用于平行光管的可调节式焦面组件位置标定方法
阅读说明：本技术 用于平行光管的可调节式焦面组件位置标定方法 (Adjustable focal plane assembly position calibration method for collimator ) 是由 刘尚阔 赵建科 周艳 焦璐璐 刘强 王争锋 曹昆 刘锴 王涛 于 2020-10-26 设计创作，主要内容包括：为了解决因可调节式焦面组件的位置偏差而对相机光学系统测量精度带来不利影响的技术问题,本发明提出了一种用于平行光管的可调节式焦面组件位置标定方法,首先,标定确定平行光管的焦面位置；然后利用高精度立方镜、精密针孔和激光器构建自准直光路,将可调节式焦面组件中平移台的移动方向引至高精度立方镜一个面的法线方向；再次,在平行光管中心视场姿态下,通过高精度立方镜将平移台移动方向调整至与平行光管光轴平行；最后,通过观察平行光管多个视场汇聚点经过靶板自准所形成干涉条纹的离焦像差,调整靶板姿态使其所在平面与平行光管焦面平行,且靶板中心与平行光管中心视场光斑汇聚点重合,此时完成位置标定工作。(In order to solve the technical problem that the measurement precision of an optical system of a camera is adversely affected due to the position deviation of an adjustable focal plane assembly, the invention provides a method for calibrating the position of the adjustable focal plane assembly for a collimator, and the method comprises the following steps of firstly calibrating and determining the focal plane position of the collimator; then, a high-precision cubic mirror, a precision pinhole and a laser are used for constructing an auto-collimation light path, and the moving direction of a translation stage in the adjustable focal plane assembly is led to the normal direction of one surface of the high-precision cubic mirror; thirdly, under the central view field posture of the collimator, the moving direction of the translation stage is adjusted to be parallel to the optical axis of the collimator through a high-precision cube mirror; and finally, adjusting the posture of the target plate to enable the plane where the target plate is located to be parallel to the focal plane of the collimator by observing the defocusing aberration of interference fringes formed by the plurality of field convergence points of the collimator passing through the self-alignment of the target plate, and enabling the center of the target plate to coincide with the field light spot convergence point of the center of the collimator, thereby finishing the position calibration work.)
