專利名稱：：大視場(chǎng)空間攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種空間攝像裝置，尤其適用于高溫、低溫、真空、輻照、振動(dòng)沖擊、電磁干擾等惡劣環(huán)境。
背景技術(shù)：
：CXD攝像機(jī)目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于日常生活和工作中，然而當(dāng)其使用環(huán)境復(fù)雜多變、惡劣時(shí)，尤其是空間環(huán)境中存在的高低溫、真空、輻照、振動(dòng)沖擊、電磁干擾等惡劣環(huán)境因素，通用的C⑶攝像裝置很難良好工作。比如，在高溫環(huán)境下，其光學(xué)穩(wěn)定性、精度會(huì)大大降低；再如，在高輻照環(huán)境下，電磁干擾、帶電粒子輻射等不可避免地會(huì)影響到CCD的光信號(hào)接收和電信號(hào)的穩(wěn)定；而普通的CCD攝像裝置則往往難以在如此惡劣環(huán)境下完成大視場(chǎng)、低畸變的攝像要求；通常廣角光學(xué)鏡頭具有較大的畸變，一般在20%30%，甚至更高，成像時(shí)幾何失真度較大。本發(fā)明技術(shù)基于光電成像技術(shù)，首次將光電成像技術(shù)應(yīng)用于航天飛船艙外。目前國(guó)內(nèi)暫無(wú)關(guān)于此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種空間攝像裝置，在常規(guī)光電成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分考慮了空間環(huán)境中存在的高低溫、真空、輻照、振動(dòng)沖擊、電磁干擾等惡劣環(huán)境因素，有效克服了這些惡劣環(huán)境因素對(duì)攝像裝置帶來(lái)的損害和不良影響。本發(fā)明的技術(shù)方案如下所述該大視場(chǎng)空間攝像裝置設(shè)置于安裝板上，包括光學(xué)鏡頭組件、CXD圖像探測(cè)器組件、防護(hù)電路組件和機(jī)械防護(hù)組件；所述光學(xué)鏡頭組件的首鏡片為耐輻照光學(xué)石英玻璃；CXD圖像探測(cè)器組件由CXD單板和CXD護(hù)框組成，完成光電信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，其中CXD單板安裝于CCD護(hù)框內(nèi)；防護(hù)電路組件由防護(hù)電路板和電路防護(hù)框組成，其中防護(hù)電路板安裝于電路防護(hù)框內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)電源保護(hù)和視頻信號(hào)保護(hù)作用，所述防護(hù)電路組件固定設(shè)置于CCD圖像探測(cè)器組件后部；機(jī)械防護(hù)組件包括箱體和底座，光學(xué)鏡頭組件、CXD圖像探測(cè)器組件和防護(hù)電路組件均安裝于箱體內(nèi)，形成對(duì)CCD圖像探測(cè)器、防護(hù)電路的雙層殼體防護(hù)，箱體與底座通過(guò)橡膠減震器固定連接，所述空間攝像裝置通過(guò)底座固定于安裝板上。所謂雙層殼體防護(hù)，具體來(lái)講，是指CCD圖像探測(cè)器組件中的CCD護(hù)框及防護(hù)電路組件中的電路防護(hù)框分別為CCD單板和防護(hù)電路提供了首層防護(hù)殼體，防護(hù)電路組件固定于CCD圖像探測(cè)器組件后部，均安裝于機(jī)械防護(hù)組件的箱體內(nèi)部，箱體提供了第二層防護(hù)殼體，可有效隔離空間輻照、高低溫(_15°C+60°C)環(huán)境等外界影響。上述光學(xué)鏡頭組件具有大視場(chǎng)、低畸變的特點(diǎn)，采用了反攝遠(yuǎn)光學(xué)結(jié)構(gòu)，焦距2.4mm,水平90度，光圈F2.8，后截距5.3mm；首鏡片采用光學(xué)石英玻璃JGS1，可隔離lX106rad[Si]的總劑量輻射；光學(xué)鏡頭組件的鏡筒等結(jié)構(gòu)由鈦合金制成，保證光學(xué)鏡頭在-15°C+60°C溫度范圍內(nèi)可獲取清晰圖像。上述防護(hù)電路板包括電源保護(hù)電路和視頻保護(hù)電路，電源保護(hù)電路中具有限流、穩(wěn)壓以及濾波環(huán)節(jié)，視頻保護(hù)電路中具有穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，可對(duì)線纜上信號(hào)的傳輸提供保護(hù)，減弱外界對(duì)傳輸線路的電磁干擾。