CN107505722B - 一种多自由度视场合成装调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多自由度视场合成装调方法，通过两自由度精密转台精确控制视场位置，根据给定的任意视场分割形式，使十字靶标在多个选定视场位置成像，并以十字靶标所成像为参考，利用六自由度调整架精密调整，使各探测器靶面上相应的边缘像元成像，实现探测器靶面位置的精确装调。本发明适用于各探测器视场之间存在搭接、间隔不平行等情况，可实现任意视场分割形式下的多探测器高精度装调，适用范围广。拼视场镜组口径小，不需要大型调整设备，操作简便，其既可独立成像，也可将其作为大口径红外光学系统的后置镜组，通过前置大口径无焦光学系统，间接实现大型红外光学系统的探测器视场合成。
Description
技术领域
本发明属于光电系统精密装调技术领域，具体涉及一种多自由度视场合成装调方法。
背景技术
视场和分辨率是红外光学系统的两项重要性能指标，在探测器的规模和像元尺寸一定的情况下，视场和分辨率之间存在制约关系。为了同时满足红外遥感仪器对高分辨率和大视场的要求，需要采用高分辨效率、大规模面阵红外焦平面探测器。然而，受制备工艺、成品率、成本等条件限制，大面阵红外探测器的制备还存在困难，通常的解决途径是采用多个面阵探测器进行视场合成，以满足大视场要求。
目前的探测器视场合成通常采用人工判别图像的方法：多块探测器对同一个目标的不同区域成像，使各探测器成的像可组合成一幅完整图像。这种方法不能精确控制各探测器位置，装调精度较低，并且在装调过程中需要使整个系统对全视场进行扫描，对于大口径大体积的红外光学系统，需要大型装调设备，操作十分不便，视场位置精度很难控制。此外，对于各探测器视场不重合的情况，该方法无法实现装调，适用范围窄。
申请公布号为CN105450912A的中国专利公开了一种扫描法面阵CCD探测器实时视场拼接装置及方法，该专利通过摆镜的摆扫使得分划板十字丝中心成像在两块CCD的不同位置，间接实现了整个系统在视场内扫描，通过调整探测器使十字丝中心成像在特定像元上，实现两块探测器拼接。该方法仅适用于探测器视场平行排布的系统，并且需要精确计算像元位置，不便于实际操作。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中装调精度低、适用范围窄、操作不便捷等不足，提出一种装调精度高、适用范围广、操作简便的多自由度视场合成装调方法，并且可适用于大口径光学系统以及任意探测器视场分割形式。
一种视场合成装调方法，包括如下步骤：
步骤1、采用红外光源(1)、十字靶标(2)和平行光管(3)顺次布置；拼视场镜组(8)置于所述平行光管(3)的出射光路中；其中，拼视场镜组(8)包括接收平行光管(3)出射光线的小孔径镜头(13)以及将小孔径镜头(13)的出光分割成两路，并分别反射到两个不同方向的两个分光反射镜；两个分光反射镜分别定义为第一分光反射镜(9)和第二分光反射镜(14)；将基板(4)固定在两自由度转台(5)上；拼视场镜组(8)固定在基板(4)上；两个红外探测器各通过一个六自由度调整架安装在基板(4)上，并分别布置在两个分光反射镜的反射光路中，用于分别探测被分光反射镜分割后的视场；其中，第一分光反射镜(9)光路中对应的是第一红外探测器(7)和第一六自由度调整架(6)；第二分光反射镜(14)光路中对应的是第二红外探测器(10)和第二六自由度调整架(11)；
步骤2、确定装调目标：设两个红外探测器在俯仰方向视场搭接角度为α°，对应搭接像元为k个，两个红外探测器在方位方向视场间隔角度为β°；
