CN111123987B - 一种共孔径双波段成像系统光轴平行性调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种共孔径双波段成像系统光轴平行性调节系统及方法。该系统包括十字靶标、平行光管、计算机、第一图像显示器以及第二图像显示器；平行光管的光轴一侧设置十字靶面，其光轴的另一侧设置待调节共孔径双波段成像系统；计算机与第一图像探测单元连接；第二图像显示器与成像系统的第二图像探测单元连接；第一图像显示器与成像系统的第一图像探测单元连接。在光轴调节时采用传统的机械方法进行粗调，然后用电子学的方法对光轴进行精细调整校准，这样一方面可以大大降低光轴校准的难度，又可以提高光轴校正的精度，校准精度可以达到一个像元级，能够有效提高批量生产效率，提高调节精度，显著降低人力成本和提高产品性能。

Description

一种共孔径双波段成像系统光轴平行性调节系统及方法

技术领域

本发明属于光学装调技术领域，具体涉及一种共孔径双波段成像系统光轴平行性调节系统及方法，用于提高共口径双探测器成像系统光轴平行性调节的精度，降低调节的难度。

背景技术

共孔径双波段成像系统利用一个共孔径光学镜头在后端采用波段分光的形式同时获取目标的双波段图像，比如近红外波段(波长：700nm-900nm)和短波红外波段(波长：950nm-1700nm)的分光，如图1所示，共孔径光学镜头1通过棱镜分光后将不同波段的图像信息分别聚焦在近红外图像探测单元2和短波红外图像探测单元3上。为了满足使用要求，需要将近红外图像探测单元2和短波红外图像探测单元3的光轴中心和成像系统的共孔径光学镜头1光轴中心调至重合。

目前常用的调节方法是先采用机械调整的方法将镜头的光轴中心与其中一个图像探测单元的光轴中心调重合，然后以此为基准，机械移动另外一个图像探测单元的靶面(移动电路板或者整个机芯移动，下面简称“靶面”)，由于设计时靶面和安装基面的安装孔比安装螺钉大，利用安装孔与螺钉的间隙，调节图像的中心与另一路已经调好的图像中心重合，然后将靶面固定。由于探测单元像元一般为几个um或者十几个um，通过机械移动靶面获得较高的精度是非常困难的，对调校人员的经验和耐心是极大的考验。而且常常会发生当安装螺钉未完全拧紧时，中心已调至重合，但当安装螺钉完全拧紧后由于机械应力的变化导致中心又跑偏，无法达到使用要求；或者调校达到要求后经过高低温、振动等机械应力释放环节后由会产生偏差，不能满足精度要求，需要重新调节。这样给批量生产带来很大的难度，效率很低。

发明内容

本发明的目的是要解决现有机械式调整共孔径双波段成像系统光轴平行性时调节难度大，精度不高的问题，从而提供了一种共孔径双波段成像系统光轴平行性调节系统及方法，从而能够有效提高批量生产效率，显著降低人力成本和提高产品性能。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种共孔径双波段成像系统光轴平行性调节系统，所述共孔径双波段成像系统包括共孔径光学镜头、近红外图像探测单元以及短波红外图像探测单元；其改进之处是：

所述调节系统包括十字靶标、平行光管、计算机、第一图像显示器以及第二图像显示器；

平行光管的光轴一侧设置十字靶标，其光轴的另一侧设置待调节共孔径双波段成像系统；其中，十字靶标用于产生基准十字丝图像，平行光管用于模拟无穷远的目标；

计算机与第一图像探测单元连接，用于向第一图像探测单元发送图像开窗位置参数；第二图像显示器与第二图像探测单元连接，用于显示第二图像探测单元探测到的图像；第一图像显示器与第一图像探测单元连接，用于显示第一图像探测单元探测到的图像。

