CN102620688B - 多功能光轴平行性校正仪及其标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多功能光轴平行性校正仪以及标定该校正仪的方法，极大地降低了校正设备的制作安装成本，且可以灵活配置以适应不同的待校正多光轴系统的需求。该多功能光轴平行性校正仪包括分立的多个平行光管，所述多个平行光管与待校正多光轴系统的多个子系统一一对应；所述多个平行光管分别通过定位块固定安装于组合台上，定位块中设置有微调-锁紧装置。本发明避免了大口径非球面反射镜的加工风险和高额的费用，可以满足大光轴跨度的平行性校正的需求；可以采用针对性的光源和观测设备，因此在校正过程中不需要更换功能模块，操作简单有序，不需要反复调节。
Description
技术领域
本发明涉及光学校正装置及其标定方法，主要涉及对待校正多光轴光学系统的光轴平行性检测及校正。
背景技术
传统的光轴平行度检测方法是使用大口径离轴抛物面反射式平行光管。为了检测多个光轴的平行度，平行光管的有效口径必须覆盖被测的光学系统。在检测光学瞄准跟踪系统的光轴平行度时，焦面上发出的平行光要同时在发射系统、接收系统和瞄准系统中成像。
为了避免遮挡光路，需要采用抛物面结构，使焦点离开光轴。
同时需要采用反射式，使不同波长的光经过反射表面后，成像位置不变。
图1为传统的光轴平行度检测方法示意图，1-被测多光轴光学系统，2-光轴I、II、III…，3-焦面，4-光轴平行性检测系统(大口径离轴抛物面反射式平行光管)。
由于光学瞄准跟踪系统的特点，传统测试方法中采用的大口径离轴抛物面反射镜必须满足以下条件：
1.口径必须能够包含全部需要校正的光轴，在待校正的系统中如果各光轴之间的距离跨度比较大，则要求的抛物面反射镜的口径也比较大
2.对抛物面的面形要求比较高，要能够保证成像质量，特别是边缘光学表面的质量。
基于上述两个条件，抛物面反射镜的制作成本相当高、周期长、合格率低。
另外，由于光学瞄准跟踪系统中有不可见激光测距系统、可见光瞄准系统、红外成像系统等，在使用大口径离轴抛物面反射式平行光管校正各光轴之间的平行性时，对于不同的系统需要更换光源。由于光波长的不同，反射面的镀膜也必须适应需求。
综上所述，传统的采用大口径离轴抛物面反射式平行光管校正光轴平行性具有如下的缺点：
1.设备的加工制作复杂，周期长，成本相当高；
2.校正过程中需要更换光源等，容易引入人为操作误差。激光光轴的校正方法操作比较复杂，会影响测量校正的精度。
发明内容
针对光学瞄准跟踪系统光轴平行度检测校正的需求以及传统检测技术存在的问题，本发明提供了一种多功能光轴平行性校正仪以及标定该校正仪的方法，极大地降低了校正设备的制作安装成本，且可以灵活配置以适应不同的待校正多光轴系统的需求。
本发明提供的基本技术方案如下：
多功能光轴平行性校正仪，其特殊之处在于：包括分立的多个平行光管，所述多个平行光管与待校正多光轴系统的多个子系统一一对应；所述多个平行光管分别通过定位块固定安装于组合台上，定位块中设置有微调-锁紧装置；
每个平行光管均包括(1)准直物镜、(2)根据对应的子系统的光学性质而选定的十字丝分划板或分光镜、以及观测装置；
对应于每个平行光管还分别配置有光源、角锥棱镜和标定反射镜，作为多功能光轴平行性校正仪的一组标定附件；其中，光源也是根据对应的子系统的光学性质而选定；
当标定校正各平行光管的自身光轴时，角锥棱镜设置于准直物镜的前方，光源设置于十字丝分划板或分光镜的后方；
当标定各平行光管光轴之间平行度时，标定反射镜设置于准直物镜的前方，光源设置于十字丝分划板或分光镜的后方；
当多功能光轴平行性校正仪标定后进行校正工作时，对应的子系统位于准直物镜的前方，使得该子系统发出的光进入平行光管内依次经过准直物镜、十字丝分划板或分光镜后成像，能够由观测装置观测或探测该成像。
例如，当上述待校正多光轴系统中包含有电视跟踪系统、红外热成像系统、激光测距系统；则各平行光管的主要结构可以设置如下：
对应于电视跟踪系统的平行光管，包括在平行光管光轴上依次设置的准直物镜、十字丝分划板、毛玻璃和可见光光源、以及设置于十字丝分划板反射光路上的观测目镜；
对应于红外热成像系统的平行光管，包括在平行光管光轴上依次设置的准直物镜、十字丝分划板、毛玻璃和红外光源、以及设置于十字丝分划板反射光路上的观测装置；
