专利名称：双ccd图像拼接探测器的光学成像拼接装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电侦察和光电跟踪系统用的CCD探测器，尤其涉及一种双 CCD图像拼接探测器的光学成像拼接装置。
背景技术：
光电侦察和跟踪系统具有目标探测能力强，跟踪测量精度高，抗电磁干 扰能力强，隐蔽性强，保密性好等优点，在现代战争所使用的武器系统中占 有重要的地位。
CCD探测器具有体积、重量以及成本优势，因此成为大部分光电系统常 选用的传感器之一。CCD探测器作为光电侦察探测系统的必要组成部分，通常 用于对目标的跟踪和监测其它跟踪系统的工作状态。 一般由一个CCD(电荷耦 合器件)和光学系统构成。不同的光学系统可以满足CCD探测器所需的不同 视场和分辨率要求。对于一个具体的光学系统而言，其满足大视场要求时分 辨率就会降低，而满足高分辨率要求时只能减小视场。为了扩大CCD探测器 的视场而又不降低分辨率，通常用两个CCD分别接收同一光学视场的两个1/2 的光学图像， 一般釆用半透半反分光棱镜将经过物镜组的目标成像光束分为 两路，其中一路成像光東的一半聚焦在一个CCD的靶面上，另一路成像光東 的一半聚焦在另一个CCD的靶面上，然后，通过相应的电路将两幅CCD图像 合成一帧完整的目标图像，这类系统一般称为双CCD图像拼接探测器。由于 这类探测器的目标图像是由两个CCD各接收的1/2光学成像拼接而成的，最 终的图像质量如何，与两幅图像的对接精度即两个CCD的靶面位置精度有很大关系。为了得到高质量的拼接图像效果，通常要求两个CCD靶面拼接处边
沿像素的对齐精度小于0. 3个像素。由于CCD像素尺寸在0. 0074隱左右，也 就是说，要求两个CCD图像拼接边沿像素的对齐精度要小于0. 0024mm，而釆 用常规的装调工艺是很难实现这一指标要求的。为此，大多数双CCD图像拼 接探测器釆用后期的图像处理来解决拼接边沿像素的精确拼接问题，当两个 CCD拼接的边沿像元的高低错位、水平重叠或分离较大时，通过图像处理方式 使两个拼接的CCD图像对齐不仅会牺牲部分CCD的有效像素，而且高低对齐 无法保证小于一个电视扫描行的对齐精度，水平对齐无法保证小于一个像素 的对齐精度。事实上，当两个CCD拼接的边沿像元的高低错位大于一个电视 扫描行、水平重叠或分离大于一个像素时会影响双CCD拼接图像的观察效果 以及实际跟综中的电路处理效果。因此，用图像处理方式是无法保证高质量 的图像拼接效果。
中国期刊《光子学报》第31卷第6期刊登了一篇题为"亚像元线阵CCD 焦平面的光学拼接"的论文。在该论文中介绍了一种用机械方式实现双CCD 图像拼接探测器的图像拼接边沿像素精确对齐的方法以及实施光学图像精确 对齐的专用调整装置。该方法将第一片CCD安装到分光棱镜框的一个固定架 上，将第二片CCD安装到分光棱镜框上带两组微型精密导向的差动微调机构 的固定架上,差动微调机构釆用两种螺距差实现旋转时轴向的微量移动，从而 实现CCD靶面O.OOlmm移动量控制。专用调整装置由改装的工具显微镜和高 精度的万能工具显微镜的移动平台组成，可以检测CCD靶面的精确位置(精 度可以达到0. OOlmm)。所实施的拼接方法是，将装两片CCD的分光棱镜框放 在专用调整装置的转台上，观察和测量第二片CCD靶面边沿像素相对第一片 CCD靶面边沿像素的位置对齐，并将测量数据送入计算机，计算机对数据处理
