CN110031099B - 用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置及方法，装置包括离轴反射镜、多光谱光源和空间光桥，被测产品上间隔设置有多只光学通道；多光谱光源出射的光经过离轴反射镜整形为准直光束，并向被测产品方向出射；所述的空间光桥包括层叠设置的第一斜方棱镜和第二斜方棱镜。本发明将空间光桥在环形导轨上的往复移动和平移，在不改变入射和出射光束方向的前提下，方便地将小口径离轴反射镜出射的准直光束经过平移后入射至大跨度、大间隔的光学通道中，实现了多光谱成像系统光学通道平行性的校准，具有结构紧凑、成本低，操作简单可靠、便于外场等应用特点。
Description
技术领域
本发明涉及光电系统测量技术领域，尤其涉及一种用于大跨度多光谱成像系统的光学通道平行性测量校准装置。
背景技术
在无人战车侦察应用中，涉及一种多光谱的光电成像系统，每个光学通道对应不同光谱成像系统，并探测无穷远目标处的不同波长的光信号，为了确保目标探测的一致性，要对上述的光学通道进行平行性检测和校准。同样在无人车自动驾驶中，也涉及类似的双目视觉光学系统，需要对光轴的平行性进行检测。
通常采用的检测方法是将同一只准直光束入射到多个光学通道中，采用成像器件判断聚焦位置和光斑大小，来确定光学通道之间是否平行。由于光学通道之间具有较大的跨距，为了确保每个光学通道都能覆盖到准直光束，故需要采用大口径的准直镜以产生较大的准直光束，势必会带来以下问题：一、大口径反射镜面型精度的均匀性难以保证，导致口径越大，面型精度和均匀性越差，镜面各区域出射光线的平行性越差。二、过大口径不易加工成离轴形式，导致中心面型精度高的区域反倒被遮挡导致浪费，降低反射镜利用率。三、大口径会导致设备异常笨重，不可移动，成本高，且无法实现便携和高精度的对大跨度光学窗口光轴平行性进行测量。四、用于标校的不同波段的光源安装在支线导轨或电机驱动的旋转靶轮上，进行切换时的往复精度难以保证，并且螺纹螺杆等需要润滑保养，维护复杂。这些问题均给多光谱成像系统光学通道平行性的校准带来了难题。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种基于多光谱光源光纤耦合及空间光桥光束传递的大跨度多光谱成像系统光学通道平行性的测量装置及方法，通过小尺寸反射镜组合光桥结构和多光谱光学通道对被测大尺寸光电成像系统的通道进行高精度的平行性测量校准。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置，包括离轴反射镜、多光谱光源和空间光桥，被测产品上间隔设置有多只光学通道；多光谱光源出射的光经过离轴反射镜整形为准直光束，并向被测产品方向出射；所述被测产品上间隔设置有多只光学通道，准直光束直接入射至光学通道上或经过空间光桥折射后入射至光学通道上；
所述的空间光桥包括层叠设置的第一斜方棱镜和第二斜方棱镜，第一斜方棱镜包括入射面和第一贴合面，且入射面和第一贴合面之间为正平行度公差，第二斜方棱镜包括出射面和第二贴合面，且出射面和第二贴合面之间为负平行度公差，所述的入射面和出射面均镀有反射膜，入射光线沿设定的角度从入射面入射，并经第一贴合面和第二贴合面透射后，由出射面出射。
上述用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置中，还包括与准直光束垂直设置的环形导轨；所述的空间光桥通过位移台固定在环形导轨上，使得空间光桥在长度方向上实现往复移动；位移台的底部可沿环形导轨的定位面平移；所述的准直光束入射在环形导轨的中心区域。
上述用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置中，空间光桥的长边沿环形导轨的径向方向设置。
上述用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置中，所述的位移台为燕尾滑块位移台。
上述用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置中，环形导轨的定位面上设置有凹槽，位移台上设置有与凹槽尺寸相匹配的定位锁紧螺钉。
上述用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置中，第一贴合面和第二贴合面之间设置有粘合剂，粘合剂为与斜方棱镜折射率相一致的光学胶。
