专利名称：基于多波段靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测试复杂光电系统宽光谱范围内的多光轴一致 性的便携式测试装置，此装置可用于测量具有多个光学分系统平行布 局的复杂光电系统的光轴一致性，属于光电领域。 背鱟技术近年来，随着各种光电仪器在大型光电瞄具与跟踪系统中的广泛 应用，光电系统不仅包含可见光瞄准设备、激光测距设备，而且包含 有红外观瞄、电视跟瞄测试等，其光谱范围几乎覆盖了可见光到红外 光的全部波段，光轴总数多达五个或五个以上，包括红外观瞄轴、电 视跟瞄测试轴、激光测距瞄准轴、发射轴、接收轴等。为提高光电系 统的瞄准与跟踪精度，必须保证各光电仪器的光轴一致性，因此迫切 需要研究高精度的光轴一致性测试仪。目前，国内几个科研院所在多光轴一致性测试仪器的研究方面取得了一些研究成果，例如中国科学院西安光学精密机械研究所设计 提出的"多波段光轴一致性测试仪"(中国专利，申请号200420086347.4，公开号CN2769875)，中国科学院长春光学精密机 械与物理研究所设计提出的"宽带多传感器光电仪器光轴检测系统" (中国专利，申请号200610016556.5，公开号CN101008563)。对于可见光轴和红外光轴的测试，出现了几种典型方法，例如检测可见系统时采用卤素灯照明目标分划板，检测红外系统时采用黑 体照明目标分划板，这种方法可以在实验室中对系统进行检测，但是 测试仪器较大的体积和重量，不便于现场检测。经过研究改进，有些 学者提出了釆用金属十字丝作为目标，在十字丝后放置可见光源，并 连接温控电路，当检测可见系统时由可见光源作为背景，形成亮背景 下的暗目标，当检测红外系统时给十字丝加热，形成暗背景下的亮目 标，这种方法采用一个十字丝可以同时为可见、红外系统提供瞄准目 标，但是金属十字丝的线宽、热变形等会引起误差，对测试精度产生 较大的影响。另外，国内外对于激光测距接收轴和瞄准轴一致性的测试方法研 究较少，北京理工大学申请的专利"利用光纤测量激光测距机接收轴与瞄准轴平行性的装置"(中国专利，授权号ZL200410087249.7) 提出将发射轴激光脉冲耦合入单模光纤，利用光纤端子在准直系统的 焦面上按照一定程序进行二维扫描移动，经准直系统返回激光测距机 接收器，经过数据处理求出接受轴和瞄准轴的偏差。这种方法中光纤 一端固定在二维移动平面上，进行二维扫描移动来确定激光测距接收 视场范围，进而计算出接收轴中心。综上所述，现有仪器装置能完成宽光谱范围内的多光轴一致性检 测，但是一般体积大、重量大、精度低、自动化程度低，只能用于实 验室检测与校准，无法应用于现场、战场靠前保障的便携测试，而且 通常不能测试激光接收轴的一致性。发明内容.本发明的目的是提供一种基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光 轴一致性测试装置，其中的靶板具有多光谱图形生成能力，从而解决 了多光谱目标图形共光轴生成技术，实现测试仪器的小型化和高集成 化，既可以用于室内检测，更可以适用于现场、野外等各种测试场所， 实现对静态光轴平行性误差和动态指示误差的测试。本发明的目的是通过下述技术方案实现的。本发明的一种基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置，包括大口径离轴双反准直镜主镜、准直镜次镜、两轴旋转机构、平面反射镜、衰减器、分光镜A、多光谱目标耙板、分光镜B、 近红外CGD、光纤耦合器、光纤、光纤夹持器、多路视频采集装置、 主控计算机；所述平面反射镜经两轴旋转机构带动进行二维旋转；所 述衰减器置于平面反射镜与分光镜A之间；所述分光镜A的反射光路 上放置多光谱目标靶板，分光镜A的透射光路由分光镜B分为两条 光路；分光镜B的透射光路上放置近红外CCD，分光镜B的反射光路 上放置光纤的一端；光纤另一端通过光纤耦合器与激光测距机的发射 端相连，激光脉冲耦合进入光纤。