CN111083470A - 一种阵列相机视轴调校装置及调校方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于阵列相机调校装置及调校方法，为解决现有对光轴测量和调校方法仅能测量单相机光轴指向，既无法对满足特定光轴夹角的阵列相机多光轴进行测量，也无法实现对像面上探测器旋转的测量与调校的技术问题，提供一种阵列相机视轴调校装置及调校方法，装置包括经纬仪、阵列相机安装座、光学平台、显示装置、靶标、自准穿心反射镜和自准反射镜，将阵列相机各子相机分别安装于阵列相机安装座上，借助经纬仪、靶标对子相机分别进行自准穿心、光轴夹角及探测器旋转的调校，调校过程中，借助自准穿心反射镜和自准反射镜完成相应的穿心与自准，通过显示装置在调校过程中观察相应的图像和十字丝对准情况。调校方法是借助上述装置完成阵列相机视轴调校。

Description

一种阵列相机视轴调校装置及调校方法

技术领域

本发明属于阵列相机调校装置及调校方法，具体涉及一种阵列相机视轴调校装置及调校方法。

背景技术

阵列相机一般由多台相机组成，每台相机的光轴可以相互平行，也可以带有一定夹角或者满足其他特定的位置关系，以满足阵列相机成像、测量等各类任务需求。

对于单个相机的视轴调校主要包括三方面内容：1.光轴指向及夹角的调校，包括水平方向和俯仰方向；2.光轴与探测器表面法线的垂直度调校；3.以光轴为旋转轴的图像探测器旋转调校。

传统单光学镜头相机的光轴指向调校，主要利用基准反射镜或基准立方棱镜，引出光学镜头的光轴，再借助经纬仪的自准直及读数功能，实现光轴指向的精确测量与调校，该方法只能对光轴指向进行测量与标定，且由于经纬仪口径有限，仅能测量单相机、单光轴指向，无法对满足特定光轴夹角的阵列相机多光轴进行测量，也无法实现对像面上探测器旋转的测量与调校，尤其对于大视场成像的相机，光轴指向和图像旋转的测量与调校变得尤为困难。

对于阵列相机而言，尤其是大视场成像的多镜头相机阵列，一般由多个光学镜头组成，每个光学镜头还分别连接有探测器，形成多个子相机，各子相机呈扇形排布，既要测量阵列相机中多台子相机的光轴夹角，包括水平方向与俯仰方向，又要实现图像旋转的调校，采用传统的调校方法已无法对多个光轴指向与图像旋转进行测量与调校要求。

发明内容

本发明的主要目的是解决现有技术中对光轴测量和调校方法仅能测量单相机光轴指向，既无法对满足特定光轴夹角的阵列相机多光轴进行测量，也无法实现对像面上探测器旋转的测量与调校的技术问题，提供一种阵列相机视轴调校装置及调校方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种阵列相机视轴调校装置，其特殊之处在于，包括经纬仪、阵列相机安装座、光学平台、显示装置、靶标、自准穿心反射镜和自准反射镜；

所述阵列相机安装座设置于光学平台上，阵列相机安装座侧面与光学平台垂直，阵列相机安装座的侧面开设有多个安装孔，用于固定待调校阵列相机，各安装孔的中心位于一条直线上，且与阵列相机安装底面平行；所述光学平台的底部设有调平装置；所述经纬仪和靶标依次设置于阵列相机安装座上安装孔所在的一侧；所述靶标上设有多组平行线或平行网格，靶标的宽度覆盖待调校阵列相机的成像视场，且靶标到待调校阵列相机的距离大于经纬仪到待调校阵列相机的距离；所述经纬仪到待调校阵列相机的距离等于待调校阵列相机到各子相机光轴理论交点位置处的距离；

所述显示装置采用显示区域自生成电十字丝的监视器，与待调校阵列相机的探测器相连；

所述自准穿心反射镜和自准反射镜的光学表面均镀制有半反半透膜，其光学表面中心均刻有十字丝，分别用于阵列相机各子相机光学镜头的自准穿心调校和确定经纬仪的调校基准。

进一步地，所述光学平台为殷钢板。

进一步地，所述调平装置为三个调平支架，三个调平支架呈三角状设置于光学平台的底部。

进一步地，所述显示装置自生成的电十字丝线条宽度小于等于1个像元；所述经纬仪的十字丝线条成像宽度小于等于1个像元。

进一步地，所述靶标上的平行线或平行网格的线条成像宽度均小于等于1个像元。

一种使用如上所述阵列相机视轴调校装置的调校方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1，各子相机的自准穿心调校

