CN109029921B - 用于多传感器光电设备调焦调轴的目标模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多传感器光电设备调焦调轴的目标模拟器，包括：多波段发射光学系统、靶标、分光组件、各波段照明光学系统及各波段光源组件；所述各波段光源组件发出的光源经过对应的波段照明光学系统后形成对应波段的照明光束；各波段的照明光束通过所述分光组件照射到所述靶标上；穿过所述靶标的各波段光束经由所述多波段发射光学系统反射出去。本发明能够为多传感器光电设备的焦距调节和光轴一致性调试提供公共基准。

Description

用于多传感器光电设备调焦调轴的目标模拟器

技术领域

本发明涉及目标模拟器仿真技术领域，尤其涉及一种用于多传感器光电设备调焦调轴的目标模拟器。

背景技术

随着科技发展，多传感器光电设备的应用越来越广泛。例如：中波红外/长波红外/激光等不同波段的复合光电设备。该光电设备与传统的单模式光电设备相比，具有如下优点：第一、可以利用红外探测获得较远的作用距离、较大的搜索视场，获取目标的不同光谱信息。第二、减少干扰和降低虚警率等。第三、利用激光进行测距,可以获得目标的距离信息。在未来环境越来越复杂的情况下，对多传感器光电设备的调焦性能、各波段光学系统的光轴一致性的要求越来越高。

目前对目标模拟器也开展了一些研究，但是只局限于对导引头系统的仿真测试技术。在面对多波段传感器光电设备时，无法为其提供调焦和调轴基准，因此也无法保证多传感器光电设备的调焦性能和各波段光学系统的光轴一致性等。

发明内容

本发明目的是提供一种用于多传感器光电设备调焦调轴的目标模拟器，能够为多传感器光电设备的焦距调节和光轴一致性调试提供公共基准。

本发明提供一种用于多传感器光电设备调焦调轴的目标模拟器，包括：多波段发射光学系统、靶标、分光组件、各波段照明光学系统及各波段光源组件；

所述各波段光源组件发出的光源经过对应的波段照明光学系统后形成对应波段的照明光束；

各波段的照明光束通过所述分光组件照射到所述靶标上；

穿过所述靶标的各波段光束经由所述多波段发射光学系统反射出去。

可选地，本发明所述目标模拟器中，所述各波段包括如下波段中的至少两种：红外光、激光、可见光。

可选地，本发明所述目标模拟器中，所述目标模拟器还包括：激光接收光学系统及探测器组件；

所述多波段发射光学系统还用于接收光电设备发射的激光光束；

所述激光光束依次经过所述靶标、所述分光组件进入所述激光接收光学系统；

所述激光接收光学系统将所述激光光束会聚在所述探测器组件上。

可选地，本发明所述目标模拟器中，当各波段包括激光时，所述目标模拟器还包括滤光片，所述滤光片设置在激光照明光路中的任意位置，用于降低激光能量。

可选地，本发明所述目标模拟器中，所述靶标的靶标面板上设有可见和红外调焦用靶标、可见和红外调轴用靶标、以及激光调轴用靶标；

所述可见和红外调焦用靶标、可见和红外调轴用靶标以及激光调轴用靶标在所述靶标面板上构成同心圆。

可选地，本发明所述目标模拟器中，所述激光调轴用靶标包括中心孔和多个扇形开孔，所述中心孔设置在所述靶标面板的中心，所述多个扇形开孔以所述中心孔为中心对称均匀分布。

可选地，本发明所述目标模拟器中，所述可见和红外调轴用靶标包括多个轴对称的多边形靶标，多个所述多边形靶标以所述靶标面板的中心对称均匀分布。

可选地，本发明所述目标模拟器中，所述可见和红外调焦用靶标包括一个或多个对焦靶。

可选地，本发明所述目标模拟器中，当有一个波段的光源组件发出光源时，其他波段的光源组件处于关闭状态；

当所述多波段发射光学系统接收光电设备发射的激光光束时，所述各波段光源组件均处于关闭状态。

可选地，本发明所述目标模拟器中，所述各波段照明光学系统及各波段光源组件共孔径。

本发明的有益效果：根据本发明提出的用于多传感器光电设备调焦调轴的目标模拟器，该目标模拟器实现了中波红外、长波红外、激光、可见光等多波段复合并共孔径，集成度高，结构紧凑、小巧便携。且能够为多传感器光电设备的焦距调节和光轴一致性调试提供公共基准，大大简化了各种多传感器光电设备的焦距调节、各波段光学系统光轴一致调试等装调过程，便于后续自动化扩展。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明目标模拟器的结构示意图；