步骤3、通过调整两自由度转台(5)，使拼视场镜组(8)光轴与平行光管(3)的光轴平行，完成中心视场校准；然后，通过两自由度转台(5)沿俯仰和方位方向上的转动，控制拼视场镜组(8)摆扫视场不同位置，使十字靶标(2)在两个红外探测器上成完整像，通过两个六自由度调整架分别调整对应的红外探测器姿态，使两个探测器靶面与各自所在光路的焦平面重合；
步骤4、使拼视场镜组(8)指向中心视场，然后令两自由度转台(5)在俯仰方向上旋转-α/2°，通过第二六自由度调整架(11)控制第二红外探测器(10)平移，使第二红外探测器(10)上边缘一行像元清晰成像；然后令两自由度转台(5)在方位方向上旋转β/2°，通过第二六自由度调整架(11)控制第二红外探测器(10)平移，使第二红外探测器(10)左侧边缘一列像元清晰成像；使拼视场镜组(8)回到中心视场；
步骤5、令两自由度转台(5)在俯仰方向上旋转α/2°，通过第一六自由度调整架(6)控制第一红外探测器(7)平移，使第一红外探测器(7)下边缘一行像元清晰成像；然后令两自由度转台(5)在方位方向上旋转-β/2°，通过第一六自由度调整架(6)控制第一红外探测器(7)平移，使第一红外探测器(7)右侧边缘一列像元清晰成像，使拼视场镜组(8)回到中心视场；
步骤6、将两个红外探测器按照当前姿态固定安装到基板(4)上，并拆除两个六自由度调整架，完成拼视场镜组(8)与两个探测器的装调。
进一步的，将拼视场镜组(8)作为后置镜组，将其与调整好后的两个红外探测器整体安装到前置大口径无焦光学系统(12)之后，使拼视场镜组(8)与大口径无焦光学系统(12)的光轴重合，即实现大口径红外光学系统的红外探测器视场合成。
较佳的，拼视场镜组(8)上设置与系统光轴垂直的基准平面，用以校准系统的中心视场。
较佳的，十字靶标(2)的狭缝宽度满足：十字靶标(2)在红外探测器靶面上所成的像刚好占据一行像元和一列像元。
较佳的，在所述步骤4中，调整使得第二红外探测器(10)左侧边缘一列像元清晰成像的过程中保持上边缘行像元上的成像位置不变。
较佳的，在所述步骤5中，调整使得第一红外探测器(7)右侧边缘一列像元清晰成像的过程中保持下边缘行像元上的成像位置不变。
本发明具有如下有益效果：
本发明通过两自由度精密转台精确控制视场位置，根据给定的任意视场分割形式，使十字靶标在多个选定视场位置成像，并以十字靶标所成像为参考，利用六自由度调整架精密调整，使各探测器靶面上相应的边缘像元成像，实现探测器靶面位置的精确装调。本发明适用于各探测器视场之间存在搭接、间隔不平行等情况，可实现任意视场分割形式下的多探测器高精度装调，适用范围广。拼视场镜组口径小，不需要大型调整设备，操作简便，其既可独立成像，也可将其作为大口径红外光学系统的后置镜组，通过前置大口径无焦光学系统，间接实现大型红外光学系统的探测器视场合成。
附图说明
图1是多自由度视场合成装调装置总体示意图。
图2是本发明优选实施例的视场分割情况示意图。
图3是本发明优选实施例的视场合成装调过程示意图。
图4是包含前置光学系统的大口径拼视场红外光学系统示意图。
其中，1-红外光源，2-十字靶标，3-平行光管，4-基板，5-两自由度转台，6-第一六自由度调整架，7-第一红外探测器，8-拼视场组镜，9-第一分光反射镜，10-第二红外探测器，11-第二六自由度调整架，12-大口径无焦光学系统，13-小孔径镜头，14-第二分光反射镜。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，是多自由度视场合成装调装置总体示意图，包括红外光源1、十字靶标2、平行光管3、基板4、两自由度精密转台5、六自由度调整架6、面阵红外探测器7、拼视场镜组8、分光反射镜9、面阵红外探测器10和六自由度调整架11。拼视场镜组8包括小孔径镜头13和两个分光反射镜9。