对应于激光测距系统的平行光管，包括在平行光管光轴上依次设置的可变衰减片、准直物镜、分光镜和光源、以及设置于分光镜反射光路上的四象限探测器和用以根据四象限探测器的输出信号计算激光能量中心的偏差的处理电路。
关于上述的多功能光轴平行性校正仪的标定方法，包括以下步骤：
(1)分别校正各平行光管的自身光轴
在平行光管的准直物镜的前方设置角锥棱镜，十字丝分划板或分光镜位于准直物镜与设置的光源之间，光源发出的光经角锥棱镜反射回平行光管内，经十字丝分划板或分光镜后成像，观测或探测该成像；通过调整观测装置中目镜的位置，完成该平行光管的自身光轴的校正；
(2)针对待校正多光轴系统组装平行光管
将各平行光管通过定位块安装固定，并组合安装于组合台上，使得各平行光管位置与待校正多光轴系统的各子系统相对应，各平行光管光轴之间的距离及位置依据待校正多光轴系统的各光轴的距离及位置确定；
(3)标定各平行光管光轴之间平行度
所有的标定反射镜的反射面调整至共面或者平行，并分别与待校正多光轴系统的各子系统的位置一一对应，形成一个组合式标定反射镜组；各光源发射的光经相应的标定反射镜反射回平行光管内，经十字丝分划板或分光镜后成像，通过观测或探测该成像，调节微调-锁紧装置使各平行光管的光轴垂直于相应的标定反射镜的反射面，从而实现各平行光管光轴之间相互平行，完成多功能光轴平行性校正仪的标定。
考虑到空间限制等因素，上述所有的标定反射镜可以不在同一平面内而是平行设置，本发明给出一种简单的调整所有的标定反射镜的反射面平行的方法：标定反射镜采用带有两个平行面的微晶玻璃，两个平行面分别作为参考面和标定反射平面；采用自准直经纬仪将所有参考面调整至相互平行，即实现所有微晶玻璃的标定反射平面(所述标定反射镜的反射面)相互平行。
本发明具有以下优点：
1、避免了大口径非球面反射镜的加工风险和高额的费用，可以满足大光轴跨度(500mm)的平行性校正的需求。
2、可以采用针对性的光源和观测设备，因此在校正过程中不需要更换功能模块，操作简单有序，不需要反复调节。
3、可以灵活配置功能模块，具有很强的通用性，适应不同的待校正多光轴系统的要求。
4、精度(光轴平行度)可以达到±10″以上。
5、本发明中，校正用的可见光平行光管可用于分辨率、焦距等的测量。红外光平行光管可用于测试产品的红外性能参数：噪声等效温差(NETD)、最小可分辨温差(MRTD)、最小可探测温差(MDTD)。(具体依校正仪中所配备的平行光管及其它附件而定)。
附图说明
图1为传统的光轴平行度检测方法示意图；
图2为本发明多功能光轴平行度校正仪的工作示意图，其中，(a)为正视图，(b)为(a)的侧视图；
图3为平行光管自身光轴校准的示意图；
图4为可见光平行光管的结构及自身光轴校正原理示意图；
图5为红外热成像平行光管结构及自身光轴校正原理示意图；
图6为激光光轴接收管结构及自身光轴校正原理示意图；
图7为平行光管及定位块安装示意图；
图8为调节平行光管光轴垂直于标定反射平面的示意图；
图9为结合光电自准直仪检测原理的微晶玻璃反射平面标定示意图；其中(a)为理想情况，(b)为偏差角度的示意图；
图10为本发明多功能校正仪光轴平行性标定示意图。
具体实施方式
本发明技术方案主要有以下特点：
1.对待校正多光轴系统的多个子系统的光轴的测量采用各自独立对应的平行光管。
2.通过组合台将所需的平行光管按照待校正多光轴系统的多个子系统的光轴之间的跨距、位置，对应地组装在一起。
3.可以采用常用的精密标定附件校准测量平行光管的光轴平行度，使组合后的校正仪达到高精度平行性检测和校准的要求。
通过标定后的校正仪就可以用来检测和校正待校正多光轴系统的光轴平行度，实现了传统测试用的大口径离轴抛物面反射式平行光管的功能并避免了其缺点，同时多功能光轴平行性校正仪中的平行光管还可以用于其它光学参数的测量，具有通用性和灵活性的优点。
以下以待校正多光轴系统包含激光测距系统、电视跟踪系统(可见光)、红外热成像系统为例，即以光学瞄准跟踪系统中激光测距系统的发射光轴、电视跟踪系统的瞄准光轴和热成像系统的热成像光轴之间的平行度检测及校正为例，对本发明的技术方案的具体实现进行详细说明。
多功能光轴平行度校正仪中相应的平行光管为可见光平行光管、激光光轴接收管、热成像平行光管，如图2所示。
