CN102589605A - 用于多传感器光轴校准的便携式外场设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，包括：调节光轴机构、光学准直组件和旋转靶轮组件，其中，调节光轴机构位于不同波段传感器上；光学准直组件具有前窗和后窗，从光学准直组件任一窗口输入的光经过两次反射后从另一个窗口输出；不同波段的传感器均位于光学准直组件的前窗外，通过光学准直组件接收或发出平行光；光学准直组件在其后窗侧与旋转靶轮组件通过连接部件对接，通过旋转选择旋转靶轮组件上的不同靶位，向光学准直组件的后窗输入光。本发明所述设备可在宽光谱范围工作，满足在外场环境中对不同波段的传感器进行光轴调试校准的需要。

Description

用于多传感器光轴校准的便携式外场设备

技术领域

本发明涉及光电系统技术领域，尤其涉及一种用于多传感器光轴校准的便携式外场设备。

背景技术

随着光电技术的发展，集工作在不同波段的传感器为一体的系统在现代化光电平台上得到了广泛的应用。不同波段的多个传感器的集成应用大大提高了光电平台的光电探测、识别能力，成为各国重点发展的技术之一。

光轴一致性是保证多传感器光电系统正常运行的基本条件。现有多传感器光轴校准设备覆盖的波段范围有限，无法满足当前工作在宽波段范围(例如400nm～14μm)的多传感器系统光轴校准与测试的需要；另外，现有的光轴测试设备的体积庞大，环境适用性较差，只适合在室内使用，无法满足多传感器光电系统在外场环境进行光轴调试的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，满足在外场环境中对不同波段的传感器进行光轴调试校准的需要。

本发明采用的技术方案是，所述用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，包括：调节光轴机构、光学准直组件和旋转靶轮组件，其中，调节光轴机构位于不同波段传感器上；

光学准直组件具有前窗和后窗，从光学准直组件任一窗口输入的光经过两次反射后从另一个窗口输出；

不同波段的传感器均位于光学准直组件的前窗外，通过光学准直组件接收或发出平行光；光学准直组件在其后窗侧与旋转靶轮组件通过连接部件对接，通过旋转选择旋转靶轮组件上的不同靶位，向光学准直组件的后窗输入光。

进一步的，所述不同波段的传感器包括：激光波段、可见光波段以及红外波段的传感器。

进一步的，所述光学准直组件包括：主镜筒及其内部依次排列的同轴线的前窗、次反射镜、消杂光光阑、后窗、主反射镜和连接座，其中，次反射镜与主反射镜以反射面相对放置，直径比例为1∶4～1∶3；

主镜筒内一侧的中心轴处竖直装有次反射镜，主镜筒内另一侧竖直装有与主镜筒直径相匹配的主反射镜；

在主镜筒内，次反射镜的非反射面一侧设有一与主镜筒直径相匹配的前窗，主反射镜的反射面一侧的主镜筒中心轴处设有后窗，主反射镜中心处开有一与后窗直径匹配的通光孔；前窗、后窗和主反射镜限制出主镜筒内的密闭空间；

连接座位于主反射镜的非反射面一侧且固定在主镜筒上，所述连接座外侧设有一通光凸部。所述光学准直组件上用来与旋转靶轮组件连接的连接部件为所述通光凸部，所述旋转靶轮组件上用来与述光学准直组件连接的连接部件为所述通光凹部。

进一步的，所述主反射镜和次反射镜的基底材料、以及主镜筒材料均采用的是热膨胀系数相同的铝合金。

进一步的，所述主反射镜和次反射镜的反射面是在基底材料上镀增反膜制成，所述增反膜是在400nm～14μm范围内具有98％以上反射率的金膜；

所述前窗和后窗的材料均采用的是在400nm～14μm范围内具有90％以上透射率的硫化锌。

进一步的，所述次反射镜和主反射镜的反射面均为弧形，主反射镜的非反射面一侧设有若干减重凹槽。

进一步的，所述光学准直组件还包括：用于将从所述后窗入射的光限制在次反射镜的反射面范围内的消除杂光光阑。

进一步的，所述旋转靶轮组件包括：同转轴的圆形固定组件和旋转组件，其中，

固定组件上避开圆心处设有一个供所述连接座的通光凸部套入固定的通光凹部，旋转组件包括靶轮以及靶轮上的包括靶标组件和靶板在内的多种靶位；

旋转组件相对于固定组件旋转，固定组件与旋转组件通过一弹性制动机构对通过旋转靶轮选择的不同靶位进行定位，定位后的靶位位于光学准直组件的焦点处。

进一步的，所述靶标组件包括星点孔靶标和光源，当选择的靶位为靶标组件时，光源发出的光穿过星点孔靶标入射到光学准直组件的后窗。

进一步的，所述设备还包括支持部件，所述支持部件包括为旋转靶轮组件中的所述光源供电的电源、以及支撑光学准直组件的三脚架。

采用上述技术方案，本发明所述用于多传感器光轴校准的便携式外场设备至少具有下列优点：

1.可在宽光谱范围工作，克服了现有光轴校准设备覆盖波段范围有限的缺点。

2.光学准直组件通过光路的两次反射，缩短了光轴校准设备的轴向距离。对光学准直组件进行轻量化处理，克服了现有光轴校准设备体积大、重量重、携带不便的缺点。

3.对含有主反射镜、次反射镜、主镜筒等部件的光学准直组件进行了无热化设计，保证了本发明所述设备具有较宽的工作温度范围，克服了现有光轴校准设备不能在温度变化范围大的外场环境下工作的缺点。

4.光学准直组件中的前窗、后窗起密封作用，可以防尘、防风沙，满足外场光轴校准的使用要求。

附图说明

图1为本发明所述用于多传感器光轴校准的便携式外场设备的外观示意图；

图2为本发明的光学准直组件结构示意图；

图3为本发明优选的光学准直组件结构示意图；

图4为本发明的旋转靶轮组件结构示意图；

图5为以红外热像仪的光轴为基准利用本发明所述设备进行可见光相机与红外热像仪光轴校准的原理图；

图6为以红外热像仪的光轴为基准利用本发明所述设备进行激光器与红外热像仪光轴校准的原理图；

图7为以可见光相机的光轴为基准利用本发明所述设备进行红外热像仪与可见光相机光轴校准的原理图；

图8为以可见光相机的光轴为基准利用本发明所述设备进行激光器与可见光相机光轴校准的原理图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

如图1所示，本发明所述用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，包括：光学准直组件1、旋转靶轮组件2和调节光轴机构3，其中，调节光轴机构3在图5-8中示出，调节光轴机构3位于不同波段传感器上，用于调节传感器的接收方向或者出光方向。不同波段的传感器包括：激光波段、可见光波段以及红外波段的传感器。

如图2所示，光学准直组件1具有前窗13和后窗14，从光学准直组件1的任一窗口输入的光经过两次反射后从另一个窗口输出，图2中虚线即为光学准直组件1中的光路走向。

不同波段的传感器均位于光学准直组件的前窗13外，通过光学准直组件接收或发出平行光；光学准直组件1在其后窗14侧与旋转靶轮组件2通过连接部件对接，通过旋转选择旋转靶轮组件2上的不同靶位，向光学准直组件1的后窗14输入光。

具体来看，如图2所示，光学准直组件1包括：主镜筒16及其内部依次排列的同轴线的前窗13、次反射镜12、后窗14、主反射镜11和连接座17，其中，次反射镜12与主反射镜11以反射面相对放置，直径比例为1∶4～1∶3。

主镜筒16内一侧的中心轴102处竖直装有次反射镜12，该反射镜12是通过与主镜筒16一体成型的三个等长并在圆周方向呈均匀分布的支架固定在中心轴102处的，主镜筒16内另一侧竖直装有与主镜筒16直径相匹配的主反射镜11。