图2是本发明目标模拟器中靶标的结构示意图；

图3是示例一中目标模拟器的结构示意图；

图4是示例一中多波段发射光学系统和靶标的示意图；

图5是示例一中多波段发射光学系统调制传递函数MTF图；

图6是示例一中红外照明光学系统的示意图；

图7是示例一中激光照明光学系统的示意图；

图8是示例一中激光接收光学系统的示意图；

图9是示例一中激光接收光学系统调制传递函数MTF图；

图10是示例一中以黑体辐射红外光线开始的光路光线走向示意图；

图11是示例一中以激光光源开始的光路光线走向示意图；

图12是示例一中以光电设备发出的激光开始的光路光线走向示意图；

图13是示例二中目标模拟器的示意图；

图14是示例二中可见光照明光学系统的示意图。

附图中：1为多波段发射光学系统，2为靶标，2-1为中心孔，2-2为激光调轴用靶标，2-3为可见和红外调轴用靶标，2-4为可见和红外调焦用靶标，3为红外\激光\可见光分光组件，4为红外照明光学系统及其光源组件，5为激光分光组件，6为激光照明光学系统及激光光源组件，7为可见光照明光学系统及其光源组件，8为激光接收光学系统及探测器组件,9为红外/激光分光组件,10为激光/可见光分光组件。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在本发明的第一实施例中，提供一种用于多传感器光电设备调焦调轴的目标模拟器，参见图1所示，包括：多波段发射光学系统1、靶标2、分光组件、各波段照明光学系统及各波段光源组件；

所述各波段光源组件发出的光源经过对应的波段照明光学系统后形成对应波段的照明光束；

各波段的照明光束通过所述分光组件照射到所述靶标2上；

穿过所述靶标2的各波段光束经由所述多波段发射光学系统1反射出去。

本实施例中，所述多波段发射光学系统1由主镜、次镜，其中主镜为抛物面，次镜为非球面，主镜与次镜组成卡塞格林系统，所述主镜、次镜可以采用玻璃、铝合金等材质制作加工。

所述靶标2位于多波段发射光学系统的卡塞格林结构焦面位置，各波段能量照射靶标后，由多波段发射光学系统发射出去供光电设备接收使用。

本实施例中，参见图2所示，所述靶标2的靶标面板上设有可见和红外调焦用靶标2-4、可见和红外调轴用靶标2-3、以及激光调轴用靶标2-2；所述可见和红外调焦用靶标2-4、可见和红外调轴用靶标2-3以及激光调轴用靶标2-2在所述靶标面板上构成同心圆。

所述激光调轴用靶标2-2包括中心孔2-1和多个扇形开孔，所述中心孔2-1设置在所述靶标面板的中心，所述多个扇形开孔以所述中心孔为中心对称均匀分布。本实施例中，设有四个以所述中心孔为中心对称均匀分布的扇形开孔。

所述可见和红外调轴用靶标2-3包括多个轴对称的多边形靶标，多个所述多边形靶标以所述靶标面板的中心对称均匀分布。所述多边形靶标可以是正四边形、正五边形、正六边形、正八边形等多边形。由于正六边形或正八边形的棱角比较分明，进一步便于在调试时分辨。对于多边形靶标的个数不作进一步地限制。本实施例中，所述可见和红外调轴用靶标2-3设有四个以靶标面板的中心对称均匀分布的多边形靶标。

所述可见和红外调焦用靶标2-4包括一个或多个对焦靶。对于采用一个或多个焦靶可以根据需要自行选择，不作限制，且该焦靶可以是棋盘格图案、四杆靶、十字靶或其他靶标。本实施例中，所述可见和红外调焦用靶标2-4上设有四个沿圆周均匀的焦靶。

所述各波段包括如下波段中的至少两种：红外光、激光、可见光。对于各波段为红外光、激光、可见光的任意两种组合本实施例不作进制。

各波段照明光学系统及各波段光源组件可以是激光照明光学系统及激光光源组件6、可见光照明光学系统及其光源组件7、红外照明光学系统及其光源组件4的其中任意两种组合，或者三种组合。具体的本实施例，包括激光照明光学系统及激光光源组件6、可见光照明光学系统及其光源组件7、红外照明光学系统及其光源组件4。

