CN104567738A - 光轴平行度精确测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光轴平行度精确测量系统及方法。本发明的系统包括，光轴定位导轨，固定在试验台上，具有刻度；抛物面反射镜，锁定在所述光轴定位导轨上；复合模拟光源，锁定在所述光轴定位导轨上，定位在所述抛物面反射镜的焦点处；图像处理计算单元，电连接被测设备；以及，所述被测设备设置在所述复合模拟光源一侧。本发明采用光轴定位导轨将复合光源模拟器精确定位在大口径抛物面反射镜的焦点处，以减小测量误差；采用图像识别跟踪方式实现对十字光源的自动跟踪，有效提高基准光轴的对准速度和精度；采用图像处理软件跟踪识别光轴偏移脱靶量，消除操作人员对光轴偏差识别计算的主观误差，提高了光轴平行度的测量精度。

Description

光轴平行度精确测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光学设备领域，特别是适用于多光轴光电平台的一种光轴平行度精确测量系统及方法。

背景技术

光轴平行度是衡量光电稳定平台性能的一个重要指标。无论是机载光电侦察吊舱，还是车载或船载光电侦察设备，对其承载的多光谱光学载荷的光轴平行度都有指标要求，以保证不同光学载荷获取同一区域的影像或距离信息。对于利用光电稳定平台来实现目标定位的光学载荷，承载其的光电稳定平台的光轴平行性更是决定目标定位精度的重要因素。

常用的光轴平行度测量方法有大口径平行光管法、投影靶板法、激光光轴仪法和五棱镜法。这些方法各有优缺点，其中大口径平行光管法误差环节少、测量精度高，但大口径平行光管不易制作且笨重、成本高。为了降低成本，简化测量，设计者提出了利用抛物面反射镜测量光轴平行度方法。但由于人为主观因素过多引入多种误差，使其测量精度无法达到更高的量级，无法满足高光轴平行度指标系统的测量要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有光轴平行度测量方法的不足，提供一种能有效地提高抛物面反射镜焦点的定位精度，消除操作人员对光轴偏移识别计算的主观误差，提高光轴平行度测量计算精度的光轴平行度精确测量系统及方法。

本发明的技术方案为：

一种光轴平行度精确测量系统，包括，光轴定位导轨，固定在试验台上，具有刻度；抛物面反射镜，锁定在所述光轴定位导轨上；复合模拟光源，锁定在所述光轴定位导轨上，定位在所述抛物面反射镜的焦点处；图像处理计算单元，电连接被测设备；以及，所述被测设备设置在所述复合模拟光源一侧。

进一步地，所述复合模拟光源为十字光源。

根据本发明的另一方面，提供一种光轴平行度精确测量方法，包括，S1、将具有刻度的光轴定位导轨固定在试验台上；S2、将抛物面反射镜锁定在所述光轴定位导轨上；S3、将复合模拟光源锁定在所述光轴定位导轨上并定位在所述抛物面反射镜的焦点处；S4、将被测设备设置在所述复合模拟光源一侧；S5、所述复合模拟光源向所述抛物面反射镜发射可见光或红外光；S6、被测设备接收所述抛物面反射镜反射的可见光或红外光的平行光线；S7、被测设备将视频图像输出给图像处理计算单元，利用图像处理计算单元上的图像处理软件手动锁定十字光源的中心，进入稳定跟踪状态，脱靶量恒定不变时，记录脱靶量以及光学载荷此时的焦距值，将脱靶量值、光学载荷像元尺寸和焦距值输入光轴平行度计算软件，光轴平行度自动计算并显示。

进一步地，包括，S8，被测设备向抛物面反射镜发射激光，在所述复合模拟光源上形成光斑；S9，所述被测设备的光学载荷锁定所述光斑，将视频图像输出给图像处理计算单元，利用所述图像处理计算单元上的图像处理软件手动锁定激光光斑，使用重心跟踪方式锁定跟踪光斑的中心，当进入稳定跟踪状态，脱靶量恒定不变时，记录此时的脱靶量以及光学载荷此时的焦距值。