多光谱目标靶板包括镀铬层、玻璃、导热层和半导体制冷片，以及温度传感器和温控电路；镀铬层上光刻目标图形；背面用半导体制 冷片进行加热或制冷，产生红外热像仪对准的红外目标图形；玻璃边 缘用可见光源照明，产生电视摄像机对准的可见目标图形，被测系统 同时采集红外和可见对准目标可实现红外、可见光轴的静态误差测 试。采用多光谱目标靶板、分光镜、近红外CCD构成的装置，多光谱 目标靶板产生红外热像仪、电视摄像机的对准目标图像，近红外CCD 采集激光光斑并计算出光斑中心的位置，实现红外光轴与激光发射 轴、可见光轴与激光发射轴之间的静态误差测试。平面反射镜的旋转是由两轴旋转机构带动平面反射镜实现，用于 改变光纤出射激光的主光线方向，实现激光发射轴与激光接收轴22 的光轴误差测试。旋转平面反射镜，用红外热像仪或电视摄像机跟踪多光谱目标耙 板上的目标，并用激光指示器发射激光，通过CCD动态连续采集激光 光斑位置，实现红外和可见跟踪系统动态跟踪性能和指示误差的测试o本发明对比已有技术具有如下显著优点采用光刻技术在多光谱目标靶板镀铬层上生成宽光谱图像，形成红外目标和可见目标。光刻的多光谱目标靶板精度可达到lum，相 比传统0. 2mm的金属十字丝目标可以显著提高系统的测试精度。使用 安装在旋转机构上的平面反射镜，在伺服系统的控制下可以实现二维 旋转，便于测试激光发射轴与激光接收轴的光轴误差，改进了现有的 扫描方式，并且实现了红外和可见跟踪系统的动态测试。
图1为基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试仪器 的结构示意图；图2为多光谱目标耙板的结构示意图；图中l一衰减器，2—两轴旋转机构，3—平面反射镜，4一大口 径离轴双反准直镜主，5—多光谱目标靶板，6—近红外CCD, 7—分 光镜B， 8—分光镜A， 9一光纤夹持器，IO—光纤，ll一准直镜次镜，12—多路视频采集装置，13—主控计算机，14一被测系统，15—红外 光轴，16—电视光轴，17—红外热像仪，18—电视摄像机，19一光纤 耦合器，20—激光测距机，21—激光发射轴，22—激光接收轴，23 一视频输出接口总线，24—稳像旋转台，25—镀铬层，26—玻璃，27 —温度传感器，28—可见光源，29—温控电路，30—半导体制冷片， 31—导热层，32—可见光源。
具体实施例方式
下面将结合实例及附图对本发明作详细说明 实施例
本发明由大口径离轴双反准直镜主镜4、准直镜次镜ll、两轴旋 转机构2、平面反射镜3、衰减器l、分光镜A8、多光谱目标耙板5、 分光镜B7、近红外CCD6、光纤耦合器19、光纤IO、光纤夹持器9、 多路视频釆集装置12、主控计算机13组成。平面反射镜3经两轴旋 转机构2带动进行二维旋转；衰减器1置于平面反射镜3与分光镜 A8之间；分光镜A8的反射光路上放置多光谱目标耙板5，分光镜A8 的透射光路由分光镜B7分为两条光路；分光镜B7的透射光路上放置 近红外CCD6，分光镜B7的反射光路上放置光纤10的一端；光纤10 另一端通过光纤耦合器19与激光测距机20的发射端相连，激光脉冲 耦合进入光纤10，如图1所示。多光谱目标靶板5包括镀铬层25、 玻璃26、导热层31和半导体制冷片30，以及温度传感器27和温控 电路29;镀铬层25上光刻目标图形；背面用半导体制冷片30进行 加热或制冷，产生红外热像仪17对准用的红外目标图形；玻璃26边 缘用可见光源28、 32照明，产生电视摄像机18对准用的可见目标图 形，被测系统14同时釆集红外和可见对准目标可实现红外、可见光 轴的静态误差测试。如图2所示。