上述用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置中，层叠后的第一斜方棱镜和第二斜方棱镜固定在光桥壳体内，光桥壳体与入射面对应的位置处设置有入射孔；光桥壳体与出射面对应的位置处设置有出射孔。
上述用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置中，多光谱光源包括扩束镜组和若干只独立光源，每个独立光源出射光经过对应的光纤耦合至扩束镜组，再经过扩束镜组入射至离轴反射镜。
上述用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置中，扩束镜组的前端设置有分划板。
一种用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准方法，包括以下步骤：
【1】基准光学通道的校准
1.1移动空间光桥的位置，使得空间光桥上出射孔正对被测产品的基准光学通道，并通过锁紧机构锁定；
1.2打开与基准光学通道波长匹配的独立光源，经过光纤、扩束镜组、分划板和离轴反射镜产生准直光束，准直光束经过空间光桥的入射面和出射面后，入射至基准光学通道；
1.3调节基准光学通道的角度，使得分划板刻度成像在基准光学通道上的设定位置处，以此作为被测产品其他光学通道光轴平行性校准的基准。
【2】基准光学通道与其他光学通道之间平行性校准：
2.1锁紧机构解锁，移动空间光桥的位置，使得空间光桥上出射孔正对待校准光学通道，并通过锁紧机构锁定；
2.2打开与待校准光学通道波长匹配的独立光源，经过光纤、扩束镜组、分划板和离轴反射镜产生准直光束，准直光束经过空间光桥的入射面和出射面后，入射至待校准光学通道；
2.3调节待校准光学通道的角度，使得分划板刻度成像在该光学通道上的设定位置处，表示被校准光学通道与基准光学通道相平行；
【3】参照步骤【2】完成其他光学通道光轴平行性的测量及校正。
本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明提出了空间光桥进行光束平移的方案，将空间光桥在环形导轨上的往复移动和平移，在不改变入射和出射光束方向的前提下，方便地将小口径离轴反射镜出射的准直光束经过平移后入射至大跨度、大间隔的光学通道中，实现了多光谱成像系统光学通道平行性的校准，克服了传统方式的大口径准直镜加工难题，并具有结构紧凑、成本低，操作简单可靠、便于外场等应用特点。
2、本发明空间光桥采用两只包括层叠设置的第一斜方棱镜和第二斜方棱镜，并对两者的平行度进行了测量，根据平行度公差结果筛选出一对正平行度公差和负平行度公差的斜方棱镜进行组合抵消，大大降低了对棱镜加工精度的要求，满足了对光线平行度的较高要求；同时两个叠加的斜方棱镜，也加长了入射光线和出射光线之间的位移，在不用采用大块光学材料加工的前提下，满足了入射光线和出射光线之间的长距离要求。此外两只斜方棱镜采用压接贴合或粘接的方式，使得器件结构稳定可靠，满足了宽温环境及振动环境等外场测试的要求，且降低了制造成本。
3、本发明采用离轴抛物面镜对多光谱光源进行光束整形和准直，适应了多光谱光源的特点，且位于焦平面处的光源不遮挡光路，反射镜利用率高。
4、本发明的多光谱光源部分采用光纤耦合方式，将不同光谱的独立光源经过对应的光纤耦合至同一只扩束镜组后，再入射至离轴反射镜，不同光谱的光源不需要移动切换，保证了工作稳定性、可靠性和光束入射角度及位置精度，且光源组件免维护。
附图说明
图1为本发明成像系统光学平行性测量校准装置原理示意图；
图2为现有潜望镜式空间光桥的原理示意图；
图3为现有的斜方棱镜工作原理示意图；
图4为本发明两只带有正负平行公差斜方棱镜的降低平行度误差原理示意图；
图5为本发明两只斜方棱镜的叠加效果示意图；
图6为本发明含有光学胶的斜方棱镜的叠加效果示意图；
图7为本发明空间光桥的结构示意图；
图8为本发明空间光桥的工作原理示意图；
图9为本发明空间光桥在环形导轨上移动方向示意图；
图10为本发明空间光桥在与环形导轨装配结构示意图；
图11为图10的侧视图；
图12为本发明多光谱光源组成原理图。
