CN110336932A - 一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统及使用和校轴方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统及方法。包括光具座、激光测照器、电视支架、立方分光棱镜组件、物镜组件、滤波片组件、图像采集器、角锥组件等;图像采集器、滤波片组件、立方分光棱镜组件以及物镜组件沿系统光轴排列,并与电视支架固定,滤波片组件可平移出光路;电视支架安装于光具座;角锥组件安置于物镜组件出光口;激光测照器安装于光具座,出射光线垂直于系统光轴分布。工作时,系统通过图像采集器采集图像,同时通过切入切出角锥组件和滤波片组件,在摄像模式下实现系统的激光照射和测距以及激光/电视光路自校轴。本发明实现了激光/电视成像共光路一体机系统自校轴功能,通过实时自校轴提高系统电视和激光感器光轴一致性,且系统结构紧凑、体积小、重量轻。
Description
技术领域
本发明属于精密光机领域,涉及一种光学成像系统,尤其涉及一种具有实时校轴功能的激光\电视共光路系统及使用和校轴方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展,机载光电观瞄系统的观察和瞄准窗口也呈现多轴和多光谱的趋势,其中可见光电视观瞄系统和激光测距照射光电系统得到了广泛的应用。可见光观瞄轴、激光测距机照射光轴轴线之间是否一致,直接影响着整个光电观瞄系统的效能。然而在光电系统实际使用过程中,由于受加工和安装条件的限制及环境因素的影响,特别是飞机飞行时受到冲击、过载导致光机机械结构变形引起的光路变化、热畸变、激光光斑的不均匀和不稳定都会造成使用时光轴发生变化,导致原本在地面已经校准一致的光观瞄轴和激光测距机照射光轴不一致,而采用激光/电视共光路系统设计技术和光轴实时调校技术,能够有效的提高系统光轴的一致性。
然而对于共轴光学系统同样存在较多的技术难题,特别对于激光光电载荷和电视摄像光电载荷共光路的光学系统,还存在难以抑制成像和激光照射及测距之间影响的现象。目前系统光轴调校基本采用的方法是:在一段使用时间内、系统非工作时段、特定环境中进行调校,且标校过程复杂,很难实现系统光轴的实时在线校轴功能;特别针对机载吊舱光电系统,光机系统光轴的一致性是通过在地面采用平行光管标校的方法来调校和保证,标校过程比较复杂,且难以实现载机平台在飞行过程中的实时调校。因此,发展一种具有实时校轴功能的激光\电视共光路系统及方法具有重要的意义。
发明内容
本发明针对激光\电视光电系统难以实现实时校轴功能的问题,提出一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统及使用和校轴方法,该系统可实现对远距离目标的激光照射、测距、成像等功能,并可以实现激光\电视光路实时自校轴功能,通过多模式共口径以及自校轴功能提高激光\电视光机系统光轴之间的一致性,并提高系统结构的紧凑性,同时降低系统质量和体积。
本发明的技术方案为:
所述一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:包括光具座、激光测照器、电视支架、立方分光棱镜组件、物镜组件、电视滤波片组件、图像采集器、角锥组件;
所述光具座上安装有电视支架和激光测照器;图像采集器、电视滤波片组件、立方分光棱镜组件和物镜组件安装在电视支架上,图像采集器、电视滤波片组件、立方分光棱镜组件以及物镜组件轴线形成系统光轴,且电视滤波片组件可沿垂直于系统光轴方向切入切出;所述激光测照器的出射光线垂直于系统光轴分布,且通过立方分光棱镜组件接入系统光轴;所述角锥组件安置于物镜组件出光口,可沿垂直于光轴方向切入切出。
进一步的优选方案,所述一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:所述立方分光棱镜组件包括透明直角棱镜基片和分光膜系结构,其中分光膜系结构镀制在一个透明直角棱镜基片上,另一透明直角棱镜基片与镀制有分光膜系结构的透明直角棱镜基片胶合固定形成立方分光棱镜;
所述分光膜系结构采用由规整中折射率薄膜、低折射率薄膜及非规整的高折射率薄膜、低折射率薄膜交替叠加后构成,具体形式为从入射方向依次为(ML)5(HL)17,H为高折射率薄膜,M为中折射率薄膜,L为低折射率薄膜。
进一步的优选方案,所述一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:所述高折射率薄膜材料为TiO2,其薄膜厚度为91.1-191.1nm;所述中折射率薄膜材料为HfO2,其薄膜厚度为178.6nm;所述低折射率薄膜材料为SiO2,其在(ML)5中的薄膜厚度为241nm,其在(HL)17中的薄膜厚度为137.2-396.3nm。
