CN106060354A - 一种双大面阵高帧频数字ccd摄像装置 - Google Patents

一种双大面阵高帧频数字ccd摄像装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，属于光电成像技术领域。该装置包含：摄像物镜组、分光棱镜、图像调校机构以及两个大面阵数字CCD器件。分光棱镜将进入光学系统的光束等分为两路光束分别进入两个大面阵数字CCD器件。图像重合调校系统保证两组CCD图像重合。两个大面阵数字CCD器件通过后续的图像采集时序控制系统控制两个大面阵数字CCD的曝光时刻，实现大面阵高帧频图像输出。本发明具有结构简单、调试方便、可靠性高等优点。

Description

一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置
技术领域
本发明属于光电探测领域，具体为一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，主要应用于光电跟踪系统对高速小目标的探测，也可应用于对小目标高速变化过程细节分析等。
背景技术
CCD摄像机作为光电侦察探测系统的必要组成部分，通常用于对目标的跟踪和监测。随着CCD成像器件技术的发展，大面阵数字CCD的应用越来越多，大面阵数字CCD的应用对提高探测分辨力、扩大探测视场的贡献十分明显，但是大面阵、超大面阵数字CCD的输出帧频偏低，难以适应光电探测系统对高速变化目标的探测和高帧频输出的要求。
发明内容
为了提高大面阵数字CCD的输出帧频，可以通过两个或多个大面阵数字CCD组成的摄像系统提高探测帧频。双大面阵数字CCD摄像系统的应用不仅可以提高对高速变化目标的探测能力，也能保障探测目标时捕捉目标的视场要求。
对于双大面阵数字CCD实现高帧频探测而言，采用分光棱镜将摄像物镜入射光分为两路射出，两路出射光光能均为入射光的一半，它们分别成像于两个双大面阵数字CCD靶面上。两个大面阵数字CCD通过时序的控制分别感光成像，按照大面阵数字CCD输出频率的特征，两个大面阵数字CCD感光时序相差单个大面阵数字CCD输出帧频时间的一半，通过图像采集时序控制系统采集不同大面阵数字CCD的图像，并按高帧频时序输出图像，实现大面阵高帧频图像输出。
单个大面阵数字CCD输出帧频限制了对高速变化目标细节信息的获取，通过两个或多个大面阵数字CCD和图像采集时序控制系统组成的摄像系统可以依据不同的需求，实现目标探测细节的高帧频图像输出。
采用两个或多个大面阵数字CCD组成的摄像系统实现高帧频图像输出时，为了减小两个CCD成像位置误差造成的图像移动闪烁，除了对各CCD曝光时刻、输出时序进行控制外，还采用高精度的图像调校机构来减小两个CCD对同一外界图像成像位置的偏差，保证摄像机图像稳定无偏差输出。
综上，为了解决单一的大面阵数字CCD输出帧频低，不能满足对高速变化目标细节信息探测要求的问题，本发明提出了一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置。
本发明的技术方案为：
所述一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：包括安装框架(2)、用于成像的摄影物镜组(1)、分光棱镜(3)、图像调校机构(5)、第一大面阵数字CCD(6a)和第一大面阵数字CCD(6b)；摄影物镜组(1)、分光棱镜(3)、图像调校机构(5)、第一大面阵数字CCD(6a)和第二大面阵数字CCD(6b)均固定安装在安装框架(2)中；
目标的成像光束从摄影物镜组(1)输入，从摄影物镜组(1)输入的光束经分光棱镜(3)后分为两路，一路分光经图像调校机构(5)后会聚在第二大面阵数字CCD(6b)的靶面上，另一路分光会聚在第一大面阵数字CCD(6a)的靶面上；第一大面阵数字CCD(6a)和第二大面阵数字CCD(6b)的靶面与摄影物镜组(1)的光学成像靶面重合；