本发明利用多光谱靶板及旋转反射镜实现多光轴光电系统的静 态平行性误差和动态指示误差的定量测试。如图1所示，大口径离轴 双反准直镜系统由准直镜主镜4和准直镜次镜11构成，作为准直系 统将光线焦面发出的光变换为平行光，并覆盖被测系统14的主要通 光口径。系统光路中放置平面反射镜3，其安装在两轴旋转机构2上，在伺服系统的控制下，能在俯仰和偏航方向进行特定角度和角速度的
旋转运动，实现光路的偏转。平面反射镜3后依次安装分光镜A8和 分光镜B7，将光线分成三路，形成三个等效焦面，焦面处分别放置 多光谱目标耙板5、光纤10出射端和近红外CCD6，并采用精密调节 保证多光谱目标靶板5中心、光纤10出射端的中心和近红外CCD6视 频图像中心分别与准直系统主光线重合。在平面反射镜3和分光镜 A8之间安装了衰减器l，用于衰减大功率激光的能量，避免损坏光学 元件表面。
多路视频采集装置12采集被测系统14的电视信号和红外热像仪 视频信号，检测系统的CCD视频信号，并可以实现这些视频信号的同 步采集，以减小测量不同步带来的误差。采集的视频信号经过预处理 后，传输给主控计算机13进行图像分析与处理，最终计算出测量结
果。 —
本发明可以实现四种测试功能，其步骤如下
(1) 如图2所示，首先启动多光谱目标靶板5的半导体制冷片 30加热导热层31，导热层31将热量均匀传送给玻璃26，此时温度 传感器27检测到玻璃26和周围环境的温差，经过温控电路29进行 反馈控制，实现玻璃26与环境之间温差的恒定，此时镀铬表面产生 具有指定温差的红外目标图像。将被测系统14的红外热像仪17视频 图像中心对准目标图形，然后开启玻璃26边缘的可见光源28、 32照 明，在玻璃26内部形成漫反射，并使镀铬表面产生与红外目标图像 重合的可见目标图像。采集被测系统14的电视信号，目标图形偏离 视频图像中心的距离为红外光轴15与可见光轴的静态误差。
(2) 开启多光谱目标靶板5的半导体制冷片30与温控电路29， 将被测系统14的红外热像仪17视频图像中心对准目标图形，并同时 发射激光打在近红外CCD6靶面上，采集的激光光斑中心偏离CCD视 频图像中心的距离为红外光轴15与激光发射轴21的静态误差。开启 多光谱目标靶板5的可见光源28、 32，将被测系统14的电视视频图 像中心对准目标图形，并同时发射激光打在近红外CCD6靶面上，采 集的激光光斑中心偏离CCD视频图像中心的距离为可见光轴与激光 发射轴21的静态误差。(3) 被测系统14发射激光打在近红外CCD6靶面，计算光斑重 心位置与CCD靶面中心位置偏差。激光测距机20发射端前装有光纤 耦合器19，发射的激光经过lkm长的光纤传输和时间延迟后，从测 试装置的焦点处出射，返回到被测系统14的激光接收器，根据接收 器的读数判断是否接受到光纤回波。控制平面反射镜3按一定顺序扫 描，每到达一个位置，发射一次激光，并判断是否接受到回波。经过 一定面积的扫描后，主控计算机13综合所有的位置和扫描数据，计 算出激光接收轴22相对被测系统14主光轴的偏差，与前面测试的激 光光斑与CCD图像中心偏差相加，得到激光发射轴21与激光接收轴 22的光轴误差。
(4) 首先开启多光谱目标靶板5的半导体制冷片30与温控电路 29，通过两轴旋转机构2让平面反射镜3按一定轨迹连续旋转，平面 反射镜3中反射的多光谱目标靶板作为被测系统生成动态的目标图 形。被测系统14通过红外热像仪17采集的视频图像，跟踪平面反射 镜3中反射的目标图形中心，然后激光发射器连续发射激光打在近红 外CCD6靶面上，采集的激光光斑中心轨迹为红外光轴15与激光发射 轴21的动态跟踪和指示误差曲线。开启多光谱目标靶板5的可见光 源28 (32)，被测系统14通过电视摄像机18的视频图像跟踪动态目 标图形中心，然后激光发射器连续发射激光打在近红外CCD6耙面上， 近红外CCD靶面采集的激光光斑中心轨迹为可见光轴与激光发射轴 21的动态跟踪和指示误差曲线。
权利要求