S1.1，在子相机光学镜头的基准面上安装自准穿心反射镜；

S1.2，通过经纬仪对子相机进行自准直，调节经纬仪的俯仰角度和方位角度，直至经纬仪经自准穿心反射镜反射的十字丝像与经纬仪自带的十字丝重合，此时，经纬仪和自准穿心反射镜的光轴平行；

S1.3，将显示装置与子相机相连，调节探测器，观察显示装置，直至经纬仪的十字丝像与显示装置的电十字完全重合；

S1.4，重复步骤S1.1至步骤S1.3，对所有子相机进行自准穿心调校，使各子相机的探测器中心与各自的光学镜头的像面中心重合；

S2，安装待调校阵列相机

将待调校阵列相机的壳体安装于阵列相机安装座内，通过调平装置将光学平台调至水平；

S3，调整经纬仪

将经纬仪调至水平，并调节经纬仪的光轴高度，使其与待调校阵列相机的安装孔的中心高度持平；

S4，确定经纬仪的调校基准

S4.1，将自准反射镜安装在待调校阵列相机壳体中心子相机的安装孔中；

S4.2，使用经纬仪对自准反射镜进行自准穿心，同时调整经纬仪的高度、方位角度和俯仰角度，使经纬仪自带的十字丝、自准反射镜反射的十字丝像、自准反射镜的十字丝在经纬仪上的成像位置完全重合；

S4.3，保持经纬仪的当前状态，锁定经纬仪的俯仰角度，记录此时经纬仪的水平方位角度作为经纬仪的方位基准；

S5，调整靶标的位置

使用经纬仪的激光束水平扫过靶标中的线条，同时调整靶标的位置，使靶标中的任一水平线条与经纬仪的激光束水平扫描轨迹重合，固定靶标的位置，并标记该水平线；

S6，对待调校阵列相机进行调校

S6.1，经纬仪的水平方位回到基准零位，拆除自准反射镜，将处于待调校阵列相机中心处的子相机安装于待调校阵列相机的壳体上，并连接子相机与显示装置；

S6.2，通过子相机采集经纬仪目标十字丝图像，在显示装置上观察十字丝图像与电十字丝重合情况，调节子相机，使显示装置的电十字丝与经纬仪的十字丝像完全重合；

S6.3，在显示装置上观察经步骤S5标记的靶标上的水平线条所成的像，同时上下平移或旋转子相机，使该水平线条成像位于图像垂直视场的中心处，且线条左右两端也位于图像同一行，即完成了对该子相机的光轴和视场旋转的调校；

S7，对其他子相机进行调校

S7.1，将经纬仪水平旋转预设角度，所述预设角度为其他子相机与中心子相机之间的光轴理论夹角；

S7.2，将步骤7.1中经纬仪光轴对应的子相机安装于待调校阵列相机的壳体上相应位置，连接子相机与显示装置；

S7.3重复步骤6.2至步骤7.2，完成对所有子相机光轴和视场旋转的调校。

进一步地，步骤S6.1中，所述将处于待调校阵列相机中心处的子相机安装于待调校阵列相机的壳体上具体为：将所述子相机基板安装于待调校阵列相机的壳体内；所述基板与壳体之间设有垫片。

进一步地，步骤6.2中，所述调节子相机具体为，调整基板与壳体安装面之间垫片的厚度，实现对子相机俯仰、方位的调整。

进一步地，步骤6.2中，所述使显示装置的电十字丝与经纬仪的十字丝图像重合，重合精度小于等于一个像元。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的阵列相机视轴调校装置，用于将阵列相机安装于阵列相机安装座上的安装孔内，借助经纬仪和靶标对阵列相机的各子相机分别进行自准穿心、光轴夹角和探测器旋转的调校，通过调平装置能够使阵列相机安装座侧面以垂直状态放置于光学平台上，在调校过程中，可借助自准穿心反射镜和自准反射镜完成相应的自准，通过显示装置可在调校过程中观察相应的图像和十字丝对准情况。装置结构简单紧凑，便于操作，克服了传统光轴调整的局限和不足。