所述图像调校机构(5)包含两组光楔组件，每组光楔组件包括一个固定光楔和一个活动光楔，活动光楔能够受控绕图像调校机构(5)中心轴向转动；第一光楔组件(8)的光楔角方向与图像调校机构(5)中心轴向平行，第二光楔组件(10)的光楔角方向与第一光楔组件(8)的光楔角方向垂直。
进一步的优选方案，所述一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：所述图像调校机构(5)还包括支架(13)、两个调校螺环、压圈(12)和两个止螺；支架(13)由连接法兰盘(13-1)和垂直于连接法兰盘(13-1)端面的两根突起杆(13-2)组成；两根突起杆(13-2)的外侧面为螺纹圆弧面，能够与压圈的内螺纹配合；两组光楔组件沿支架(13)的轴向依次安装在支架(13)上，其中固定光楔的支撑框上有限位槽与支架(13)的两根突起杆配合，约束固定光楔的轴向转动，活动光楔的支撑框外表面带有螺纹，并与套在支架(13)两根突起杆上的调校螺环螺纹配合，且活动光楔的支撑框不与支架(13)的两根突起杆发生干涉；压圈以及连接法兰盘(13-1)将两个调校螺环轴向约束，止螺将调校螺环紧固。
进一步的优选方案，所述一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：每组光楔组件中固定光楔和活动光楔的楔角均为2°。
进一步的优选方案，所述一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：活动光楔的支撑框外表面螺纹与调校螺环的螺距相等且均等于0.5mm。
进一步的优选方案，所述一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：分光棱镜(3)为两个直角棱镜粘接成的立方棱镜。
进一步的优选方案，所述一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：所述安装框架(2)带有第一镜筒(2-1)、第二镜筒(2-2)和第三镜筒(2-3)，第一镜筒(2-1)与第三镜筒(2-3)的轴线相互平行，第三镜筒(2-3)与第二镜筒(2-2)的轴线垂直；摄影物镜组(1)安装在第一镜筒(2-1)中，分光棱镜(3)位于摄影物镜组(1)之后，固定在第一镜筒(2-1)的立方棱镜框中；在第二镜筒(2-2)和第三镜筒(2-3)之间设置有直角反光镜(4)；分光棱镜(3)的一路分光经直角反光镜(4)折转经第三镜筒(2-3)会聚在第一大面阵数字CCD(6a)的靶面上。
有益效果
本发明中的整体技术效果体现在以下几个方面。
(一)本发明优选通过一个复合分光立方棱镜和一个直角反光镜的组合，实现了两个大面阵数字CCD对同一局域图像信息的摄取。通过后续的图像采集时序控制系统，控制两个大面阵数字CCD在不同时刻曝光，同时将光学图像转换成电子图像信息，并分时交叉采集两个大面阵数字CCD电子图像信息，实现大面阵数字CCD摄像系统输出帧频倍增的效果。
(二)本发明采用含有两组光楔组成的图像调校机构，光楔的轴向移动可以控制图像的成像位置。两组光楔组件分别调控第二大面阵数字CCD(6b)图像的水平方向成像位置和垂直方向成像位置。通过调校光楔实现两个大面阵数字CCD对同一局域图像成像的高精度重合，克服两个大面阵数字CCD成像位置的误差造成的图像显示中的移动闪烁现象。
附图说明
图1：本发明实施例的结构示意图；
图2：本发明实施例中安装框架的结构示意图；
图3：本发明实施例的光学原理图；
图4：本发明实施例的图像调校机构组成示意图；
图5：本发明实施例中图像调校机构的支架示意图；
图6：本发明实施例中第一光楔组件中固定光楔的示意图；
图7：本发明实施例中第二光楔组件中固定光楔的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
如图1所示，本发明提出的双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其优选实施例包括用于成像的摄影物镜组1、安装框架2、复合分光立方棱镜3、直角反光镜4、含有两对双光楔组件的图像调校机构5、第一大面阵数字CCD6a、第二大面阵数字CCD6b。用于成像的摄影物镜组1、复合分光立方棱镜3、直角反光镜4、含有两对双光楔组件的图像调校机构5、第一大面阵数字CCD6a、第二大面阵数字CCD6b均固定安装在安装框架2中。
