CN201897679U

CN201897679U - 大视场空间摄像装置

Info

Publication number: CN201897679U
Application number: CN2010201814409U
Authority: CN
Inventors: 祝青; 曹剑中; 张兆会; 董森; 武力; 闫阿奇
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2020-05-06

Abstract

本实用新型提供了一种空间摄像装置，在常规光电成像技术的基础上，充分考虑了空间环境中存在的高低温、真空、辐照、振动冲击、电磁干扰等恶劣环境因素，有效克服了这些恶劣环境因素对摄像装置带来的损害和不良影响。该大视场空间摄像装置设置于安装板上，包括光学镜头组件、CCD图像探测器组件、防护电路组件和机械防护组件；机械防护组件包括箱体和底座，光学镜头组件、CCD图像探测器组件和防护电路组件均安装于箱体内，形成对CCD图像探测器、防护电路的双层壳体防护。本实用新型光学系统结构稳定性、强度较好，可隔离总剂量辐照、高低温冲击；电子系统的抗干扰、电磁兼容能力较好；应用模块化设计，机械结构简明、稳定、抗震。

Description

大视场空间摄像装置

技术领域

本实用新型涉及一种空间摄像装置，尤其适用于高温、低温、真空、辐照、振动冲击、电磁干扰等恶劣环境。

背景技术

CCD摄像机目前已经广泛地应用于日常生活和工作中，然而当其使用环境复杂多变、恶劣时，尤其是空间环境中存在的高低温、真空、辐照、振动冲击、电磁干扰等恶劣环境因素，通用的CCD摄像装置很难良好工作。比如，在高温环境下，其光学稳定性、精度会大大降低；再如，在高辐照环境下，电磁干扰、带电粒子辐射等不可避免地会影响到CCD的光信号接收和电信号的稳定；而普通的CCD摄像装置则往往难以在如此恶劣环境下完成大视场、低畸变的摄像要求；通常广角光学镜头具有较大的畸变，一般在20％～30％，甚至更高，成像时几何失真度较大。

本实用新型技术基于光电成像技术，首次将光电成像技术应用于航天飞船舱外。目前国内暂无关于此项技术应用的相关报道。

实用新型内容

本实用新型提供了一种空间摄像装置，在常规光电成像技术的基础上，充分考虑了空间环境中存在的高低温、真空、辐照、振动冲击、电磁干扰等恶劣环境因素，有效克服了这些恶劣环境因素对摄像装置带来的损害和不良影响。

本实用新型的技术方案如下所述：

该大视场空间摄像装置设置于安装板上，包括光学镜头组件、CCD图像探测器组件、防护电路组件和机械防护组件；所述光学镜头组件的首镜片为耐辐照光学石英玻璃；CCD图像探测器组件由CCD单板和CCD护框组成，完成光电信号转换功能，其中CCD单板安装于CCD护框内；防护电路组件由防护电路板和电路防护框组成，其中防护电路板安装于电路防护框内，可实现电源保护和视频信号保护作用，所述防护电路组件固定设置于CCD图像探测器组件后部；机械防护组件包括箱体和底座，光学镜头组件、CCD图像探测器组件和防护电路组件均安装于箱体内，形成对CCD图像探测器、防护电路的双层壳体防护，箱体与底座通过橡胶减震器固定连接，所述空间摄像装置通过底座固定于安装板上。

所谓双层壳体防护，具体来讲，是指CCD图像探测器组件中的CCD护框及防护电路组件中的电路防护框分别为CCD单板和防护电路提供了首层防护壳体，防护电路组件固定于CCD图像探测器组件后部，均安装于机械防护组件的箱体内部，箱体提供了第二层防护壳体，可有效隔离空间辐照、高低温(-15℃～+60℃)环境等外界影响。

上述光学镜头组件具有大视场、低畸变的特点，采用了反摄远光学结构，焦距2.4mm，水平90度，光圈F2.8，后截距5.3mm；首镜片采用光学石英玻璃JGS1，可隔离1×10⁶rad[Si]的总剂量辐射；光学镜头组件的镜筒等结构由钛合金制成，保证光学镜头在-15℃～+60℃温度范围内可获取清晰图像。

上述防护电路板包括电源保护电路和视频保护电路，电源保护电路中具有限流、稳压以及滤波环节，视频保护电路中具有稳压环节，可对线缆上信号的传输提供保护，减弱外界对传输线路的电磁干扰。所述电源保护电路和视频保护电路与CCD单板的接口连接，由摄像装置外部输入的电源首先经过电源保护电路，进行稳压、滤波等处理后输入至CCD单板；CCD单板输出的视频信号经过视频保护电路后向摄像装置外部输出PAL-D制式信号。