2.本发明的调平装置为三个调平支架，调平支架以三角形排布方式设置于光学平台底部，三个调平支架通过各自的升降调节，使光学平台保持水平状态。

3.本发明显示装置的电十字丝宽度为探测器的1个像元，经纬仪的十字丝线条宽度，以及靶标上线条的成像宽度均控制在1个像元的精度范围内，保证了调校的精度。

4.本发明的调校方法，先对阵列相机的各子相机进行自准，再利用前述的调校装置对阵列相机的子相机逐一调校，借助一个调校装置，完成了各子相机自准穿心、光轴夹角及探测器旋转的调校，用较为简便的方法解决了阵列相机多个光轴夹角和视场旋转等测量与调校的难题，适用于大视场多镜头阵列相机光轴的调校和测量，调校精度可达亚像元级别，具有操作简单、高效、实用和调校精度高的特点。

附图说明

图1为本发明阵列相机视轴调校装置实施例的结构示意图；

图2为本发明阵列相机视轴调校方法实施例中光学镜头的自准穿心调校示意图；

图3为本发明阵列相机视轴调校方法实施例中自准反射镜的安装示意图；

图4为本发明实施例中自准反射镜光学表面的示意图；

图5为本发明实施例中靶标的示意图；

图6为本发明实施例中显示装置电十字与经纬仪十字像的判读示意图；

图7为本发明实施例中阵列相机结构示意图；

图8为本发明实施例中阵列相机各子相机的光轴示意图(其中虚线表示各子相机的光轴)。

其中，1-光学平台、2-调平装置、3-阵列相机安装座、4-光学镜头、5-探测器、6-显示装置、7-经纬仪、8-靶标、9-自准穿心反射镜、10-自准反射镜、11-基板、12-安装孔。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

如图1至图5所示，阵列相机视轴调校装置，包括水平设置的光学平台1、调平装置2、阵列相机安装座3、显示装置6、高精度的经纬仪7、靶标8及自准穿心反射镜9和自准反射镜10；

阵列相机安装座3设置于光学平台1上，阵列相机安装座3的侧面与光学平台1垂直，阵列相机安装座3的侧面开设有安装孔12，用于安装固定待调校阵列相机，各安装孔12的中心线位于同一水平线上，且与阵列相机安装底面平行，安装孔主要用于放置光学镜头；光学平台1的底部设有调平装置2，调平支架2为三个调平支架，三个调平支架呈三角状设置于光学平台1的底部，采用三角支撑的方式，每一个支撑点均可进行高低调整，还可利用高精度电子水平仪监测光学平台1的水平度；经纬仪7和靶标8依次设置于阵列相机安装座3上安装孔所在的一侧；靶标8上设有多组平行线或平行网格，可以是纸靶标或者其他材质，靶标8无需与中心相机光轴严格垂直，靶标8的宽度覆盖待调校阵列相机的成像视场，靶标8到待调校阵列相机的距离大于经纬仪7到待调校阵列相机的距离，经纬仪7到待调校阵列相机的距离等于待调校阵列相机到各子相机光轴理论交点位置处的距离；显示装置6采用显示区域自生成电十字丝的监视器，与待调校阵列相机的探测器5相连，显示装置6的电十字丝线条宽度小于等于1个像元，经纬仪十字丝线条成像宽度小于等于1个像元；自准穿心反射镜9和自准反射镜10均为圆形，其光学表面均镀制有半反半透膜，其光学表面中心均刻有十字丝，自准穿心反射镜9与自准反射镜10可完全相同，也可不同，包括大小、尺寸、材料等，自准穿心反射镜9和自准反射镜10均经过定心加工处理，保证自身的能高精度基准。

