CN105973171A - 一种光轴与安装基准面平行度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的光轴与安装基准面平行度测试装置，包括光学准直系统、CCD图像传感器、图像采集卡和计算机，光学准直系统的焦平面上设置有上转换板，上转换板将激光光斑转换为可见光，转换后的光斑与原始的激光光斑具有一一对应关系，通过对光斑的处理对被测系统的平行度测试并校准。本发明的方法包括：a).光斑图像处理；b).确定光斑所在的矩形区域；c).求取光斑质心；d).查询电十字分划的中心；e).求光斑质心的偏移；f).计算偏移量；g).计算放大率；h).获取偏移夹角并校准。本发明的试装置及方法，实现了对激光照明器光轴的平行度测试和校准，相对于现有的检测方法具有检测方便和精度更高的优点。

Description

一种光轴与安装基准面平行度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光轴与安装基准面平行度测试装置及方法，更具体的说，尤其涉及一种将不可见的激光光斑转化为可见光光斑再进行处理的光轴与安装基准面平行度测试装置及方法。

背景技术

随着现代光电子技术的发展，光电系统已不再是单一光电传感器的应用，而是形成了系统工程的综合应用，成为多光谱，多传感器，多光路融合的综合应用，成为多光谱，多传感器，多光路融合的现代综合光电系统。在此综合光电系统中，光轴的平行性是一个重要的指标参数。对于由激光测距机，电视摄像机、热像仪3种传感器融合的光电系统，在一个稳定平台上捆绑组合时，必须对3个传感器的探测光轴进行精密调校，使3个光轴的平行性达到一定要求，方能保证光电系统观瞄及测距方向的一致性，从而起到准确指示目标，发挥光电系统作战效能的作用。

通常来讲，多光谱、多传感器集成光电系统主要都是集电视观瞄、热像探测、激光测距于一体的光电综合体。它们的不同之处在于激光单元，有的系统里激光单元只是具备测距功能，而有的系统里激光单元不仅具有测距功能，还具备照射功能。无论是那种配置，在调校光轴和性能测试时，一般都是以激光光轴为基准。在光电系统中，俯仰机构是光电系统的稳瞄平台，各传感器均置于内俯仰框架的光具座上。由于各传感器工作时传感器光谱范围差异较大，涉及光谱范围较宽，结构的局限以及传感器探测孔径的限制，各光轴之间跨度间隔大，因此对光轴一致性调校、测试时均需要专用大口径反射式平行光管。传统的检测方法自动化程度较低，难以实现光轴的在线调校，检测精度也很低。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种光轴与安装基准面平行度测试装置及方法。

本发明的光轴与安装基准面平行度测试装置，包括光学准直系统、CCD图像传感器、图像采集卡和计算机，光学准直系统的光轴与CCD图像传感器的光轴重合，并与被测系统的安装基准面平行；光学准直系统对被测系统发出的激光光斑进行聚焦，CCD图像传感器由CCD物镜和CCD光敏面组成；其特征在于：所述光学准直系统的焦平面上设置有上转换板，上转换板将激光光斑由红外光转换为能被CCD图像传感器探测到的可见光，并经CCD物镜成像在CCD光敏面上；转换后的可见光光斑与原始的红外激光光斑具有逐像素一一对应关系，图像采集卡对CCD光敏面接收的图像进行采集，并将图像信息传输至计算机上，计算机通过对光斑的处理实现对被测系统的平行度测试并校准。

本发明的光轴与安装基准面平行度测试装置，所述上转换板上刻有十字分划，上转换板上的十字分划与CCD图像传感器产生的电十字分划严格对准，以确保转换后的光斑与原始激光光斑具有逐像素对应的关系。

本发明的光轴与安装基准面平行度测试装置，所述光学准直系统采用大口径式平行光管，其有效通光孔径不小于300mm，通光孔径内光束平行度不大于5，大口径式平行光管中物镜的焦距为3000mm，以保证其成像质量。