后的图像给出对齐误差，调试人员据此重复调整差动微调机构，直到第二片 CCD靶面边沿像素相对第一片CCD靶面边沿像素的位置满足拼接精度为止。这 种给其中一片CCD安装微调机构的方法不用后期的图像处理，就能够使目标 图像实现很高的拼接精度，并能解决图像处理方式拼接方式的缺陷，但该方
5法存在的主要问题是调整机构复杂，加工精度要求高，调整过程复杂、难度 大、消耗时间长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，为光电探测及跟踪系统用的双ccd图像拼 接探测器提供一种自带光学精密调整机构且易于实现拼接调整的光学成像拼 接装置。
为解决上述技术问题，本发明提供的光学成像拼接装置包括壳体、物镜 组、复合棱镜、两个相同的ccd和光楔调整机构；所述的光楔调整机构含有 支架、两个双光楔组件、带有内螺紋和止螺孔的两个调整螺环、定位螺环和 两个止螺，所述支架带有h形底盘和前端设有外螺紋的两个弧形导杆，h形底 盘的横梁上设有通光孔，弧形导杆位于所述横梁上且对称置于通光孔两侧， 弧形导杆的弧形面与通光孔同轴，所述双光楔组件含有固定光楔和移动光楔 且两者构成等效平板玻璃，移动光楔的安装框体带有外螺紋和两个对称设置 的导向槽，所述两个双光楔组件沿所述两个弧形导杆的长度方向放置且第一 双光楔组件的楔角方向与第二双光楔组件的楔角方向垂直，两个弧形导杆分 别嵌入所述移动光楔的两个导向槽内，两个固定光楔则与弧形导杆的内侧固 连，所述两个调整螺环和定位螺环均套在两个弧形导杆上，第一移动光楔与 第一调整螺环螺紋连接，第二移动光楔与第二调整螺环螺紋连接，第一、第 二调整螺环紧邻且由所述定位螺环和所述底盘的横梁限位，所述两个止螺分
别拧入所述两个调整螺环的止螺孔中；所述物镜组固定在壳体的前端，所述 复合棱镜固定在壳体的中部，所述第一 ccd固定在壳体的下部，光楔调整机
构和第二 ccd均固定在壳体的后端且第一光楔组件和第二光楔组件的光楔角 方向分别与第二 ccd靶面的水平方向和垂直方向平行；目标经物镜组成像后 的光束由所述复合棱镜分成两路，第一路成像光束与所述物镜组光轴垂直且 目标像的一半光束聚焦在第一 ccd的靶面上，第二路成像光東与所述物镜组的光轴平行且目标像的另一半光束经所述两个双光楔组件透射后聚焦在第二 CCD的耙面上。
根据本发明，所述两个光楔组件的楔角e相等且1.5。
<6<4° 。 本发明的有益效果体现在以下几个方面。
(一) 本发明在复合棱镜与第二 CCD之间引入了一个含有两个双光楔组 件的光楔调整机构，通过采取螺旋位移机构，使每个光楔组件中的一个光楔 可以相对另一个光楔产生轴向移动，由于两个光楔组件的光楔角方向分别平 行于第二 CCD乾面的水平和垂直方向，因此可以使聚焦在第二 CCD靶面上的 图像在水平和垂直方向的位置发生变化，由此来等效于第二 CCD安装位置的 变化，从而实现两幅CCD光学图像的拼接。
(二) 在本发明的方案中，由于光楔的移动而导致的图像移动量是光楔 移动量的十几分之一，因此本发明可以实现精度高于0. 001mm的图像移动量， 从而可为双CCD图像拼接探测器的图像处理提供高质量的光学拼接图像。
(三) 与现有技术相比，由于本发明不需要专用的调整装置来对第二 CCD 的安装框架进行修切，而且图像位置调整过程非常简单，因此既节约了一定 的物质资源，而且也为后续的批量生产节约了大量的人力资源。
图1是本发明光学成像拼接装置的结构组成示意图。
