CN101446485A - 可见与红外光波光轴平行度检测仪 - Google Patents

可见与红外光波光轴平行度检测仪 Download PDF

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Abstract

一种可见与红外光波光轴平行度检测的检测仪，包含红外光部分和可见光部分；首先采用可见光进行对准操作，可见光源发出的可见光经过十字分划板照亮十字丝，在可见光CCD上形成出射的可见十字丝像，出射的可见光经红外分光镜、次镜、主镜、标准平面镜反射后，再经上述光学器件又反回到可见光CCD形成返回的十字丝像，调整系统使出射的可见十字丝像与返回的十字丝像重合，完成仪器对准；然后利用红外检测，红外激光器发出的红外激光经过一系列红外光部分的光学元件，用测量软件提取红外CCD上的出射红外光斑和返回的红外光斑，采用公式计算便可得到平行度误差值；本发明的检测仪采用可见光对准，红外探测平行度误差的方法；降低了实验风险，同时提高了测量精度。

Description

可见与红外光波光轴平行度检测仪
技术领域
本发明涉及一种光学检测仪，特别涉及一种可见与红外光波光轴平行度检测仪。
背景技术
由于光学检测需要，某些光学仪器需要工作于可见与红外复合波段；影响这些仪器性能的一个主要技术指标就是可见与红外光波光轴的平行度，为保证这些仪器正常工作需要对可见与红外光波光轴的平行度进行严格控制。目前对可见与红外光波光轴的平行度指标的控制手段是用一张白纸在可见光焦点处作标记为A，用红外光在白纸上烧出一个黑斑标记为B，测量A和B的距离再换算成可见与红外光波光轴的平行度，这种检测手段精度低、风险大只适于粗控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有可见与红外光波光轴的平行度检测手段精度低、风险大，只适于粗控制的缺点，提供一种高精度、低风险能实现精确控制的可见与红外光波光轴平行度检测仪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可见与红外光波光轴平行度检测仪，其特征在于：
可见光部分的光学组件包括主镜8、红外分光镜9、次镜10、标准平面镜11、可见光组件14；可见光组件14包含有可见光源14-1，十字分划板14-2，分光镜14-3，可见光CCD14-4；可见光源14-1发出的可见光经过十字分划板14-2照亮十字丝，在可见光CCD14-4上形成出射的可见十字丝像15-1，出射的可见光经过红外分光镜9反射、再经次镜10反射、再经主镜8反射后变成平行的可见光波出射，出射的平行光经标准平面镜11反射后，依次经过主镜8反射、再经次镜10反射、再经红外分光镜9反射后回到可见光CCD14-4，形成返回的十字丝像15-2，调整五维调整机构19使出射的可见十字丝像15-1与返回的十字丝像15-2完全重合，完成仪器对准；
红外光部分的光学组件包括红外激光器1、可变光阑2、衰减片3、聚焦透镜4、星点5、反射镜6、球面镜7、主镜8、红外分光镜9、次镜10、标准平面镜11、红外CCD12、反射分光镜13；红外激光器1发出的红外激光经过可变光阑2、衰减片3、聚焦透镜4、星点5后成为点光源出射，然后经过反射镜6反射、再经反射分光镜13反射到达球面镜7；此时有50％的红外激光被球面镜7反射，反射光透过反射分光镜13到达红外CCD12形成出射的红外光斑16-1；另外50％的红外激光透过球面镜7，红外分光镜9然后经次镜10和主镜8准直后成为平行红外激光出射，经过标准平面镜11反射回来，依次经过主镜8反射、经次镜10反射、经红外分光镜9透射、经球面镜7透射、再经反射分光镜13透射最后到达红外CCD12形成返回的红外光斑16-2；测量软件提取红外CCD12的图像，并计算出出射的红外光斑16-1和返回的红外光斑16-2的距离，根据如下公式计算出可见与红外共光路系统后的可见与红外光波光轴平行度误差： θ = arctan ( L × ( X 2 - X 1 ) 2 + ( Y 2 - Y 1 ) 2 f ) ; 式中L为红外CCD12的像素尺寸，X2为返回的红外光斑16-2在红外CCD12上的横坐标位置，X1为出射的红外光斑16-1在红外CCD12上的横坐标位置，Y2为返回的红外光斑16-2在红外CCD12上的纵坐标位置，Y1为出射的红外光斑16-1在红外CCD12上的纵坐标位置，f为可见与红外光波光轴平行度检测仪光学系统的焦距。
所述的可变光阑2的直径为Φ≥2mm，用于限制进行系统的红外激光量。
所述的衰减片3是镀10％、25％、50％、75％衰减系数膜系的红外材料片，用以对红外激光器发出红外激光的能量进行衰减。
所述的反射镜6材料为K9玻璃，用于将红外激光折转90°。
所述的主镜8和次镜10均为K9材料，表面镀有银膜，是可见与红外复合系统的准直系统，且主镜8为中空结构。
所述的球面镜7为ZnSe材料，在其凹面上镀有50％的红外反射膜，用于将50％的入射红外激光反射，将50％的入射红外激光透射至后面的光路。
所述的红外分光镜9为ZnSe材料，用于透射红外光，反射可见光。
所述的标准平面镜11为K9材料，用于仪器自准定标。
所述的分光镜13为ZnSe材料，表面镀有R:T＝1:1的分光膜。
所述可见光部分的光学组件固定在可见光机械部分18上，红外光部分的光学组件固定在红外光部分的红外机械部分17；而且红外机械部分17和可见光机械部分18固定于五维调整机构19上，用于检测时对仪器进行调整。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明的检测仪为主动探测仪器，能主动提供可见与红外共光路平行光波；
2.本发明的检测仪采用可见光对准，红外探测平行度误差的方法；降低了实验风险，同时提高了测量精度。
附图说明
图1可见与红外光波光轴平行度检测仪光学系统图；
图2可见与红外CCD图像；图2a为可见CCD图像；图2b为红外CCD图像；
图3可见与红外光波光轴平行度检测仪机械系统图；
图4可见与红外光波光轴平行度检测仪整体结构图；
图5可见光组件；图5a可见光组件整体结构图；图5b十字分划板
图中：1为红外激光器，2为可变光阑，3为衰减片，4为聚焦透镜，5为星点，6为反射镜，7为球面镜，8为主镜，9为红外分光镜，10为次镜，11为标准平面镜，12为红外CCD，13为反射分光镜，14为可见光组件，14-1为可见光源，14-2为十字分划板，14-3为分光镜，14-4为可见光CCD，15为可见光图像，15-1为出射的可见十字丝像，15-2为返回的十字丝像，16为红外图像，16-1为出射的红外光斑，16-2为返回的红外光斑，17为红外机械部分，18为可见光机械部分，19为五维调整机构。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
如图1所示，为可见与红外光波光轴平行度检测仪光学系统图，包括红外激光器1，可变光阑2，衰减片3，聚焦透镜4，星点5，反射镜6，球面镜7，主镜8，红外分光镜9，次镜10，标准平面镜11，红外CCD12，反射分光镜13，可见光组件14；可见光组件14包含有可见光源14-1，十字分划板14-2，分光镜14-3，可见光CCD14-4；所述的红外激光器1是一种红外光源，波长10.6μm。所述的可变光阑2最小直径为Φ2mm，用于限制进行系统的红外激光量。所述的衰减片3是镀10％、25％、50％、75％衰减系数膜系的红外材料片，用以对红外激光器发出红外激光的能量进行衰减。所述的聚焦透镜4用于将红外激光聚焦于星点5上。