如图2所示，安装框架2为异形结构体，安装框架2上带有第一镜筒2-1、第二镜筒2-2和第三镜筒2-3，其中第一镜筒2-1与第三镜筒2-3的轴线相互平行，第三镜筒2-3与第二镜筒2-2的轴线垂直；第一镜筒2-1、第三镜筒2-3、光束入射端方向一致。摄影物镜组1安装在第一镜筒2-1的前端即光束入射端。分光棱镜3为两个直角棱镜粘接成的立方棱镜，分光棱镜3位于第一镜筒内摄影物镜组1之后，按图示方向粘接在第一镜筒的立方棱镜框中。直角反光镜4安装在分光棱镜左侧第二镜筒2-2与第三镜筒2-3之间，按图示方向粘接在第二镜筒与第三镜筒的平面上。含有两对双光楔组件的图像调校机构5安装在分光棱镜下方的2-6安装面上，第一大面阵数字CCD6a安装在第一大面阵数字CCD安装平面2-4上。第二大面阵数字CCD6b安装在第一大面阵数字CCD安装平面2-5上。
如图3所示，本发明的成像原理是，目标的成像光束从摄影物镜组1输入，从摄影物镜组1输入的光束经分光棱镜3的分光面A分光后，一半光能透过分光面A后经含有两对双光楔组件的图像调校机构5会聚在第二大面阵数字CCD6b的靶面上，另一半光能经分光面A反射经第二镜管2-2，进入直角反光镜4的反光面B转折经第三镜管2-3会聚在第一大面阵数字CCD6a的靶面上。
调整第一大面阵数字CCD6a、第二大面阵数字CCD6b的靶面与摄影物镜组1的光学成像靶面重合。通过后续的图像采集时序控制系统交叉采集第一大面阵数字CCD6a与第二大面阵数字CCD6b的数字图像信息，并输出高帧频的数字图像。
如图4所示，图像调校机构5包含两组光楔组件，还包括支架13、两个调校螺环、压圈12和两个止螺。每组光楔组件包括一个固定光楔和一个活动光楔，固定光楔和活动光楔的楔角均为2°。根据图5所示，支架13由连接法兰盘13-1和垂直于连接法兰盘13-1端面的两根突起杆13-2组成；两根突起杆13-2的外侧面为螺纹圆弧面，能够与压圈的内螺纹配合，其余三个面为平面且内侧面与连接法兰盘13-1的轴线平行。两组光楔组件沿支架13的轴向依次安装在支架13上，其中固定光楔的支撑框上有限位槽与支架13的两根突起杆配合，约束固定光楔的轴向转动。活动光楔的支撑框外表面带有螺纹，并与套在支架(13)两根突起杆上的调校螺环螺纹配合，本实施例中，活动光楔的支撑框外表面螺纹与调校螺环的螺距相等且均等于0.5mm。且活动光楔的支撑框不与支架(13)的两根突起杆发生干涉，实现调校螺环能够带动活动光楔转动。第一光楔组件(8)的光楔角方向与图像调校机构(5)中心轴向平行，第二光楔组件(10)的光楔角方向与第一光楔组件(8)的光楔角方向垂直。压圈以及连接法兰盘13-1将两个调校螺环轴向约束，止螺将调校螺环紧固。
本发明优选实施例的调整方法如下：
将安装调试合格的双大面阵高帧频数字CCD摄像装置光机部分放在带有方格图案的平行光管前，并将第一大面阵数字CCD6a、第二大面阵数字CCD6b通过电缆与后续的图像采集时序控制系统相连，图像采集时序控制系统与显示器相连。调节分三步进行。
第一步，先调整第一大面阵数字CCD6a安装位置：通过精调第一大面阵数字CCD6a位置，使其第一大面阵数字CCD6a对平行光管输出的图像在显示器上成像清晰，靶面中心与平行光管的中心对正满足一定的精度要求。
第二步，调整第二大面阵数字CCD6b安装位置：调整第二大面阵数字CCD6b前先将含有两对双光楔组件的图像调校机构中的两个调校螺环置于可调校范围的中间位置，并用两个止螺分别预紧，通过精调第二大面阵数字CCD6b安装位置，使其第二大面阵数字CCD6b对平行光管输出的图像在显示器上成像清晰，靶面中心、靶面倾斜与第一大面阵数字CCD6a基本一致(误差小于2个像素)。
