一種便攜式光軸檢測設(shè)備

李炎冰，陳洪亮，于鑫

（1.光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽，471000；2.航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所,河南洛陽，471000）

0 引言

光電傳感器的光軸一致性一般是指紅外和激光光軸之間的平行度，是具備激光測距功能的光電傳感器關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。只有將光軸平行度保持在一定范圍內(nèi)，才能保證跟瞄及測距方向的一致性，確保輸出目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)信息的準(zhǔn)確性，因此在光電傳感器使用時(shí)要保證光軸的一致性良好。但光電傳感器裝機(jī)后，載機(jī)振動、溫度和氣壓變化等復(fù)雜環(huán)境因素對光軸的影響無法避免，光軸一致性偏差過大會導(dǎo)致激光測距不穩(wěn)定。因此光電傳感器裝機(jī)后需要定期對光軸一致性進(jìn)行檢測并修正。

國內(nèi)學(xué)者在針對光電傳感器的光軸一致性檢測和校準(zhǔn)方面做了很多工作。張向明等設(shè)計(jì)了一種基于卡賽格林系統(tǒng)的高精度校軸儀[1]。鄭均杰等針對光電綜合標(biāo)校系統(tǒng)的功能組成及原理，提出了標(biāo)校靶標(biāo)的設(shè)計(jì)及標(biāo)校方法，并利用感光相紙對激光光斑進(jìn)行聚焦采集，實(shí)現(xiàn)了對電視／紅外／激光三者光軸一致性的標(biāo)校[2]。伊紅艷介紹了一種通過視頻圖像移動技術(shù)來實(shí)現(xiàn)光電傳感器紅外光軸與可見光軸平行線的校準(zhǔn)方法[3]。

光電傳感器光軸一致性通常達(dá)到角秒級，測量要求高，若沒有專用設(shè)備，裝機(jī)光電傳感器的光軸一致性不便于測量，因此需要設(shè)計(jì)一種機(jī)上原位光軸一致性檢測設(shè)備。

1 設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，便攜式光軸檢測設(shè)備通過機(jī)械支架與待測光電傳感器連接，光電傳感器發(fā)射激光，激光經(jīng)過平行光管后到達(dá)激光轉(zhuǎn)紅外靶板，激光轉(zhuǎn)紅外靶板將激光轉(zhuǎn)換為紅外輻射，紅外輻射沿原光路返回，被光電傳感器的紅外光學(xué)系統(tǒng)接收并在紅外探測器上成像。光電傳感器將紅外圖像輸出給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)軟件通過分析圖像中激光光斑與紅外光軸中心的偏差，即為光電傳感器激光發(fā)射光軸與紅外光軸的偏差。

圖1 便攜式光軸檢測設(shè)備原理圖

2 總體架構(gòu)

便攜式光軸檢測設(shè)備由平行光管、靶標(biāo)、計(jì)算機(jī)、激光衰減部件和機(jī)械分系統(tǒng)組成。

平行光管將靶標(biāo)的輻射能量以平行光輸出，收集光電傳感器發(fā)射的激光。

靶標(biāo)為光電傳感器提供紅外目標(biāo)源并將激光并轉(zhuǎn)化為紅外輻射。

計(jì)算機(jī)用于采集光電傳感器輸出的圖像，并通過圖像檢測、處理和運(yùn)算，給出光軸偏差結(jié)果。

激光衰減部件可以防止光電傳感器發(fā)出的強(qiáng)激光損傷光軸檢測設(shè)備內(nèi)部的光學(xué)鏡片。

機(jī)械分系統(tǒng)由箱體和機(jī)械支架組成。箱體為光軸檢測設(shè)備的光電器件提供支撐；機(jī)械支架用于設(shè)備與光電傳感器的連接。

3 技術(shù)方案

3.1 平行光管

3.1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平行光管的光學(xué)系統(tǒng)是該設(shè)備的核心部件。為滿足設(shè)備小型化和輕量化的需求，光學(xué)系統(tǒng)采用卡塞格林式構(gòu)型，具有體積小，重量輕，受結(jié)構(gòu)尺寸限制小等優(yōu)點(diǎn)。

卡塞格林式光學(xué)系統(tǒng)由兩個(gè)反射鏡組成，主反射鏡為拋物面鏡，次反射鏡為雙曲面鏡，雙曲面鏡的口徑占光學(xué)系統(tǒng)口徑的1/3。反射鏡表面均鍍制高反銀膜，提高紅外反射率。在銀膜外面加鍍介質(zhì)保護(hù)膜，提高激光損傷閾值。光學(xué)系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)二維圖

3.1.2 光學(xué)系統(tǒng)的無熱化補(bǔ)償設(shè)計(jì)

為了滿足外場使用的環(huán)境溫度適應(yīng)性要求，必須對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行無熱化補(bǔ)償設(shè)計(jì)。無熱化補(bǔ)償設(shè)計(jì)的方法通常有兩種，一種是機(jī)械主動補(bǔ)償，另一種是光學(xué)被動補(bǔ)償。

機(jī)械主動補(bǔ)償是根據(jù)環(huán)境溫度變化所帶來的光學(xué)系統(tǒng)離焦量，運(yùn)用機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)補(bǔ)償離焦量，實(shí)現(xiàn)無熱化補(bǔ)償。這種無熱化補(bǔ)償方式復(fù)雜，補(bǔ)償效果有限。