进一步的优选方案,所述一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:高折射率薄膜TiO2的折射率为2.3-2.4,中折射率薄膜HfO2的折射率为2.1-2.2,低折射率薄膜的折射率为1.46。
进一步的优选方案,所述一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:整个膜系结构的各层分布及厚度为:
层 | 材质 | 厚度 | 层 | 材质 | 厚度 |
1 | HfO<sub>2</sub> | 178.6 | 23 | TiO<sub>2</sub> | 154.2 |
2 | SiO<sub>2</sub> | 241 | 24 | SiO<sub>2</sub> | 243.6 |
3 | HfO<sub>2</sub> | 178.6 | 25 | TiO<sub>2</sub> | 170.5 |
4 | SiO<sub>2</sub> | 241 | 26 | SiO<sub>2</sub> | 169.9 |
5 | HfO<sub>2</sub> | 178.6 | 27 | TiO<sub>2</sub> | 160.6 |
6 | SiO<sub>2</sub> | 241 | 28 | SiO<sub>2</sub> | 269.5 |
7 | HfO<sub>2</sub> | 178.6 | 29 | TiO<sub>2</sub> | 157 |
8 | SiO<sub>2</sub> | 241 | 30 | SiO<sub>2</sub> | 196.1 |
9 | HfO<sub>2</sub> | 178.6 | 31 | TiO<sub>2</sub> | 170.6 |
10 | SiO<sub>2</sub> | 241 | 32 | SiO<sub>2</sub> | 224.4 |
11 | TiO<sub>2</sub> | 128.2 | 33 | TiO<sub>2</sub> | 161.3 |
12 | SiO<sub>2</sub> | 352.3 | 34 | SiO<sub>2</sub> | 224.5 |
13 | TiO<sub>2</sub> | 91.1 | 35 | TiO<sub>2</sub> | 174.2 |
14 | SiO<sub>2</sub> | 299.6 | 36 | SiO<sub>2</sub> | 183.7 |
15 | TiO<sub>2</sub> | 172.1 | 37 | TiO<sub>2</sub> | 162.1 |
16 | SiO<sub>2</sub> | 137.2 | 38 | SiO<sub>2</sub> | 267.7 |
17 | TiO<sub>2</sub> | 152.2 | 39 | TiO<sub>2</sub> | 165.9 |
18 | SiO<sub>2</sub> | 311.6 | 40 | SiO<sub>2</sub> | 180 |
19 | TiO<sub>2</sub> | 134.5 | 41 | TiO<sub>2</sub> | 185.9 |
20 | SiO<sub>2</sub> | 238.3 | 42 | SiO<sub>2</sub> | 232.9 |
21 | TiO<sub>2</sub> | 163.3 | 43 | TiO<sub>2</sub> | 191.1 |
22 | SiO<sub>2</sub> | 231.5 | 44 | SiO<sub>2</sub> | 396.3 |
。
进一步的优选方案,所述一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:将两个透明直角棱镜基片胶合固定形成立方分光棱镜的光学粘合剂为耐高温环氧树脂。
上述具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统的使用和校轴方法,其特征在于:
电视对外部场景成像工作时,角锥组件沿垂直于光轴方向切出光路,电视滤光片组件沿光轴方向切入光路,被探测目标经过物镜组件、立方分光棱镜组件、电视滤波片组件后成像于图像采集器像面,实现对目标场景的摄像;