第三步，第一大面阵数字CCD6a与第二大面阵数字CCD6b图像一致性调整，通过后续的图像采集时序控制系统交叉采集第一大面阵数字CCD 6a与第二大面阵数字CCD 6b产生的数字图像信息，并通过图像采集时序控制系统输出高帧频的数字图像，观察监视器屏幕上的图像是否有重影、模糊、闪烁现象，如果出现横线重影、模糊或闪烁现象，松开与第一光楔组件8连接的调校螺环上的止螺，通过转动调校螺环使第一光楔组件8的活动光楔前后移动，直至横线图像正常，如果出现竖线重影、模糊或闪烁现象，松开与第二光楔组件10连接的调校螺环上的止螺，通过转动调校螺环使第二光楔组件10的活动光楔前后移动，直至竖线图像正常。

Claims (6)

1.一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：包括安装框架(2)、用于成像的摄影物镜组(1)、分光棱镜(3)、图像调校机构(5)、第一大面阵数字CCD(6a)和第一大面阵数字CCD(6b)；摄影物镜组(1)、分光棱镜(3)、图像调校机构(5)、第一大面阵数字CCD(6a)和第二大面阵数字CCD(6b)均固定安装在安装框架(2)中；
目标的成像光束从摄影物镜组(1)输入，从摄影物镜组(1)输入的光束经分光棱镜(3)后分为两路，一路分光经图像调校机构(5)后会聚在第二大面阵数字CCD(6b)的靶面上，另一路分光会聚在第一大面阵数字CCD(6a)的靶面上；第一大面阵数字CCD(6a)和第二大面阵数字CCD(6b)的靶面与摄影物镜组(1)的光学成像靶面重合；
所述图像调校机构(5)包含两组光楔组件，每组光楔组件包括一个固定光楔和一个活动光楔，活动光楔能够受控绕图像调校机构(5)中心轴向转动；第一光楔组件(8)的光楔角方向与图像调校机构(5)中心轴向平行，第二光楔组件(10)的光楔角方向与第一光楔组件(8)的光楔角方向垂直。
2.根据权利要求1所述一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：所述图像调校机构(5)还包括支架(13)、两个调校螺环、压圈(12)和两个止螺；支架(13)由连接法兰盘(13-1)和垂直于连接法兰盘(13-1)端面的两根突起杆(13-2)组成；两根突起杆(13-2)的外侧面为螺纹圆弧面，能够与压圈的内螺纹配合；两组光楔组件沿支架(13)的轴向依次安装在支架(13)上，其中固定光楔的支撑框上有限位槽与支架(13)的两根突起杆配合，约束固定光楔的轴向转动，活动光楔的支撑框外表面带有螺纹，并与套在支架(13)两根突起杆上的调校螺环螺纹配合，且活动光楔的支撑框不与支架(13)的两根突起杆发生干涉；压圈以及连接法兰盘(13-1)将两个调校螺环轴向约束，止螺将调校螺环紧固。
3.根据权利要求1所述一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：每组光楔组件中固定光楔和活动光楔的楔角均为2°。
4.根据权利要求2所述一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：活动光楔的支撑框外表面螺纹与调校螺环的螺距相等且均等于0.5mm。
5.根据权利要求1所述一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：分光棱镜(3)为两个直角棱镜粘接成的立方棱镜。
6.根据权利要求1所述一种双大面阵高帧频数字CCD摄像装置，其特征在于：所述安装框架(2)带有第一镜筒(2-1)、第二镜筒(2-2)和第三镜筒(2-3)，第一镜筒(2-1)与第三镜筒(2-3)的轴线相互平行，第三镜筒(2-3)与第二镜筒(2-2)的轴线垂直；摄影物镜组(1)安装在第一镜筒(2-1)中，分光棱镜(3)位于摄影物镜组(1)之后，固定在第一镜筒(2-1)的立方棱镜框中；在第二镜筒(2-2)和第三镜筒(2-3)之间设置有直角反光镜(4)；分光棱镜(3)的一路分光经直角反光镜(4)折转经第三镜筒(2-3)会聚在第一大面阵数字CCD(6a)的靶面上。
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