CN103018876A - 一种红外低温相机的视轴引出方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种红外低温相机的视轴引出方法，利用经纬仪分别将相机视轴和低温平行光管视轴引出到第一外基准立方棱镜和第二外基准立方棱镜，通过两立方镜坐标系的方向余弦矩阵关系，将红外低温相机的视轴引出到低温平行光管的视轴方向。本发明实现了红外低温相机的视轴引出，解决了红外低温相机因探测器不能在常温下正常工作而无法采用传统方法进行视轴引出的问题。

Description

一种红外低温相机的视轴引出方法

技术领域

本发明属于光学领域，涉及一种红外低温相机的视轴引出方法。

背景技术

红外低温相机镜头通常是在常温下进行系统装调和测试，镜头传函、焦距及视场均满足要求后再安装红外探测器。红外低温相机整机传函测试则需提供超高真空、低温辐射环境，即在低温真空实验罐内模拟深空以及地球临边背景下来完成。

对红外低温相机进行系统传函测试需要借助于低温平行光管来完成，将模拟靶标置于低温平行光管焦平处，使模拟靶标和背景的辐射经低温平行光管准直后进入红外低温相机，通过设置合适的黑体工作温度，来模拟中长波谱段和长波谱段实际接收的目标和背景的辐射能量。红外低温相机探测器及其结构都需要工作在60K环境下，微杜瓦封装结构的信号引线形式不再适用，探测器采用了气密无杜瓦封装结构，必须在真空环境下才能对其制冷，不能在实验室环境下用制冷机对探测器焦面直接制冷，因此红外低温相机探测器在常温下不能正常工作，不能在常温下直接通过观测探测器采集到的图像将红外低温相机视轴调整到低温平行光管视轴方向。

低温平行光管有效视场角较小(8′)，并且离轴抛物镜和相机均无调整机构，实验一旦进行就无法对离轴抛物镜以及相机单独进行调整，只能对靶标进行一定范围的调整。低温平行光管的有效视场之外像质较差，一旦测试时用的不是低温平行光管的有效视场，就会引入额外的系统像差。为了保证系统传函测试时使用的是低温平行光管的中心视场，必须将相机的视轴调整至与低温平行光管视轴一致，以确保实验数据的可靠性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种红外低温相机的视轴引出方法，解决红外低温相机因探测器不能在常温下正常工作而使视轴无法用传统方法引出的问题。

本发明的技术解决方案是：一种红外低温相机的视轴引出方法，包括下列步骤：

(1)在常温下用干涉仪测试红外低温相机各个视场的像质，确定出相机的中心视场，把中心视场的方向定义为红外低温相机的视轴方向；保持红外低温相机和干涉仪的位置不动，将第一外基准立方棱镜安装在相机上；用第一经纬仪自准干涉仪出射平行光的方向，第二经纬仪、第三经纬仪自准第一外基准立方棱镜，之后通过第二经纬仪、第三经纬仪和第一经纬仪之间的两两对瞄，得到红外低温相机视轴在第一外基准立方棱镜坐标系∑₁下的单位矢量 $\stackrel{\→}{s}=(x_1,y_1,z_1);$

(2)将离轴抛物镜放置到隔振气浮平台上，使干涉仪出射的平行光，经离轴抛物镜后成像于离轴抛物镜焦面处；利用自准直原理，在离轴抛物镜焦面位置放置标准球面镜，使从干涉仪出射的平行光线经过标准球面镜后能够原路返回至干涉仪；

(3)干涉仪测量离轴抛物镜像质，调整离轴抛物镜的俯仰和旋转，并相应调整标准球面镜的平移、俯仰和旋转，直至离轴抛物镜波像差最小；定义此时干涉仪出射平行光的方向为离轴抛物镜方向；

(4)用第四经纬仪自准干涉仪出射平行光的方向，将第二外基准立方棱镜安装在离轴抛物镜背后，用第五经纬仪、第六经纬仪自准第二外基准立方棱镜，之后通过第六经纬仪、第五经纬仪和第四经纬仪之间两两对瞄，得到离轴抛物镜视轴在第二外基准立方棱镜坐标系∑₂下的单位矢量

