一種便攜式光軸檢測設備

李炎冰，陳洪亮，于鑫

（1.光電控制技術重點實驗室，河南洛陽，471000；2.航空工業集團公司洛陽電光設備研究所,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鍵技術指標之一。只有將光軸平行度保持在一定范圍內，才能保證跟瞄及測距方向的一致性，確保輸出目標運動參數信息的準確性，因此在光電傳感器使用時要保證光軸的一致性良好。但光電傳感器裝機后，載機振動、溫度和氣壓變化等復雜環境因素對光軸的影響無法避免，光軸一致性偏差過大會導致激光測距不穩定。因此光電傳感器裝機后需要定期對光軸一致性進行檢測并修正。

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

光電傳感器光軸一致性通常達到角秒級，測量要求高，若沒有專用設備，裝機光電傳感器的光軸一致性不便于測量，因此需要設計一種機上原位光軸一致性檢測設備。

1 設計原理

如圖1所示，便攜式光軸檢測設備通過機械支架與待測光電傳感器連接，光電傳感器發射激光，激光經過平行光管后到達激光轉紅外靶板，激光轉紅外靶板將激光轉換為紅外輻射，紅外輻射沿原光路返回，被光電傳感器的紅外光學系統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算機，計算機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射光軸與紅外光軸的偏差。

圖1 便攜式光軸檢測設備原理圖

2 總體架構

便攜式光軸檢測設備由平行光管、靶標、計算機、激光衰減部件和機械分系統組成。

平行光管將靶標的輻射能量以平行光輸出，收集光電傳感器發射的激光。

靶標為光電傳感器提供紅外目標源并將激光并轉化為紅外輻射。

計算機用于采集光電傳感器輸出的圖像，并通過圖像檢測、處理和運算，給出光軸偏差結果。

激光衰減部件可以防止光電傳感器發出的強激光損傷光軸檢測設備內部的光學鏡片。

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

3 技術方案

3.1 平行光管

3.1.1 光學系統設計

平行光管的光學系統是該設備的核心部件。為滿足設備小型化和輕量化的需求，光學系統采用卡塞格林式構型，具有體積小，重量輕，受結構尺寸限制小等優點。

卡塞格林式光學系統由兩個反射鏡組成，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系統口徑的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保護膜，提高激光損傷閾值。光學系統二維結構如圖2所示。

圖2 光學系統二維圖

3.1.2 光學系統的無熱化補償設計

為了滿足外場使用的環境溫度適應性要求，必須對光學系統進行無熱化補償設計。無熱化補償設計的方法通常有兩種，一種是機械主動補償，另一種是光學被動補償。

機械主動補償是根據環境溫度變化所帶來的光學系統離焦量，運用機械運動機構補償離焦量，實現無熱化補償。這種無熱化補償方式復雜，補償效果有限。

光學被動補償是利用線性熱膨脹系數相近的光學材料及機械材料相配合，當環境溫度發生變化時，由于光學材料與機械材料線性熱膨脹系數相近，溫度變化而引起的光學系統的焦距變化和機械筒長的變化接近，從而達到無熱化補償的目的。光學被動補償方式對于操作者來說，不必考慮溫度變化對設備帶來的影響，系統會隨環境溫度的變化，自動完成無熱化補償。綜合比較無熱化補償的上述方式，本方案選用光學被動式無熱化補償方式。

考慮無熱化效果、成本和光學面型質量等指標，機械箱體外殼采用Invar合金，熱膨脹系數為1.6×10-6，平行光管光學系統的鏡片采用微晶玻璃，微晶玻璃的熱膨脹系數為0.5×10-6，與Invar合金配合，具有良好的無熱化效果。

運用Zemax進行無熱化光學設計分析，此系統在環境溫度-20℃～+40℃下工作時，MTF曲線下降約為2%，系統的被動無熱化效果良好。

3.2 靶標

點源為待測光電傳感器提供紅外目標源，用于光電傳感器與光軸檢測設備的對準。點源靶標材料選用不銹鋼基板，中心開圓孔，如圖3所示。光源選用12V鹵素燈，由220V市電通過電源轉換器供電。

圖3 點源靶示意圖

激光轉紅外靶標選用特種陶瓷材料，該材料可快速將射在其上面的激光轉換成熱輻射，實現激光轉紅外的目的。特種陶瓷樣品如圖4所示。

圖4 激光轉紅外陶瓷樣品圖

3.3 計算機

計算機使用工業級便攜式小型觸控一體機，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，計算光斑質心與紅外光軸中心的偏差，具有測量準確和延時低等特點。

3.4 激光衰減部件

激光衰減部件的作用是防止強激光損傷光學鏡片膜層，同時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，可以大幅度衰減強激光能量，又能透過由激光轉化的紅外輻射，從而被光電傳感器接收。衰減部件與便攜式光軸檢測設備光軸成一定角度，可將光電傳感器發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 機械分系統

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，號稱“金屬之王”，是精密儀器設備不可或缺的結構材料。

箱體外殼整體采用Invar合金，熱膨脹系數小、性能穩定、韌性高。另一方面，Invar合金的熱膨脹系數與光學系統的反射鏡材料微晶玻璃熱膨脹系數相近，兩者同時使用具有較好的無熱化效果。此外，為了便于登梯安裝，還設計了便攜式提手，便于單人登梯攜帶。

3.5.2 機械支架

機械支架是實現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，經數控機床加工而成。機械支架通過安裝面上的手輪與光電傳感器光學窗口結構件上預留的螺紋孔實現鎖緊固定；機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確等優點。

4 結論

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