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种可调节式焦面组件位置标定方法，适用于标定可调节式焦面组件中平移台和靶板等零件相对于平行光管光轴、焦平面的位置关系，特别适用于标定相机光电对接、焦面预置等工作中用于模拟不同距离目标的平行光管焦面组件的位置。
背景技术
平行光管作为光学系统装调和整机光学性能检测的关键设备，可以出射平行光以模拟无穷远目标，通过在平行光管焦面处放置星点板、玻罗板、鉴别率板、条纹板等靶标，可以对光学镜头和相机的弥散斑、焦距、鉴别率、MTF、畸变等指标进行检测。
一般情况下，平行光管应用于光学镜头和相机光学性能检测时，其靶板固定于平行光管的焦面位置处，此时检测的是光学镜头和相机对无穷远目标成像时的性能。而当平行光管应用于相机光电对接、焦面预置等工作时，需要沿平行光管光轴方向前后移动靶板，对相机弥散斑直径、MTF等光学性能进行过焦测试，得到平行光管不同离焦量下的光学性能指标并绘制过焦曲线，从而获取相机探测器感光面与相机光学镜头焦平面之间的距离，当该距离值达到预期公差要求后，完成相机光电对接、焦面预置等工作。靶板前后移动需要采用可调节式焦面组件来实现，可调节式焦面组件包括可沿平行光管光轴方向前后移动的平移台，以及固定于平移台台面上的靶板固定装置。可调节式焦面组件需满足以下基本要求：
a)平移台前后移动方向平行于平行光管光轴方向；
b)靶板平面与平行光管的焦平面平行；
c)平行光管的中心视场与靶板的中心重合。
因此，可调节式焦面组件的位置需要进行严格标定，否则，在其使用过程中，将引起靶板离焦量、靶板的投影差，以及平行光管焦面位置偏离理想焦平面位置，进而在相机光学性能检测时引入平行光管像差，造成相机光学性能的测试误差，降低光电对接、焦面预置等工作的精度。因此，对可调节式焦面组件的位置进行精密标定具有重要意义。
发明内容
为了解决因可调节式焦面组件的位置偏差而对相机光学系统测量精度带来不利影响的技术问题，本发明提出了一种用于平行光管的可调节式焦面组件位置标定方法。
本发明的发明构思是：
首先，根据平行光管焦面大小和像差分布特性，通过激光干涉仪、平面反射镜、固定于平面反射镜背面的小口径平面反射镜和高精度测角装置，标定平行光管上、下、左、右和中心视场的波像差，结合平行光管像差的对称性、焦面处像差校正良好的特征，确定平行光管的焦面位置；
然后，利用高精度立方镜、精密针孔和激光器构建自准直光路，将可调节式焦面组件中平移台的移动方向引至高精度立方镜一个面的法线方向；
再次，在平行光管中心视场姿态下，通过高精度立方镜将平移台移动方向调整至与平行光管光轴平行；
最后，通过观察平行光管多个视场汇聚点经过靶板自准所形成干涉条纹的离焦像差，调整靶板姿态使其所在平面与平行光管焦面平行，且靶板中心与平行光管中心视场光斑汇聚点重合，此时完成可调节式平行光管焦面组件的位置标定工作。
基于上述发明构思，本发明的技术解决方案是：
用于平行光管的可调节式焦面组件位置标定方法，所述可调节式焦面组件包括平移台和设置在平移台上的靶板固定装置；其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1，通过标定平行光管不同视场的波像差，确定平行光管的焦面位置；
步骤2，利用高精度立方镜、精密针孔和激光器构建自准直光路，其中高精度立方镜固定安装在平移台上，将所述平移台的移动方向引出至高精度立方镜一个面的法线方向；
步骤3，将经步骤2调整后，带有高精度立方镜的平移台的移动方向调整至与平行光管的光轴方向平行；
步骤4，分别在平行光管的多个视场标定平移台的位置；
步骤5，调整所述靶板固定装置的姿态，使得靶板所在平面与平行光管的焦平面平行；
步骤6，平行光管各个视场下所测得的离焦像差最小时平移台的位置一致后，调整所述靶板固定装置在平移台上的位置至安装在其上的靶板的中心与平行光管中心视场下标准镜头的光斑汇聚点重合时，可调节式焦面组件的位置标定工作完成。
进一步地，所述步骤1具体为：
1.1)搭建平行光管全视场波像差标定单元，所述平行光管全视场波像差标定单元包括沿光路方向依次设置激光干涉仪、标准镜头、平面反射镜、小口径平面反射镜和高精度测角装置；平面反射镜可进行方位、俯仰方向的旋转；小口径平面反射镜固定于平面反射镜背面，其反射面朝向高精度测角装置；
1.2)利用平面反射镜的旋转配合激光干涉仪的平动，检测平行光管不同视场的波像差，从而确定平行光管的焦平面位置；
1.3)记录焦平面位置对应的平面反射镜的旋转角度。
进一步地，所述步骤2具体为：
将高精度立方镜固定安装于平移台的安装台面上，激光器出射准直单色光经精密针孔后照射高精度立方镜，再经高精度立方镜反射后在精密针孔上形成光斑；前后移动平移台，并监视精密针孔上的光斑位置，调整高精度立方镜的位置和/或姿态，直至精密针孔以外区域看不到光斑为止，此时平移台移动方向已传递至高精度立方镜的一个平面法线方向上。