进一步地，利用被测设备的图像跟踪功能手动锁定所述复合模拟光源的光源中心，实现对光源的自动跟踪，始终将所述光源中心锁定在视场中心，以实现光轴基准的精确对准。

进一步地，在步骤S7之前，包括S10、调整所述被测设备中的光学载荷为最小视场角状态，并调整焦距使光源成像清晰。

本发明与现有技术相比的优点在于：在抛物面反射镜的焦点定位上采用带距离刻度的光轴定位导轨，使焦点定位误差小于1mm，相比于使用直尺测量可有效减小由于焦点定位误差导致的光轴测量误差。利用稳定平台图像跟踪功能实现光轴基准对准，相比于使用人工识别偏差后角度锁定方式，可有效避免人为主观误差，以及由于试验过程中被测设备位置窜动导致光轴对准重复操作，光轴对准误差小于1个像素。相比操作人员目测光轴偏移脱靶量的误差在数个像素，本发明采用图像处理软件跟踪识别光轴偏移脱靶量，误差小于1个像素，大幅提高了光轴平行度的测量精度。

附图说明

图1示出了本发明的系统组成框图；

图2示出了本发明的光轴平行度测量流程图。

具体实施方式

本发明采用光轴定位导轨将复合光源模拟器精确定位在大口径抛物面反射镜的焦点处，以减小测量误差；采用图像识别跟踪方式实现对十字光源的自动跟踪，有效提高基准光轴的对准速度和精度；采用跟踪方式对十字光源或激光光斑识别跟踪，自动识别光轴偏移像素数量，并利用光轴平行度计算软件自动计算光轴偏差，可有效消除操作人员对光轴偏差识别计算的主观误差。

本发明的原理是利用抛物面反射镜焦点处出射的光线经抛物面反射后变成平行光线原理来模拟无限远处目标，测量被测设备的光轴平行度。光轴定位导轨将复合光源模拟器定位在抛物面反射镜的光轴上，利用导轨上的刻度值精确测量抛物面反射镜的焦距，以保证复合光源模拟器精确定位在抛物面反射镜的焦点处。

利用被测设备的图像跟踪功能手动锁定十字光源中心，实现对十字光源的自动跟踪，始终将十字光源中心锁定在视场中心，以实现光轴基准的精确对准。

图像处理计算单元上的图像处理软件采集被测设备输出的视频图像，若为激光光轴与基准光轴平行度测量，则手动锁定激光光斑，若为其他光学载荷与基准光轴平行度测量，则手动锁定十字光源。当图像跟踪稳定输出脱靶量后，将脱靶量值、光学载荷像元尺寸和此时的焦距值输入光轴平行度计算软件，光轴平行度将自动计算并显示。

参见图2所示，本发明的具体测量步骤如下：

一、抛物面反射镜光轴位置确定

如图1所示，光轴定位导轨2可靠固定在试验台上，将大口径抛物面反射镜1从光轴定位导轨2一侧滑入，并锁定在某个位置。将复合模拟光源3从导轨另一侧滑入，在距离抛物面反射镜1焦距位置锁定复合模拟光源3。调整复合模拟光源3的十字靶标，使十字靶标中心高度与抛物面反射镜中心高度一致，十字靶标中心定位在抛物面镜光轴5上。

二、基准光轴对准

如图1所示，将被测设备7放置在复合模拟光源3一侧，并将被测设备7与图像处理计算单元4连接好。根据被测设备基准光轴6是可见光载荷还是红外载荷，开启相应的模拟光源。转动被测设备，使模拟十字光源经抛物面反射镜成像在被测设备作为基准光轴光学载荷的视场中。调整光学载荷为最小视场角状态，并调整焦距使十字光源成像清晰。利用被测设备控制软件或操控键盘手动锁定十字光源的中心，直到模拟十字光源与光学载荷视场中心十字重合，并进入稳定跟踪状态，输出脱靶量为0。此时即实现了基准光轴对准。