激光测照器在对外部目标照射时,角锥组件沿垂直于光轴方向切出光路,电视滤光片组件沿光轴方向切入光路,激光测照器出射照射激光,入射到立方分光棱镜组件,再经立方分光棱镜组件反射后通过物镜组件出射照射于被探测目标,实现对目标照射的同时不影响图像采集器对场景信息的获取;
激光测照器在对外部目标测距时,角锥组件沿垂直于光轴方向切出光路,电视滤光片组件沿光轴方向切入光路,激光测照器出射测距激光,入射到立方分光棱镜组件,再经立方分光棱镜组件反射后通过物镜组件出射照射于被探测目标,被测目标反射的光束经过物镜组件、立方分光棱镜组件,被激光测照器接收,并获得目标相对于系统的距离,同时不影响图像采集器对场景信息的获取;
在激光/电视光路自校轴时,角锥组件沿垂直于光轴方向切入光路,电视滤光片组件沿光轴方向切出光路,激光测照器出射校轴激光,入射到立方分光棱镜组件,经立方分光棱镜组件反射后通过物镜组件出射照射于角锥组件,角锥组件返回的光束经过物镜组件、立方分光棱镜组件后汇聚于图像采集器像面,形成校轴光斑,通过移动电视十字中心到光斑中心,实现激光/电视光路自校轴。
有益效果
本发明目的是为了解决激光光电载荷和电视摄像光电载荷系统的实时校轴问题,提出了一种具有实时校轴功能的激光\电视共光路系统及方法。该装置使用分光棱镜和切入电视滤光片组件,实现激光测距\照射与电视成像系统的共光路,且激光测照器功能和电视成像功能互不干扰;通过切入角锥组件和切出电视滤光片组件,实现激光和电视光轴实时调校。该系统结构紧凑、体积小、重量轻,提高多种光电载荷系统光轴的一致性。
附图说明
图1为本发明一种具有实时校轴功能的激光\电视共光路系统的三维图;
图2为本发明的一种具有实时校轴功能的激光\电视共光路系统的激光照射、激光测距和成像示意图。
图3为本发明的一种具有实时校轴功能的激光\电视共光路系统的激光\电视校轴示意图。
图4偏振分光棱镜结构示意图。
图5是本发明透射光谱曲线。
其中:1-光具座,2-激光测照器,3-电视支架,4-立方分光棱镜组件,5-物镜组件,6-电视滤波片组件,7-图像采集器,8-角锥组件,9、透明直角棱镜基片;10、分光膜系结构;11、透明直角棱镜基片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
如图1,为本发明激光/电视共光路一体机系统的三维图,包括光具座1,激光测照器2,电视支架3,立方分光棱镜组件4,物镜组件5,电视滤波片组件6,图像采集器7,角锥组件8。
所述光具座上安装有电视支架3和激光测照器2;图像采集器7、电视滤波片组件6、立方分光棱镜组件4和物镜组件5安装在电视支架3上,图像采集器7、电视滤波片组件6、立方分光棱镜组件4以及物镜组件5轴线形成系统光轴,且电视滤波片组件6可沿垂直于系统光轴方向切入切出;所述激光测照器2的出射光线垂直于系统光轴分布,且通过立方分光棱镜组件4接入系统光轴;所述角锥组件8安置于物镜组件5出光口,可沿垂直于光轴方向切入切出。
所述激光测照器2具有目标照射和测距的功能。所述物镜组件5对后向散射杂散光具有较强的抑制。所述激光测照器2和电视图像采集器7同时工作,互不影响各自性能。所述角锥组件8具有较高的准直精度。
如图4所示,所述立方分光棱镜组件4采用抗激光损伤的反射1064nm激光、透过700nm-900nm电视的二色性介质立方分光棱镜包括透明直角棱镜基片和分光膜系结构,其中分光膜系结构镀制在一个透明直角棱镜基片上,另一透明直角棱镜基片与镀制有分光膜系结构的透明直角棱镜基片采用耐高温环氧树脂胶合固定形成立方分光棱镜。透明直角棱镜基片选用折射率为1.52的透明直角棱镜,入射角度为45°。
所述分光膜系结构采用由规整中折射率薄膜、低折射率薄膜及非规整的高折射率薄膜、低折射率薄膜交替叠加后构成,具体形式为从入射方向依次为(ML)5(HL)17,总数为44层,其中H为高折射率薄膜,材料为TiO2,折射率为2.3-2.4,M为中折射率薄膜,材料为HfO2,折射率为2.1-2.2,L为低折射率薄膜,材料为SiO2,折射率为1.46。高折射率薄膜的薄膜厚度为91.1-191.1nm;中折射率薄膜的薄膜厚度为178.6nm;低折射率薄膜在(ML)5中的薄膜厚度为241nm,其在(HL)17中的薄膜厚度为137.2-396.3nm。
整个膜系结构的各层分布及厚度为:
层 | 材质 | 厚度 | 层 | 材质 | 厚度 |
1 | HfO<sub>2</sub> | 178.6 | 23 | TiO<sub>2</sub> | 154.2 |
2 | SiO<sub>2</sub> | 241 | 24 | SiO<sub>2</sub> | 243.6 |