(5)以干涉仪为基准得到两立方镜坐标系的夹角余弦矩阵

其中上标T表示转置；

(6)将离轴抛物镜和红外低温相机固定安装到测试台上，用第七经纬仪、第八经纬仪自准第一外基准立方棱镜，第七经纬仪和第八经纬仪对瞄，得到第一外基准立方棱镜三个坐标轴在第七经纬仪坐标系∑₀下的单位向量

和

第九经纬仪和第十经纬仪自准第二外基准立方棱镜，第九经纬仪和第十经纬仪对瞄，第十经纬仪再与第七经纬仪对瞄，得到第二外基准立方棱镜三个坐标轴在第七经纬仪坐标系∑₀下的单位向量

和

以第七经纬仪为基准的两个立方镜坐标系的夹角余弦矩阵N；

(7)分别调整红外低温相机和离轴抛物镜的俯仰和旋转，直至矩阵N与矩阵M一致；定义离轴抛物镜的视轴方向为低温平行光管的视轴方向；此时红外低温相机视轴方向与低温平行光管视轴方向一致；

(8)用五棱镜法将模拟靶标放置在离轴抛物镜的焦面处。

所有所述的经纬仪的测量精度优于1″。

所述的测试台能够分别对离轴抛物镜和红外低温相机进行俯仰和旋转调节，且调节精度优于30″。

所述模拟靶标安装在具有三维平移功能的调整机构上，且该平移调整机构的精度优于0.01mm。

所述的第一外基准立方棱镜两个相邻面的夹角应为90°±5″，所述的第二外基准立方棱镜两个相邻面的夹角应为90°±5″。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本方法中红外低温相机、低温平行光管以及模拟靶标三者是空间分离的，利用经纬仪分别将相机视轴和低温平行光管视轴引出到第一外基准立方棱镜和第二外基准立方棱镜，并通过两立方镜坐标系的方向余弦矩阵关系，将红外低温相机的视轴引出到低温平行光管的视轴方向，解决了传统方法中红外低温相机因探测器在常温下无法正常工作而无法进行视轴引出的问题。

附图说明

图1为本发明将红外低温相机视轴引出到低温平行光管的原理图；

图2为本发明将低温相机视轴引出到第一外基准立方棱镜的示意图；

图3为本发明将低温平行光管引出到第二外基准立方棱镜的示意图；

图4为测量坐标系∑₀；

图5为视轴和外基准立方棱镜A关系的测量示意图；

图6为外基准立方棱镜B和外基准立方棱镜C关系的测量示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，首先对所需经纬仪知识进行下介绍。

a.建立经纬仪测量坐标系

以经纬仪的(0°，90°)，(270°，90°)方向分别为+Y和+Z轴建立右手正交坐标系，称为测量坐标系，记为∑₀。坐标系∑₀的X轴正方向竖直向上，此时Y轴正方向为经纬仪的零位。假设经纬仪自准空间某方向P，对应的水平角和竖直角读数分别为H和V，如图4所示，P点的空间向量分量在测量坐标系∑₀中表示为：

x＝cosV

y＝sinVcosH

z＝-sinVsinH    (1)

b.视轴与立方镜坐标系的关系

如图5所示，图中横线为自准操作，点划线为对瞄操作；为了确定相机或平行光管的视轴方向，需要将其过渡到外基准立方棱镜A。如果要测量视轴与外基准立方棱镜A的关系，需用三台经纬仪。定义经纬仪A为基准经纬仪，经纬仪A和经纬仪B分别自准外基准立方棱镜A的两镜面法线，经纬仪C自准相机视轴方向，然后再通过经纬仪A、经纬仪B、经纬仪C之间的两两对瞄，来确定经纬仪B、经纬仪C相对与经纬仪A的角度转换关系。

经纬仪A、经纬仪B自准外基准立方棱镜A的读数分别为(0°，V₁)、(H₂，V₂)，经纬仪C自准相机视轴的读数为(H₃，V₃)。由于经纬仪A、经纬仪C及经纬仪B、经纬仪C分别进行了一次对瞄，利用(1)式将经纬仪B、经纬仪C的读数转换到基准经纬仪A中的读数，假设为(H₂′，V₂′)、(H₃′，V₃′)。

以基准经纬仪A的(0°，90°)，(270°，90°)方向分别为+Y和+Z轴建立右手正交测量坐标系∑₀。由(1)式求得外基准立方棱镜A两个镜面法线的方向矢量在∑₀下的单位矢量，分别定义为外基准立方棱镜A坐标系∑₁的+y轴和+z轴，用