本发明的光轴与安装基准面平行度测试装置的测试及校准方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).光斑图像处理，首先对CCD图像传感器获取的光斑图像进行锐化处理，然后建立光斑图形的灰度直方图，选取适当的灰度阈值P_阈值，将灰度值低于P_阈值的像素点删除，以去除激光光斑边缘不具有照明效果的昏暗部分；b).确定光斑所在的矩形区域，对光斑图像进行行列像素的逐次扫描，求取像素点在X轴方向上的最小值X_min、最大值X_max，以及像素点在Y轴方向上的最小值Y_min、最大值Y_max，则光斑处于X＝X_min、X＝X_max、Y＝Y_min、Y＝Y_max的矩形块中；c).求取光斑质心坐标，按照公式(1)求取光斑的质心坐标(X_质心,Y_质心)：

其中，其中，X_ij为坐标为(i,j)像素点的横坐标，Y_ij为坐标为(i,j)像素点的纵坐标；P(i,j)为坐标为(i,j)像素点的灰度值；

d).查询电十字分划的中心，从获取的光斑图像上查询电十字分划的中心的坐标，设为(X_分划,Y_分划)；e).求激光光斑质心的偏移量，根据CCD光敏面上激光光斑对应的质心坐标(X_质心,Y_质心)，以及电十字分划的中心点坐标(X_分划,Y_分划)，通过公式(2)求出激光光斑质心的偏移量d：

偏移量d的单位为像素数；

f).计算偏移量的实际尺寸，根据CCD光敏面长度或宽度的实际尺寸，以及长度和宽度方向上的像素数，计算出每个像素的实际尺寸，进而计算出偏移量d相应的实际尺寸，设为D；g).计算激光光斑的放大率，设CCD物镜的焦距为f、CCD光敏面与CCD物镜的距离为l、上转换板与CCD物镜之间的距离为l′，按照透镜成像公式可得：

$\frac{1}{l}+\frac{1}{l^{\′}}=\frac{1}{f}---\left(3\right)$

根据公式(3)可求出上转换板与CCD物镜之间的距离为l′；

进而，通过公式(4)求得CCD图像传感器对激光光斑的放大率T：

$T=\frac{l^{\′}}{l}---\left(4\right);$

h).获取光轴偏移夹角并校准，设光学准直系统的焦距为F,通过公式(5)计算出激光照明器的光轴相对于基准面的夹角θ：

θ＝arctan(D/TF) (5)

根据步骤e)中光斑质心相对于电十字分划中心的偏移方向和偏移角度θ，将激光照明器的光轴向相反方向移动角度θ，即可实现激光照明器的校准。

本发明的有益效果是：本发明的光轴与安装基准面平行度测试装置及方法，通过设置与安装基准面平行的且同轴设置的光学准直系统和CCD图像传感器，并在光学准直系统的焦平面上设置用于将红外激光光斑转化为CCD可识别的可见光激光光斑，有效地将CCD图像传感器采集的光斑与激光光斑对应起来，通过对可见光光斑的处理，即可获取激光光斑相对于安装基准面的偏移角度和方向，实现了对激光照明器光轴的平行度测试和校准，相对于现有的检测方法具有检测方便和经度更高的优点。

附图说明

图1为本发明的光轴与安装基准面平行度测试装置的结构示意图；

图中：1被测系统，2光学准直系统，3上转换板，4 CCD图像传感器，5图像采集卡，6计算机，7 CCD物镜，8 CCD光敏面。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的光轴与安装基准面平行度测试装置的结构示意图，其由光学准直系统2、上转换板3、CCD图像传感器4、图像采集卡5和计算机6组成，光学准直系统2的光轴与CCD图像传感器4的光轴重合，且均与激光照明器的安装基准面平行，上转换板3位于光学准直系统2的焦平面上，光学准直系统2将被测系统1发出的激光光斑聚焦至上转换板3上，CCD图像传感器4由CCD物镜7和CCD光敏面8组成。上转换板3将激光光斑由红外光转换为能被CCD探测到的可见光，经过CCD物镜7成像在CCD光敏面8上，上转换板3还将激光光斑在CCD光敏面8上停留的时间延长。转换后的激光光斑和原始的激光光斑成逐像素对应关系。经过图像采集卡5采集，将激光光斑图像信息传输到计算机6上可以进行光斑的形心、尺寸、质心技术参数的处理。