探测器5设置在光学镜头像面一侧，阵列相机安装座3的基准面与阵列相机安装底面垂直，待调校阵列相机安装底面应具有较好的平面度，且安装底面与结构基准面具有良好的垂直度，光学平台1为高平面精度的殷钢板或其他不易变形的金属平板。安装时，子相机基板11通过螺钉安装连接，基板11与光学镜头4作为一个整体通过螺钉安装在阵列相机的壳体内。螺钉连接处均有垫片，基板11与壳体之间也设有垫片，以满足修切调整的需要。光学镜头4、基板11和探测器5组成的成像组件有6个自由度，包括三个方向的旋转和3个方向的平移，6个自由度的调整均通过螺钉连接处的4个垫片进行调整。方位和俯仰的旋转用于调整视轴夹角，保证子相机光轴与经纬仪光轴平行；以光轴为旋转轴的旋转用于调整图像的旋转；3个方向的平移用于调整各子相机视场高低、左右的一致性，消除子相机光轴与经纬仪光轴平移误差，保证子相机光轴与之重合。

经纬仪7位于视场靶标8与待调校阵列相机之间。光学镜头4的法兰通过螺钉安装在基板11上，探测器5也安装在基板11上，镜头穿心时，光学镜头4可相对于探测器5沿其垂直于光学镜头4的光轴方向平移，穿心完成后，拧紧光学镜头4法兰处的螺钉。

如图2，经纬仪7和自准穿心反射镜9在调校时用于光学镜头4与探测器5中心的自准穿心，自准穿心反射镜9安装于光学镜头4的基准面上。

如图7和图8，本实施中待调校阵列相机由11台子相机组成，各子相机的光学镜头4的排布如图中所示，分别为位于中心的A，以及以A为中心对称分布的B1、B2、C1、C2、D1、D2、E1、E2、F1、F2，每台子相机水平视场为90°，子相机相对中间子相机光轴左右对称分布，且中间子相机镜头光轴指向为基准零位，其他子相机与中心子相机光轴存在的夹角分别为1.7°、3.4°、5.1°、6.8°和8.5°，且光轴对称分布。B1与B2、C1与C2、D1与D2、E1与E2具有相同的光轴夹角。

如图1和图8，经纬仪7位于待调校阵列相机前方L＝2m处，视场靶标位于M＝2.4m处。经纬仪7位于阵列相机多个光轴交点O位置。

在本实施例中，靶标8经打印后，粘贴在距离阵列相机距离M为2.4m的平整墙面上，其线条宽度取3mm，线条长度为5m。电十字丝线条宽度占1个像元，经纬仪十字丝线条成像宽度也为1个像元。

如下是具体的调校方法：

1)各子相机光学镜头的自准穿心，其中，子相机由光学镜头4和探测器5组装而成

如图2所示，搭建光学镜头4穿心装置，将自准穿心反射镜9安装于光学镜头4的基准面上，利用经纬仪7自准直功能，对自准穿心反射镜9进行自准直。如图6，观察显示装置6，调节探测器5，使得经纬仪7的十字丝像与显示装置6的电十字完全重合。

2)搭建上述阵列相机视轴调校装置，利用调平装置2将光学平台1调水平，可通过电子水平仪对是否水平进行检测。

3)将经纬仪7放置于阵列相机光学镜头4前端一定距离L处，保证经纬仪7按照特定角度旋转后，经纬仪7成像光束可以进入每个子相机的视场内。调平经纬仪7，并调节经纬仪7光轴高度与阵列相机安装孔12的中心高度基本持平。

4)在阵列相机中间子相机光学镜头4的安装孔12内安装自准反射镜10，上述自准反射镜10安装于阵列相机安装座3的基准面上，提供镜头安装孔位中心基准，并与经纬仪联合校准结构基准面法向方向，使基准面与经纬仪7的光轴垂直。经纬仪7对自准反射镜10进行自准穿心，并进一步对经纬仪7的高度、方位、俯仰进行精调，使经纬仪7自带的十字丝、自准反射镜10反射的十字丝像、自准反射镜10的十字丝在经纬仪7上的成像位置完全重合。