所述激光照明光学系统由一组扩束透镜构成，激光光源组件为激光二极管或激光器。

所述可见光照明光学系统由一组透镜组构成，可见光光源组件为卤素灯或发光二极管。

所述红外照明光学系统为中、长波红外双波段复合系统，包含一组会聚透镜，实现双波段照明的方法是通过搭配材料、利用衍射面等消除系统色差，从而实现双波段均匀照明，该会聚透镜采用锗、硒化锌、硫化锌等制成。红外光源组件为黑体辐射。

进一步地，所述各波段照明光学系统及各波段光源组件共孔径。共孔径是指不同的波段共用物镜，后面再分光成像。因为分孔径是指分布式孔径接收系统(孔径一般指的是光学系统接收光线的孔径，比如φ50mm),分孔径系统不同波段相对独立，可以独立设计最后组装在一起，分孔径需要对各个分系统相异功能算法进行融合,无法实现系统结构的小型轻量化设计,这在很大程度上限制了其应用领域。

参见图1所示，当各波段包括激光时，所述目标模拟器还包括激光接收光学系统及探测器组件8，

所述多波段发射光学系统1还用于接收光电设备发射的激光光束；

所述激光光束依次经过所述靶标2、所述分光组件进入所述激光接收光学系统；

所述激光接收光学系统将所述激光光束会聚在所述探测器组件上。

激光接收光学系统及探测器组件8的激光接收光学系统由一组会聚透镜组构成，靶标与像面完全共轭，探测器组件为电荷耦合器件(Charge-Coupled-Devices，CCD)、互补金属-氧化物-半导体型固体器件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)或四象限探测器。

进一步地：还包括滤光片，所述滤光片设置在激光照明光路中的任意位置，用于降低激光能量。滤光片主要用来调节激光能量，避免过高的激光能量损伤靶标。本实施例中，所述滤光片可以紧贴靶标放置，或者设置激光照明光路中的其他位置。

对于各波段照明光学系统的排布方式包括但不仅限于图1所示方式，本实施例不作进一步限制。

本实施例中，所述分光组件包括红外\激光分光组件,或者红外\可见光分光组件，或者激光\可见光分光组件，红外\激光\可见光分光组件3和激光分光组件5。

所述分光组件由分光镜构成，分光镜主要是将入射光线按照波段范围一部分反射一部分透射，将红外、激光、可见光波段进行分光路，可以同时适用红外、激光、可见光的分光。对于采用红外\激光分光组件,或者红外\可见光分光组件，或者激光\可见光分光组件，红外\激光\可见光分光组件3，主要取决于使用时的情况。除非是很特殊的情况，分光镜实现分光主要靠镀膜实现。分光镜呈45°角放置，该角度的分光膜系是比较成熟的，工艺性可靠性都比较好，可以实现很高的相应波段的透过率或者反射率；另外45°角放置，光路的反射部分是90°的折转，有利于整体系统布局，对其他配套组件比如分光镜的机械镜座来说，45°角好便于加工、方便检测，精度高。由于本实施例中目标模拟器适用于红外、可见和激光，采用红外、激光、可见光分光组件3和激光分光组件5，红外、激光、可见光分光组件3的分光镜实现红外透射，激光和可见光反射，但是这个时候激光和可见光还没有分开，后续要再加另一个分光镜使激光和可见光的光路分开来，因此本实施例的红外、激光、可见光分光组件3包括两个分光镜。所述激光分光组件5用于当激光光束依次经过所述靶标2、红外、激光、可见光分光组件3、激光分光组件5进入所述激光接收光学系统。

本发明的工作原理：

目标模拟器在工作时，根据装调多传感器光电设备的装调方案，在不同的阶段为其提供不同的调焦或调轴的基准。主要有两种状态：

1)、在进行光电设备成像探测系统的调焦或调轴的过程中，目标模拟器处于发射光线的工作状态，在不同的波段调试中，分别开启使用波段照明，关闭其他非使用波段照明，使用波段的光源发出的光线照亮靶标，再经由发射光学系统出射，光电设备接收这些光线，在其探测器上成像，并根据成像的效果指导调试方向。

