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陈志斌;范磊;秦梦泽;宋岩
【摘 要】In order to improve detection precision based on optical axis parallelism of two-dimensional galvanometer and simplify measurement procedure,a multi-spectral integrated target based on two-dimensional galvanometer scanning system is designed.Through integration of multi-spectral target plate and LED lighting source,problems of frequent replacement,repeat ed adjustment of target plate and light source in a special target are solved.Centering accuracy of CCD detection method is improved by using two-dimensional galvanometer,and Cassegrain collimation system with optimized aberration is used to improve quality of cross-sectional imaging.With optical axis parallelism test,calibration accuracy of multi spectral integrated target reaches 0.10mard,which meets requirements of high precision and automatic detection of optical axis parallelism of multi-spectral opto-electronic systems.%为了提高基于二维振镜光轴平行性检测方法的检测精度,简化测量操作步骤,设计了一种基于二维振镜扫描系统的多光谱集成靶标.通过多光谱集成靶板与LED照明光 源结合,解决一靶专用中需要频繁更换、反复调校靶板及光源的问题.利用二维振镜进行十字分划中心对准,提高CCD检测方法的测量精度;采用像差优化的卡塞格林准直系统,改善十字分划成像质量.通过光轴平行性检测实验,多光谱集成靶标校准精度达到了0.10 mard,该精度满足多光谱光电系统光轴平行性高精度和自动化检测的要求. 【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2017(038)002
【总页数】6页(P187-192)
【关键词】光轴平行性;自动检测;二维振镜;卡塞格林准直系统
【作 者】陈志斌;范磊;秦梦泽;宋岩
【作者单位】军械工程学院 军械技术研究所,河北 石家庄 050000;军械工程学院 军械技术研究所,河北 石家庄 050000;军械工程学院 军械技术研究所,河北 石家庄 050000;军械工程学院 军械技术研究所,河北 石家庄 050000分级授权
【正文语种】中 文
【中图分类】TN206
针对多光轴平行性检测，现有方法中十字分划一般通过分别照明产生，如柏公欣等人通过使用一个分光镜来生成红外和可见光的双波段十字分划[1-2]，李思众将镂空的激光感应相纸卡箍在圆形的支架中作为靶板[3]，詹启海选用了线径为0.09 mm的高电阻率钨丝制成十字分划线[4]。在检测中，保证检测精度的关键在于保证白微光和红外十字分划的位置严格重合，而通过更换分划板及照明光源的方法容易产生光轴失调，影响检测精度以及引入离焦的误差因子，避免靶板的频繁更换是提高检测精度的重要因素。
二维振镜系统整体性能指标包括相应转角的范围、反射孔径的大小、小信号响应时间的长短、重复性、温度漂移和线性度等因素，使用中对振镜的性能要求主要是在高定位精度、高扫描速度、高可靠性、镜片偏角度大，其中高定位精度和高扫描速度是振镜的2个主要性能指标[5-6]。
国内对于双振镜激光扫描器的研究主要集中在系统误差分析及校正算法上面，并取得了很
多优秀的成果。华中科技大学激光技术与工程研究院的郭飞等人通过讨论双振镜扫描系统的光学成像原理，推导出双振镜扫描系统的几何失真公式。上海交通大学塑性成型系的赵毅、西安交通大学机械工程学院卢秉恒针对双针系统固有的枕形畸变进行研究，分析了枕形畸变的产生机理，提出了一种软件校正算法和扫描控制算法。国外对于双振镜扫描系统的研究主要集中在振镜性能的提升、双振镜扫描系统的创新应用及系统集成等方面，因为光学器件的技术含量较高，促进了扫描技术整体水平的发展，并伴有成熟的产品。Cambridge Technology 公司是目前振镜设计制作方面领先的公司， Cambridge Technology 在转子结构、位置检测、伺服技术、控制技术等方面取得了很大成就，配合专业驱动器，可以使振镜扫描频率达到 100 kHz，并且大幅降低了热漂移性和机械抖动。
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基于二维振镜扫描系统以上优点，提出一种多光谱集成靶标光轴平行性检测方法，运用反射镜来调整检测系统光轴方向，使其能够自动对准被测光轴，同时使检测系统和被测对象的十字分划图像均落于检测系统视场中心。该方法采用自动对准的方法可以免去人为瞄准过程，提高了检测效率和检测精度，为复合光电装备的多光谱光轴平行性野外在线检测提供了一种有效手段。toubai
设计的多光谱集成靶标主要由LED照明光源、多光谱集成靶板、准直系统和二维振镜组成,其总体结构原理图如图1所示。