1.一种基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置，其特征在于包括大口径离轴双反准直镜主镜(4)、准直镜次镜(11)、两轴旋转机构(2)、平面反射镜(3)、衰减器(1)、分光镜A(8)、多光谱目标靶板(5)、分光镜B(7)、近红外CCD(6)、光纤耦合器(19)、光纤(10)、光纤夹持器(9)、多路视频采集装置(12)、主控计算机(13)；所述平面反射镜(3)经两轴旋转机构(2)带动进行二维旋转；所述衰减器(1)置于平面反射镜(3)与分光镜A(8)之间；所述分光镜A(8)的反射光路上放置多光谱目标靶板(5)，分光镜A(8)的透射光路由分光镜B(7)分为两条光路；分光镜B(7)的透射光路上放置近红外CCD(6)，分光镜B(7)的反射光路上放置光纤(10)的一端；光纤(10)另一端通过光纤耦合器(19)与激光测距机(20)的发射端相连，激光脉冲耦合进入光纤(10)。
2. 根据权利1所述的基于多光谱耙板及旋转反射镜的多光轴一致性 测试装置，其特征在于所述多光谱目标靶板(5)包括镀铬层(25)、玻 璃(26)、导热层(31)和半导体制冷片(30)，以及温度传感器(27)和 温控电路—(29);镀铬层(25)上光刻目标图形；背面用半导体制冷片(30) 进行加热或制冷，产生红外热像仪(17)对准用的红外目标图形；玻璃(26) 边缘用可见光源(28) (32)照明，产生电视摄像机(18)对准用的可见 目标图形，被测系统(14)同时采集红外和可见对准目标可实现红外、可 见光轴的静态误差测试。
3. 根据权利1所述的基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性 测试装置，其特征在于采用多光谱目标耙板(5)、分光镜、近红外CCD(6)构成的装置，多光谱目标靶板(5)产生红外热像仪(17)、电视摄 像机(18)的对准目标图像，近红外CCD (6)采集激光光斑并计算出光 斑中心的位置，实现红外光轴(15)与激光发射轴(21)、可见光轴与激 光发射轴(21)之间的静态误差测试。
4. 根据权利1所述的基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性 测试装置，其特征在于平面反射镜(3)的旋转是由两轴旋转机构(2) 带动平面反射镜(3)实现，用于改变光纤出射激光的主光线方向，实现 激光发射轴(21)与激光接收轴(22)的光轴误差测试。
5. 根据权利1所述的基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试装置，其特征在于旋转平面反射镜(3)，用红外热像仪(17)或电视摄像机(18)跟踪多光谱目标靶板(5)上的目标，并用激光指示器发 射激光，通过CCD动态连续采集激光光斑位置，实现红外和可见跟踪系统 动态跟踪性能和指示误差的测试。
全文摘要
本发明是基于多光谱靶板及旋转反射镜的多光轴一致性测试仪装置，属于光电领域。本发明由大口径离轴双反准直镜主镜、准直镜次镜、两轴旋转机构、平面反射镜、衰减器、分光镜A、多光谱目标靶板、分光镜B、近红外CCD、光纤耦合器、光纤、多路视频采集装置等组成；平面反射镜经旋转机构带动进行二维旋转；分光镜A的反射光路中放置多光谱目标靶板，分光镜A的透射光路经分光镜B后，透射光进入近红外CCD，同时反射光进入光纤入射端；光纤另一端经光纤耦合器与激光测距机的发射端相连，激光脉冲耦合进入光纤。本发明用于测试复杂光电系统宽光谱范围内的多光轴之间一致性的静态及动态误差，具有精度高和可便携优点。
文档编号G01M11/02GK101319884SQ200810057900
公开日2008年12月10日 申请日期2008年2月20日 优先权日2008年2月20日
发明者川 何, 周桃庚, 孙若端, 倩 张, 张旭升, 林家明, 沙定国, 王彦钦, 陈凌峰 申请人:北京理工大学