进一步地，第一图像显示器为近红外图像显示器，第二图像显示器为短波红外图像显示器。

进一步地，还包括用于安装待调节共孔径双波段成像系统的二维调节平台。

基于上述系统，本发明还提供了一种共孔径双波段成像系统光轴平行性调节方法，具体实现步骤如下：

步骤1：第二图像探测单元的图像调节

步骤1.1：先采用机械调整的方法，将待调节共孔径双波段成像系统中共孔径光学镜头的光轴与第二图像探测单元的光轴调节重合；

步骤1.2：将第二图像探测单元上标明图像中心位置的十字丝与平行光管的基准十字丝图像的中心调至重合；

步骤2：第一图像探测单元的图像调节

步骤2.1：粗调第一图像探测单元的图像

机械移动第一图像探测单元使第一图像探测单元图像上标明图像中心位置的十字丝与基准十字丝图像的中心水平和/或垂直误差≯5个像元；

步骤2.2：精调第一图像探测单元的图像

步骤2.2.1：设定第一图像探测单元的图像开窗区域尺寸及位置；

步骤2.2.2：计算机向第一图像探测单元发送图像开窗区域水平移动指令，每发送一次水平移动指令，开窗区域调整一个像素，开窗区域水平移动的方向使得第一图像探测单元图像上标明图像中心位置的十字丝水平方向与基准十字丝图像的水平方向重合；

步骤2.2.3：计算机向第一图像探测单元发送图像开窗区域垂直移动指令，每发送一次垂直移动指令，开窗区域沿垂直方向调整一个像素，最终使得第一图像探测单元图像上标明图像中心位置的十字丝与基准十字丝图像完全重合。

进一步地，上述步骤2.2.1的第一图像探测单元图像开窗区域的尺寸及位置需满足以下条件：

条件1：开窗区域尺寸为P×Q；其中，P≤M-10，Q≤N-10，M和N均为近红外探测器有效像元；

条件2：初始开窗区域位置为中心位置，即

x0,y0为中心位置坐标。

进一步地，上述第一图像探测单元的图像为近红外图像，所述第二图像探测单元的图像为短波红外图像。

进一步地，上述步骤1.2是通过二维调节平台实现。

本发明的有益效果是：

本发明采用机械粗调+电子学精调的方式，在光轴调节时采用传统的机械方法进行粗调，然后用电子学的方法对光轴进行精细调整校准，这样一方面可以大大降低光轴校准的难度，又可以提高光轴校正的精度，校准精度可以达到一个像元级，能够有效提高批量生产效率，提高调节精度，显著降低人力成本和提高产品性能。

附图说明

图1为共孔径双波段成像系统的原理结构图；

图2为调节系统的原理结构图；

图3为调节方法的流程图；

图4为短波红外图像调节示意图；

图5为近红外图像调节示意图；

图6为近红外图像探测单元组成示意图；

图7为近红外图像探测器开窗区域示意图；

图8为近红外图像探测单元在执行精调过程时内部程序运行流程图。

附图标记如下：

1-共孔径光学镜头、2-近红外图像探测单元、3-短波红外图像探测单元、4-十字靶标、5-平行光管、6-待调节共孔径双波段成像系统、7-二维调节平台、8-计算机、9-近红外图像显示器、10-短波红外图像显示器、11-近红外电视通信线缆、12-短波红外视频线缆、13-近红外视频线缆、14-近红外图像探测器、15-处理器、16-通信接口芯片、17-参数存储器、18-参数配置软件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

本实施例提供了一种共孔径双波段成像系统光轴平行性调节系统，其中，待调节共孔径双波段成像系统包括共孔径光学镜头1、第一图像探测单元以及第二图像探测单元；为了更好的理解本发明的技术方案，本实施例中第一图像探测单元为近红外图像探测单元2，第二图像探测单元为短波红外图像探测单元3，当然本发明中的第一图像探测单元以及第二图像探测单元也可采用其它波段的图像探测单元。

如图2所示，调节系统包括十字靶标4、平行光管5、二维调节平台7、计算机8、第一图像显示器以及第二图像显示器(本例中第一图像显示器为近红外图像显示器9，第二图像显示器为短波红外图像显示器10)；

平行光管5的光轴一侧设置十字靶标4，其光轴的另一侧设置待调节共孔径双波段成像系统6；待调节共孔径双波段成像系统6安装在二维调节平台7上；其中，十字靶标4用于产生基准十字丝图像，平行光管5用于模拟无穷远的目标；

计算机8与近红外图像探测单元2连接(此处实际是采用近红外电视通信线缆11将近红外图像探测单元2的通信接口和计算机8连接)，用于向近红外图像探测单元2发送图像开窗位置参数；

短波红外图像显示器10与短波红外图像探测单元3连接(此处实际是采用短波红外视频线缆12将短波红外图像探测单元3的输出接口和短波红外图像显示器10连接)，用于显示短波红外图像探测单元3探测到的短波红外图像；