准直系统采用卡塞格林结构，在其焦面处安装有多光谱集成靶板，靶板使用LED光源照明。LED照明光源在发射可见光的同时由于结温升高向外进行红外辐射，可同时为多光谱集成靶板提供白微光及红外照明。靶板上刻有多光轴平行性检测所需的十字分划图样，在LED光源的照明下生成十字分划图像。准直系统对透过多光谱集成靶板的光线进行准直，为待检光电装备提供无穷远目标或一束平行光。利用二维振镜系统的扫描特性使待测光轴十字中心与靶标十字分划中心对准，记录码盘数据，经过实时的图像处理与伺服控制完成光轴平行性检测。
2.1 准直系统
在多光谱光轴平行性检测中，要求准直系统能实现对多光谱集成靶标的共光路准直，且为了满足多光谱光轴平行性检测的需要，准直系统应具有质量体积小、无差影响的特点，因此系统采用反射式的卡塞格林结构。准直系统采用卡塞格林结构，对入射光只进行反射，避免了透射式机构中的散问题，而且反射式系统实现了光路的折叠，大大缩短了系
统的体积。
在现代光学设计中，光学传递函数是目前已被公认的最能充分反映系统实际成像质量的评价指标。所使用的卡塞格林准直系统是在标准卡塞格林结构的基础上，使用ZEMAX光学设计软件，利用软件缺省优化函数，并添加EFFL、MNCA、MNXA、COVA、MTFA等5个操作，控制焦距、主次镜距离、次镜与像面距离以及MTF曲线，通过将主次镜距离、次镜和像面距离、主镜和次镜的conic抛物面系数以及四次项和六次项非球面系数设置为变量进行优化。准直系统焦距控制为1 000 mm，长度小于300 mm，此时准直系统0视场下弥散斑接近艾里斑，轴外视场弥散斑也大幅缩小，系统MTF在0.707视场接近0.3。如图2所示。
2.2 靶板及照明光源设计
靶板在光源的照明下生成十字分划图像，为实现多光谱集成靶标对多波段的检测要求，系统采用了能够同时透过可见光和红外光的材料作为基底，通过在基底上镀铬并刻画十字分划来实现靶板的设计。
硫化锌(ZnS)晶体在可见光到远红外波长范围内都具有极高的透过率，因此采用ZnS晶体作
为基底材料。加工时，首先在ZnS基底上镀铬，然后按照设计好的靶板图样进行光刻加工。设计靶板图样时，考虑人眼的极限分辨角为60″，以及像高与物高的关系，十字分划的宽度为0.5 mm，高度22 mm，如图3所示。
为了保证光源产生的光能的利用率以及光能量均匀分布，照明系统采用临界照明的方法。照明系统的优劣关系到整个系统的成像质量与检测精度。多光谱集成靶标最明显的特征是小型化、免更换、低成本、多用途。黑体辐射源体积大，成本高不符合系统的要求。LED照明光源相对于白炽灯、卤素灯而言具有较高的发光效率且寿命较长，经过选择比较，最终选择LED照明光源为多光谱集成靶板提供白微光及红外照明。
大理石清洗剂2.3 二维振镜
二维振镜系统利用编程控制2个相互垂直的伺服旋转电机，从而控制平面反射镜围绕转轴转动，使光束按照一定角度向x,y轴2个方向进行偏转，实现光轴平行性检测中视场中心的空间偏转，从而达到自动对准靶板十字分划中心的要求。
实验采用的二维振镜扫描系统为北京金海创公司的JS3808型扫描振镜，其最大扫描范围为
±15°，分辨率为12 μrad，重复精度8 μrad，线性度99.9%。相应的伺服驱动板的输入电压为±15 V DC，模拟信号输入阻抗为200(1±1%)kΩ。二维振镜的安装如图4所示，2台驱动电机的安装轴线相互垂直，图中位于下方的反射镜记为反射镜x，位于上方的反射镜记为反射镜y。基于二维振镜的多光谱集成靶标测量系统坐标系按左手坐标系建立。其中y轴指向测量系统的顶部，z轴沿测量系统纵轴指向前方，x轴按左手规则如图建立，反射镜x的初始反射面与xoz面成45°，反射镜y的初始反射面与xoy面成45°，两反射镜可绕其旋转轴转动。定义方位角α为光轴向量与其在yoz面投影的夹角，俯仰角β为光轴向量在yoz面投影与z轴的夹角。
由图可知，多光谱集成靶标光源发出的平行光经过二维振镜的2次反射，使靶标十字分划中心与待测光轴1中心重合，若x,y轴分别转动α和β角，则光束在空间内相对于二维振镜初始位置的出射光束偏转在x,y方向分别为2α和2β角，测量出待测光轴1的x,y轴转动角α1和β1。之后移动光具座再对待测光轴2进行校准，得出待测光轴2的x,y轴分别转动α2和β2角。已知α,β，则有下列关系：
y=dtanθy
x=()tanθx
式中：θ为光束经过偏转之后与原光束的夹角; e为x镜与y镜的距离。将AC,CO和BO1移到同一端点上。由上述公式得出可知α、β、θ有以下关系：
cosθ=cos2α×cos2β
其中BA1为对准待测系统1的十字分划时光束偏转形成的光线，BA2为对准待测系统2的十字分划时光束偏转形成的光线，平移两线，交于B点。BA1、BA2的夹角记为γ，在对准过程中x,y轴分别转动α和β角，建立坐标系进行分析，可以得到：
BA1=d/cosθ
BA2=d/cosθ1
A1A2可以由其相应的横纵坐标求出。由余弦定理有：
cosγ
六氟化硫开关最终可以求得γ。其中α1、α2、β1、β2角可以在控制二维振镜旋转电机的过程中由测控平台从二维振镜码盘中采集得到。
3.1 图像预处理
目前，光电系统的接收方式主要有CCD成像类和目视成像类2种类型。对于CCD成像类型的光电系统，在进行十字分划中心对准的过程中，可以通过导出该光电系统的视频信号得到对准十字分划中心所需的图像。目视成像类型的光电系统通过在其焦平面上放置CCD进行图像的采集[7]。图像预处理是对得到的图像进行灰度转换，使其变成灰度图像。鉴于视频采集得到的图像是LED照明条件下的亮十字分划在暗背景中的像，待测系统十字分划一般为暗的细条纹。所得图像的特点为暗背景下的亮十字分划条纹和待测系统十字分划暗条纹。为了区分暗背景与待测系统十字分划，还需对图像进行线性灰度变换，将低灰度的灰度范围进行线性拓展，提高后续处理的效率[8-9]。
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