图2中，1-待校正多光轴系统，5-平行光管，6-组合台，7-升降机构，8-衰减片；若待校正多光轴系统还涉及其他子系统，本领域技术人员可以根据待校正多光轴系统的各子系统的要求选择相应的平行光管的种类规格等。
图3中，9-角锥棱镜，10-物镜，11-观测目镜，12-十字丝分划板，13-毛玻璃，14-红外光源。通过调整观测目镜的位置，使平行光管光源发射的光经角锥棱镜反射回后成的像和目镜中观测到的分划板上的十字丝相重合即校准了平行光管自身的光轴，其中自准直分划板为校正平行光管光轴平行性提供无穷远目标。
图4中，10-物镜，11-观测目镜，12-十字丝分划板，13-毛玻璃，15-可见光光源。可见光平行光管的自准直分划板为可见光瞄准系统校正光轴平行性提供无穷远目标。
图5中，10-物镜，12-十字丝分划板，13-毛玻璃，16-观测装置，17-红外光源。红外热成像平行光管用于为红外热成像系统提供无穷远目标，目标光源可使用标准黑体或者电炉丝等热源体。
图6中，18-可变衰减片，19-准直物镜，20-分光镜，21-光源，22-四象限探测器，23-处理电路。激光光轴接收管用于测量激光光轴。激光测距通常采用的是不可见的脉冲激光，激光光轴接收管通过分光镜将激光成像在四象限探测器上，转换为四路接收电信号，通过处理电路，可以检测出激光能量中心的偏差，可变衰减片用来调节激光的能量，使电信号不饱和，使四路信号可以进行大小比较。
图7中，24-定位面，25-光轴，5-平行光管(涉及激光测距系统、电视跟踪系统、红外热成像系统)；右边为其侧视图。各平行光管安装在方形定位块中，定位块中有微调和锁紧装置，用来调整平行光管光轴与定位块基面间的角位置并锁紧固定。
如图2所示，以组合台的形式将安装于定位块中的平行光管组合在一起。各平行光管光轴之间的距离及位置依据被校正系统各光轴的距离与位置确定，通过拼接块或其它方式固定与调节各平行光管的位置。也可以根据待校正多光轴系统的需要加工适配的固定装置。
图8为调节平行光管光轴垂直于反射平面示意图，10-物镜，11-观测目镜，12-十字丝分划板，13-毛玻璃，27-微晶玻璃，28-反射面，29-光源。通过各平行光管上的接收装置观测反射光形成的像，调节光管微调装置使各平行光管光轴都垂直于标定反射平面，使多功能光轴平行度校正仪中的测量用可见光平行光管，激光光轴接收平行光管，热成像平行光管之间的光轴相互平行。
光电自准直仪主焦点处光源O发出的光线经过物镜折射后形成一束平行光。当反射镜面垂直于系统光轴时，平行光经镜面反射后将沿原路线返回，在同一位置O处形成一个影像，见图9(a)。
当反射镜面被倾斜角度α时，反射光将偏转2α。进入物镜后会成像于O′处，见图9(b)。出射光轴与回射光轴夹角亦是2α，F为焦距。
OO′＝F tg 2α
由于被标定的平行光管光轴之间的距离大，且各光管的波长不同，要制作加工一个能覆盖所有被标定平行光管光轴并适应不同光波长的大反射平面比较困难。为了解决这个问题，采用对应于不同光管的标定反射平面的组合，即针对不同的平行光管系统采用不同的反射平面进行标定，这些反射平面组合起来，可视为一个大的标定反射平面。
可见光、红外、激光反射平面都采用微晶玻璃经精密加工而成，如图9所示，35-参考面，36-(可见光、红外或激光)标定反射面，27-微晶玻璃。在每块微晶玻璃27上加工两个高精度平面作为标定反射面36和参考面35，二者相互平行。标定反射面36按反射可见光、红外或激光的需要镀不同的膜，参考面只需反射可见光。
图10为标定示意图，30-标定反射平面，31、32、33-微晶玻璃，34-多功能校正仪。通过三块微晶玻璃来校正多功能校正仪的三个平行光管的光轴平行度。将三块微晶玻璃组合安装在组合框内，采用自准直仪校正各微晶玻璃的参考面，使各参考面相互平行，因为每个微晶玻璃的参考面和标定反射平面平行，因此可以使各个微晶玻璃的标定反射平面相互平行，校正精度高于10″。
综上，该多功能光轴平行性校正仪的标定方法，包括以下步骤：
(1)分别校正各平行光管的自身光轴
在平行光管的准直物镜的前方设置角锥棱镜，十字丝分划板或分光镜位于准直物镜与设置的光源之间，光源发出的光经角锥棱镜反射回平行光管内，经十字丝分划板或分光镜后成像，观测或探测该成像；通过调整观测装置中目镜的位置，完成该平行光管的自身光轴的校正；