所述電源保護(hù)電路和視頻保護(hù)電路與CCD單板的接口連接，由攝像裝置外部輸入的電源首先經(jīng)過(guò)電源保護(hù)電路，進(jìn)行穩(wěn)壓、濾波等處理后輸入至CXD單板；CCD單板輸出的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻保護(hù)電路后向攝像裝置外部輸出PAL-D制式信號(hào)。上述圖像探測(cè)器為1/3英寸彩色C⑶單板攝像機(jī)，輸出PAL-D制式信號(hào)，所述光學(xué)鏡頭組件屬于短焦距廣角鏡頭。通常廣角光學(xué)鏡頭具有較大的畸變，一般在20%30%，甚至更高，成像時(shí)幾何失真度較大；而該攝像裝置在實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)成像(水平90°)的同時(shí)，保證了低于5%的畸變，成像時(shí)幾何失真度較??；同時(shí)所述的空間攝像裝置實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)?shù)目臻g輻射、高低溫、真空、振動(dòng)沖擊、電磁干擾等惡劣環(huán)境的耐受度。上述CCD單板和防護(hù)電路板分別封裝于CCD護(hù)框和電路防護(hù)框內(nèi)，CCD護(hù)框和電路防護(hù)框均由鋁合金制作，并用室溫硫化硅橡膠GD-414固封；CCD單板和防護(hù)電路板后部均設(shè)置有金屬鉭片。上述箱體和底座由鋁合金材料制成，箱體與底座間置有兩根接地線，箱體與底座之間設(shè)置有對(duì)稱分布的多個(gè)橡膠減震器，底座與安裝板螺紋固定連接。本發(fā)明具有以下優(yōu)越性1、穩(wěn)定可靠地適應(yīng)于高低溫、真空、輻照、振動(dòng)沖擊、電磁干擾等惡劣環(huán)境；2、光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度較好，可隔離總劑量輻照、高低溫沖擊；3、電子系統(tǒng)的抗干擾、電磁兼容能力較好；4、應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、穩(wěn)定、抗震。圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖，其中對(duì)箱體及箱體內(nèi)部做四分之一剖視示意；圖2為本發(fā)明左視圖；圖3為本發(fā)明右視圖；圖4為本發(fā)明前視圖；圖5為本發(fā)明后視圖；圖6為光學(xué)鏡頭組件光路圖；圖7為采用鈦合金材料隔圈時(shí)相對(duì)離焦量-溫度曲線圖；圖8為防護(hù)電路接口示意圖；圖9為電源保護(hù)電路原理圖；圖10為視頻保護(hù)電路原理圖；圖11為CCD護(hù)框和電路防護(hù)框結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為箱體及底座連接示意圖(后視)。附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明1-箱體，2-耐輻照光學(xué)石英玻璃，3-CXD護(hù)框，4_電路防護(hù)框，5_底座，6_安裝孔，7-橡膠減震器，8-CXD分色片，9-CXD光敏面。具體實(shí)施例方式光電成像設(shè)備屬于精密設(shè)備，在使用中易受到外界環(huán)境(高低溫、真空、輻照、振動(dòng)沖擊、電磁干擾等)因素的影響。本發(fā)明的光學(xué)鏡頭對(duì)光線進(jìn)行采集和處理，將視場(chǎng)內(nèi)物體成像于CCD靶面；CCD攝像機(jī)則將靶面上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；供電系統(tǒng)為CCD提供電力能源；機(jī)械結(jié)構(gòu)則為以上各個(gè)部分提供物理支撐和保護(hù)。在圖6所示的光學(xué)鏡頭組件中，首鏡片采用耐輻照光學(xué)石英玻璃JGS1，具有隔離總劑量輻照、高低溫沖擊的特點(diǎn)。如圖8、圖9、圖10所示，在電路設(shè)計(jì)中，采用了濾波、穩(wěn)壓、防反接等技術(shù)，可提高電源品質(zhì)，消弱外界電磁干擾。如圖12所示，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用了箱體與底座分離的設(shè)計(jì)，它們之間利用4個(gè)橡膠減震墊連接，可有效吸收、減弱由安裝底座傳遞至光學(xué)鏡頭、CXD攝像機(jī)等核心組件的振動(dòng)、沖擊，為精密器件提供可靠防護(hù)。