在主镜筒16内，次反射镜12的非反射面一侧设有一与主镜筒16直径相匹配的前窗13，主反射镜11的反射面一侧的主镜筒16中心轴102处设有后窗14，主反射镜11中心处开有一与后窗14直径匹配的通光孔20。前窗13、主反射镜11和次反射镜12利用粘接剂与主镜筒16同轴连接，还可以用压圈或螺钉进行固定，该粘接剂可以选用H705-1硅橡胶。前窗13、后窗14和主反射镜11限制出主镜筒16内的密闭空间，可以防尘、防风沙，满足外场光轴校准的使用要求。

通过主反射镜11和次反射镜12的两次反射形成长焦距、全波段、大口径、轴向紧凑的光学准直组件1的主光路。主反射镜11、次反射镜12的基底材料可以选用铝合金6061-T6，采用金刚石切削的方法形成弧形的光学表面即反射面，在光学表面镀抗激光损伤的金膜，该金膜在400nm～14μm范围具有98％以上的反射率，可选的，在金膜外再镀一层二氧化硅Si02薄膜，对金膜起保护作用。前窗13与后窗14为平面窗口，其材料为在400nm～14μm范围内具有90％以上透过率的硫化锌ZnS。

优选的，主反射镜11、次反射镜12的光学表面为二次曲面。进一步地，主反射镜11的光学表面为抛物面，次反射镜12的光学表面为双曲面。

主反射镜11的非反射面上设有若干减重凹槽101，对光学准直组件1进行轻量化处理，克服了现有光轴校准设备体积大、重量重、携带不便的缺点。

主镜筒16材料选用与主反射镜11、次反射镜12的基底材料具有相同的热膨胀系数的铝合金2A12-T4(热膨胀系数为23.6×10-6mm/℃)，实现光机无热化设计。上述设计是对光学准直组件内的主反射镜11、次反射镜12以及主镜筒16进行的无热化处理，保证了本发明所述设备具有较宽的工作温度范围，克服了现有光轴校准设备不能在温度变化范围大的外场环境下工作的缺点。

连接座17位于主反射镜11的非反射面一侧且固定在主镜筒16上，连接座17外侧设有一通光凸部103，用来与旋转靶轮组件2的通光凹部104套接。

可选的，光学准直组件1还包括：镜头盖18，用于盖在主镜筒前窗外侧，进一步在外场环境下保护本发明所述设备。

优选的，如图3所示，光学准直组件1中还包括：侧面涂有无光黑漆的消除杂光光阑15，用于消除无效视场引入的杂光，将从后窗14入射的光严格限制在次反射镜12的反射面范围内。此时，后窗14可以利用粘接剂与消杂光光阑15连接，并用压圈19进行压紧，消杂光光阑15与主反射镜11连接。该粘接剂可以选用H705-1硅橡胶。

如图4所示，旋转靶轮组件2包括：同转轴的圆形固定组件和旋转组件，其中，固定组件上避开圆心处设有一个供连接座17的通光凸部103套入的通光凹部104，可选的，将通光凸部103套入通光凹部104后，进一步用锁紧螺钉26进行锁紧固定。这样，旋转靶轮组件2便通过连接座17与主镜筒16牢固的连接在一起了。

旋转组件相对于固定组件具有相同的转轴22，旋转组件相对于固定组件旋转，旋转组件包括靶轮21以及靶轮21上的包括靶标组件和靶板24在内的五个靶位。固定组件与旋转组件通过一弹性制动机构25对通过旋转靶轮21选择的不同靶位进行定位，定位后的靶位位于光学准直组件的焦点处。

靶标组件包括星点孔靶标23和光源27，当选择的靶位为靶标组件时，光源27发出的光穿过处于光学准直组件1焦点处的星点孔靶标23入射到光学准直组件1的后窗14。光源27可以采用卤素灯，通过可拆卸的插拔方式与旋转靶轮组件2连接。

图1中靶轮21上的五个靶位中有两个分别放置0.1mm星点孔靶标23和0.5mm星点孔靶标23，有一个用来放置靶板24，其余两个位置为本发明所述设备的扩展功能预留。星点孔靶标23周围涂无光黑漆，靶板24材料选用酚醛树脂，该材料具有热吸收性好、热扩散性差的优点，便于激光光斑能量驻留。