3 | HfO<sub>2</sub> | 178.6 | 25 | TiO<sub>2</sub> | 170.5 |
4 | SiO<sub>2</sub> | 241 | 26 | SiO<sub>2</sub> | 169.9 |
5 | HfO<sub>2</sub> | 178.6 | 27 | TiO<sub>2</sub> | 160.6 |
6 | SiO<sub>2</sub> | 241 | 28 | SiO<sub>2</sub> | 269.5 |
7 | HfO<sub>2</sub> | 178.6 | 29 | TiO<sub>2</sub> | 157 |
8 | SiO<sub>2</sub> | 241 | 30 | SiO<sub>2</sub> | 196.1 |
9 | HfO<sub>2</sub> | 178.6 | 31 | TiO<sub>2</sub> | 170.6 |
10 | SiO<sub>2</sub> | 241 | 32 | SiO<sub>2</sub> | 224.4 |
11 | TiO<sub>2</sub> | 128.2 | 33 | TiO<sub>2</sub> | 161.3 |
12 | SiO<sub>2</sub> | 352.3 | 34 | SiO<sub>2</sub> | 224.5 |
13 | TiO<sub>2</sub> | 91.1 | 35 | TiO<sub>2</sub> | 174.2 |
14 | SiO<sub>2</sub> | 299.6 | 36 | SiO<sub>2</sub> | 183.7 |
15 | TiO<sub>2</sub> | 172.1 | 37 | TiO<sub>2</sub> | 162.1 |
16 | SiO<sub>2</sub> | 137.2 | 38 | SiO<sub>2</sub> | 267.7 |
17 | TiO<sub>2</sub> | 152.2 | 39 | TiO<sub>2</sub> | 165.9 |
18 | SiO<sub>2</sub> | 311.6 | 40 | SiO<sub>2</sub> | 180 |
19 | TiO<sub>2</sub> | 134.5 | 41 | TiO<sub>2</sub> | 185.9 |
20 | SiO<sub>2</sub> | 238.3 | 42 | SiO<sub>2</sub> | 232.9 |
21 | TiO<sub>2</sub> | 163.3 | 43 | TiO<sub>2</sub> | 191.1 |
22 | SiO<sub>2</sub> | 231.5 | 44 | SiO<sub>2</sub> | 396.3 |
该分光棱镜直角棱镜斜面上镀有规整与非规整膜层相结合的分光膜,大部分激光优先从HfO2与SiO2的规整膜系反射,减小了整个分光膜的吸收,且耐高温的环氧树脂胶可以显著降低了胶层易损毁的风险;而优化后的非规整膜层对波段为700-900nm的电视波段高透过,对波段为1064nm的激光波段高反射,实现具有一定抗激光损伤情况下的高效率分光。经测试获得分光棱镜的透射光谱曲线(参见图5),分光棱镜的分光性能为700-900nm时τ>96.1%,1064nm激光ρ>99.5%。
图2为本发明的一种具有实时校轴功能的激光\电视共光路系统及方法的激光照射、激光测距和成像示意图。电视滤波片组件6切入到光路中,即电视滤波片组件6光轴与物镜组件5光轴共轴,角锥组件8切出光路。
携带被探测目标信息的光束经过物镜组件5后,依次透射过立方分光棱镜组件5,并透过电视滤波片组件6后成像于图像采集器像面7,形成电视成像信号。
在电视图像采集器7成像的同时可以进行激光照射,激光测照器2出射照射激光,经过立方分光棱镜组件4折转,再经过物镜组件5出射照射于被探测目标。
在电视图像采集器7成像的同时可以进行激光测距,激光测照器2出射测距激光,经过立方分光棱镜组件4折转,再经过物镜组件5出射照射于被探测目标,被测目标反射光束依此经过物镜组件5、立方分光棱镜组件4折转后,被激光测照器2接收,最终获得目标相对于系统的距离。
图3为本发明的一种具有实时校轴功能的激光\电视共光路系统及方法的激光\电视校轴方法示意图。电视滤波片组件6切出光路,角锥组件8切入光路中,即角锥组件8光轴与物镜组件5光轴共轴。
激光测照器2出射校轴激光,经过立方分光棱镜组件4折转,再经过物镜组件5出射照射于角锥组件8,在角锥组件8的作用下,按原路返回,经过物镜组件5、立方分光棱镜组件4、电视滤波片组件6后汇聚于电视图像采集器7的靶面,形成汇聚光斑,调整电视图像采集器7的电十字中心到汇聚光斑中心,实现激光\电视光电系统光轴的一致性,完成校轴。
