CN105571526A - 一种光电设备多光轴平行性定量检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电设备多光轴平行性定量检测装置，包括离轴折叠非球面光学系统、CCD图像传感器、二维平移台、双五棱镜扩径组件和控制系统，离轴折叠非球面光学系统构成准直平行光管，二维平移台安装在壳体后方，二维平移台的十字分划面与平行光管焦平面位置重合，转折棱镜组位于非球面次镜下方实现光线的平行反转，CCD图像传感器的镜头对准转折棱镜组，所述的支架组安装在壳体上，支架组的扩束导杆的两端各安装一个五棱镜，两个五棱镜相对距离可以调节。该设备能实现多波段光电设备激光/红外/白光两两光轴平行性的定量精确测量，具有光谱范围宽、测量精度高，小型便携等特点，适用于多波段光电设备之间的光轴平行性测试。

Description

一种光电设备多光轴平行性定量检测装置

技术领域

本发明涉及光电设备检测装置技术领域，更具体涉及一种光电设备多光轴平行性定量检测装置，它适用于多波段光电设备之间的光轴平行性在线精确定量测试。

背景技术

光电设备包括红外设备、电视设备以及激光设备，已广泛应用于各行各业。光电设备由单体向集成化发展，将红外/激光/电视集成在同一平台上，可实现动态目标的探测与跟踪功能。光电设备多光轴之间的光轴平行性是衡量多光谱光电设备系统性能的一项关键技术指标，直接影响到对动态目标的捕获与跟踪。

现有的多光谱光轴平行性检测方法主要有野外远距离目标法、靶板成像法、平行光管法、五棱镜法等，野外远距离目标法根据设备作用距离及设备精度要求选择远距离点状目标进行校瞄，该方法不需要专用检测仪器，操作简单，适用于室外标校，但调校精度低；靶板成像法根据各光学通道的几何轴心位置制作靶板，调节各光轴分别对准各自的靶心位置，该方法操作方便，成本低，野外、室内均可使用，但易受人为主观因素影响，调校精度较差；平行光管法采用大口径平行光管，调节各光轴分别对准目标分划板中心，该方法调校精度高，但平行光管体积较大，不易制作，只能在实验室内使用；对于较大的光学系统，可采用分立的多个平行光管，使每个平行光管与待测系统的多个子系统一一对应，也可采用五棱镜法，对光束进行平移。但这两种方法均存在调节环节多，难以操作的特点，精度受到影响。

因此，本发明提出了一种基于图像智能感知的扩径多光轴标定方法，采用离轴折叠双曲面光学系统，实现小型便携的宽光谱准直平行光管，将CCD图像传感器安装于平行光管的主光轴上，二维平移台置于焦平面上，通过CCD图像传感器实时采集二维平移台焦平面处的十字分划图像，记录十字分划中心点位置，对于激光设备，输出的激光经平行光管后汇聚于焦平面形成黑斑，CCD图像传感器记录光斑位置，对于电视/红外设备，移动十字分划，使十字分化与电视/红外设备的视频中心点重合，记录此时十字分划中心点位置，工控机解算出红外/电视/激光三者之间的光轴误差。通过扩径组件能进行光束平移，实现光学系统通光口径的有效扩展。本发明解决了多光谱光电设备测量基准难确定、测量口径不能覆盖多光轴、测量误差难提取的难题，实现了多光轴平行性现场动态定量精确检测。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种光电设备多光轴平行性定量检测设备，解决了测量基准难确定、测量口径不能覆盖多光轴、测量误差难提取的难题，实现多波段光电设备激光/红外/白光两两光轴平行性的现场动态定量精确测量，具有光谱范围宽、测量精度高，小型便携等特点。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种光电设备多光轴平行性定量检测设备，包括离轴折叠非球面光学系统、CCD图像传感器、二维平移台和控制系统，所述的离轴折叠双反光学系统包括壳体、非球面主镜、非球面次镜和转折棱镜组，壳体内的非球面主镜和非球面次镜构成准直平行光管，所述的二维平移台安装在壳体后方，二维平移台的十字分划面与平行光管焦平面位置重合，光线从非球面次镜反射到二维平移台的十字分划面，所述的转折棱镜组由第一直角棱镜和第二直角棱镜组成，第一直角棱镜安装在非球面次镜下方，第一直角棱镜接收二维平移台的十字分划面反射出的光线，第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面相对成90度放置且第二直角棱镜位于第一直角棱镜的下方，光线经第一直角棱镜垂直向下反射到第二直角棱镜面上，实现光线的平行反转，CCD图像传感器安装在壳体底部，CCD图像传感器的镜头对准第二直角棱镜反射面，便于CCD图像传感器组件实时采集焦平面图像，通过调节CCD图像传感器前后位置实现二维平移台焦平面处十字分划图像的实时采集，记录十字分划中心点位置，所述的控制系统的工控机分别与二维平移台和CCD图像传感器连接，实现二维平移台精确控制、CCD图像传感器图像采集与分析、平行性误差解算等功能。