和

表示，则外基准立方棱镜A坐标系∑₁的+x轴可根据右手法则叉乘求得。外基准立方棱镜A坐标系∑₁三个坐标轴的方向矢量在测量坐标系∑₀下分别表示为：

$\stackrel{\→}{x}=({\sin v}_1\sin v_2^{\′}{\sin H}_2^{\′},-\cos v_1\sin v_2^{\′}\cos H_2^{\′},{\cos v}_2^{\′}\sin v_1-{\cos v}_1{\sin v}_2^{\′}\cos H_2^{\′})$

$\stackrel{\→}{y}=({\cos v}_2^{\′},{\sin v}_2^{\′}\cos H_2^{\′},-\sin v_2^{\′}\sin H_2^{\′})---\left(2\right)$

$\stackrel{\→}{z}=({\cos v}_1,{\sin v}_1,0)$

同样根据(1)式求得相机视轴在测量坐标系∑₀下方向矢量的单位矢量

$\stackrel{\→}{s_1}=({\cos v}_3^{\′},{\sin v}_3^{\′}\cos H_3^{\′},-{\sin v}_3^{\′}\sin H_3^{\′})---\left(3\right)$

由于外基准立方棱镜A坐标系∑₁的三个坐标轴和视轴单位矢量

都是在测量坐标系∑₀下求得的，因此

分别与∑₁的三个坐标轴点乘既可求得相机视轴在外基准立方棱镜A坐标系下的方向矢量，用

表示：

$\stackrel{\→}{s_2}=(\stackrel{\→}{s_1}*\stackrel{\→}{x},\stackrel{\→}{s_1}*\stackrel{\→}{y},\stackrel{\→}{s_1}*\stackrel{\→}{z})---\left(4\right)$

将归一化，得到相机视轴在外基准立方棱镜A坐标系∑₁下的单位矢量

$\stackrel{\→}{s}=(x_1,y_1,z_1)$

$\left(5\right)$

$x_1^2+y_1^2+z_1^2=1$

用上述同样的方法可以求得离轴抛物镜视轴在离轴抛物镜外基准立方棱镜坐标系∑₂下的单位矢量

$\stackrel{\→}{s^{\′}}=(x_2,y_2,z_2)---\left(6\right)$

通过上述过程分别将红外低温相机视轴和离轴抛物镜视轴引出到各自准外基准立方棱镜，若将相机视轴和离轴抛物镜视轴调至一致，则两外基准立方棱镜坐标系之间的夹角余弦必须满足矩阵M：

$M={\left(\stackrel{\→}{s}\right)}^T*\stackrel{\→}{s^{\′}}=\left[\begin{array}{ccc}{x}_1{x}_2& x_1{y}_2& x_1{z}_2\\ y_1{x}_2& y_1{y}_2& y_1{z}_2\\ z_1{x}_2& z_1{y}_2& z_1{z}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}\end{array}\right].---\left(7\right)$

c.坐标系变换

如图6所示，图中横线为自准操作，点划线为对瞄操作；如果要测量外基准立方棱镜B、外基准立方棱镜C之间的夹角矩阵，那么需用四台经纬仪分别自准每个立方镜的相互垂直的两个镜面。经纬仪D为基准经纬仪，经纬仪D、经纬仪E分别自准外基准立方棱镜B的两镜面，经纬仪F、经纬仪G自准外基准立方棱镜C的两镜面，再通过这四台经纬仪之间的对瞄，来确定经纬仪E、经纬仪F和经纬仪G相对于基准经纬仪D的角度转换关系。

经纬仪D、经纬仪E、经纬仪F和经纬仪G自准立方镜的读数分别为(0°，v₁)、(h₂，v₂)、(h₃，v₃)和(h₄，v₄)，将经纬仪E、经纬仪F和经纬仪G的读数转化到基准经纬仪D下，分别为(h₂′，v₂′)、(h₃′，v₃′)和(h₄′，v₄′)。根据(2)式求得外基准立方棱镜B坐标系∑₁的三个坐标轴及外基准立方棱镜C坐标系∑₂的三个坐标轴在基准经纬仪下的单位矢量：