2)、在调试光电设备激光发射时(如果光电设备含有激光测距系统，那么就包含有激光发射和激光接收两个子光学系统，激光从激光发射光学系统发出以后打到目标上，激光接收光学系统接收目标的反射光，并根据时间差计算目标与设备之间的距离)，由于光电设备的激光发射光学系统是此时工作状态的光源，因此目标模拟器处于接收光线的工作状态，也就是激光发射光学系统和探测器组件处于工作状态，其他照明光路均处于关闭状态。

当有一个波段的光源组件发出的光源时，其他波段的光源组件处于关闭状态；当所述多波段发射光学系统接收光电设备发射的激光光束时，所述各波段光源组件均处于关闭状态。因此，除了在光电设备激光发射光学系统调轴时目标模拟器是处于接收光线状态使用，其余情况目标模拟器都用于发射光线。

下面通过以下几个具体示例，对本发明实施例的实施过程进行详细说明。

示例一：

本示例以中波红外/长波红外/激光复合光电设备为例，本发明目标模拟器包括：多波段发射光学系统1、靶标2、滤光片、红外/激光分光组件9、激光照明光学系统及激光光源组件6、红外照明光学系统及各波段光源组件4、激光接收光学系统及探测器组件8、激光分光组件5，参见图3所示。

所述多波段发射光学系统各参数设置为：

1)工作波段：中波红外3.7-4.8μm、长波红外8-12μm、激光1064nm；

2)系统组成：主镜、次镜，如图4所示；

3)有效口径：50mm；

4)焦距：f＝550mm；

5)F数：F/#＝11；

6)靶标直径：φ＝10mm；

7)调制传递函数MTF：如图5所示。

所述红外照明光学系统及红外光源组件的参数为：

1)工作波段：中波红外(3.7-4.8μm)，长波红外(8-12μm)；

2)科勒照明：照明范围φ＝15mm；

3)系统组成：红外照明光学系统由三片会聚透镜构成，该会聚透镜的材料分别为锗、硒化锌和硫化锌，包含一个非球面，其余两个是球面，如图6所示；

4)红外光源组件采用黑体：温度范围在-40℃～+60℃，发射口径为φ＝15mm。

所述激光照明光学系统及激光光源组件的参数为：

1)工作波段：1064nm；

2)科勒照明：照明范围φ＝10mm；

3)系统组成：一片透镜，材料为K9，如图7所示；

4)激光光源：采用激光二极管，发射功率2mj。

所述激光接收光学系统的参数为：

1)工作波段：1064nm；

2)系统组成：两片透镜，材料分别为K9和ZF4，如图8所示

3)焦距：f＝16mm；

4)数值孔径：NA＝0.1；

5)探测器：CCD,靶面尺寸为1/2英寸；

6)调制传递函数MTF：如图9所示。

所述红外/激光分光组件由一片分光镜构成，分光镜透射红外波段，反射激光波段。

所述激光分光组件由一片半反半透镜构成，半反半透镜对激光实现50％能量反射，50％能量透射。

参见图10所示，图中箭头表示光线走向，以黑体辐射红外光线开始的光路，中、长波红外光线首先经过红外照明光学系统形成红外照明光束，光束经过红外/激光分光组件透射后均匀照射靶标2，穿过靶标2的红外光线经由多波段发射光学系统反射出去，作为光电设备红外系统调焦调轴基准使用。

参见图11所示，图中箭头表示光线走向，以激光光源开始的光路，激光光线首先经过激光照明光学系统形成激光照明光束，光束经由红外/激光分光组件、激光分光组件反射后均匀照射靶标2，穿过靶标2的激光光线经由多波段发射光学系统反射出去，作为光电设备激光接收系统调轴基准使用。

参见图12所示，图中箭头表示光线走向，以光电设备发出的激光开始的光路，首先由多波段发射光学系统反射，将激光能量会聚在靶标2上，通过靶标2的激光光线经过红外/激光分光组件反射，再经过激光分光组件5透射、由激光接收光学系统将光线会聚，成像在探测器上，作为光电设备激光发射系统调轴基准使用。

示例二

本示例以可见光/激光复合光电设备为例，本发明目标模拟器包括：多波段发射光学系统1、靶标2、滤光片、激光/可见光分光组件10、可见光照明光学系统及其光源组件7、激光照明光学系统及激光光源组件6、激光分光组件5、激光接收光学系统及探测器组件8构成，如图13所示；