近红外图像显示器9与近红外图像探测单元2连接(此处实际是采用近红外视频线缆13将近红外图像探测单元2的输出接口和近红外图像显示器9连接)，用于显示近红外图像探测单元2探测到的近红外图像。

基于以上对本实施例结构的描述，现对该采用调节系统进行共孔径双波段成像系统光轴平行性调节方法进行以下说明：

由于短波红外图像探测单元有效像元数量相对较少，全部有效像元都利用了，没有未用像元，短波红外图像探测单元的调节可直接采用机械方式进行，而近红外图像探测单元有效像元数多于实际使用像元数量，因此，近红外图像探测单元的调节需采用机械式+电子学组合调节的方式进行。

如图3所示，调节方法的具体步骤是：

步骤1：短红外图像探测单元的图像调节

步骤1.1：先采用机械调整的方法，将待调节共孔径双波段成像系统中共孔径光学镜头的光轴与短红外图像探测单元的光轴调节重合；

步骤1.2：将短红外图像探测单元上标明图像中心位置的十字丝与平行光管的基准十字丝图像的中心调至重合，如图4所示；

步骤2：近红外图像探测单元的图像调节

步骤2.1：粗调近红外图像探测单元的图像

机械移动近红外图像探测单元使第一图像探测单元图像上标明图像中心位置的十字丝与基准十字丝图像的中心水平和/或垂直误差≯5个像元，如图5所示；

步骤2.2：精调近红外图像探测单元的图像

步骤2.2.1：设定近红外图像探测单元的图像开窗区域尺寸及位置；

近红外图像探测单元图像开窗区域的尺寸及位置需满足以下条件，如图7所示：近红外图像探测单元有效像元为M×N,实际需要的开窗区域尺寸为P×Q，其中应保证M-P≥10，N-Q≥10，初始开窗位置为中心位置，即

x0,y0为中心位置坐标，这样近红外图像探测单元四周未用的有效像元数量对称，通过开窗位置调整进行光轴辅助调节时两边的调整余量相同。

步骤2.2.2：计算机向近红外图像探测单元发送图像开窗区域水平移动指令，每发送一次水平移动指令，开窗区域调整一个像素，开窗区域水平移动的方向使得近红外图像探测单元图像上标明图像中心位置的十字丝水平方向与基准十字丝图像的水平方向重合；

步骤2.2.3：计算机向近红外图像探测单元发送图像开窗区域垂直移动指令，每发送一次垂直移动指令，开窗区域沿垂直方向调整一个像素，最终使得近红外图像探测单元图像上标明图像中心位置的十字丝与基准十字丝图像完全重合。

另外还需对近红外图像探测单元进行如下介绍：如图6所示，近红外图像探测单元2包括：近红外图像探测器14、处理器15、通信接口芯片16、参数存储器17组成，另外还需要参数配置软件18的支持。探测器靶面14用于光电转换，将目标的光信号转换为图像输出，处理器15用于控制近红外图像探测器(包括近红外图像探测器参数配置、工作时序控制等)、图像接收与处理、系统控制、与计算机通信等功能，通信接口芯片用于将处理器输入输出的信号电平转换为能和计算机兼容的电平，如RS232、RS422等，参数存储器17用于保存近红外图像探测器的开窗位置参数，包括起始坐标(x0,y0)和开窗大小P、Q(P为水平方向像元数，Q为垂直方向像元数)，参数配置软件18用于将开窗位置参数配置发送给相机进行相应的参数配置和保存。

近红外图像探测单元进行开窗移动时内部实现处理流程如图8所示，主要步骤如下：

A、近红外图像探测单元上电复位完成后，处理器15从参数存储器17中读取近红外图像探测器14开窗位置起始坐标(x0,y0)和开窗大小(P，Q)到处理器内部变量中；

B、处理器15用代表近红外图像探测器14开窗位置起始坐标(x0,y0)和开窗大小(P，Q)的内部变量数据按照近红外图像探测器的参数配置协议配置近红外图像探测器14的开窗位置和开窗大小；