$\stackrel{\→}{X_1}=({\sin v}_{1}h{\sin v}_2^{\′}{\sinh }_2^{\′},-{\cos v}_1{\sin }_2^{\′}\cos h_2^{\′},\cos v_2^{\′}\sin v_1-{\cos v}_1{\sin v}_2^{\′}\cos h_2^{\′})$

${\stackrel{\→}{Y}}_1=({\cos v}_2^{\′},{\sin v}_2^{\′}{\cosh }_2^{\′},-s{\mathrm{inv}}_2^{\′}{\sinh }_2^{\′})---\left(8\right)$

$\stackrel{\→}{Z_1}=({\cos v}_1,{\sin v}_1,0)$

$\stackrel{\→}{X_2}=({\sin v}_4^{\′}{\sinh }_4^{\′}{\sin v}_3^{\′}{\cosh }_3^{\′}-{\sin v}_4^{\′}{\cosh }_4^{\′}{\sin v}_3^{\′}{\sinh }_3^{\′},$

${\cos v}_4^{\′}{\sin v}_3^{\′}{\sinh }_3^{\′}-{\sin v}_4^{\′}{\sinh }_4^{\′}{\cos v}_3^{\′},$

${\cos v}_4^{\′}{\sin v}_3^{\′}{\cosh }_3^{\′}-{\cos v}_3^{\′}{\sin v}_4^{\′}{\cosh }_4^{\′})---\left(9\right)$

$\stackrel{\→}{Y_2}=({\cos v}_4^{\′},{\sin v}_4^{\′}{\cosh }_4^{\′},{-\sin v}_4^{\′}{\sinh }_4^{\′})$

$\stackrel{\→}{Z_2}=({\cos v}_3^{\′},{\sin v}_3^{\′}\cos h_3^{\′},-\sin v_3^{\′}\sin h_3^{\′})$

由(8)、(9)两式求得两坐标系∑₁和∑₂坐标轴夹角余弦的3*3矩阵N：

$N=\left[\begin{array}{ccc}\stackrel{\→}{X_1}*\stackrel{\→}{X_2}& \stackrel{\→}{X_1}*\stackrel{\→}{Y_2}& \stackrel{\→}{X_1}*\stackrel{\→}{Z_2}\\ {\stackrel{\→}{Y}}_1*\stackrel{\→}{X_2}& {\stackrel{\→}{Y}}_1*\stackrel{\→}{Y_2}& {\stackrel{\→}{Y}}_1*\stackrel{\→}{Z_2}\\ \stackrel{\→}{Z_1}*\stackrel{\→}{X_2}& \stackrel{\→}{Z_1}*\stackrel{\→}{Y_2}& \stackrel{\→}{Z_1}*\stackrel{\→}{Z_2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{n}_{11}& n_{12}& n_{13}\\ n_{21}& n_{22}& n_{23}\\ n_{31}& n_{32}& n_{33}\end{array}\right]---\left(10\right)$

具体步骤如下：

(1)在常温下用干涉仪17测试红外低温相机14各个视场的像质，波像差最小后确定相机的中心视场，把中心视场的方向定义为红外低温相机14的视轴方向；保持红外低温相机14和干涉仪17的位置不动，将第一外基准立方棱镜7安装在相机上；用第一经纬仪13自准干涉仪17出射平行光的方向，第二经纬仪15、第三经纬仪16自准第一外基准立方棱镜7，之后通过第二经纬仪15、第三经纬仪16和第一经纬仪13之间的两两对瞄，得到红外低温相机14视轴在第一外基准立方棱镜7坐标系∑₁下的单位矢量所述的第一外基准立方棱镜7两个相邻面的夹角应为90°±5″；

(2)将离轴抛物镜3放置到隔振气浮平台12上，使干涉仪17出射的平行光，经离轴抛物镜3后成像于低温平行光管焦面处；利用自准直原理，在低温平行光管焦面位置放置标准球面镜22，使从干涉仪17出射的平行光线经过标准球面镜22后能够原路返回至干涉仪17；所述的低温平行光管包括离轴抛物镜3和模拟靶标9；

(3)干涉仪17测量离轴抛物镜3像质，调整离轴抛物镜3的俯仰和旋转，并相应调整标准球面镜22的俯仰和旋转，直至系统波像差最小；定义此时干涉仪17出射平行光的方向为低温平行光管的视轴方向；

