性的公差带。

共分划面全光谱标靶还可以配合全光谱光源、光学准直系统实现多光轴的平行性测量。

有益效果

本发明具有以下特点及良好效果：

1.本发明提出将可透射全光谱波段的材料应用于分划板基底，简化了仪器结构，有利于消除检测仪自身失调，可实现共分划面全光谱标靶的绝对不失调特性，这是本发明区别于现有技术创新点之一。

2.本发明提出在分划板上制作多象限探测器组，其中多象限探测器组由多个具有不同光谱响应的多象限探测器层叠构成，可兼顾测量激光发射轴的多光谱波段，这是本发明区别于现有技术创新点之二。

3.本发明提出在基底中心处开孔形成星点，用于检测激光接收轴的光轴平行性。共分划面全光谱标靶可同时实现可见光、中/长波红外传感器、激光发射轴和接收轴的多光轴测量，即实现用“四轴合一分划标靶”进行精密测量，这是本发明区别于现有技术创新点之三。

由于上述相关技术的采用，使该装置具有如下特点：

1.将可透射全光谱波段的材料应用于分划板基底，大大减少了人工或机械调整控制转换对测量精度的影响，具有稳定性好、便携式等优点，可作为同类靶标的基准。

2.根据测试激光光谱范围，在分划板上制作多个具有不同光谱响应的多象限探测器组，扩大了激光发射轴的测试范围。

3.通过在基底中心处开孔形成星点，用于检测激光接收轴的光轴平行性。将激光、可见、红外分划标靶完全统一的共分划面全光谱标靶技术，以期实现激光、可见、红外分划标靶的绝对不失调特性。

附图说明

图1为引用文献一的结构示意图；

图2为引用文献二的结构示意图；

图3为引用文献三的结构示意图；

图4为引用文献四的结构示意图；

图5为本发明的结构示意图；

图6为普遍情况时共分划面全光谱标靶的结构示意图，图中a-为以中线为界剖视图、b-右视图；

图7为特殊情况时共分划面全光谱标靶的结构示意图，图中c-为以中线为界剖视图、d-右视图；

图8为本发明实施例1的结构示意图；

图9为本发明实施例2的结构示意图；

图10为本发明实施例被测光斑横向偏移量和纵向偏移量示意图；

其中：1-全光谱光源、2-基底、3-薄膜层、4-多象限探测器、5-共分划面全光谱标靶、6-光学准直系统、7-抛物面反射镜、8-ZnS基底、9-星点孔、10-激光测距机、11-分划线、12-带十字丝的高斯目镜、13-全光谱分光镜、14-调校棱镜系统、15-红外系统、16-可见光系统、17-平面反射镜、18-I_A、19-I_B、20-红外CCD摄像机、21-衰减片、22-四象限探测器、23-热靶、24-红外光线、25-ZnS十字分划标靶、26-ZnS十字分划标靶、27-可见光CCD摄像机、28-I_C、29-I_D、30-离轴抛物面反射镜、31-横向偏移量x、32-横向偏移量y、33-鉻薄膜层、34-十字分划线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是利用共分划面全光谱标靶解决多光轴一致性的高精度测量问题，为兼容长波红外、可见光、激光等宽光谱波段的要求，采用非球面卡塞格林平行光管反射式无色差系统解决多波段光轴平行性校正和检测任务。

实施例1

本发明实施例一的结构如图8所示，0.5μm～14μm共分划面全光谱ZnS十字分划标靶25包括：ZnS基底8、四象限探测器22与星点孔9，其中四象限探测器22制作在ZnS基底8上，星点孔9位于ZnS基底8的中心处。