所述的反射镜6材料为K9玻璃，用于将红外激光折转90°。所述的球面镜7为ZnSe材料，在其凹面上镀有50％的红外反射膜，用于将50％的入射红外激光反射至红外CCD12上，将50％的入射红外激光透射至后面的光路。所述的主镜8和次镜10均为K9材料，表面镀有银膜，是可见与红外复合系统的准直系统。所述的红外分光镜9为ZnSe材料，用于透射红外光，反射可见光。所述的标准平面镜11为K9材料，用于仪器自准定标。所述的红外CCD12，用于探测从球面镜7反射回的红外光斑位置和从后面系统反射反射回的红外光斑位置，供平行度误差计算用。所述的分光镜13为ZnSe材料，表面镀有R:T＝1:1的分光膜，用于把从反射镜6反射的红外激光折转90°和透射从后面系统反射回的红外激光。所述的可见光组件14用于提供可见光波和系统对准。
如图3所示，为可见与红外光波光轴平行度检测仪机械系统图，包括红外机械部分17和可见光机械部分18。所述的红外机械部分17用于固定红外光学元件，所述的可见光机械部分18用于固定可见光光学元件。
红外机械部分17和可见光机械部分18固定于五维调整机构19上，可见光与红外光光轴平行度检测仪整体结构图如图4所示；所述的五维调整机构19用于检测时对仪器进行调整，其具体参数为：X轴行程：±200mm，Y轴行程：±200mm，Z轴行程：±100mm，倾斜行程：±5°，俯仰行程：±5°。
本发明的可见与红外光波光轴平行度检测仪的工作情况如下：
如图5所示，可见光源14-1发出的可见光经过分光镜14-3光路折转90°后射向十字分划板14-2照亮十字丝，在可见光CCD14-4上形成出射的可见十字丝像15-1，如图2a所示；出射的可见光经过红外分光镜9反射、次镜10反射、主镜8反射后变成平行的可见光波出射，出射的平行光经标准平面镜11反射后，依次经过主镜8反射，次镜10反射，红外分光镜9反射后回到可见光CCD14，光路示意图如图1所示；形成返回的十字丝像15-2，如图2a所示，调整五维调整机构19使出射的可见十字丝像15-1与返回的十字丝像15-2完全重合；对准操作完成，此时出射的可见光光轴垂直于标准平面镜11。
接着进行平行度检测，红外激光器1发出的红外激光经过可变光阑2、衰减片3、聚焦透镜4、星点5后成为点光源出射，然后经过反射镜6反射、再经反射分光镜13反射到达球面镜7；此时有50％的红外激光被球面镜7反射，反射光透过反射分光镜13到达红外CCD12形成出射的红外光斑16-1，如图2b所示；另外50％的红外激光透过球面镜7，再经红外分光镜9透射到达次镜10，然后经次镜10和主镜8准直后成为平行红外激光出射，经过标准平面镜11反射回来，依次经过主镜8反射、经次镜10反射、经红外分光镜9透射、经球面镜7透射、再经反射分光镜13透射最后到达红外CCD12形成返回的红外光斑16-2，如图2b所示。采用Matlab图像分析软件提取红外CCD12的图像，并计算出出射的红外光斑16-1和返回的红外光斑16-2的距离，根据如下公式计算出可见与红外共光路系统后的可见与红外光波光轴平行度误差：
θ = arctan ( L × ( X 2 - X 1 ) 2 + ( Y 2 - Y 1 ) 2 f )
式中L为红外CCD12的像素尺寸，X2为返回的红外光斑16-2在红外CCD12上的横坐标位置，X1为出射的红外光斑16-1在红外CCD12上的横坐标位置，Y2为返回的红外光斑16-2在红外CCD12上的纵坐标位置，Y1为出射的红外光斑16-1在红外CCD12上的纵坐标位置，f为可见与红外光波光轴平行度检测仪光学系统的焦距。
本发明的检测仪安装在五维调整机构19上，可实现调整量为X轴行程：±200mm，Y轴行程：±200mm，Z轴行程：±100mm，倾斜行程：±5°，俯仰行程：±5°。