进一步地，所述步骤3具体为：
3.1)通过激光干涉仪、标准镜头和平面反射镜标定平行光管的中心视场，再将标准镜头从当前光路中移走；
3.2)将经步骤2调整后的带有高精度立方镜的平移台插入当前光路中，高精度立方镜与激光干涉仪形成自准直光路，调整平移台位置，直至激光干涉仪出射的平行光经高精度立方镜自准后所形成干涉条纹的离焦像差最小，此时平移台移动方向与平行光管的光轴方向平行。
进一步地，所述步骤4具体为：
4.1)将平移台上的高精度立方镜及其固定工装从平移台上拆卸下来，并将标准镜头安装到激光干涉仪的前方，再在平移台的台面上安装靶板固定装置，检测平行光管中心视场波像差，将离焦像差项调至最小，然后通过将靶板固定在靶板固定装置上从而将靶板插入光路中，前后移动平移台，使靶板反射的自准直像经激光干涉仪形成干涉条纹的离焦像差项调至最小，记录此时平移台的位置；
4.2)分别在其他多个视场按前述4.1)中心视场的方法，标定并记录靶板反射的自准直像经激光干涉仪形成干涉条纹的离焦像差最小时平移台的位置。
进一步地，所述步骤5具体为：
拟合靶板所在平面方程，结合平行光管的焦平面方程，得到靶板所在平面相对于平行光管的焦平面的倾斜角度，根据该倾斜角度调整所述靶板固定装置的姿态，使得靶板所在平面与平行光管的焦平面平行。
进一步地，步骤5中所述的倾斜角度根据下述方法确定：
步骤A：标定平行光管多个视场位置处对应离焦像差最小时平移台的位置，根据下式计算平行光管相应视场角处对应的线量：
xi＝f tanθxi,yi＝f tanθyi (1)
式中：i为平行光管视场角序号；xi,yi为平行光管在第i个视场角下对应的像面坐标；f为平行光管的焦距；θxi,θyi为通过小口径平面反射镜和高精度测角装置测得的平行光管的视场角；
步骤B：利用平行光管不同视场离焦像差最小时平移台的位置zi，采用最小二乘法拟合得到靶板的平面方程，公式如下：
式中：min表示最小化运算；A,B,C,D为拟合平面方程的系数；
步骤C：通过公式(2)得到靶板的平面方程，如下式所示：
Ax+By+Cz＝D (3)
步骤D：设平行光管理想焦平面的方程为：
A0x+B0y+C0z＝D0 (4)
步骤E：根据公式(3)和公式(4)，计算得到靶板相对于平行光管理想焦平面的倾斜角度为：
本发明的优点是：
1、本发明各步骤间基本独立，降低了可调节式平行光管焦面组件位置标定时的耦合性，提高了标定效率。
2、本发明通过在平行光管波像差测试用的平面反射镜的后方固定小口径平面反射镜和高精度测角装置，可以实时检测平行光管的视场位置，从而保证在对焦面组件标定时可对平行光管固定视场位置进行重复测试，有利于标定时调整环节的重复进行。
3、本发明通过在可调节式平行光管焦面组件中的平移台上安装高精度立方镜，结合高精度测角装置，可以快速将平移台的移动方向引至高精度立方镜某一面的法线方向。
4、本发明通过高精度立方镜与平行光管中心视场时干涉仪出射平行光束自准，一次性将平移台移动方向与平行光管光轴方向调至平行，提高了整体标定效率。
5、本发明能使平行光管光轴、像面、平行光管靶板和平移台之间的相对位置关系达到设计要求，保证相机光电对接和像面预置等工作的精度。
附图说明
图1是平行光管全视场波像差标定单元的原理示意图。
图2是可调节式平行光管焦面组件中平移台移动方向的标定原理示意图。
图3是平移台的移动方向与平行光管光轴方向转接装置示意图。
图4是平移台移动方向与平行光管光轴方向转接原理示意图。
图5是平行光管焦面靶板与其焦面对接原理示意图。
图6是平行光管靶板与其焦面对接时波像差检测视场点分布示意图。
附图标记说明：
1-激光干涉仪；2-标准镜头；3-平行光管；4-平面反射镜；5-小口径平面反射镜；6-高精度测角装置；7-高精度立方镜；8-平移台；9-激光器；10-精密针孔；11-靶板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明所提供的用于平行光管的可调节式焦面组件位置标定方法，包括以下几个步骤：
步骤1：通过标定平行光管3不同视场的波像差，确定平行光管3的焦面位置。
搭建如图1所示的平行光管全视场波像差标定单元，其包括激光干涉仪1、标准镜头2、平面反射镜4、小口径平面反射镜5和高精度测角装置6；小口径平面反射镜5的口径大小使得其方便固定于平面反射镜4上即可，一般为25mm左右；高精度测角装置6是指测角精度优于1"的测角装置。
激光干涉仪1位于平行光管3焦平面后方，激光干涉仪1出射平行光束，经标准镜头2汇聚后形成标准球面波，标准球面波经平行光管3准直为平行光，该平行光经平面反射镜4反射形成自准直光路，用于检测平行光管3不同视场的波像差。平面反射镜4可以进行方位、俯仰方向的旋转，配合激光干涉仪1的平动，可以检测平行光管3不同视场的波像差，从而确定平行光管3的焦平面位置。