所述的非球面主镜和非球面次镜都采用离轴双曲面镜，构成离轴卡塞格林式平行光管，非球面主镜的曲率为-400.17mm，离轴量为102.5，非球面次镜的曲率为-129.77mm，离轴量为24mm，两者之间的间距为153mm。

所述的二维平移台选用台湾匠星科技的JTH105-30/STPHP2-2组件。

进一步地，所述的光电设备多光轴平行性定量检测设备还包括五棱镜组件和支架组，所述的支架组包括旋转横杆、支架导杆、高低锁紧手轮、扩束器安装座、锁紧滑座、俯仰锁紧手轮、扩束导杆和水平锁紧手轮，所述的壳体的顶面固定连接固定机构，固定机构上端插入旋转横杆一端的通孔内并通过螺丝锁紧，旋转横杆沿固定机构的轴线旋转，旋转横杆的另一端与支架导杆垂直固定连接，锁紧滑座沿支架导杆上下滑动，通过高低锁紧手轮紧固，锁紧滑座安装槽内安装扩束器安装座，通过俯仰锁紧手轮紧固，扩束器安装座的通孔内安装水平滑移的扩束导杆，通过水平锁紧手轮紧固，扩束导杆的两端各安装一个五棱镜，两个五棱镜组件相对距离可以调节，从而实现不同间距的光束平移。

五棱镜组件的底座套在扩束导杆上，可沿扩束导杆移动，以使得两个棱镜之间的间距可以调节。支架组和五棱镜构成双五棱镜扩径组件，双五棱镜扩径组件安装在壳体前方，以安装支撑柱为旋转轴进行旋转平移，通过高低调节和俯仰调节实现不同间距光束的平移，从而可实现宽间距的光轴平移，满足多类型光电设备的测试要求。

所述的控制系统包括PC104工控机组件、供电模块及控制软件，用于控制二维平移台和CCD图像采集，计算光轴点误差，实现多光轴平行性的定量解算。

一种基于图像智能感知的扩径多光轴标定方法，其步骤是：

（1）将待测光电设备置于检测设备前方，利用光电设备的瞄准系统粗略瞄准检测设备内部的十字分划；（2）控制二维平移台移动十字分划，使十字分划的中心点与光电设备的红外/电视视场中心十字重合，记录此时十字分划中心点在CCD图像传感器上的成像位置；（3）对于光电设备激光分系统，在粗略瞄准的情况下发射激光，经平行光管汇聚后在十字分划面形成斑点，CCD记录斑点对应位置；（4）采用图像处理算法解算出任意两点的距离，结合平行光管的焦距值，即可完成任意两者光轴一致性的精确测量。当光电设备的光轴间距大于检测设备平行光管通光口径时，以光电设备的红外窗口对准平行光管的通光口，转动扩径组件，将激光/电视光轴引入到通光口内，实现宽间距光轴平行性的测量。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