上述图像探测器为1/3英寸彩色CCD单板摄像机，输出PAL-D制式信号，所述光学镜头组件属于短焦距广角镜头。通常广角光学镜头具有较大的畸变，一般在20％～30％，甚至更高，成像时几何失真度较大；而该摄像装置在实现大视场成像(水平90°)的同时，保证了低于5％的畸变，成像时几何失真度较小；同时所述的空间摄像装置实现了相当的空间辐射、高低温、真空、振动冲击、电磁干扰等恶劣环境的耐受度。

上述CCD单板和防护电路板分别封装于CCD护框和电路防护框内，CCD护框和电路防护框均由铝合金制作，并用室温硫化硅橡胶GD-414固封；CCD单板和防护电路板后部均设置有金属钽片。

上述箱体和底座由铝合金材料制成，箱体与底座间置有两根接地线，箱体与底座之间设置有对称分布的多个橡胶减震器，底座与安装板螺纹固定连接。

本实用新型具有以下优越性：

1、稳定可靠地适应于高低温、真空、辐照、振动冲击、电磁干扰等恶劣环境；

2、光学系统结构稳定性、强度较好，可隔离总剂量辐照、高低温冲击；

3、电子系统的抗干扰、电磁兼容能力较好；

4、应用模块化设计，机械结构简明、稳定、抗震。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图，其中对箱体及箱体内部做四分之一剖视示意；

图2为本实用新型左视图；

图3为本实用新型右视图；

图4为本实用新型前视图；

图5为本实用新型后视图；

图6为光学镜头组件光路图；

图7为采用钛合金材料隔圈时相对离焦量-温度曲线图；

图8为防护电路接口示意图；

图9为电源保护电路原理图；

图10为视频保护电路原理图；

图11为CCD护框和电路防护框结构示意图；

图12为箱体及底座连接示意图(后视)。

附图标号说明：

1-箱体，2-耐辐照光学石英玻璃，3-CCD护框，4-电路防护框，5-底座，6-安装孔，7-橡胶减震器，8-CCD分色片，9-CCD光敏面。

具体实施方式

光电成像设备属于精密设备，在使用中易受到外界环境(高低温、真空、辐照、振动冲击、电磁干扰等)因素的影响。

本实用新型的光学镜头对光线进行采集和处理，将视场内物体成像于 CCD靶面；CCD摄像机则将靶面上的光信号转换成电信号；供电系统为CCD提供电力能源；机械结构则为以上各个部分提供物理支撑和保护。

在图6所示的光学镜头组件中，首镜片采用耐辐照光学石英玻璃JGS1，具有隔离总剂量辐照、高低温冲击的特点。

如图8、图9、图10所示，在电路设计中，采用了滤波、稳压、防反接等技术，可提高电源品质，消弱外界电磁干扰。

如图12所示，在结构设计中，采用了箱体与底座分离的设计，它们之间利用4个橡胶减震垫连接，可有效吸收、减弱由安装底座传递至光学镜头、CCD摄像机等核心组件的振动、冲击，为精密器件提供可靠防护。对于箱体设计则采用双层壳体(参见图1、图11等)，可有效隔离外部高低温环境，并使得辐照屏蔽厚度在4.5mm等效铝以上。

对以上设计思想的实践，过一系列防护技术应用，保证了在恶劣空间环境下亦可正常工作，其实验效果如表1所示，

表1有益效果汇总

序号	采用设计特点	防护效果	备注
				1	采用耐辐照光学石英玻璃 JGS1制作保护玻璃	隔离带电粒子辐照	可隔离剂量1× 10⁶rad[Si]
2	采用滤波、稳压等防护电路	提高电磁兼容能力
				3	双层壳体设计	隔离外部高低温冲击	可工作于 -15～+60℃
4	箱体与底座间采用橡胶减振垫	吸收、消弱力学冲击	可承受1000g的冲击

以下详细描述对各重要部件的选择和设置：

1)图像探测器的选择

图像探测器为光电成像设备的核心器件，对其选择应可满足环境要求。所选型号：1/3英寸彩色CCD单板摄像机。

使用前对该产品进行了老炼试验、温度循环筛选试验，全部通过，此结果表明该CCD单板摄像机性能稳定可靠，可靠性高。

2)防护电路的设计

防护电路包括电源保护电路与视频保护电路，与图像探测器的连接关系如图8所示。

其中电源保护电路原理图如图9所示。其中D1为防反接二极管；R1为5.1Ω限流电阻，防止因短路烧毁供电电源；W1为稳压二极管；C1、C2为100μF的滤波电容，用于改善电源品质。视频保护电路原理图如图10所示，可保证输出信号(复合式1.0Vp-p)在传输时不受干扰。