图2a和图2b是图1中所示复合棱镜的主视图和左视图。
图3是图1中所示的光楔调整机构的结构组成示意图。
图4a和图4b分别是图3中所示支架的主视图和左视图。
图5a和图5b分别是图3中所示移动光楔的主视图和左视图。
图6是本发明光学成像拼接装置的光路图。
图7是双光楔组件的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
根据图1所示，本发明优选实施例的光学拼接装置包括物镜组1、复合棱
镜2、光楔调整机构3、壳体4、两个相同的CCD芯片5和6、两个连接板7 和8。物镜组1的镜简与壳体4前端螺紋连接。复合棱镜2由45。直角棱镜 和45°楔角棱镜胶合而成(参见图2a和图2b ),其45°分光面B上镀有可见 光分光膜层，分光膜层的反射率为70%,透射率为30%;而45°直角棱镜的两 个直角边一个作为光入射面A，另一个作为光反射面C并镀有反射膜层。当光 東由入射面A进入复合棱镜2中， 一部分光東经45。分光面B反射到直角棱 镜的光反射面C,再经光反射面C反射到复合棱镜2的第一光出射面D而透射 出；而另一部分光東经45。分光面B直接透射到复合棱镜2的第二光出射面 E而透射出。复合棱镜2通过棱镜架固连在壳体4的中部并位于物镜组1的后 方。第一CCD芯片5通过第一连接板7固连在壳体4的下部，其靶面与复合 棱镜2的第一出射光面相对；光楔调整机构3、第二 CCD芯片6均通过第二连 接板8固连在壳体4的后端，光楔调整机构3位于复合棱镜2的第二出射光 面与第二CCD芯片6的靶面之间。
根据图3所示，光楔调整机构3含有支架31、带有内螺紋和止螺孔的两 个调整螺环32和33、两个双光楔组件34和35、定位螺环36和两个止螺37 和38。支架31带有底盘31-1和前端设有外螺紋的两个弧形导杆31-2 (图4a 和图4b),底盘31-1为H状且两根竖杆的两端均带有安装孔，底盘31-1的横 梁为上下方向对称的两个同心圆弧段构成且横梁中间设有通光孔，两个弧形 导杆31-2对称位于通光孔的上下两侧，弧形导杆31-2的弧形面和横梁的两 个圆弧段均与通光孔同轴。双光楔组件34或35含有固定光楔34-1或35-1 和移动光楔34-2或35-2,双光楔组件34或35中的两个光楔的楔角6相等， 从而构成等效平板坡璃。在本优选实施例中，四个光楔34-1、 34-2、 35-1、 35-2的楔角6均为2. 8° 。两个固定光楔34-1、 35-1的安装简外径与支架31 两个弧形导杆31-2内侧之间的距离相当，而两个移动光楔34-2、 35-2的安
8装简外径则与支架31两个弧形导杆31-2外侧之间的距离相当。两个移动光
楔34-2、 35-2的安装筒上均设有外螺紋和沿轴线方向的两个导向槽(参见图 5a和图5b)，两个导向槽径向对称且槽宽与弧形导杆31-2的宽度对应；所不 同的是，第一移动光楔34-2的楔角方向与两个导向槽的中心连线垂直，第二 移动光楔35-2的楔角方向与两个导向槽的中心连线平行。两个双光楔组件34 和35位于支架的两个弧形导杆31-2之间，而且第一光楔组件的楔角位于水 平方向，第二光楔组件的楔角方向位于竖直方向。第一、第二固动光楔34-1、 35-1位于弧形导杆31-2的轴向两端，其安装筒外壁用胶与弧形导杆31-2的 内侧粘接。两个调整螺环32和33以及定位螺环36均套在两个弧形导杆31-2 上，第二调整螺环33由支架31的底盘31-1限位，定位环36与两个弧形导 杆31-2的前端螺紋连接，定位螺环36和支架31的底盘31-1限定了第一、 第二调整螺环32、 33的轴向窜动。