两个分光反射镜9将小孔径镜头13的出光分割成两路，并分别反射到两个不同的方向；红外光源1、十字靶标2、平行光管3顺次布置，并连同两自由度精密转台5固定于光学平台上；基板4固定在两自由度精密转台5上，可实现全视场扫描；视场镜组8固定在基板4，其中的小孔径镜头接收平行光管的出光；两个红外探测器各通过一个六自由度调整架安装在基板4上，并分别布置在两个分光反射镜9的反射光路中，用于分别探测被分光反射镜9分割后的视场；六自由度调整架实现红外探测器7和10相对于拼视场镜组8的六自由度调整。拼视场镜组8上设计有与系统光轴垂直的基准平面，用以校准系统的中心视场。十字靶标2的狭缝宽度根据拼视场镜组8和探测器7和10的具体参数选取，使其仅在探测器靶面的一行和一列像元上成像，即狭缝的宽度等于红外探测器的一个像元的高度。
本实施例采用双面阵红外探测器进行视场合成，其视场分割情况如图2所示，左上角矩形表示探测器7成像区域，右下角矩形表示探测器10成像区域。单个探测器靶面视场为m°×n°，两个探测器在俯仰方向视场搭接α°，对应搭接像元为k个，方位方向视场间隔β°，系统总视场为A°×B°。α和β的取值根据具体光学系统参数调整，以对应不同的视场分割形式
下面对多自由度视场合成装调的方法进行详细介绍：
步骤一：利用拼视场镜组8上的基准平面，通过调整两自由度精密转台5，使拼视场镜组8光轴与平行光管3的光轴平行，完成中心视场校准。然后，通过两自由度精密转台5沿俯仰和方位方向上的转动，控制拼视场镜组8中摆扫视场不同位置，使十字靶标2在红外探测器7上成完整像，采用传统的单块红外探测器装调方法，通过六自由度调整架6调整红外探测器7姿态，使探测器7靶面都与光学系统焦平面重合；同理，使十字靶标2在红外探测器10上成完整像，采用传统的单块红外探测器装调方法，通过六自由度调整架11调整红外探测器10姿态，使探测器10靶面都与光学系统焦平面重合。
步骤二：结合图3，首先使拼视场镜组8指向中心视场，然后令两自由度精密转台5在俯仰方向上旋转-α/2°，即十字靶标2在焦平面上所成像向上平移α/2°，通过六自由度调整架11控制红外探测器10平移，使红外探测器10上边缘一行像元清晰成像，如图3(a)所示；然后令两自由度精密转台5在方位方向上旋转β/2°，同样通过六自由度调整架11控制红外探测器10平移，使红外探测器10左侧边缘一列像元清晰成像，如图3(b)所示，调整过程中注意保持上边缘行像元上的成像位置，至此完成面阵红外探测器10的调整。
使拼视场镜组8回到中心视场，观察十字靶标2在探测器10上的成像位置，其应在距上边缘第k/2行像元成像。
步骤三、令两自由度精密转台5在俯仰方向上旋转α/2°，即十字靶标2在焦平面上所成像向下平移α/2°，通过六自由度调整架6控制红外探测器7平移，使红外探测器7下边缘一行像元清晰成像，如图3(c)所示；然后令两自由度精密转台5在方位方向上旋转-β/2°，同样通过六自由度调整架6控制红外探测器7平移，使红外探测器7右侧边缘一列像元清晰成像，如图3(d)所示，调整过程中注意保持下边缘行像元上的成像位置，至此完成面阵红外探测器7的调整。
使拼视场镜组8回到中心视场，观察十字靶标2在探测器7上的成像位置，其应在距下边缘第k/2行像元成像。
步骤四：完成上述装调过程后，将探测器7和10通过垫片固定安装到基板4上，并拆除六自由度调整架6和六自由度调整架11，完成拼视场镜组8与探测器7和10的装调。
拼视场镜组8口径较小，不需要大型调整设备即可实现高精度装调。