所述多波段发射光学系统的参数为：

1)工作波段：可见光380-780nm、激光1064nm；

2)系统组成：主镜、次镜，

3)有效口径：50mm；

4)焦距：f＝550mm；

5)F数：F/#＝11；

6)靶标直径：φ＝10mm；

7)调制传递函数MTF，如图5所示。

本示例中的所述激光照明光学系统及激光光源组件参数、激光接收光学系统参数与示例一相同，故在此省略，不再赘述。

所述可见光照明光学系统及光源组件参数为：

1)工作波段：可见光380-780nm；

2)科勒照明：照明范围φ＝15mm；

3)系统组成：两片透镜，材料分别为K9、和ZF4，如图14所示；

4)可见光光源：卤素灯，功率4W。

所述激光/可见光分光组件由一片分光镜构成，分光镜透射可见光波段，反射激光波段。

所述激光分光组件由一片半反半透镜构成，半反半透镜对激光实现50％能量反射，50％能量透射。

以可见光光源开始的光路，光线首先经过可见光照明光学系统形成可见光照明光束，光束经过激光/可见光分光组件透射后均匀照射靶标，穿过靶标的可见光光线经由多波段发射光学系统反射出去，作为光电设备可见光系统调焦调轴基准使用。

以激光光源开始的光路，激光光线首先经过激光照明光学系统形成激光照明光束，光束经由激光分光组件、激光/可见光分光组件反射后均匀照射靶标，穿过靶标的激光光线经由多波段发射光学系统反射出去，作为光电设备激光接收系统调轴基准使用。

以光电设备发出的激光开始的光路，首先由多波段发射光学系统反射，将激光能量会聚在靶标上，通过靶标的激光光线经过激光/可见光分光组件反射，再经过激光分光组件透射、由激光接收光学系统将光线会聚，成像在探测器上，作为光电设备激光发射系统调轴基准使用。

本发明实施例能够在各个波段的光束(光线)照亮靶标以后，通过目标模拟器的多波段发射光学系统发射出，由于目标模拟器本身的各波段光轴们都是重合的，这样对于调试来说，作为基准的目标模拟器本身不存在光轴之间的误差，也就提高了调试的精度。且集成度高，结构紧凑、小巧便携。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种用于多传感器光电设备调焦调轴的目标模拟器，其特征在于，包括：多波段发射光学系统、靶标、分光组件、各波段照明光学系统及各波段光源组件，其中，所述各波段照明光学系统及各波段光源组件共孔径，所述分光组件由分光镜构成，将红外、激光、可见光波段进行分光路，同时适用红外光、激光、可见光的分光；

所述各波段光源组件发出的光源经过对应的波段照明光学系统后形成对应波段的照明光束；

各波段的照明光束通过所述分光组件照射到所述靶标上；

穿过所述靶标的各波段光束经由所述多波段发射光学系统反射出去；

其中，所述靶标的靶标面板上设有可见和红外调焦用靶标、可见和红外调轴用靶标、以及激光调轴用靶标；所述可见和红外调焦用靶标、可见和红外调轴用靶标以及激光调轴用靶标在所述靶标面板上构成同心圆；

其中，所述激光调轴用靶标包括中心孔和多个扇形开孔，所述中心孔设置在所述靶标面板的中心，所述多个扇形开孔以所述中心孔为中心对称均匀分布；

其中，所述可见和红外调轴用靶标包括多个轴对称的多边形靶标，多个所述多边形靶标以所述靶标面板的中心对称均匀分布；

其中，所述可见和红外调焦用靶标包括一个或多个对焦靶。

2.如权利要求1所述的目标模拟器，其特征在于，所述各波段包括如下波段中的至少两种：红外光、激光、可见光。

3.如权利要求1所述的目标模拟器，其特征在于，所述目标模拟器还包括：激光接收光学系统及探测器组件；

所述多波段发射光学系统还用于接收光电设备发射的激光光束；

所述激光光束依次经过所述靶标、所述分光组件进入所述激光接收光学系统；

所述激光接收光学系统将所述激光光束会聚在所述探测器组件上。

4.如权利要求2或3所述的目标模拟器，其特征在于，当各波段包括激光时，所述目标模拟器还包括滤光片，所述滤光片设置在激光照明光路中的任意位置，用于降低激光能量。

5.如权利要求1或2或3所述的目标模拟器，其特征在于，当有一个波段的光源组件发出光源时，其他波段的光源组件处于关闭状态；

当所述多波段发射光学系统接收光电设备发射的激光光束时，所述各波段光源组件均处于关闭状态。