测量可见光轴、红外光轴、激光发射轴和激光接收轴平行性：将全光谱光源1放置在抛物面反射镜7的焦点处，经反射得平行光束均匀照射ZnS十字分划标靶25，ZnS十字分划标靶25放置于光学准直系统6的像方焦点处，全光谱光源1的平行光束经ZnS十字分划靶标25和光学准直系统6成像后，发出平行光束，经被测系统成像。当测量可见光系统16的光轴时，首先切换到大视场范围方式扫描，建立初始的十字分划目标搜索范围，搜索目标之后换到小视场范围快速扫描目标，并根据公差带范围确定光轴的偏向。若被测光斑中心与观察屏幕中心重合，则可以证明可见光系统16光轴的平行性。当测量红外系统15的光轴时，使红外光束透过ZnS十字分划标靶25和光学准直系统6成像，首先切换到大视场范围方式扫描，建立初始的十字分划目标搜索范围，搜索到目标之后换到小视场范围快速扫描目标，并根据公差带范围确定光轴的偏向。若光斑中心与观察屏幕中心重合，则红外系统15光轴与可见光系统16光轴平行。将全光谱光源1放置在抛物面反射镜7的焦点处，经反射得平行光束均匀照射在ZnS十字分划标靶25，在ZnS十字分划标靶25中心开几十微米的孔，可在中心孔处形成星点，其位于光学准直系统6的像方焦点处，星点孔9经光学准直系统6成像后发出平行光束，可用于检测激光接收轴的平行性。关闭全光谱光源1后，被测激光测距机10的光信号进过衰减片21和光学准直系统6成像于四象限探测器22的光敏面上，形成目标像斑。根据目标像斑在四象限探测器22的四个象限上的分布情况得出激光测距机10的发射轴偏差角。四象限探测器22是在同一芯片上做出的I、II、III和IV四个探测器，中间有十字形沟道隔开，每个探测器是一个独立的硅光电池探测器，具有完全相同的性能参数。四象限探测器22将光斑变化信号转换为电流变化信号输出。信号处理电路包括信号预处理电路和后续处理电路部分，其中预处理电路包括I/V转换、运算放大处理电路；后续处理电路包括滤波电路、A/D转换、数据采集和控制电路。计算机系统通过A/D采集板分别得到探测器I、II、III和IV的输出电压信号V_A、V_B、V_C、V_D。根据各探测器电压信号的大小，确定光斑中心位置(x，y)。为消除光斑自身总能量变化的影响，系统所采用的电路为和差比电路，并且对位置坐标进行归一化处理。如图10所示，可以确定被测光斑的横向偏移量及纵向偏移量，其算法是：

x = \frac{(V_{B} + V_{C}) - (V_{A} + V_{D})}{V_{A} + V_{B} + V_{C} + V_{D}}

y = \frac{(V_{A} + V_{B}) - (V_{C} + V_{D})}{V_{A} + V_{B} + V_{C} + V_{D}}

通过旋转激光光束或者软件校正的方法改变被测激光光束与四象限探测器22的相对位置，从而使四象限探测器22接收到的光斑形心与四象限探测器22的中心重合，则红外系统15光轴、可见光系统16光轴、激光测距机10发射轴和激光测距机10接收轴平行。

测量可见光、红外光轴和激光发射轴平行性：包括ZnS基底8、四象限探测器22，其中四象限探测器22制作在ZnS基底8上。将全光谱光源1放置在抛物面反射镜7的焦点处，经反射得平行光束均匀照射ZnS十字分划标靶25，ZnS十字分划标靶25放置于光学准直系统6的像方焦点处，被测激光测距机10的光信号进过衰减片21和光学准直系统6成像于四象限探测器22的光敏面上，形成目标像斑。根据各个象限探测到光强变化得出被测光斑横向偏移量x和纵向偏移量y，用于检测激光发射轴的平行性。若被测可见光、红外光束聚焦的光斑中心与观察屏幕中心重合，则证明可见光系统16、红外系统15与激光测距机10的发射光轴平行。

测量可见光、红外光轴和激光接收轴平行性：包括ZnS基底8、四象限探测器22与星点孔9，其中四象限探测器22制作在ZnS基底8上，星点孔9位于ZnS基底8中心处。将全光谱光源1放置在抛物面反射镜7的焦点处，经反射得平行光束均匀照射ZnS十字分划标靶25，在ZnS十字分划标靶25中心开几十微米的孔，可在中心孔处形成星点，其位于光学准直系统6的像方焦点处，星点孔9经光学准直系统6成像后发出平行光束，可用于检测激光接收轴的平行性。若被测可见光、红外光束聚焦的光斑中心与观察屏幕中心重合，则证明可见光系统16、红外系统15与激光测距机10的接收光轴平行。

测量可见光和红外光轴平行性：包括ZnS基底8与四象限探测器22，其中四象限探测器22制作在ZnS基底8上。将全光谱光源1放置在抛物面反射镜7的焦点处，经反射得平行光束均匀照射ZnS十字分划标靶25，ZnS十字分划标靶25放置于光学准直系统6的像方焦点处，全光谱光源1的平行光束经ZnS十字分划靶标25和光学准直系统6成像后，发出平行光束，经被测系统成像。若成像光斑中心与被测可见光系统16观察屏幕中心重合，则可以证明可见光系统16光轴的平行性。在测量红外系统15的光轴平行性时，若光斑中心与被测红外系统15观察屏幕中心重合，则红外系统15光轴与可见光系统16光轴平行。