(2)针对待校正多光轴系统组装平行光管
将各平行光管通过定位块安装固定，并组合安装于组合台上，使得各平行光管位置与待校正多光轴系统的各子系统相对应，各平行光管光轴之间的距离及位置依据待校正多光轴系统的各光轴的距离及位置确定；
(3)标定各平行光管光轴之间平行度
所有的标定反射镜的反射面调整至共面或者平行，并分别与待校正多光轴系统的各子系统的位置一一对应，形成一个组合式标定反射镜组；各光源发射的光经相应的标定反射镜反射回平行光管内，经十字丝分划板或分光镜后成像，通过观测或探测该成像，调节微调-锁紧装置使各平行光管的光轴垂直于相应的标定反射镜的反射面，从而实现各平行光管光轴之间相互平行，完成多功能光轴平行性校正仪的标定。
检测及校正工作时，使各平行光管对准待校正多光轴系统中相应的子系统的光轴，这样，通过标定后的校正仪就可以用来检测及校正待校正多光轴系统的光轴平行度。
Claims (4)
1.多功能光轴平行性校正仪，其特征在于：包括分立的多个平行光管，所述多个平行光管与待校正多光轴系统的多个子系统一一对应；所述多个平行光管分别通过定位块固定安装于组合台上，定位块中设置有微调-锁紧装置；
每个平行光管均包括(1)准直物镜、(2)根据对应的子系统的光学性质而选定的十字丝分划板或分光镜、以及观测装置；
对应于每个平行光管还分别配置有光源、角锥棱镜和标定反射镜，作为多功能光轴平行性校正仪的一组标定附件；其中，光源也是根据对应的子系统的光学性质而选定；
当标定校正各平行光管的自身光轴时，角锥棱镜设置于准直物镜的前方，光源设置于十字丝分划板或分光镜的后方；
当标定各平行光管光轴之间平行度时，标定反射镜设置于准直物镜的前方，光源设置于十字丝分划板或分光镜的后方；
当多功能光轴平行性校正仪标定后进行校正工作时，对应的子系统位于准直物镜的前方，使得该子系统发出的光进入平行光管内依次经过准直物镜、十字丝分划板或分光镜后成像，能够由观测装置观测或探测该成像。
2.根据权利要求1所述的多功能光轴平行性校正仪，其特征在于：
所述待校正多光轴系统中包含有电视跟踪系统、红外热成像系统、激光测距系统；则
对应于电视跟踪系统的平行光管，包括在平行光管光轴上依次设置的准直物镜、十字丝分划板、毛玻璃和可见光光源、以及设置于十字丝分划板反射光路上的观测目镜；
对应于红外热成像系统的平行光管，包括在平行光管光轴上依次设置的准直物镜、十字丝分划板、毛玻璃和红外光源、以及设置于十字丝分划板反射光路上的观测装置；
对应于激光测距系统的平行光管，包括在平行光管光轴上依次设置的可变衰减片、准直物镜、分光镜和光源、以及设置于分光镜反射光路上的四象限探测器和用以根据四象限探测器的输出信号计算激光能量中心的偏差的处理电路。
3.应用如权利要求1所述的多功能光轴平行性校正仪的标定方法，包括以下步骤：
(1)分别校正各平行光管的自身光轴
在平行光管的准直物镜的前方设置角锥棱镜，十字丝分划板或分光镜位于准直物镜与设置的光源之间，光源发出的光经角锥棱镜反射回平行光管内，经十字丝分划板或分光镜后成像，观测或探测该成像；通过调整观测装置中目镜的位置，完成该平行光管的自身光轴的校正；
(2)针对待校正多光轴系统组装平行光管
将各平行光管通过定位块安装固定，并组合安装于组合台上，使得各平行光管位置与待校正多光轴系统的各子系统相对应，各平行光管光轴之间的距离及位置依据待校正多光轴系统的各光轴的距离及位置确定；
(3)标定各平行光管光轴之间平行度
所有的标定反射镜的反射面调整至共面或者平行，并分别与待校正多光轴系统的各子系统的位置一一对应，形成一个组合式标定反射镜组；各光源发射的光经相应的标定反射镜反射回平行光管内，经十字丝分划板或分光镜后成像，通过观测或探测该成像，调节微调-锁紧装置使各平行光管的光轴垂直于相应的标定反射镜的反射面，从而实现各平行光管光轴之间相互平行，完成多功能光轴平行性校正仪的标定。
4.根据权利要求3所述的多功能光轴平行性校正仪的标定方法，其特征在于：所述标定反射镜采用带有两个平行面的微晶玻璃，两个平行面分别作为参考面和标定反射平面；采用自准直经纬仪将所有参考面调整至相互平行，即实现所有微晶玻璃的标定反射平面相互平行。
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