光学准直系统2采用大口径式平行光管，其有效通光孔径不小于300mm,物镜焦距为3000mm,通光孔径内光束平行度不大于5，这种设计结构保证了光学系统的成像质量。

上转换板3是一种新型的红外探测转换器件，可以将红外波段的激光转换为可见光波段的红光。同时可使光斑在CCD光敏面8上停留的时间延长，使CCD图像传感器4很容易探测到单、低频窄脉冲的激光。该器件具有量子转换效率高、红外响应时间短、室温条件下工作、热稳定性好等特点。上转换板3刻有十字分划，并与CCD图像传感器4产生的电十字分划严格对准。

在光电测量系统中，用CCD固体成像器件做接收装置，实现了测量的客观化、自动化和数字化。激光光斑在CCD光敏面8上形成光学图像，CCD图像传感器8将光学图像转换为与光强成比例的视频信号输出。图像采集卡5将信号传到计算机6上进行记录和后续处理。

检测过程中，将被测系统1置于大口径平行光管物镜前，上转换板3固定在大口径平行光管的后焦面上，上面刻有十字分划。用电视摄像机小视场十字瞄准上转换板的十字分划，并使二者重合。给CCD图像传感器4通电使之工作，打开计算机进入图像采集程序，这时应只能显示CCD的电十字分划。被测系统1发出照明激光，这时CCD图像传感器4便可采集到激光光斑的图像，并可在计算机6上记录下来。

本发明的光轴与安装基准面平行度测试装置的测试及校准方法，通过以下步骤来实现：

a).光斑图像处理，首先对CCD图像传感器获取的光斑图像进行锐化处理，然后建立光斑图形的灰度直方图，选取适当的灰度阈值P_阈值，将灰度值低于P_阈值的像素点删除，以去除激光光斑边缘不具有照明效果的昏暗部分；

b).确定光斑所在的矩形区域，对光斑图像进行行列像素的逐次扫描，求取像素点在X轴方向上的最小值X_min、最大值X_max，以及像素点在Y轴方向上的最小值Y_min、最大值Y_max，则光斑处于X＝X_min、X＝X_max、Y＝Y_min、Y＝Y_max的矩形块中；

c).求取光斑质心坐标，按照公式(1)求取光斑的质心坐标(X_质心,Y_质心)：

其中，其中，X_ij为坐标为(i,j)像素点的横坐标，Y_ij为坐标为(i,j)像素点的纵坐标；P(i,j)为坐标为(i,j)像素点的灰度值；

d).查询电十字分划的中心，从获取的光斑图像上查询电十字分划的中心的坐标，设为(X_分划,Y_分划)；

e).求激光光斑质心的偏移量，根据CCD光敏面上激光光斑对应的质心坐标(X_质心,Y_质心)，以及电十字分划的中心点坐标(X_分划,Y_分划)，通过公式(2)求出激光光斑质心的偏移量d：

偏移量d的单位为像素数；

f).计算偏移量的实际尺寸，根据CCD光敏面长度或宽度的实际尺寸，以及长度和宽度方向上的像素数，计算出每个像素的实际尺寸，进而计算出偏移量d相应的实际尺寸，设为D；

g).计算激光光斑的放大率，设CCD物镜的焦距为f、CCD光敏面与CCD物镜的距离为l、上转换板与CCD物镜之间的距离为l′，按照透镜成像公式可得：

$\frac{1}{l}+\frac{1}{l^{\′}}=\frac{1}{f}---\left(3\right)$

根据公式(3)可求出上转换板与CCD物镜之间的距离为l′；

进而，通过公式(4)求得CCD图像传感器对激光光斑的放大率T：

$T=\frac{l^{\′}}{l}---\left(4\right);$

h).获取光轴偏移夹角并校准，设光学准直系统的焦距为F,通过公式(5)计算出激光照明器的光轴相对于基准面的夹角θ：

θ＝arctan(D/TF) (5)

根据步骤e)中光斑质心相对于电十字分划中心的偏移方向和偏移角度θ，将激光照明器的光轴向相反方向移动角度θ，即可实现激光照明器的校准。

Claims (4)