3)光学镜头的设计

光学镜头的设计与1/3英寸图像探测器相匹配，对于SZ-7轨道舱外摄像机，采用了反摄远结构，属于短焦距广角低畸变镜头，主要光学参数如表2所列。

表2光学镜头参数

焦距	2.4mm		光圈数	2.8
					视场	103°(90°×74°)		畸变	≤5％

为了保证光学镜头的空间带电粒子辐照适应性，首镜片采用光学石英玻璃JGS1，其余材料为LaK3、LaF3、ZF6、QK3、K9。

为了保证在高低温环境中可获取清晰图像，采用热胀系数较小的钛合金TC4(8.8×10^-6/℃)作为镜筒、隔圈材料，图7给出了钛合金TC4隔圈材料在不同温度时的相对离焦量变化图，可看出使用钛合金材料的隔圈时温度变化对成像质量的影响完全可忽略。

4)防护结构的研制；

防护结构包括CCD单板及电路防护框、箱体和底座等部分。

按照模块化的设计思想，将CCD及电源背板封装于护框内，如图11所示，铝合金制作，并用室温硫化硅橡胶GD-414固封，可提高电子元件的抗振动冲击能力，且固封后的整体可作为CCD组件参与各项环境试验。CCD单板和电源背板后部均置有金属钽片，用于提高组件的抗空间粒子辐射能力。

箱体和底座采用铝合金材料制作，箱体为长方体，截面尺寸66mm×66mm；箱体与底座间置有两根接地线，用于控制搭接电阻。

为了减小振动冲击的影响，保证摄像装置的安全，箱体与底座间采用四个橡胶减震器来吸收震动冲击能量。底座的安装面尺寸为85mm×70mm。

5)整机的装配调试

在完成上述组件的研制后，即可进行整机的装配调试：首先进行光学镜头与CCD组件的像面对接，保证成像最清晰；其次将箱体与底座连接；最后将对接好的光学镜头、CCD组件送入箱体，紧固螺钉；最后连接电源、视频接插件。

Claims

1.一种大视场空间摄像装置，设置于安装板上，其特征在于：该空间摄像装置包括光学镜头组件、CCD图像探测器组件、防护电路组件和机械防护组件；所述光学镜头组件的首镜片为耐辐照光学石英玻璃；CCD图像探测器组件由CCD单板和CCD护框组成，其中CCD单板安装于CCD护框内；防护电路组件由防护电路板和电路防护框组成，其中防护电路板安装于电路防护框内，所述防护电路组件固定设置于CCD图像探测器组件后部；机械防护组件包括箱体和底座，光学镜头组件、CCD图像探测器组件和防护电路组件均安装于箱体内，箱体与底座通过橡胶减震器固定连接，所述空间摄像装置通过底座固定于安装板上。

2.根据权利要求1所述的空间摄像装置，其特征在于：所述光学镜头组件采用反摄远光学结构，其首镜片采用光学石英玻璃JGS1，其镜筒结构由钛合金制成。

3.根据权利要求2所述的空间摄像装置，其特征在于：所述防护电路板包括电源保护电路和视频保护电路，所述电源保护电路和视频保护电路与CCD单板的接口连接，由摄像装置外部输入的电源经电源保护电路输入至CCD单板，CCD单板输出的视频信号经视频保护电路后向摄像装置外部输出PAL-D制式信号。

4.根据权利要求3所述的空间摄像装置，其特征在于：所述电源保护电路中具有限流、稳压以及滤波环节，视频保护电路中具有稳压环节。

5.根据权利要求1至4任一所述的空间摄像装置，其特征在于：所述图像探测器为1/3英寸彩色CCD单板摄像机，所述光学镜头组件为短焦距广角镜头，且与CCD单板相匹配。

6.根据权利要求5所述的空间摄像装置，其特征在于：所述CCD单板和防护电路板分别封装于CCD护框和电路防护框内，CCD护框和电路防护框均由铝合金制作，并用室温硫化硅橡胶GD-414固封；CCD单板和防护电路板后部均设置有金属钽片。

7.根据权利要求6所述的空间摄像装置，其特征在于：箱体和底座由铝合金材料制成，箱体与底座间置有两根接地线，箱体与底座之间设置有对称分布的多个橡胶减震器，底座与安装板螺纹固定连接。