将小口径平面反射镜5固定于平面反射镜4背面，其反射面朝向高精度测角装置6，平面反射镜4的旋转将带动小口径平面反射镜5旋转，其旋转角度值直接反应平行光管3的视场，从而通过小口径平面反射镜5与平面反射镜4的结合能够实时检测平行光管3的视场角。高精度测角装置6位于平面反射镜4后方，高精度测角装置6出射的平行光束经小口径平面反射镜5反射后，形成自准直光路，用于测量平面反射镜4的旋转角度，进而给出平行光管3波像差检测时的视场位置。
利用图1搭建的平行光管全视场波像差标定单元，确定出平行光管3的焦平面位置后，同时记录平行光管3焦平面位置对应的平面反射镜4的旋转角度，记录旋转角度的目的是为了确定平行光管3的中心视场位置，便于重复标定。
步骤2：将可调节式焦面组件中平移台8的移动方向引出。
搭建如图2所示的平移台移动方向标定单元，其包括高精度立方镜7、激光器9和精密针孔10，精密针孔10的孔径小于50微米，圆度优于1微米，高精度立方镜7是指各面之间的夹角精度达到秒级的立方镜。
将高精度立方镜7固定安装于平移台8的安装台面上，激光器9出射准直单色光，经精密针孔10后照射高精度立方镜7，经高精度立方镜7反射后在精密针孔10上形成光斑。前后移动平移台8，并监视精密针孔10上的光斑位置，调整高精度立方镜7的位置和/或姿态，直至精密针孔10以外区域看不到光斑为止，此时平移台8移动方向已传递至高精度立方镜7的一个平面法线方向上，即平移台的移动方向与高精度立方镜7的一个平面法线方向平行。
步骤3：将可调节式焦面组件中平移台8的移动方向调整至与平行光管3的光轴方向平行。
首先，搭建图3所示光路，通过激光干涉仪1、标准镜头2和平面反射镜4标定平行光管3的中心视场，再将标准镜头2从光路中移走；然后，将经步骤2调整后的固定安装有高精度立方镜7的平移台8插入光路中，高精度立方镜7与激光干涉仪1形成自准直光路，调整平移台8位置，直至激光干涉仪1出射的平行光经高精度立方镜7自准后所形成干涉条纹的离焦像差最小(即形成平直的干涉条纹)，如图4所示，此时说明平移台8移动方向与平行光管3的光轴方向平行。
步骤4：分别在平行光管3的多个视场标定平移台8的位置。
如图5所示，将平移台8上的高精度立方镜7及其固定工装从平移台8上拆卸下来，并将标准镜头2安装到激光干涉仪1的前方，再在平移台8的台面上安装靶板固定装置，检测平行光管3中心视场波像差，将离焦像差项调至最小，然后通过将靶板11固定在靶板固定装置上从而将靶板11插入光路中，前后移动平移台8，使靶板11反射的自准直像经激光干涉仪1形成干涉条纹的离焦像差项调至最小，记录此时平移台8的位置。
分别在其他多个视场(例如图6所示的上、下、左、右视场)按前述中心视场的方法，标定并记录靶板11反射的自准直像经激光干涉仪形成干涉条纹的离焦像差最小时平移台8的位置。
步骤5：将靶板11调整至与平行光管3的焦平面平行。
拟合靶板11所在平面方程，结合平行光管3的焦平面方程，得到靶板11所在平面相对于平行光管3的焦平面的倾斜角度，根据该倾斜角度旋转靶板固定装置使得安装在其上的靶板11所在平面与平行光管3的焦平面平行。
靶板11所在平面相对于平行光管3的焦平面的倾斜角度利用下述方法确定：
步骤A：按图5和图6所示，标定平行光管3多个视场位置处对应离焦像差最小时平移台8的位置，根据下式计算平行光管3相应视场角处对应的线量：
xi＝f tanθxi,yi＝f tanθyi (1)
式中：i为平行光管3视场角序号；xi,yi为平行光管3在第i个视场角下对应的像面坐标；f为平行光管3的焦距；θxi,θyi为通过小口径平面反射镜5和高精度测角装置6测得的平行光管3的视场角。
步骤B：利用平行光管3不同视场离焦像差最小时平移台8的位置zi，采用最小二乘法拟合得到靶板11的平面方程，公式如下：
式中：min表示最小化运算；A,B,C,D为拟合平面方程的系数。
步骤C：通过公式(2)得到靶板11的平面方程，如下式所示：
Ax+By+Cz＝D (3)
步骤D：设平行光管3理想焦平面的方程(通过步骤1确定出的焦平面位置可以得到)为：
A0x+B0y+C0z＝D0 (4)
步骤E：根据公式(3)和公式(4)，可以计算得到靶板11相对于平行光管3理想焦平面的倾斜角度为：
根据倾斜角度对靶板固定装置进行旋转，即可使得安装在其上的靶板11所在平面与平行光管3的焦平面平行。
步骤6：平行光管3各个视场下所测得的离焦像差最小时平移台8的位置一致后，调整靶板固定装置在平移台8上的位置至靶板11中心与平行光管3中心视场下标准镜头2的光斑汇聚点重合时，可调节式焦面组件的位置标定工作完成。