图中：1—离轴反射镜；2—多光谱光源；6—空间光桥；8—环形导轨；9-被测产品；10—凹槽；11—定位面；12—锁紧螺钉；13—位移台；20—准直光束；21—斜方棱镜；22—入射光线；23—工作面；30—光桥壳体；31—第一斜方棱镜；32—第二斜方棱镜；33—入射面；34—第一贴合面；35—第二贴合面；36—出射面；37—粘合剂；38—入射孔；39—出射孔；901-第一光学通道；902-第二光学通道；903-第三光学通道；904-第四光学通道；201—分划板；202—扩束镜组；203—光纤；204—独立光源；205—光纤插针；206—透镜。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置，包括离轴反射镜2、多光谱光源2和空间光桥6，被测产品9为光电探测系统，其上间隔设置有多只不同光谱波段的成像系统，每只成像系统前面设置有光学通道，包括第一光学通道901、第二光学通道902、第三光学通道903和第四光学通道904，每只光学通道包括透镜组、滤光片组等光学元件，将光信号或图像成像至成像系统的CCD上，图1中省略了成像系统。
为了确保不同光谱的成像系统能探测到无穷远的目标，需要对光学通道的平行性进行验证，采用同一只多光谱光源2出射的光经过离轴反射镜2整形为准直光束20，直接入射至光第三光学通道903或经过空间光桥6移位后分别入射至第一光学通道901、第二光学通道902和第四光学通道904。
图1中离轴反射镜2为口径较小(口径150mm-200mm)、面形精度λ1/40的离轴抛物面反射镜，镜面镀全反射膜。多光谱光源2位于离轴反射镜2的焦点处，并具有一定发散角，经过离轴反射镜2后成为平行出射的准直光束20，该光束穿过空间光桥后沿原方向出射，从而增大了光束覆盖范围，满足了大跨度多光谱成像系统光学通道平行性的校准。
为了实现光束的空间移位，并保持入射光束的方向不变，本发明提出了一种基于层叠设置双斜方棱镜结构空间光桥。如图2所示，空间光桥是一种将光线进行位移和角度转换的光学器件，类似于潜望镜的工作原理，常采用一对平行的平面反射镜固定在壳体上，光线经过第一面反射镜反射后，再经过第二面反射镜平行射出，为了保持入射光线和出射光线平行，则需要两个平面反射镜具有较高的平行度，故对其位置精度提出了很高的要求，但是在宽温及振动环境中，这种潜望镜式的光桥难以满足工程应用的要求。
如图3-6所示，空间光桥6为设置在光桥壳体30内的斜方棱镜。如图3所示，斜方棱镜是一种常见的斜方体棱镜，入射光只产生位移而不改变其方向。入射光线经过第一个工作面反射后再经第二个工作面平行出射，其结构一体化，决定了其可适用于宽温及振动环境中，但在实际加工中，两个工作面的面形精度通过整体研磨可以加工的很高，但是两个工作面的平行度却难以保证很高的精度，往往存在正、负平行度公差，使得入射光线和出射光线无法平行，限制了其特殊场合的应用。而如果提高平行度精度，则加工费用需要成倍提高。
如图4所示，本发明的思路是在加工的斜方棱镜中挑选出一对正平行度公差和负平行度公差的镜子进行叠加组合，优选平行度公差绝对值相等的两只，这样可以最大限度抵消掉平行度误差。实际应用中，可对加工的斜方棱镜采用光学仪器进行精确测试，从而挑选出最佳参数的两只进行匹配。
如图5所示，空间光桥6包括层叠设置的第一斜方棱镜31和第二斜方棱镜32，第一斜方棱镜31包括入射面33和第一贴合面34，且入射面33和第一贴合面34之间为正平行度公差，第二斜方棱镜32包括出射面36和第二贴合面35，且出射面36和第二贴合面35之间为负平行度公差，两只镜子的公差幅值尽可能相等，实现最大限度的抵消。其中优选正平行度公差和负平行度公差绝对值≤2″的斜方棱镜。
入射面33和出射面36均镀有反射膜，入射光线22沿设定的角度从入射面33入射，并经第一贴合面34和第二贴合面35透射后，由出射面36出射。其中入射光线22和入射面33夹角为45°，同样出射光线和出射面36夹角也为45°。斜方棱镜的材料选用K9玻璃或石英，根据透射光线的波长而确定，反射膜的反射率大于98％，使得入射的绝大部分光都能平行出射。
如图6所示，第一贴合面34和第二贴合面35之间设置有粘合剂37，粘合剂37为与斜方棱镜折射率相一致的光学胶。一般情况下，斜方棱镜的工作面的面形精度较高，就可以确保两个贴合面可以无缝隙贴合，且二者折射率相同，故实现光线能够通过界面而无通过反射。增加粘合剂的目的是为了防止特殊情况下贴合面出现缝隙，从而导致部分光线反射对后续标校光路的影响，且当两只棱镜工作面平行度公差值不相等时也可以通过填充粘合剂来进行校正，进一步确保了入射光线和出射光线的角度一致。