采用离轴折叠非球面光学系统构成准直平行光管，具有宽光谱特性，为测试系统提供无穷远目标或将入射激光汇聚至焦平面上，且体积小等优点；采用精密二维平移台，可实现红外/白光设备的光轴中心的精确定位，定位精度达到0.01mrad；采用CCD图像传感器智能图像采集与识别技术，可实现光电设备激光/红外/电视三光光轴的现场动态定量检测，检测精度达到0.1mrad；采用双五棱镜扩径组件，实现宽间距光电设备光轴平行性检测，解决多光轴、宽间距光电设备光轴平行性检测难题。采用便携式工控机实现平移台的控制和CCD图像传感器图像的采集，定量解算出多光轴平行性误差。同时该设备不受使用环境影响，无需合作目标，满足室内/室外光电设备宽间距光轴平行性精确检测。

附图说明

图1为一种光电设备多光轴平行性定量检测装置结构示意图。

图2为光路图。

图3为支架组结构示意图。

其中：1-壳体、2-非球面主镜、3-非球面次镜、4-转折棱镜组、4-1-第一直角棱镜、4-2-第二直角棱镜、5-CCD图像传感器(JHSM130BF)、6-二维平移台、7-支架组、8-五棱镜组件、9-固定机构、10-旋转横杆、11-支架导杆、12-高低锁紧手轮、13-锁紧滑座、14-扩束器安装座、15-俯仰锁紧手轮、16-扩束导杆、17-水平锁紧手轮。

具体实施方式

一种光电设备多光轴平行性定量检测设备，包括离轴折叠非球面光学系统、CCD图像传感器5、二维平移台6、五棱镜组件8、支架组7和控制系统，所述的离轴折叠双反光学系统包括壳体1、非球面主镜2、非球面次镜3和转折棱镜组4，壳体1内的非球面主镜2和非球面次镜3构成准直平行光管，所述的非球面主镜1和非球面次镜2均采用双曲面反射镜，构成离轴卡塞格林式平行光管，非球面主镜2的曲率为-400.17mm，离轴量为102.5，非球面次镜3的曲率为-129.77mm，离轴量为24mm，非球面主镜2和非球面次镜3的间距153mm，所述的二维平移台6安装在壳体1后方，二维平移台6的十字分划面与平行光管焦平面位置重合，光线从非球面次镜3反射到二维平移台6的十字分划面，所述的转折棱镜组4由第一直角棱镜4-1和第二直角棱镜4-2组成，第一直角棱镜4-1安装在非球面次镜3下方，第一直角棱镜4-1接收十字分划面反射出的光线，第一直角棱镜4-1和第二直角棱4-2镜的斜面相对成90度放置且第二直角棱镜4-2位于第一直角棱镜4-1的下方，光线经第一直角棱镜4-1垂直向下反射到第二直角棱镜4-2的镜面上，实现光线的平行反转，CCD图像传感器5安装在壳体1底部，CCD图像传感器5的镜头对准第二直角棱镜4-2的反射面，便于CCD图像传感器5组件实时采集焦平面图像，通过调节CCD图像传感器5前后位置实现二维平移台6焦平面处十字分划图像的实时采集，记录十字分划中心点位置，所述的支架组7包括旋转横杆10、支架导杆11、高低锁紧手轮12、扩束器安装座14、锁紧滑座13、俯仰锁紧手轮15、扩束导杆16和水平锁紧手轮17，壳体的顶面固定连接固定机构9，固定机构9上端插入旋转横杆10一端的通孔内并通过螺丝锁紧，旋转横杆10沿固定机构9的轴线旋转，旋转横杆10的另一端与支架导杆11垂直固定连接，锁紧滑座13沿支架导杆11上下滑动，通过高低锁紧手轮12紧固，锁紧滑座13的安装槽内安装扩束器安装座14，通过俯仰锁紧手轮15紧固，扩束器安装座14的通孔内安装水平滑移的扩束导杆16，通过水平锁紧手轮17紧固，扩束导杆16的两端各安装一个五棱镜组件8，五棱镜组件8的底座套在扩束导杆16上，可沿扩束导杆移动，以使得两个棱镜之间的间距可以调节，从而实现不同间距的光束平移，所述的控制系统的工控机分别与二维平移台6和CCD图像传感器5连接，实现二维平移台精确控制、CCD图像传感器图像采集与分析、平行性误差解算等功能。