如图4所示，针对大口径红外光学系统的探测器视场合成需求，可将拼视场镜组8作为后置镜组，将其与调整好后的探测器7和10整体安装到前置大口径无焦光学系统12之后，使拼视场镜组8与大口径无焦光学系统12的光轴重合，即实现大口径红外光学系统的探测器视场合成。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种视场合成装调方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、采用红外光源(1)、十字靶标(2)和平行光管(3)顺次布置；拼视场镜组(8)置于所述平行光管(3)的出射光路中；其中，拼视场镜组(8)包括接收平行光管(3)出射光线的小孔径镜头(13)以及将小孔径镜头(13)的出光分割成两路，并分别反射到两个不同方向的两个分光反射镜；两个分光反射镜分别定义为第一分光反射镜(9)和第二分光反射镜(14)；将基板(4)固定在两自由度转台(5)上；拼视场镜组(8)固定在基板(4)上；两个红外探测器各通过一个六自由度调整架安装在基板(4)上，并分别布置在两个分光反射镜的反射光路中，用于分别探测被分光反射镜分割后的视场；其中，第一分光反射镜(9)光路中对应的是第一红外探测器(7)和第一六自由度调整架(6)；第二分光反射镜(14)光路中对应的是第二红外探测器(10)和第二六自由度调整架(11)；
步骤2、确定装调目标：设两个红外探测器在俯仰方向视场搭接角度为α°，对应搭接像元为k个，两个红外探测器在方位方向视场间隔角度为β°；
步骤3、通过调整两自由度转台(5)，使拼视场镜组(8)光轴与平行光管(3)的光轴平行，完成中心视场校准；然后，通过两自由度转台(5)沿俯仰和方位方向上的转动，控制拼视场镜组(8)摆扫视场不同位置，使十字靶标(2)在两个红外探测器上成完整像，通过两个六自由度调整架分别调整对应的红外探测器姿态，使两个红外探测器靶面与各自所在光路的焦平面重合；
步骤4、使拼视场镜组(8)指向中心视场，然后令两自由度转台(5)在俯仰方向上旋转-α/2°，通过第二六自由度调整架(11)控制第二红外探测器(10)平移，使第二红外探测器(10)上边缘一行像元清晰成像；然后令两自由度转台(5)在方位方向上旋转β/2°，通过第二六自由度调整架(11)控制第二红外探测器(10)平移，使第二红外探测器(10)左侧边缘一列像元清晰成像；使拼视场镜组(8)回到中心视场；
步骤5、令两自由度转台(5)在俯仰方向上旋转α/2°，通过第一六自由度调整架(6)控制第一红外探测器(7)平移，使第一红外探测器(7)下边缘一行像元清晰成像；然后令两自由度转台(5)在方位方向上旋转-β/2°，通过第一六自由度调整架(6)控制第一红外探测器(7)平移，使第一红外探测器(7)右侧边缘一列像元清晰成像，使拼视场镜组(8)回到中心视场；
步骤6、将两个红外探测器按照当前姿态固定安装到基板(4)上，并拆除两个六自由度调整架，完成拼视场镜组(8)与两个红外探测器的装调。
2.如权利要求1所述的一种视场合成装调方法，其特征在于，将拼视场镜组(8)作为后置镜组，将其与调整好后的两个红外探测器整体安装到前置大口径无焦光学系统(12)之后，使拼视场镜组(8)与大口径无焦光学系统(12)的光轴重合，即实现大口径红外光学系统的红外探测器视场合成。
3.如权利要求1所述的一种视场合成装调方法，其特征在于，十字靶标(2)的狭缝宽度满足：十字靶标(2)在红外探测器靶面上所成的像刚好占据一行像元和一列像元。
4.如权利要求1所述的一种视场合成装调方法，其特征在于，在所述步骤4中，调整使得第二红外探测器(10)左侧边缘一列像元清晰成像的过程中保持上边缘一行像元上的成像位置不变。
5.如权利要求1所述的一种视场合成装调方法，其特征在于，在所述步骤5中，调整使得第一红外探测器(7)右侧边缘一列像元清晰成像的过程中保持下边缘一行像元上的成像位置不变。
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