如图7和图8所示，层叠后的第一斜方棱镜31和第二斜方棱镜32固定在光桥壳体30内。壳体采用外包裹黑色哑光不锈钢制成，光桥壳体30与入射面33对应的位置处设置有入射孔38，与出射面36对应的位置处设置有出射孔39，光桥壳体30固定在位移台上，进行光路调节。
如图9-11所示，为了实现对大跨度区域内的光束覆盖，本发明采用类似摇臂的技术方案，将空间光桥6设置在圆形导轨8上实现准直光束20的扫描。
空间光桥6为长条形，位移台13固定在环形导轨8上，使得空间光桥6在长度方向上实现往复移动；环形导轨8正对准直光束20的表面为定位面11，位移台13的底部可沿环形的定位面11平移，实现360°角度范围内的扫描。采用两只空间光桥6的目的在于可同时对两只光学通道的平行性进行校准，并以其中的一只为基准，对其他的光学通道进行校准。
对于圆环结构的环形导轨8而言，轴向方向指的是圆环中心线方向，即本发明中准直光束20的入射方向；径向方向则指垂直圆环中心线方向且通过圆环中心点的方向，即圆环中任意一个直径的方向。本发明中空间光桥6的长边沿环形导轨8的径向方向设置，这样可以确保空间光桥6在极限情况下达到最远离圆环中心点的位置，再通过空间光桥6在环形导轨8上的平移，满足大区域、大跨度位置处的光学通道校准测量。
如图10和11所示，位移台13为燕尾滑块位移台，目的实现空间光桥6沿环形导轨8的径向方向平移。环形导轨8的定位面11上设置有凹槽10，位移台13上设置有与凹槽10尺寸相匹配的定位锁紧螺钉12，一旦位置调节到位，则锁紧两者的相对位置，实现光学校准测量，避免环境振动的影响。
如图12所示，本发明的多光谱光源2包括扩束镜组202和若干只独立光源204，每个独立光源20出射光经过对应的光纤203耦合至扩束镜组202，再经过扩束镜组202入射至离轴反射镜2。其中独立光源20采用多个不同波长的LED、LD或其他光源，扩束镜组202的前端设置有分划板201。扩束镜组202设置在离轴反射镜2的焦平面处，并具有与离轴反射镜2匹配的数值孔径参数，将入射光源转换为准直光束20出射。
图中多根光纤203组束后固定在一根光纤插针205内，并经扩束镜组202内的透镜206和前端设置有分划板201后出射，分化板201也可以刻画在透镜组表面上实现，经透镜206扩束后光斑照亮前端分划板201，使得带有分化刻度的光束经过空间光桥6的平移后入射至光学通道及成像系统中，便于定量分析和比对得到光束的平行性参数。
本发明多光谱光学通道平行性校准测量装置的测量方法如下：
【1】基准光学通道的校准
1.1移动空间光桥6的位置，使得空间光桥6上出射孔39正对被测产品的基准光学通道，并通过锁紧机构锁定；
1.2打开与基准光学通道波长匹配的独立光源204，经过光纤203、扩束镜组202、分划板201和离轴反射镜1产生准直光束20，准直光束20经过空间光桥6的入射面33和出射面36后，入射至基准光学通道；
1.3被测产品上电，调节基准光学通道的角度，使得分划板刻度成像在基准光学通道上的设定位置处，比如在光学通道上加工十字瞄标，当其与分化板刻度成像重合时，则表示包括光源、反射镜、基准光学通道在内的整个系统光路校准完毕；以此作为被测产品其他光学通道光轴平行性校准的基准。
【2】基准光学通道与其他光学通道之间平行性校准：
2.1锁紧机构解锁，移动空间光桥6的位置，使得空间光桥6上出射孔39正对待校准光学通道，并通过锁紧机构锁定；
2.2打开与待校准光学通道波长匹配的独立光源204，经过光纤203、扩束镜组202、分划板201和离轴反射镜1产生准直光束20，准直光束20经过空间光桥6的入射面33和出射面36后，入射至待校准光学通道；
2.3被测产品上电，调节待校准光学通道的角度，使得分划板刻度成像在该光学通道上的特定位置处，比如在光学通道上加工十字瞄标，当其与分化板刻度成像完全重合时，表示被校准光学通道与基准光学通道相平行；
2.3调节待校准光学通道的角度，使得分划板刻度成像在该光学通道上的设定位置处，表示被校准光学通道与基准光学通道相平行；
【3】参照步骤【2】继续完成其他光学通道光轴平行性的测量及校正。
本发明针对目前光学通道平行性测量装置的缺陷，采用小口径反射镜实现了大跨度光学窗口光轴平行性的测量，并减小了测量系统带来的平行性测量误差，该系统采用光纤耦合方式将多光谱光源引入，避免光源移动及切换带来的往复误差，该系统结构紧凑可靠，兼顾内外场使用场景的下快速架设和快速对准，具有广泛的应用前景。