第一、第二移动光楔34-2、 35-2位于第 一、第二固动光楔34-l、 35-1之间，其安装框体分别与第一、第二调整螺环 32、 33螺紋连接且两个导向槽内分别嵌入两个弧形导杆31-2,从而使第一、 第二移动光楔34-2、 35-2只能沿轴向移动而不能转动。光楔调整机构3通过 底盘31-1的两根竖杆与第二CCD芯片6的连接部位接触后通过螺钉固连在壳 体4上，装配时，应使第一双光楔组件34和第二双光楔组件35的光楔角方 向分别与第二CCD芯片6靶面的水平方向和垂直方向平行。第一止螺37和第 二止螺38分别拧入第一、第二调整螺环32、 33的止螺孔中。
根据图6所示，目标经物镜组1成像后的光東由复合棱镜2分成两路， 第一路成像光束与物镜组1光轴垂直且目标像的一半光束聚焦在第一 CCD芯 片5的靶面上，第二路成像光束与物镜组1的光轴平行且目标像的另一半光 東依次经光楔调整机构3中的四个光楔34-1、 34-2、 35-1、 35-2透射后聚焦 在第二CCD芯片6的靶面上。
根据图7所示，当通过旋动第一、第二调整螺环32、 33而使双光楔组件 34或35中的移动光楔34-2或35-2相对其原始位置P0而分别沿轴线向左和 向右移动(以图面定义)到位置P1和位置P2时，聚焦在第二CCD芯片6靶面上的图像位置就会在水平或垂直方向由AO而分别变化到Al和A2处。移动 光楔34-2或35-2的不同轴向移动量将使成像在第二 CCD芯片6靶面上的光 学图像在水平或垂直方向具有不同的位移量。双光楔组件中的光楔角e的大 小取决于调整精度或调整范围，当光楔角6为1.5。 ~4°时，第二CCD芯片 6靶面上光学图像的位移量只有移动光楔轴向移动量的1/28-1/14,光楔角 6为2. 8°时，第二CCD芯片6靶面上光学图像的位移量略小于移动光楔轴向
移动量的1/20。不难看出，光楔角e小，调整范围大且调整精度高，楔角e
大则调整范围小且调整精度低。
下面结合本发明优选实施例介绍两个CCD光学图像的拼接调整过程。 在装配时，首先将两个移动光楔34-2、 35-2置于其移动范围的中间位置； 第二步，调整第二连接板8与壳体4的安装位置，使聚焦在第二 CCD芯片6 乾面上的光学图像与聚焦在第一 CCD芯片5耙面上的光学图像在两个方向上 的对齐误差控制在15个像素以内；第三步，松开第一止螺37,旋动第一调整 螺环32并通过示波器观察，使聚焦在第二CCD芯片6靶面上的光学图像与聚 焦在第一 CCD芯片5靶面上的光学图像在水平方向上的对齐误差小于0. 2个 像素，然后，柠紧第一止螺37;第四步，松开第二止螺38，旋动第二调整螺 环33并通过示波器观察，使聚焦在第二CCD芯片6靶面上的光学图像与聚焦 在第一 CCD芯片5靶面上的光学图像在垂直方向上的对齐误差小于0. 2个像 素，然后，拧紧第二止螺38。从上述的调整过程可以看出，本发明提供的双 CCD图像拼接探测器的光学拼接装置只需在装配过程中完成粗调和精调即可 实现两幅CCD图像的精确对接，粗调只要求对齐误差控制在15个像素内，而 15个像素内所对应的几何安装误差不大于0. 12mm,这个指标用常规的装调工 艺很容易实现；对于精调而言，也只是在示波器的配合下反复旋动两个调整 螺环的过程。因此说，本发明在达到现有技术所实现的对齐精度前提下，不 仅不需要专配的调整装置，而且对齐调整过程大大简化。