5)保持经纬仪7当前状态，锁定经纬仪7的俯仰角度，记录此时经纬仪7的水平方位角度作为经纬仪7的方位基准。

6)利用经纬仪7自带的激光束，水平扫过靶标8的靶面，使得靶标8平行线中的某一条水平线与激光束扫描轨迹重合。如果靶标8中的平行线不能与激光束扫出来的水平线重合，则平移、旋转靶标8使得与之重合，并标记该水平线。

7)经纬仪7的水平方位回到基准零位，拆除自准反射镜10。将处于待调校阵列相机中心处的子相机安装于待调校阵列相机的壳体上，并连接子相机与显示装置6。

8)此时经纬仪7的俯仰角度与水平的角度偏差反映了阵列相机基准面与安装底面的垂直度，加工时需严格控制该垂直度或后期修研，以保证经纬仪7俯仰为水平面平行，误差小于1个像元。该步骤的内容为本发明调校过程中能够实现的辅助功能。

9)通过子相机(包含光学镜头4和探测器5)采集经纬仪7)目标十字丝图像，在显示装置6上观察十字丝图像与电十字丝重合情况，调节子相机与结构壳体之间的垫片厚度，使显示装置6的电十字丝与经纬仪7的十字丝像完全重合，精确到像元级别。

10)在显示装置6上观察靶标8中标记的那条水平线，同时上下平移调整子相机，使其成像于图像垂直视场中心，并观察水平线左右两端成像位置高低，旋转子相机，保证水平线左右两端成像在图像中同一水平像元行数处，同时兼顾经纬仪7目标十字像14与电十字13中心重合，即完成中间子相机光轴及视场旋转的调整。

11)将经纬仪7水平旋转预设角度(其他子相机与中心子相机之间的光轴理论夹角)后，保持不动，将经纬仪7光轴对应的子相机安装于待调校阵列相机的壳体上相应位置，连接该子相机与显示装置6，重复步骤1)到10)，即可完成阵列相机所有子相机的调校，包括水平和俯仰、图像旋转、多相机对同一目标成像位置高低一致性的调整。至此，阵列相机中所有子相机均已完成视轴调校。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种阵列相机视轴调校装置，其特征在于：包括经纬仪(7)、阵列相机安装座(3)、光学平台(1)、显示装置(6)、靶标(8)、自准穿心反射镜(9)和自准反射镜(10)；

所述阵列相机安装座(3)设置于光学平台(1)上，阵列相机安装座(3)侧面与光学平台(1)垂直，阵列相机安装座(3)的侧面开设有多个安装孔(12)，用于固定待调校阵列相机，各安装孔(12)的中心位于一条直线上，且与阵列相机安装底面平行；所述光学平台(1)的底部设有调平装置(2)；所述经纬仪(7)和靶标(8)依次设置于阵列相机安装座(3)上安装孔所在的一侧；所述靶标(8)上设有多组平行线或平行网格，靶标(8)的宽度覆盖待调校阵列相机的成像视场，且靶标(8)到待调校阵列相机的距离大于经纬仪(7)到待调校阵列相机的距离；所述经纬仪(7)到待调校阵列相机的距离等于待调校阵列相机到各子相机光轴理论交点位置处的距离；

所述显示装置(6)采用显示区域自生成电十字丝的监视器，与待调校阵列相机的探测器(5)相连；

所述自准穿心反射镜(9)和自准反射镜(10)的光学表面均镀制有半反半透膜，其光学表面中心均刻有十字丝，分别用于阵列相机各子相机光学镜头(4)的自准穿心调校和确定经纬仪(7)的调校基准。

2.如权利要求1所述一种阵列相机视轴调校装置，其特征在于：所述光学平台(1)为殷钢板。

3.如权利要求1所述一种阵列相机视轴调校装置，其特征在于：所述调平装置(2)为三个调平支架，三个调平支架呈三角状设置于光学平台(1)的底部。

4.如权利要求1或2或3所述一种阵列相机视轴调校装置，其特征在于：所述显示装置(6)自生成的电十字丝线条宽度小于等于1个像元；所述经纬仪(7)的十字丝线条成像宽度小于等于1个像元。

5.如权利要求4所述一种阵列相机视轴调校装置，其特征在于：所述靶标(8)上的平行线或平行网格的线条成像宽度均小于等于1个像元。

6.一种使用如权利要求1至4任一所述阵列相机视轴调校装置的调校方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，各子相机的自准穿心调校