Claims (5)
1.用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置，其特征在于：包括离轴反射镜(1)、多光谱光源(2)和空间光桥(6)，多光谱光源(2)出射的光经过离轴反射镜(1)整形为准直光束(20)，并向被测产品(9)方向出射；所述被测产品(9)上间隔设置有多只光学通道，准直光束(20)直接入射至光学通道上或经过空间光桥(6)折射后入射至光学通道上；
所述的空间光桥(6)包括层叠设置的第一斜方棱镜(31)和第二斜方棱镜(32)，第一斜方棱镜(31)包括入射面(33)和第一贴合面(34)，且入射面(33)和第一贴合面(34)之间为正平行度公差，第二斜方棱镜(32)包括出射面(36)和第二贴合面(35)，且出射面(36)和第二贴合面(35)之间为负平行度公差，所述的入射面(33)和出射面(36)均镀有反射膜，入射光线(22)沿设定的角度从入射面(33)入射，并经第一贴合面(34)和第二贴合面(35)透射后，由出射面(36)出射；
校准装置还包括与准直光束(20)垂直设置的环形导轨(8)；所述的空间光桥(6)通过位移台(13)固定在环形导轨(8)上，使得空间光桥(6)在长度方向上实现往复移动；位移台(13)的底部可沿环形导轨(8)的定位面(11)平移；所述的准直光束(20)入射在环形导轨(8)的中心区域；
所述空间光桥(6)的长边沿环形导轨(8)的径向方向设置；
层叠后的第一斜方棱镜(31)和第二斜方棱镜(32)固定在光桥壳体(30)内，光桥壳体(30)与入射面(33)对应的位置处设置有入射孔(38)；光桥壳体(30)与出射面(36)对应的位置处设置有出射孔(39)；
多光谱光源(2)包括扩束镜组(202)和若干只独立光源(204)，每个独立光源(204)出射光经过对应的光纤(203)耦合至扩束镜组(202)，再经过扩束镜组(202)入射至离轴反射镜(1)；
扩束镜组(202)的前端设置有分划板(201)。
2.根据权利要求1所述的用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置，其特征在于：所述的位移台(13)为燕尾滑块位移台。
3.根据权利要求1所述的用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置，其特征在于：环形导轨(8)的定位面(11)上设置有凹槽(10)，位移台(13)上设置有与凹槽(10)尺寸相匹配的定位锁紧螺钉(12)。
4.根据权利要求1所述的用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置，其特征在于：第一贴合面(34)和第二贴合面(35)之间设置有粘合剂(37)，粘合剂(37)为与斜方棱镜折射率相一致的光学胶。
5.一种利用权利要求1-4任意之一所述用于多光谱成像系统光学通道平行性的校准装置进行校准的方法，其特征在于，包括以下步骤：
【1】基准光学通道的校准
1.1移动空间光桥(6)的位置，使得空间光桥(6)上出射孔(39)正对被测产品的基准光学通道，并通过锁紧机构锁定；
1.2打开与基准光学通道波长匹配的独立光源(204)，经过光纤(203)、扩束镜组(202)、分划板(201)和离轴反射镜(1)产生准直光束(20)，准直光束(20)经过空间光桥(6)的入射面(33)和出射面(36)后，入射至基准光学通道；
1.3调节基准光学通道的角度，使得分划板刻度成像在基准光学通道上的设定位置处，以此作为被测产品其他光学通道光轴平行性校准的基准；
【2】基准光学通道与其他光学通道之间平行性校准：
2.1锁紧机构解锁，移动空间光桥(6)的位置，使得空间光桥(6)上出射孔(39)正对待校准光学通道，并通过锁紧机构锁定；
2.2打开与待校准光学通道波长匹配的独立光源(204)，经过光纤(203)、扩束镜组(202)、分划板(201)和离轴反射镜(1)产生准直光束(20)，准直光束(20)经过空间光桥(6)的入射面(33)和出射面(36)后，入射至待校准光学通道；
2.3调节待校准光学通道的角度，使得分划板刻度成像在该光学通道上的设定位置处，表示被校准光学通道与基准光学通道相平行；
【3】参照步骤【2】完成其他光学通道光轴平行性的测量及校正。
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