权利要求
1.一种双CCD探测器的光学成像拼接装置，包括壳体[4]、物镜组[1]、复合棱镜[2]、两个相同的CCD[5和6]，所述物镜组[1]固定在壳体[4]的前端，所述复合棱镜[2]固定在壳体[1]的中部，所述第一CCD[5]固定在壳体[4]的下部，所述第二CCD[6]固定在壳体[4]的后端；其特征在于还包括光楔调整机构[3]，所述的光楔调整机构[3]含有支架[31]、两个双光楔组件[34和35]、带有内螺纹和止螺孔的两个调整螺环[32和33]、定位螺环[36]和两个止螺[37和38]，所述支架[31]带有H形底盘[31-1]和前端设有外螺纹的两个弧形导杆[31-2]，H形底盘[31-1]的横梁上设有通光孔，弧形导杆[31-2]位于所述横梁上且对称置于通光孔两侧，弧形导杆[31-2]的弧形面与通光孔同轴，所述双光楔组件[34或35]含有固定光楔[34-1或35-1]和移动光楔[34-2或35-2]且两者构成等效平板玻璃，移动光楔[34-2或35-2]的安装框体带有外螺纹和两个对称设置的导向槽，所述两个双光楔组件[34和35]沿所述两个弧形导杆[31-2]的长度方向放置且第一双光楔组件[34]的楔角方向与第二双光楔组件[35]的楔角方向垂直，两个弧形导杆[31-2]分别嵌入所述移动光楔[34-2和35-2]的两个导向槽内，所述固定光楔[34-1和34-2]则与弧形导杆[31-2]的内侧固连，所述两个调整螺环[32和33]和定位螺环[36]均套在两个弧形导杆[31-2]上，第一移动光楔[34-2]与第一调整螺环[32]螺纹连接，第二移动光楔[35-2]与第二调整螺环[33]螺纹连接，第一、第二调整螺环[32、33]紧邻且由所述定位螺环[36]和所述底盘[31-1]的横梁限位，所述两个止螺[37和38]分别拧入所述两个调整螺环[32和33]的止螺孔中；所述光楔调整机构[3]位于所述复合棱镜[2]与第二CCD[6]之间且与所述壳体[4]固连，所述第一光楔组件[34]和第二光楔组件[35]的光楔角方向分别与第二CCD[6]靶面的水平方向和垂直方向平行；目标经物镜组[1]成像后的光束由所述复合棱镜[2]分成两路，第一路成像光束与所述物镜组[1]光轴垂直且目标像的一半光束聚焦在第一CCD[5]的靶面上，第二路成像光束与所述物镜组[1]的光轴平行且目标像的另一半光束经所述两个双光楔组件[34和35]透射后聚焦在第二CCD[6]的靶面上。
2.根据权利要求1所述的双CCD探测器的光学成像拼接装置，其特征在 于所述两个光楔组件[34和35]的楔角e相等且1.5。《e《4。。
全文摘要
本发明公开了一种双CCD探测器的光学成像拼接装置，包括壳体、物镜组、复合棱镜、两个相同的CCD和含有两个双光楔组件的光楔调整机构，双光楔组件含有固定光楔和移动光楔；光楔调整机构安装在一个CCD的靶面前方且两个双光楔组件的光楔角方向相互垂直；在装配调试中，通过旋动与两个移动光楔螺纹连接的两个调整螺环，就可实现聚焦在两个CCD靶面上的半目标光学成像的拼接边沿像素精确对齐。本发明有效的解决现有光学成像拼接技术中调试操作困难的问题，其突出的优点是结构简单，重量轻，调试方便省时且可靠性高。
文档编号H04N5/225GK101562693SQ20091002275
公开日2009年10月21日 申请日期2009年6月1日 优先权日2009年6月1日
发明者杨建忠, 杨建莉, 钊 白, 薛小朋 申请人:中国兵器工业第二〇五研究所