對(duì)于箱體設(shè)計(jì)則采用雙層殼體(參見(jiàn)圖1、圖11等)，可有效隔離外部高低溫環(huán)境，并使得輻照屏蔽厚度在4.5mm等效鋁以上。對(duì)以上設(shè)計(jì)思想的實(shí)踐，過(guò)一系列防護(hù)技術(shù)應(yīng)用，保證了在惡劣空間環(huán)境下亦可正常工作，其實(shí)驗(yàn)效果如表1所示，表1有益效果匯總序號(hào)采用設(shè)計(jì)特點(diǎn)防護(hù)效果Γ^Ι采用耐輻照光學(xué)石英玻璃隔離帶電粒子可隔離劑量IXιJGSl制作保護(hù)玻璃輻照106rad[Si]采用濾波、穩(wěn)壓等防護(hù)電提高電磁兼容2路能力隔離外部高低可工作于3雙層殼體設(shè)計(jì)溫沖擊-15+60°C箱體與底座間采用橡膠減吸收、消弱力學(xué)可承受IOOOg的4振墊沖擊沖擊以下詳細(xì)描述對(duì)各重要部件的選擇和設(shè)置1)圖像探測(cè)器的選擇圖像探測(cè)器為光電成像設(shè)備的核心器件，對(duì)其選擇應(yīng)可滿足環(huán)境要求。所選型號(hào)1/3英寸彩色CCD單板攝像機(jī)。使用前對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行了老煉試驗(yàn)、溫度循環(huán)篩選試驗(yàn)，全部通過(guò)，此結(jié)果表明該CCD單板攝像機(jī)性能穩(wěn)定可靠，可靠性高。2)防護(hù)電路的設(shè)計(jì)防護(hù)電路包括電源保護(hù)電路與視頻保護(hù)電路，與圖像探測(cè)器的連接關(guān)系如圖8所示其中電源保護(hù)電路原理圖如圖9所示。其中Dl為防反接二極管；Rl為5.1Ω限流電阻，防止因短路燒毀供電電源；Wl為穩(wěn)壓二極管；C1、C2為IOOyF的濾波電容，用于改善電源品質(zhì)。視頻保護(hù)電路原理圖如圖10所示，可保證輸出信號(hào)(復(fù)合式1.OVp-p)在傳輸時(shí)不受干擾。3)光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)與1/3英寸圖像探測(cè)器相匹配，對(duì)于SZ-7軌道艙外攝像機(jī)，采用了反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)，屬于短焦距廣角低畸變鏡頭，主要光學(xué)參數(shù)如表2所列。表2光學(xué)鏡頭參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>為了保證光學(xué)鏡頭的空間帶電粒子輻照適應(yīng)性，首鏡片采用光學(xué)石英玻璃JGS1，其余材料為L(zhǎng)aK3、LaF3、ZF6、QK3、K9。為了保證在高低溫環(huán)境中可獲取清晰圖像，采用熱脹系數(shù)較小的鈦合金TC4(8.8X10-6/°C)作為鏡筒、隔圈材料，圖7給出了鈦合金TC4隔圈材料在不同溫度時(shí)的相對(duì)離焦量變化圖，可看出使用鈦合金材料的隔圈時(shí)溫度變化對(duì)成像質(zhì)量的影響完全可忽略。4)防護(hù)結(jié)構(gòu)的研制；防護(hù)結(jié)構(gòu)包括CCD單板及電路防護(hù)框、箱體和底座等部分。按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，將CCD及電源背板封裝于護(hù)框內(nèi)，如圖11所示，鋁合金制作，并用室溫硫化硅橡膠GD-414固封，可提高電子元件的抗振動(dòng)沖擊能力，且固封后的整體可作為C⑶組件參與各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)。CXD單板和電源背板后部均置有金屬鉭片，用于提高組件的抗空間粒子輻射能力。箱體和底座采用鋁合金材料制作，箱體為長(zhǎng)方體，截面尺寸66mmX66mm；箱體與底座間置有兩根接地線，用于控制搭接電阻。為了減小振動(dòng)沖擊的影響，保證攝像裝置的安全，箱體與底座間采用四個(gè)橡膠減震器來(lái)吸收震動(dòng)沖擊能量。底座的安裝面尺寸為85mmX70mm。5)整機(jī)的裝配調(diào)試在完成上述組件的研制后，即可進(jìn)行整機(jī)的裝配調(diào)試首先進(jìn)行光學(xué)鏡頭與CXD組件的像面對(duì)接，保證成像最清晰；其次將箱體與底座連接；最后將對(duì)接好的光學(xué)鏡頭、CXD組件送入箱體，緊固螺釘；最后連接電源、視頻接插件。