1.一种光轴与安装基准面平行度测试装置，包括光学准直系统(2)、CCD图像传感器(4)、图像采集卡(5)和计算机(6)，光学准直系统的光轴与CCD图像传感器的光轴重合，并与被测系统(1)的安装基准面平行；光学准直系统对被测系统发出的激光光斑进行聚焦，CCD图像传感器由CCD物镜(7)和CCD光敏面(8)组成；其特征在于：所述光学准直系统的焦平面上设置有上转换板(3)，上转换板将激光光斑由红外光转换为能被CCD图像传感器探测到的可见光，并经CCD物镜成像在CCD光敏面上；转换后的可见光光斑与原始的红外激光光斑具有逐像素一一对应关系，图像采集卡对CCD光敏面接收的图像进行采集，并将图像信息传输至计算机上，计算机通过对光斑的处理实现对被测系统的平行度测试并校准。

2.根据权利要求1所述的光轴与安装基准面平行度测试装置，其特征在于：所述上转换板(3)上刻有十字分划，上转换板上的十字分划与CCD图像传感器产生的电十字分划严格对准，以确保转换后的光斑与原始激光光斑具有逐像素对应的关系。

3.根据权利要求1或2所述的光轴与安装基准面平行度测试装置，其特征在于：所述光学准直系统(2)采用大口径式平行光管，其有效通光孔径不小于300mm，通光孔径内光束平行度不大于5，大口径式平行光管中物镜的焦距为3000mm，以保证其成像质量。

4.一种基于权利要求1所述的光轴与安装基准面平行度测试装置的测试及校准方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).光斑图像处理，首先对CCD图像传感器获取的光斑图像进行锐化处理，然后建立光斑图形的灰度直方图，选取适当的灰度阈值P_阈值，将灰度值低于P_阈值的像素点删除，以去除激光光斑边缘不具有照明效果的昏暗部分；

b).确定光斑所在的矩形区域，对光斑图像进行行列像素的逐次扫描，求取像素点在X轴方向上的最小值X_min、最大值X_max，以及像素点在Y轴方向上的最小值Y_min、最大值Y_max，则光斑处于X＝X_min、X＝X_max、Y＝Y_min、Y＝Y_max的矩形块中；

c).求取光斑质心坐标，按照公式(1)求取光斑的质心坐标(X_质心,Y_质心)：

其中，其中，X_ij为坐标为(i,j)像素点的横坐标，Y_ij为坐标为(i,j)像素点的纵坐标；P(i,j)为坐标为(i,j)像素点的灰度值；

d).查询电十字分划的中心，从获取的光斑图像上查询电十字分划的中心的坐标，设为(X_分划,Y_分划)；

e).求激光光斑质心的偏移量，根据CCD光敏面上激光光斑对应的质心坐标(X_质心,Y_质心)，以及电十字分划的中心点坐标(X_分划,Y_分划)，通过公式(2)求出激光光斑质心的偏移量d：

偏移量d的单位为像素数；

f).计算偏移量的实际尺寸，根据CCD光敏面长度或宽度的实际尺寸，以及长度和宽度方向上的像素数，计算出每个像素的实际尺寸，进而计算出偏移量d相应的实际尺寸，设为D；

g).计算激光光斑的放大率，设CCD物镜的焦距为f、CCD光敏面与CCD物镜的距离为l、上转换板与CCD物镜之间的距离为l′，按照透镜成像公式可得：

$\frac{1}{l}+\frac{1}{l^{\′}}=\frac{1}{f}---\left(3\right)$

根据公式(3)可求出上转换板与CCD物镜之间的距离为l′；

进而，通过公式(4)求得CCD图像传感器对激光光斑的放大率T：

$T=\frac{l^{\′}}{l}---\left(4\right);$

h).获取光轴偏移夹角并校准，设光学准直系统的焦距为F,通过公式(5)计算出激光照明器的光轴相对于基准面的夹角θ：

θ＝arctan(D/TF) (5)

根据步骤e)中光斑质心相对于电十字分划中心的偏移方向和偏移角度θ，将激光照明器的光轴向相反方向移动角度θ，即可实现激光照明器的校准。