三、光轴偏差确定

如果测量激光光轴与基准光轴6的偏差，则开启激光设备，激光设备发出的激光经抛物面反射镜反射后汇聚到模拟十字光源的中心附近。此时，可在作为基准光轴的光学载荷视场中看到激光光斑。利用图像处理计算单元上的图像处理软件手动锁定激光光斑，可使用重心跟踪方式锁定跟踪光斑的中心，当进入稳定跟踪状态，脱靶量恒定不变时，记录此时的脱靶量以及光学载荷此时的焦距值。

如果测量红外载荷或可见光载荷与基准光轴的偏差，则开启相应的被测光学载荷，利用图像处理计算单元上的图像处理软件采集其输出的视频图像。调整被测光学载荷为最小视场角状态，并调整焦距使十字光源成像清晰。利用图像处理软件手动锁定十字光源的中心，并进入稳定跟踪状态。脱靶量恒定不变时，记录此时的脱靶量以及被测光学载荷此时的焦距值。

四、光轴平行度计算

将记录的脱靶量值(X，Y)、光学载荷焦距值F和对应光学载荷的像元素尺寸D输入光轴平行度计算软件。

其中，X和Y分别为激光光斑中心或十字光源中心在视场横向和纵向上的脱靶量值，则光轴平行度偏差θ计算公式为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{\sqrt{X^2+Y^2}\×D}{F}\right).$

光轴平行度计算软件可根据公式，自动完成光轴平行度偏差的计算并显示。

Claims (6)

1.一种光轴平行度精确测量系统，其特征在于，包括：

光轴定位导轨(2)，固定在试验台上，具有刻度；

抛物面反射镜(1)，锁定在所述光轴定位导轨(2)上；

复合模拟光源(3)，锁定在所述光轴定位导轨(2)上，定位在所述抛物面反射镜(3)的焦点处；

图像处理计算单元(4)，电连接被测设备(3)；

以及，所述被测设备(7)设置在所述复合模拟光源(3)一侧。

2.根据权利要求1所述的光轴平行度精确测量系统，其特征在于，所述复合模拟光源(3)为十字光源。

3.一种光轴平行度精确测量方法，其特征在于，包括：

S1、将具有刻度的光轴定位导轨(2)固定在试验台上；

S2、将抛物面反射镜(1)锁定在所述光轴定位导轨(2)上；

S3、将复合模拟光源(3)锁定在所述光轴定位导轨(2)上并定位在所述抛物面反射镜(3)的焦点处；

S4、将被测设备(7)设置在所述复合模拟光源(3)一侧；

S5、所述复合模拟光源(3)向所述抛物面反射镜(1)发射可见光或红外光；

S6、被测设备(7)接收所述抛物面反射镜(1)反射的可见光或红外光的平行光线；

S7、被测设备(7)将视频图像输出给图像处理计算单元(4)，利用所述图像处理计算单元(4)上的图像处理软件手动锁定十字光源的中心，进入稳定跟踪状态，脱靶量恒定不变时，记录脱靶量以及光学载荷此时的焦距值，将脱靶量值、光学载荷像元尺寸和此时的焦距值输入光轴平行度计算软件，光轴平行度自动计算并显示。

4.根据权利要求3所述的光轴平行度精确测量方法，其特征在于，包括：

S8，被测设备(7)向抛物面反射镜(1)发射激光，在所述复合模拟光源(3)上形成光斑；

S9，所述被测设备(7)的光学载荷锁定所述光斑，将视频图像输出给图像处理计算单元(4)，利用所述图像处理计算单元(4)上的图像处理软件手动锁定激光光斑，使用重心跟踪方式锁定跟踪光斑的中心，当进入稳定跟踪状态，脱靶量恒定不变时，记录此时的脱靶量以及光学载荷此时的焦距值。

5.根据权利要求3或4所述的光轴平行度精确测量方法，其特征在于，

利用被测设备的图像跟踪功能手动锁定所述复合模拟光源(3)的光源中心，实现对光源的自动跟踪，始终将所述光源中心锁定在视场中心，以实现光轴基准的精确对准。

6.根据权利要求3所述的光轴平行度精确测量方法，其特征在于，在步骤S7之前，包括：

S10、调整所述被测设备(7)中的光学载荷为最小视场角状态，并调整焦距使光源成像清晰。