C、等待外部计算机指令，如果判断到有指令，进行第D，如果没有，继续等待；

D、判断该指令是否为开窗位置调整指令，如果是，进行第E步，如果不是，进行第E步；

E、对开窗位置调整指令有效性进行判断，指令参数应满足：x0≥0，y0≥0，x0+P≤M，y0+Q≤N，如果指令有效，进行F，如果指令无效，则返回C；

F、处理器15用收到的开窗位置参数更新内部变量值，用新的变量值重新配置近红外图像探测器14的开窗位置，配置完成后进行C；

G、判断是否有参数保存指令，如果有，进行H，如果没有，则返回C；

H：处理器15将正在使用的近红外图像探测器开窗信息内部变量值保存进参数存储器17，保存完成后返回C。

Claims (4)

1.一种共孔径双波段成像系统光轴平行性调节系统，所述共孔径双波段成像系统包括共孔径光学镜头、第一图像探测单元以及第二图像探测单元；其特征在于：

所述调节系统包括十字靶标、平行光管、计算机、第一图像显示器、第二图像显示器以及用于安装待调节共孔径双波段成像系统的二维调节平台；

平行光管的光轴一侧设置十字靶标，其光轴的另一侧设置待调节共孔径双波段成像系统；其中，十字靶标用于产生基准十字丝图像，平行光管用于模拟无穷远的目标；

计算机与第一图像探测单元连接，用于向第一图像探测单元发送图像开窗位置参数；第二图像显示器与第二图像探测单元连接，用于显示第二图像探测单元探测到的图像；第一图像显示器与第一图像探测单元连接，用于显示第一图像探测单元探测到的图像；

第一图像探测单元图像开窗位置参数满足以下条件：

条件1：开窗区域尺寸为P×Q；其中，P≤M-10，Q≤N-10，其中P为开窗区域水平方向像元数，Q为开窗区域垂直方向像元数，M为图像探测器水平方向有效的像元数，N为图像探测器垂直方向有效的像元数；

条件2：初始开窗区域位置为中心位置，即

x0,y0为图像左下角位置坐标，也即输出图像在图像探测器上的起始坐标。

2.根据权利要求1所述的共孔径双波段成像系统光轴平行性调节系统，其特征在于：第一图像显示器为近红外图像显示器，第二图像显示器为短波红外图像显示器。

3.一种共孔径双波段成像系统光轴平行性调节方法，其特征在于，具体实现步骤如下：

步骤1：第二图像探测单元的图像调节

步骤1.1：先采用机械调整的方法，将待调节共孔径双波段成像系统中共孔径光学镜头的光轴与第二图像探测单元的光轴调节重合；

步骤1.2：将第二图像探测单元上标明图像中心位置的十字丝与平行光管的基准十字丝图像的中心通过二维调节平台调至重合；

步骤2：第一图像探测单元的图像调节

步骤2.1：粗调第一图像探测单元的图像

机械移动第一图像探测单元使第一图像探测单元图像上标明图像中心位置的十字丝与基准十字丝图像的中心水平和/或垂直误差≯5个像元；

步骤2.2：精调第一图像探测单元的图像

步骤2.2.1：设定第一图像探测单元的图像开窗区域尺寸及位置；

第一图像探测单元图像开窗区域的尺寸及位置满足以下条件：

条件1：开窗区域尺寸为P×Q；其中，P≤M-10，Q≤N-10，其中P为开窗区域水平方向像元数，Q为开窗区域垂直方向像元数，M为第一图像探测器水平方向有效的像元数，N为第一图像探测器垂直方向有效的像元数；

条件2：初始开窗区域位置为中心位置，即

x0,y0为图像左下角位置坐标，也即输出图像在图像探测器上的起始坐标；

步骤2.2.2：计算机向第一图像探测单元发送图像开窗区域水平移动指令，每发送一次水平移动指令，开窗区域调整一个像素，开窗区域水平移动的方向使得第一图像探测单元图像上标明图像中心位置的十字丝水平方向与基准十字丝图像的水平方向重合；

步骤2.2.3：计算机向第一图像探测单元发送图像开窗区域垂直移动指令，每发送一次垂直移动指令，开窗区域沿垂直方向调整一个像素，最终使得第一图像探测单元图像上标明图像中心位置的十字丝与基准十字丝图像完全重合。

4.根据权利要求3所述的共孔径双波段成像系统光轴平行性调节方法，其特征在于：所述第一图像探测单元的图像为近红外图像，所述第二图像探测单元的图像为短波红外图像。

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