光學(xué)被動補(bǔ)償是利用線性熱膨脹系數(shù)相近的光學(xué)材料及機(jī)械材料相配合，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，由于光學(xué)材料與機(jī)械材料線性熱膨脹系數(shù)相近，溫度變化而引起的光學(xué)系統(tǒng)的焦距變化和機(jī)械筒長的變化接近，從而達(dá)到無熱化補(bǔ)償?shù)哪康摹９鈱W(xué)被動補(bǔ)償方式對于操作者來說，不必考慮溫度變化對設(shè)備帶來的影響，系統(tǒng)會隨環(huán)境溫度的變化，自動完成無熱化補(bǔ)償。綜合比較無熱化補(bǔ)償?shù)纳鲜龇绞?，本方案選用光學(xué)被動式無熱化補(bǔ)償方式。

考慮無熱化效果、成本和光學(xué)面型質(zhì)量等指標(biāo)，機(jī)械箱體外殼采用Invar合金，熱膨脹系數(shù)為1.6×10-6，平行光管光學(xué)系統(tǒng)的鏡片采用微晶玻璃，微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)為0.5×10-6，與Invar合金配合，具有良好的無熱化效果。

運(yùn)用Zemax進(jìn)行無熱化光學(xué)設(shè)計(jì)分析，此系統(tǒng)在環(huán)境溫度-20℃～+40℃下工作時(shí)，MTF曲線下降約為2%，系統(tǒng)的被動無熱化效果良好。

3.2 靶標(biāo)

點(diǎn)源為待測光電傳感器提供紅外目標(biāo)源，用于光電傳感器與光軸檢測設(shè)備的對準(zhǔn)。點(diǎn)源靶標(biāo)材料選用不銹鋼基板，中心開圓孔，如圖3所示。光源選用12V鹵素?zé)?，?20V市電通過電源轉(zhuǎn)換器供電。

圖3 點(diǎn)源靶示意圖

激光轉(zhuǎn)紅外靶標(biāo)選用特種陶瓷材料，該材料可快速將射在其上面的激光轉(zhuǎn)換成熱輻射，實(shí)現(xiàn)激光轉(zhuǎn)紅外的目的。特種陶瓷樣品如圖4所示。

圖4 激光轉(zhuǎn)紅外陶瓷樣品圖

3.3 計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)使用工業(yè)級便攜式小型觸控一體機(jī)，便于外場使用和攜帶。由于傳感器輸出的紅外圖像幀頻很高，為滿足計(jì)算量大，處理速度快的要求，CPU選取Intel core I5-4410E核心處理器，最高主頻達(dá)到2.9GHz；顯示器選取TFT電容屏，亮度和對比度高，適合戶外使用；視頻采集卡選取四路標(biāo)清Mini-PCIe模塊，支持PAL視頻最大分辨率為720×576；圖像處理軟件能夠自動檢測激光光斑，計(jì)算光斑質(zhì)心與紅外光軸中心的偏差，具有測量準(zhǔn)確和延時(shí)低等特點(diǎn)。

3.4 激光衰減部件

激光衰減部件的作用是防止強(qiáng)激光損傷光學(xué)鏡片膜層，同時(shí)還需要透過紅外輻射。衰減片采用鍺制作，共兩片，可單片使用也可組合使用，可以大幅度衰減強(qiáng)激光能量，又能透過由激光轉(zhuǎn)化的紅外輻射，從而被光電傳感器接收。衰減部件與便攜式光軸檢測設(shè)備光軸成一定角度，可將光電傳感器發(fā)射的激光向下方反射，防止反射回的激光對人眼造成損害。

3.5 機(jī)械分系統(tǒng)

3.5.1 箱體

Invar合金，即含有35.4%鎳的鐵合金，常溫下具有很低的熱膨脹系數(shù)，號稱“金屬之王”，是精密儀器設(shè)備不可或缺的結(jié)構(gòu)材料。

箱體外殼整體采用Invar合金，熱膨脹系數(shù)小、性能穩(wěn)定、韌性高。另一方面，Invar合金的熱膨脹系數(shù)與光學(xué)系統(tǒng)的反射鏡材料微晶玻璃熱膨脹系數(shù)相近，兩者同時(shí)使用具有較好的無熱化效果。此外，為了便于登梯安裝，還設(shè)計(jì)了便攜式提手，便于單人登梯攜帶。

3.5.2 機(jī)械支架

機(jī)械支架是實(shí)現(xiàn)平行光管與光電傳感器連接的裝置。主體材料采用航空鋁合金，經(jīng)數(shù)控機(jī)床加工而成。機(jī)械支架通過安裝面上的手輪與光電傳感器光學(xué)窗口結(jié)構(gòu)件上預(yù)留的螺紋孔實(shí)現(xiàn)鎖緊固定；機(jī)械支架與平行光管采用燕尾定位搭扣鎖緊的方式連接，該方式具有安裝快速與定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

針對光電傳感器裝機(jī)后光軸一致性不便于測量的問題，設(shè)計(jì)了一種便攜式光軸檢測設(shè)備，該設(shè)備具有體積小、重量輕、精度高、原位檢測、無熱化性能好等特點(diǎn)。