Claims (10)

1、一种可见与红外光波光轴平行度检测仪，其特征在于：
可见光部分的光学组件包括主镜(8)、红外分光镜(9)、次镜(10)、标准平面镜(11)、可见光组件(14)；可见光组件(14)包含有可见光源(14-1)，十字分划板(14-2)，分光镜(14-3)，可见光CCD(14-4)；可见光源(14-1)发出的可见光经过十字分划板(14-2)照亮十字丝，在可见光CCD(14-4)上形成出射的可见十字丝像(15-1)，出射的可见光经过红外分光镜(9)反射、再经次镜(10)反射、再经主镜(8)反射后变成平行的可见光波出射，出射的平行光经标准平面镜(11)反射后，依次经过主镜(8)反射、再经次镜(10)反射、再经红外分光镜(9)反射后回到可见光CCD(14-4)，形成返回的十字丝像(15-2)，调整五维调整机构(19)使出射的可见十字丝像(15-1)与返回的十字丝像(15-2)完全重合，完成仪器对准；
红外光部分的光学组件包括红外激光器(1)、可变光阑(2)、衰减片(3)、聚焦透镜(4)、星点(5)、反射镜(6)、球面镜(7)、主镜(8)、红外分光镜(9)、次镜(10)、标准平面镜(11)、红外CCD(12)、反射分光镜(13)；红外激光器(1)发出的红外激光经过可变光阑(2)、衰减片(3)、聚焦透镜(4)、星点(5)后成为点光源出射，然后经过反射镜(6)反射、再经反射分光镜(13)反射到达球面镜(7)；此时有50％的红外激光被球面镜(7)反射，反射光透过反射分光镜(13)到达红外CCD(12)形成出射的红外光斑(16-1)；另外50％的红外激光透过球面镜(7)，红外分光镜(9)然后经次镜(10)和主镜(8)准直后成为平行红外激光出射，经过标准平面镜(11)反射回来，依次经过主镜(8)反射、经次镜(10)反射、经红外分光镜(9)透射、经球面镜(7)透射、再经反射分光镜(13)透射最后到达红外CCD(12)形成返回的红外光斑(16-2)；测量软件提取红外CCD(12)的图像，并计算出出射的红外光斑(16-1)和返回的红外光斑(16-2)的距离，根据如下公式计算出可见与红外共光路系统后的可见与红外光波光轴平行度误差： θ = arctan ( L × ( X 2 - X 1 ) 2 + ( Y 2 - Y 1 ) 2 f ) ; 式中L为红外CCD(12)的像素尺寸，X2为返回的红外光斑(16-2)在红外CCD(12)上的横坐标位置，X1为出射的红外光斑(16-1)在红外CCD(12)上的横坐标位置，Y2为返回的红外光斑(16-2)在红外CCD(12)上的纵坐标位置，Y1为出射的红外光斑(16-1)在红外CCD(12)上的纵坐标位置，f为可见与红外光波光轴平行度检测仪光学系统的焦距。
2、根据权利要求1所述的一种可见与红外光波光轴平行度检测仪，其特征在于：所述的可变光阑(2)的直径为Φ≥2mm，用于限制进行系统的红外激光量。
3、根据权利要求1所述的一种可见与红外光波光轴平行度检测仪，其特征在于：所述的衰减片(3)是镀10％、25％、50％、75％衰减系数膜系的红外材料片，用以对红外激光器发出红外激光的能量进行衰减。
4、根据权利要求1所述的一种可见与红外光波光轴平行度检测仪，其特征在于：所述的反射镜(6)材料为K9玻璃，用于将红外激光折转90°。
5、根据权利要求1所述的一种可见与红外光波光轴平行度检测仪，其特征在于：所述的主镜(8)和次镜(10)均为K9材料，表面镀有银膜，是可见与红外复合系统的准直系统，且主镜(8)为中空结构。
6、根据权利要求1所述的一种可见与红外光波光轴平行度检测仪，其特征在于：所述的球面镜(7)为ZnSe材料，在其凹面上镀有50％的红外反射膜，用于将50％的入射红外激光反射，将50％的入射红外激光透射至后面的光路。
7、根据权利要求1所述的一种可见与红外光波光轴平行度检测仪，其特征在于：所述的红外分光镜(9)为ZnSe材料，用于透射红外光，反射可见光。
8、根据权利要求1所述的一种可见与红外光波光轴平行度检测仪，其特征在于：所述的标准平面镜(11)为K9材料，用于仪器自准定标。
9、根据权利要求1所述的一种可见与红外光波光轴平行度检测仪，其特征在于：所述的分光镜(13)为ZnSe材料，表面镀有R:T＝1:1的分光膜。
10、根据权利要求1所述的一种可见与红外光波光轴平行度检测仪，其特征在于：所述可见光部分的光学组件固定在可见光机械部分(18)上，红外光部分的光学组件固定在红外光部分的红外机械部分(17)；而且红外机械部分(17)和可见光机械部分(18)固定于五维调整机构(19)上，用于检测时对仪器进行调整。
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