S1.1，在子相机光学镜头(4)的基准面上安装自准穿心反射镜(9)；

S1.2，通过经纬仪(7)对子相机进行自准直，调节经纬仪(7)的俯仰角度和方位角度，直至经纬仪(7)经自准穿心反射镜(9)反射的十字丝像与经纬仪(7)自带的十字丝重合，此时，经纬仪(7)和自准穿心反射镜(9)的光轴平行；

S1.3，将显示装置(6)与子相机相连，调节探测器(5)，观察显示装置(6)，直至经纬仪(7)的十字丝像与显示装置(6)的电十字完全重合；

S1.4，重复步骤S1.1至步骤S1.3，对所有子相机进行自准穿心调校，使各子相机的探测器(5)中心与各自的光学镜头(4)的像面中心重合；

S2，安装待调校阵列相机

将待调校阵列相机的壳体安装于阵列相机安装座(3)内，通过调平装置(2)将光学平台(1)调至水平；

S3，调整经纬仪(7)

将经纬仪(7)调至水平，并调节经纬仪(7)的光轴高度，使其与待调校阵列相机安装孔(12)的中心高度持平；

S4，确定经纬仪(7)的调校基准

S4.1，将自准反射镜(10)安装在待调校阵列相机壳体中心子相机的安装孔(12)中；

S4.2，使用经纬仪(7)对自准反射镜(10)进行自准穿心，同时调整经纬仪(7)的高度、方位角度和俯仰角度，使经纬仪(7)自带的十字丝、自准反射镜(10)反射的十字丝像、自准反射镜(10)的十字丝在经纬仪(7)上的成像位置完全重合；

S4.3，保持经纬仪(7)的当前状态，锁定经纬仪(7)的俯仰角度，记录此时经纬仪(7)的水平方位角度作为经纬仪(7)的方位基准；

S5，调整靶标(8)的位置

使用经纬仪(7)的激光束水平扫过靶标(8)中的线条，同时调整靶标(8)的位置，使靶标(8)中的任一水平线条与经纬仪(7)的激光束水平扫描轨迹重合，固定靶标(8)的位置，并标记该水平线；

S6，对待调校阵列相机进行调校

S6.1，经纬仪(7)的水平方位回到基准零位，拆除自准反射镜(10)，将处于待调校阵列相机中心处的子相机安装于待调校阵列相机的壳体上，并连接子相机与显示装置(6)；

S6.2，通过子相机采集经纬仪(7)目标十字丝图像，在显示装置(6)上观察十字丝图像与电十字丝重合情况，调节子相机，使显示装置(6)的电十字丝与经纬仪(7)的十字丝像完全重合；

S6.3，在显示装置(6)上观察经步骤S5标记的靶标(8)上的水平线条所成的像，同时上下平移或旋转子相机，使该水平线条成像位于图像垂直视场的中心处，且线条左右两端也位于图像同一行，即完成了对该子相机的光轴和视场旋转的调校；

S7，对其他子相机进行调校

S7.1，将经纬仪(7)水平旋转预设角度，所述预设角度为其他子相机与中心子相机之间的光轴理论夹角；

S7.2，将步骤7.1中经纬仪(7)光轴对应的子相机安装于待调校阵列相机的壳体上相应位置，连接子相机与显示装置(6)；

S7.3重复步骤6.2至步骤7.2，完成对所有子相机光轴和视场旋转的调校。

7.如权利要求6所述一种调校方法，其特征在于：步骤S6.1中，所述将处于待调校阵列相机中心处的子相机安装于待调校阵列相机的壳体上具体为：将所述子相机基板(11)安装于待调校阵列相机的壳体内；所述基板(11)与壳体之间设有垫片。

8.如权利要求7所述一种调校方法，其特征在于：步骤6.2中，所述调节子相机具体为：调整基板(11)与壳体安装面之间垫片的厚度，实现对子相机俯仰、方位的调整。

9.如权利要求8所述一种调校方法，其特征在于：步骤6.2中，所述使显示装置(6)的电十字丝与经纬仪(7)的十字丝图像重合，重合精度小于等于一个像元。

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