将待测光电设备置于检测设备前方，利用光电设备的瞄准系统粗略瞄准检测设备内部二维平移台上的十字分划，控制二维平移台移动十字分划，使十字分划的中心点与光电设备的红外/电视视场中心十字重合，记录此时十字分划中心点在CCD图像传感器上的成像位置，对于光电设备激光分系统，在粗略瞄准的情况下发射激光，经平行光管汇聚后在十字分划面形成斑点，CCD记录斑点对应位置，采用图像处理算法解算出任意两点的距离，结合平行光管的焦距值，即可完成任意两者光轴一致性的精确测量。当光电设备的光轴间距大于检测设备平行光管通光口径时，以光电设备的红外窗口对准平行光管的通光口，转动扩径组件，将激光/电视光轴引入到通光口内，实现宽间距光轴平行性的测量。

Claims (5)

1.一种光电设备多光轴平行性定量检测设备，包括离轴折叠非球面光学系统、CCD图像传感器（5）、二维平移台（6）和控制系统，其特征在于：所述的离轴折叠双反光学系统包括壳体（1）、非球面主镜（2）、非球面次镜（3）和转折棱镜组（4），所述的壳体（1）内的非球面主镜（2）和非球面次镜（3）构成准直平行光管，所述的二维平移台（6）安装在壳体（1）后方，二维平移台（6）的十字分划面与平行光管焦平面位置重合，光线从非球面次镜（3）反射到二维平移台（6）的十字分划面，所述的转折棱镜组（4）由第一直角棱镜（4-1）和第二直角棱镜（4-2）组成，第一直角棱镜（4-1）安装在非球面次镜（3）下方，第一直角棱镜（4-1）接收十字分划面反射出的光线，第一直角棱镜（4-1）和第二直角棱（4-2）镜的斜面相对成90度放置且第二直角棱镜（4-2）位于第一直角棱镜（4-1）的下方，光线经第一直角棱镜（4-1）垂直向下反射到第二直角棱镜（4-2）的镜面上，所述的CCD图像传感器（5）安装在壳体（1）底部，CCD图像传感器（5）的镜头对准第二直角棱镜（4-2）的反射面，所述的控制系统的工控机分别与二维平移台（6）和CCD图像传感器（5）连接。

2.根据权利要求1所述的一种光电设备多光轴平行性定量检测设备，其特征在于：所述的非球面主镜（1）和非球面次镜（2）均采用双曲面反射镜，构成离轴卡塞格林系统，非球非球面主镜（1）的曲率为-400.17mm，离轴量为102.5，非球面次镜（2）的曲率为-129.77mm，离轴量为24mm，非球面主镜（1）和非球面次镜（2）间距153mm。

3.根据权利要求1所述的一种光电设备多光轴平行性定量检测设备，其特征在于：还包括五棱镜组件（8）和支架组（7），所述的支架组（7）包括旋转横杆（10）、支架导杆（11）、高低锁紧手轮（12）、扩束器安装座（14）、锁紧滑座（13）、俯仰锁紧手轮（15）、扩束导杆（16）和水平锁紧手轮（17），壳体（1）的顶面固定连接固定机构（9），固定机构（9）上端插入旋转横杆（10）一端的通孔内并通过螺丝锁紧，旋转横杆（10）沿固定机构（9）的轴线旋转，旋转横杆（10）的另一端与支架导杆（11）垂直固定连接，锁紧滑座（13）沿支架导杆（11）上下滑动，通过高低锁紧手轮（12）紧固，锁紧滑座（13）的安装槽内安装扩束器安装座（14），通过俯仰锁紧手轮（15）紧固，扩束器安装座（14）的通孔内安装水平滑移的扩束导杆（16），通过水平锁紧手轮（17）紧固，扩束导杆（16）的两端各安装一个五棱镜组件（8）。

4.根据权利要求3所述的一种光电设备多光轴平行性定量检测设备，其特征在于：所述的五棱镜组件（8）的底座套在扩束导杆（16）上，沿扩束导杆（16）移动。

5.根据权利要求1所述的一种光电设备多光轴平行性定量检测设备，其特征在于：所述的控制系统包括PC104工控机组件、供电模块及控制软件。