可选的，本发明所述设备还包括支持部件，该支持部件包括为旋转靶轮组件2中的光源27供电的电源、以及支撑光学准直组件1的三脚架，该三脚架可以与光学准直组件1的底部接口100连接。该电源可以为普通电池或电源适配器。

下面简要介绍一下本发明所述多传感器光轴校准的便携式外场设备对不同波段传感器进行光轴校准的原理，以对可见光相机41、红外热像仪42和激光器51的光轴校准为例：

红外热像仪42、可见光相机41和激光器51均位于光学准直组件1前窗13外，并排放置于光学准直组件1的有效通光口径内。

第一种校准方式：以红外热像仪42的光轴方向作为基准，旋转靶21轮选择星点孔靶标23，光源27通过星点孔靶标23在光学准直组件1的焦点处射入后窗14，经两次反射后从前窗13输出准直光入射到红外热像仪42，记录焦点处入射光在红外热像仪42视场中的位置。

如图5所示，可见光相机41与红外热像仪42光轴校准原理为：光源27发出的光经星点孔靶标23、光学准直组件1形成准直光到达位于光学准直组件1有效通光口径内的可见光相机41和红外热像仪42，观察两者间的光轴差别，通光调节机构3对可见光相机41的光轴进行校准，即通过调节机构3调节可见光相机41的接收方向，使焦点处入射光在可见光相机41视场中的位置与之前记录的焦点处入射光在红外热像仪42视场中的位置相同。

如图6所示，激光器51与红外热像仪42光轴校准原理为：激光器51发出的激光准直光束经光学准直组件1到达靶板24，在靶板24上形成具有一定亮度的热点即像点，像点发出的红外波段的光线经光学准直组件1反射两次后被红外热像仪42接收，观察激光器51与红外热像仪42的光轴差别，通光调节机构3对激光器51的光轴进行校准，即通过调节机构3调节激光器51的出光方向，使像点位于之前记录的焦点处入射光在红外热像仪42视场中的位置。

第二种校准方式：以可见光相机41的光轴方向作为基准，旋转靶21轮选择星点孔靶标23，光源27通过星点孔靶标23在光学准直组件1的焦点处射入后窗14，经两次反射后从前窗13输出准直光入射到可见光相机41，记录焦点处入射光在可见光相机41视场中的位置。

如图7所示，红外热像仪42与可见光相机41光轴校准原理为：光源27发出的光经星点孔靶标23、光学准直组件1形成准直光到达位于光学准直组件1有效通光口径内的可见光相机41和红外热像仪42，观察两者间的光轴差别，通光调节机构3对红外热像仪42的光轴进行校准，即通过调节机构3调节红外热像仪42的接收方向，使焦点处入射光在红外热像仪42视场中的位置与之前记录的焦点处入射光在可见光相机41视场中的位置相同。

如图8所示，激光器51与可见光相机41光轴校准原理为：激光器51发出的激光准直光束经光学准直组件1到达靶板24，在靶板24上形成具有一定亮度的热点即像点，像点发出的可见光波段的光线经光学准直组件1反射两次后被可见光相机41接收，观察激光器51与可见光相机41的光轴差别，通光调节机构3对激光器51的光轴进行校准，即通过调节机构3调节激光器51的出光方向，使像点位于之前记录的焦点处入射光在可见光相机41视场中的位置。

另外，还有第三种校准方式，是以激光器的光轴方向作为基准，原理与上面两种方式类似，本领域技术人员应知其操作过程，故此处不详述。

本发明还提供所述设备在上述特定应用实例中的具体工作参数如下：光谱范围400nm～14μm；光学准直组件1的焦距为1m，通光孔径为250mm；重量11.8kg；体积400mm(长)×350mm(宽)×350mm(高)；工作温度范围为-20℃～+40℃。