權(quán)利要求一種大視場(chǎng)空間攝像裝置，設(shè)置于安裝板上，其特征在于該空間攝像裝置包括光學(xué)鏡頭組件、CCD圖像探測(cè)器組件、防護(hù)電路組件和機(jī)械防護(hù)組件；所述光學(xué)鏡頭組件的首鏡片為耐輻照光學(xué)石英玻璃；CCD圖像探測(cè)器組件由CCD單板和CCD護(hù)框組成，其中CCD單板安裝于CCD護(hù)框內(nèi)；防護(hù)電路組件由防護(hù)電路板和電路防護(hù)框組成，其中防護(hù)電路板安裝于電路防護(hù)框內(nèi)，所述防護(hù)電路組件固定設(shè)置于CCD圖像探測(cè)器組件后部；機(jī)械防護(hù)組件包括箱體和底座，光學(xué)鏡頭組件、CCD圖像探測(cè)器組件和防護(hù)電路組件均安裝于箱體內(nèi)，箱體與底座通過(guò)橡膠減震器固定連接，所述空間攝像裝置通過(guò)底座固定于安裝板上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間攝像裝置，其特征在于所述光學(xué)鏡頭組件采用反攝遠(yuǎn)光學(xué)結(jié)構(gòu)，其首鏡片采用光學(xué)石英玻璃JGS1，其鏡筒結(jié)構(gòu)由鈦合金制成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空間攝像裝置，其特征在于所述防護(hù)電路板包括電源保護(hù)電路和視頻保護(hù)電路，所述電源保護(hù)電路和視頻保護(hù)電路與CCD單板的接口連接，由攝像裝置外部輸入的電源經(jīng)電源保護(hù)電路輸入至CCD單板，CCD單板輸出的視頻信號(hào)經(jīng)視頻保護(hù)電路后向攝像裝置外部輸出PAL-D制式信號(hào)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空間攝像裝置，其特征在于所述電源保護(hù)電路中具有限流、穩(wěn)壓以及濾波環(huán)節(jié)，視頻保護(hù)電路中具有穩(wěn)壓環(huán)節(jié)。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的空間攝像裝置，其特征在于所述圖像探測(cè)器為1/3英寸彩色CXD單板攝像機(jī)，所述光學(xué)鏡頭組件為短焦距廣角鏡頭，且與CXD單板相匹配。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空間攝像裝置，其特征在于所述CCD單板和防護(hù)電路板分別封裝于CXD護(hù)框和電路防護(hù)框內(nèi)，CXD護(hù)框和電路防護(hù)框均由鋁合金制作，并用室溫硫化硅橡膠⑶-414固封；CXD單板和防護(hù)電路板后部均設(shè)置有金屬鉭片。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空間攝像裝置，其特征在于箱體和底座由鋁合金材料制成，箱體與底座間置有兩根接地線，箱體與底座之間設(shè)置有對(duì)稱分布的多個(gè)橡膠減震器，底座與安裝板螺紋固定連接。全文摘要本發(fā)明提供了一種空間攝像裝置，在常規(guī)光電成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分考慮了空間環(huán)境中存在的高低溫、真空、輻照、振動(dòng)沖擊、電磁干擾等惡劣環(huán)境因素，有效克服了這些惡劣環(huán)境因素對(duì)攝像裝置帶來(lái)的損害和不良影響。該大視場(chǎng)空間攝像裝置設(shè)置于安裝板上，包括光學(xué)鏡頭組件、CCD圖像探測(cè)器組件、防護(hù)電路組件和機(jī)械防護(hù)組件；機(jī)械防護(hù)組件包括箱體和底座，光學(xué)鏡頭組件、CCD圖像探測(cè)器組件和防護(hù)電路組件均安裝于箱體內(nèi)，形成對(duì)CCD圖像探測(cè)器、防護(hù)電路的雙層殼體防護(hù)。本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度較好，可隔離總劑量輻照、高低溫沖擊；電子系統(tǒng)的抗干擾、電磁兼容能力較好；應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、穩(wěn)定、抗震。文檔編號(hào)H04N5/225GK101820505SQ20101016454公開(kāi)日2010年9月1日申請(qǐng)日期2010年5月6日優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日發(fā)明者張兆會(huì),曹劍中,武力,祝青,董森,閆阿奇申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所