Claims (7)
1.一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:包括光具座、激光测照器、电视支架、立方分光棱镜组件、物镜组件、电视滤波片组件、图像采集器、角锥组件;
所述光具座上安装有电视支架和激光测照器;图像采集器、电视滤波片组件、立方分光棱镜组件和物镜组件安装在电视支架上,图像采集器、电视滤波片组件、立方分光棱镜组件以及物镜组件轴线形成系统光轴,且电视滤波片组件可沿垂直于系统光轴方向切入切出;所述激光测照器的出射光线垂直于系统光轴分布,且通过立方分光棱镜组件接入系统光轴;所述角锥组件安置于物镜组件出光口,可沿垂直于光轴方向切入切出。
2.根据权利要求1所述一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:所述立方分光棱镜组件包括透明直角棱镜基片和分光膜系结构,其中分光膜系结构镀制在一个透明直角棱镜基片上,另一透明直角棱镜基片与镀制有分光膜系结构的透明直角棱镜基片胶合固定形成立方分光棱镜;
所述分光膜系结构采用由规整中折射率薄膜、低折射率薄膜及非规整的高折射率薄膜、低折射率薄膜交替叠加后构成,具体形式为从入射方向依次为(ML)5(HL)17,H为高折射率薄膜,M为中折射率薄膜,L为低折射率薄膜。
3.根据权利要求2所述一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:所述高折射率薄膜材料为TiO2,其薄膜厚度为91.1-191.1nm;所述中折射率薄膜材料为HfO2,其薄膜厚度为178.6nm;所述低折射率薄膜材料为SiO2,其在(ML)5中的薄膜厚度为241nm,其在(HL)17中的薄膜厚度为137.2-396.3nm。
4.根据权利要求3所述一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:高折射率薄膜TiO2的折射率为2.3-2.4,中折射率薄膜HfO2的折射率为2.1-2.2,低折射率薄膜的折射率为1.46。
5.根据权利要求3所述一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:
整个膜系结构的各层分布及厚度为:
。
6.根据权利要求3所述一种具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统,其特征在于:将两个透明直角棱镜基片胶合固定形成立方分光棱镜的光学粘合剂为耐高温环氧树脂。
7.权利要求1所述具有实时校轴功能的激光/电视共光路系统的使用和校轴方法,其特征在于:
电视对外部场景成像工作时,角锥组件沿垂直于光轴方向切出光路,电视滤光片组件沿光轴方向切入光路,被探测目标经过物镜组件、立方分光棱镜组件、电视滤波片组件后成像于图像采集器像面,实现对目标场景的摄像;
激光测照器在对外部目标照射时,角锥组件沿垂直于光轴方向切出光路,电视滤光片组件沿光轴方向切入光路,激光测照器出射照射激光,入射到立方分光棱镜组件,再经立方分光棱镜组件反射后通过物镜组件出射照射于被探测目标,实现对目标照射的同时不影响图像采集器对场景信息的获取;
激光测照器在对外部目标测距时,角锥组件沿垂直于光轴方向切出光路,电视滤光片组件沿光轴方向切入光路,激光测照器出射测距激光,入射到立方分光棱镜组件,再经立方分光棱镜组件反射后通过物镜组件出射照射于被探测目标,被测目标反射的光束经过物镜组件、立方分光棱镜组件,被激光测照器接收,并获得目标相对于系统的距离,同时不影响图像采集器对场景信息的获取;
在激光/电视光路自校轴时,角锥组件沿垂直于光轴方向切入光路,电视滤光片组件沿光轴方向切出光路,激光测照器出射校轴激光,入射到立方分光棱镜组件,经立方分光棱镜组件反射后通过物镜组件出射照射于角锥组件,角锥组件返回的光束经过物镜组件、立方分光棱镜组件后汇聚于图像采集器像面,形成校轴光斑,通过移动电视十字中心到光斑中心,实现激光/电视光路自校轴。
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2019
- 2019-06-28 CN CN201910580537.2A patent/CN110336932B/zh active Active
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