采用上述技术方案，本发明所述用于多传感器光轴校准的便携式外场设备至少具有下列优点：

1.可在宽光谱范围工作，克服了现有光轴校准设备覆盖波段范围有限的缺点。

2.光学准直组件通过光路的两次反射，缩短了光轴校准设备的轴向距离。对光学准直组件进行轻量化处理，克服了现有光轴校准设备体积大、重量重、携带不便的缺点。

3.对含有主反射镜、次反射镜、主镜筒等部件的光学准直组件进行了无热化设计，保证了本发明所述设备具有较宽的工作温度范围，克服了现有光轴校准设备不能在温度变化范围大的外场环境下工作的缺点。

4.光学准直组件中的前窗、后窗起密封作用，可以防尘、防风沙，满足外场光轴校准的使用要求。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims (10)

1.一种用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，其特征在于，包括：调节光轴机构、光学准直组件和旋转靶轮组件，其中，调节光轴机构位于不同波段传感器上；

光学准直组件具有前窗和后窗，从光学准直组件任一窗口输入的光经过两次反射后从另一个窗口输出；

不同波段的传感器均位于光学准直组件的前窗外，通过光学准直组件接收或发出平行光；光学准直组件在其后窗侧与旋转靶轮组件通过连接部件对接，通过旋转选择旋转靶轮组件上的不同靶位，向光学准直组件的后窗输入光。

2.根据权利要求1所述的用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，其特征在于，所述不同波段的传感器包括：激光波段、可见光波段以及红外波段的传感器。

3.根据权利要求1所述的用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，其特征在于，所述光学准直组件包括：主镜筒及其内部依次排列的同轴线的前窗、次反射镜、消杂光光阑、后窗、主反射镜和连接座，其中，次反射镜与主反射镜以反射面相对放置，直径比例为1∶4～1∶3；

主镜筒内一侧的中心轴处竖直装有次反射镜，主镜筒内另一侧竖直装有与主镜筒直径相匹配的主反射镜；

在主镜筒内，次反射镜的非反射面一侧设有一与主镜筒直径相匹配的前窗，主反射镜的反射面一侧的主镜筒中心轴处设有后窗，主反射镜中心处开有一与后窗直径匹配的通光孔；前窗、后窗和主反射镜限制出主镜筒内的密闭空间；

连接座位于主反射镜的非反射面一侧且固定在主镜筒上，所述连接座外侧设有一通光凸部。

4.根据权利要求3所述的用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，其特征在于，所述主反射镜和次反射镜的基底材料、以及主镜筒材料均采用的是热膨胀系数相同的铝合金。

5.根据权利要求3所述的用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，其特征在于，所述主反射镜和次反射镜的反射面是在基底材料上镀增反膜制成，所述增反膜是在400nm～14μm范围内具有98％以上反射率的金膜；

所述前窗和后窗的材料均采用的是在400nm～14μm范围内具有90％以上透射率的硫化锌。

6.根据权利要求3所述的用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，其特征在于，所述次反射镜和主反射镜的反射面均为弧形，主反射镜的非反射面一侧设有若干减重凹槽。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，其特征在于，所述光学准直组件还包括：用于将从所述后窗入射的光限制在次反射镜的反射面范围内的消除杂光光阑。

8.根据权利要求3-6所述的用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，其特征在于，所述旋转靶轮组件包括：同转轴的圆形固定组件和旋转组件，其中，

固定组件上避开圆心处设有一个供所述连接座的通光凸部套入固定的通光凹部，旋转组件包括靶轮以及靶轮上的包括靶标组件和靶板在内的多种靶位；

旋转组件相对于固定组件旋转，固定组件与旋转组件通过一弹性制动机构对通过旋转靶轮选择的不同靶位进行定位，定位后的靶位位于光学准直组件的焦点处。

9.根据权利要求8所述的用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，其特征在于，所述靶标组件包括星点孔靶标和光源，当选择的靶位为靶标组件时，光源发出的光穿过星点孔靶标入射到光学准直组件的后窗。

10.根据权利要求1-6、9中任一项所述的用于多传感器光轴校准的便携式外场设备，其特征在于，所述设备还包括支持部件，所述支持部件包括为旋转靶轮组件中的所述光源供电的电源、以及支撑光学准直组件的三脚架。

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