实施例2

本发明实施例二的结构如图9所示，0.5μm～14μm共分划面全光谱ZnS十字分划标靶26包括：ZnS基底8、鉻薄膜层33、四象限探测器22与星点孔9，其中鉻薄膜层33镀在ZnS基底8分划线以外的区域上，四象限探测器22制作在鉻薄膜层33上，星点孔9位于ZnS基底8的中心处。

测量可见光轴、红外光轴、激光发射轴和激光接收轴平行性：以ZnS十字分划靶标26的十字分划线34作为对准目标，当成像光斑中心与观察屏幕中心重合时，证明可见光系统16与红外系统15的光轴平行。在ZnS十字分划标靶26中心形成星点孔9，经光学准直系统6成像后发出平行光束，用于检测激光接收轴的平行性。被测激光测距机10的光信号进过衰减片21和光学准直系统6成像于四象限探测器22的光敏面上，形成目标像斑。根据各个象限探测到光强变化得出被测光斑横向偏移量x和纵向偏移量y，用于检测激光发射轴的平行性。即实现“四轴合一分划标靶”的精密测量；

x = \frac{(V_{B} + V_{C}) - (V_{A} + V_{D})}{V_{A} + V_{B} + V_{C} + V_{D}}

y = \frac{(V_{A} + V_{B}) - (V_{C} + V_{D})}{V_{A} + V_{B} + V_{C} + V_{D}}

测量可见光、红外光轴和激光发射轴平行性：包括ZnS基底8、鉻薄膜层33和四象限探测器22，其中四象限探测器22制作在鉻薄膜层33上，鉻薄膜层33镀在ZnS基底8分划线以外的区域上。ZnS十字分划标靶26放置于光学准直系统6的像方焦点处，被测激光测距机10的光信号进过衰减片21和光学准直系统6成像于四象限探测器22的光敏面上，形成目标像斑。根据各个象限探测到光强变化得出被测光斑横向偏移量x和纵向偏移量y，用于检测激光发射轴的平行性。若被测可见光、红外光束聚焦的光斑中心与观察屏幕中心重合，则证明可见光系统16、红外系统15与激光测距机10的发射光轴平行。

测量可见光、红外光轴和激光接收轴平行性：包括ZnS基底8、鉻薄膜层33与星点孔9，其中鉻薄膜层33镀在ZnS基底8分划线以外的区域上，星点孔9位于ZnS基底8中心处。若光斑中心与被测可见光系统16、红外系统15观察屏幕中心重合，则证明可见光系统16与红外系统15光轴平行。星点孔9经光学准直系统6成像后发出平行光束，可用于检测激光接收轴的平行性。

测量可见光轴与红外光轴平行性：包括ZnS基底8与鉻薄膜层33，其中鉻薄膜层33镀在ZnS基底8分划线以外的区域上。若光斑中心与被测可见光系统16观察屏幕中心重合，则可以证明可见光系统16光轴的平行性。由于在ZnS十字分划标靶26的十字分划线34之外镀鉻，在测量红外系统15的光轴平行性时，若光斑中心与被测红外系统15观察屏幕中心重合，则红外系统15光轴与可见光系统16光轴平行。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims

1.共分划面全光谱标靶，其特征在于：包括基底(2)、多象限探测器(4)、星点孔(9)和分划线(11)；其中，多象限探测器(4)制作在基底(2)分划线(11)以外的区域，分划线(11)是多象限探测器(4)的区域分割线，星点孔(9)为通孔，位于基底(2)中心处；基底(2)是全光谱透射材质，分划线(11)是具有标识特征的任意图形。

2.根据权利要求1所述的共分划面全光谱标靶，其特征在于：该标靶可在基底(2)分划线(11)以外的区域上增加薄膜层(3)；多象限探测器(4)制作在薄膜层(3)上。

3.根据权利要求1所述的共分划面全光谱标靶，其特征在于：多象限探测器还可以是多象限探测器组，其中多象限探测器组由多个具有不同光谱响应的多象限探测器层叠构成。

4.根据权利要求1所述的共分划面全光谱标靶，其特征在于：可在共分划面全光谱标靶(5)处增加测量光轴平行性的公差带。

5.根据权利要求1所述的共分划面全光谱标靶，其特征在于：共分划面全光谱标靶(5)还可以配合全光谱光源(1)、光学准直系统(6)实现多光轴的平行性测量。