一种便携式光轴检测设备

李炎冰，陈洪亮，于鑫

（1.光电控制技术重点实验室，河南洛阳，471000；2.航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南洛阳，471000）

0 引言

光电传感器的光轴一致性一般是指红外和激光光轴之间的平行度，是具备激光测距功能的光电传感器关键技术指标之一。只有将光轴平行度保持在一定范围内，才能保证跟瞄及测距方向的一致性，确保输出目标运动参数信息的准确性，因此在光电传感器使用时要保证光轴的一致性良好。但光电传感器装机后，载机振动、温度和气压变化等复杂环境因素对光轴的影响无法避免，光轴一致性偏差过大会导致激光测距不稳定。因此光电传感器装机后需要定期对光轴一致性进行检测并修正。

国内学者在针对光电传感器的光轴一致性检测和校准方面做了很多工作。张向明等设计了一种基于卡赛格林系统的高精度校轴仪[1]。郑均杰等针对光电综合标校系统的功能组成及原理，提出了标校靶标的设计及标校方法，并利用感光相纸对激光光斑进行聚焦采集，实现了对电视／红外／激光三者光轴一致性的标校[2]。伊红艳介绍了一种通过视频图像移动技术来实现光电传感器红外光轴与可见光轴平行线的校准方法[3]。

光电传感器光轴一致性通常达到角秒级，测量要求高，若没有专用设备，装机光电传感器的光轴一致性不便于测量，因此需要设计一种机上原位光轴一致性检测设备。

1 设计原理

如图1所示，便携式光轴检测设备通过机械支架与待测光电传感器连接，光电传感器发射激光，激光经过平行光管后到达激光转红外靶板，激光转红外靶板将激光转换为红外辐射，红外辐射沿原光路返回，被光电传感器的红外光学系统接收并在红外探测器上成像。光电传感器将红外图像输出给计算机，计算机软件通过分析图像中激光光斑与红外光轴中心的偏差，即为光电传感器激光发射光轴与红外光轴的偏差。

图1 便携式光轴检测设备原理图

2 总体架构

便携式光轴检测设备由平行光管、靶标、计算机、激光衰减部件和机械分系统组成。

平行光管将靶标的辐射能量以平行光输出，收集光电传感器发射的激光。

靶标为光电传感器提供红外目标源并将激光并转化为红外辐射。

计算机用于采集光电传感器输出的图像，并通过图像检测、处理和运算，给出光轴偏差结果。

激光衰减部件可以防止光电传感器发出的强激光损伤光轴检测设备内部的光学镜片。

机械分系统由箱体和机械支架组成。箱体为光轴检测设备的光电器件提供支撑；机械支架用于设备与光电传感器的连接。

3 技术方案

3.1 平行光管

3.1.1 光学系统设计

平行光管的光学系统是该设备的核心部件。为满足设备小型化和轻量化的需求，光学系统采用卡塞格林式构型，具有体积小，重量轻，受结构尺寸限制小等优点。

卡塞格林式光学系统由两个反射镜组成，主反射镜为抛物面镜，次反射镜为双曲面镜，双曲面镜的口径占光学系统口径的1/3。反射镜表面均镀制高反银膜，提高红外反射率。在银膜外面加镀介质保护膜，提高激光损伤阈值。光学系统二维结构如图2所示。

图2 光学系统二维图

3.1.2 光学系统的无热化补偿设计

为了满足外场使用的环境温度适应性要求，必须对光学系统进行无热化补偿设计。无热化补偿设计的方法通常有两种，一种是机械主动补偿，另一种是光学被动补偿。

机械主动补偿是根据环境温度变化所带来的光学系统离焦量，运用机械运动机构补偿离焦量，实现无热化补偿。这种无热化补偿方式复杂，补偿效果有限。

光学被动补偿是利用线性热膨胀系数相近的光学材料及机械材料相配合，当环境温度发生变化时，由于光学材料与机械材料线性热膨胀系数相近，温度变化而引起的光学系统的焦距变化和机械筒长的变化接近，从而达到无热化补偿的目的。光学被动补偿方式对于操作者来说，不必考虑温度变化对设备带来的影响，系统会随环境温度的变化，自动完成无热化补偿。综合比较无热化补偿的上述方式，本方案选用光学被动式无热化补偿方式。

考虑无热化效果、成本和光学面型质量等指标，机械箱体外壳采用Invar合金，热膨胀系数为1.6×10-6，平行光管光学系统的镜片采用微晶玻璃，微晶玻璃的热膨胀系数为0.5×10-6，与Invar合金配合，具有良好的无热化效果。

运用Zemax进行无热化光学设计分析，此系统在环境温度-20℃～+40℃下工作时，MTF曲线下降约为2%，系统的被动无热化效果良好。

3.2 靶标

点源为待测光电传感器提供红外目标源，用于光电传感器与光轴检测设备的对准。点源靶标材料选用不锈钢基板，中心开圆孔，如图3所示。光源选用12V卤素灯，由220V市电通过电源转换器供电。

图3 点源靶示意图

激光转红外靶标选用特种陶瓷材料，该材料可快速将射在其上面的激光转换成热辐射，实现激光转红外的目的。特种陶瓷样品如图4所示。

图4 激光转红外陶瓷样品图

3.3 计算机

计算机使用工业级便携式小型触控一体机，便于外场使用和携带。由于传感器输出的红外图像帧频很高，为满足计算量大，处理速度快的要求，CPU选取Intel core I5-4410E核心处理器，最高主频达到2.9GHz；显示器选取TFT电容屏，亮度和对比度高，适合户外使用；视频采集卡选取四路标清Mini-PCIe模块，支持PAL视频最大分辨率为720×576；图像处理软件能够自动检测激光光斑，计算光斑质心与红外光轴中心的偏差，具有测量准确和延时低等特点。

3.4 激光衰减部件

激光衰减部件的作用是防止强激光损伤光学镜片膜层，同时还需要透过红外辐射。衰减片采用锗制作，共两片，可单片使用也可组合使用，可以大幅度衰减强激光能量，又能透过由激光转化的红外辐射，从而被光电传感器接收。衰减部件与便携式光轴检测设备光轴成一定角度，可将光电传感器发射的激光向下方反射，防止反射回的激光对人眼造成损害。

3.5 机械分系统

3.5.1 箱体

Invar合金，即含有35.4%镍的铁合金，常温下具有很低的热膨胀系数，号称“金属之王”，是精密仪器设备不可或缺的结构材料。

箱体外壳整体采用Invar合金，热膨胀系数小、性能稳定、韧性高。另一方面，Invar合金的热膨胀系数与光学系统的反射镜材料微晶玻璃热膨胀系数相近，两者同时使用具有较好的无热化效果。此外，为了便于登梯安装，还设计了便携式提手，便于单人登梯携带。

3.5.2 机械支架

机械支架是实现平行光管与光电传感器连接的装置。主体材料采用航空铝合金，经数控机床加工而成。机械支架通过安装面上的手轮与光电传感器光学窗口结构件上预留的螺纹孔实现锁紧固定；机械支架与平行光管采用燕尾定位搭扣锁紧的方式连接，该方式具有安装快速与定位准确等优点。

4 结论

针对光电传感器装机后光轴一致性不便于测量的问题，设计了一种便携式光轴检测设备，该设备具有体积小、重量轻、精度高、原位检测、无热化性能好等特点。