(4)用第四经纬仪19自准干涉仪17出射平行光的方向，将第二外基准立方棱镜2安装在离轴抛物镜3背后，用第五经纬仪20、第六经纬仪21自准第二外基准立方棱镜2，之后通过第六经纬仪21、第五经纬仪20和第四经纬仪19之间两两对瞄，得到低温平行光管视轴在第二外基准立方棱镜2坐标系∑₂下的单位矢量

所述的第二外基准立方棱镜2两个相邻面的夹角应为90°±5″；

(5)以干涉仪17为基准得到两立方镜坐标系的夹角余弦矩阵 $M={\left(\stackrel{\→}{s}\right)}^T*\stackrel{\→}{s^{\′}}=\left[\begin{array}{ccc}{x}_1{x}_2& x_1{y}_2& x_1{z}_2\\ y_1{x}_2& y_1{y}_2& y_1{z}_2\\ z_1{x}_2& z_1{y}_2& z_1{z}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{m}_{11}& m_{12}& m_{13}\\ m_{21}& m_{22}& m_{23}\\ m_{31}& m_{32}& m_{33}\end{array}\right],$ 其中上标T表示转置；

(6)将离轴抛物镜3和红外低温相机14固定安装到测试台11上，用第七经纬仪6、第八经纬仪10自准第一外基准立方棱镜7，第七经纬仪6和第八经纬仪10对瞄，得到第一外基准立方棱镜7三个坐标轴在第七经纬仪6坐标系∑₀下的单位向量

和

第九经纬仪1和第十经纬仪4自准第二外基准立方棱镜2，第九经纬仪1和第十经纬仪4对瞄，第十经纬仪4再与第七经纬仪6对瞄，得到第二外基准立方棱镜2三个坐标轴在第七经纬仪6坐标系∑₀下的单位向量

和

以第七经纬仪6为基准的两个立方镜的夹角余弦矩阵N可以表示为：

$N=\left[\begin{array}{ccc}\stackrel{\→}{X_1}*\stackrel{\→}{X_2}& \stackrel{\→}{X_1}*\stackrel{\→}{Y_2}& \stackrel{\→}{X_1}*\stackrel{\→}{Z_2}\\ {\stackrel{\→}{Y}}_1*\stackrel{\→}{X_2}& {\stackrel{\→}{Y}}_1*\stackrel{\→}{Y_2}& {\stackrel{\→}{Y}}_1*\stackrel{\→}{Z_2}\\ \stackrel{\→}{Z_1}*\stackrel{\→}{X_2}& \stackrel{\→}{Z_1}*\stackrel{\→}{Y_2}& \stackrel{\→}{Z_1}*\stackrel{\→}{Z_2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{n}_{11}& n_{12}& n_{13}\\ n_{21}& n_{22}& n_{23}\\ n_{31}& n_{32}& n_{33}\end{array}\right]$

(7)分别调整红外低温相机14和离轴抛物镜3的俯仰和旋转，直至矩阵N与矩阵M一致，此时红外低温相机14视轴方向与低温平行光管视轴方向一致；

(8)用离轴抛物镜3对红外低温相机14进行测试前，模拟靶标9，应处于低温平行光管的焦面处，用以模拟无穷远的目标，为此须用五棱镜法标定模拟靶标的无穷远位置；

至此完成实验前离轴抛物镜3和红外低温相机14的调整工作。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种红外低温相机的视轴引出方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)在常温下用干涉仪(17)测试红外低温相机(14)各个视场的像质，确定出相机的中心视场，把中心视场的方向定义为红外低温相机(14)的视轴方向；保持红外低温相机(14)和干涉仪(17)的位置不动，将第一外基准立方棱镜(7)安装在相机上；用第一经纬仪(13)自准干涉仪(17)出射平行光的方向，第二经纬仪(15)、第三经纬仪(16)自准第一外基准立方棱镜(7)，之后通过第二经纬仪(15)、第三经纬仪(16)和第一经纬仪(13)之间的两两对瞄，得到红外低温相机(14)视轴在第一外基准立方棱镜(7)坐标系∑₁下的单位矢量 $\stackrel{\→}{s}=(x_1,y_1,z_1);$

(2)将离轴抛物镜(3)放置到隔振气浮平台(12)上，使干涉仪(17)出射的平行光，经离轴抛物镜(3)后成像于离轴抛物镜(3)焦面处；利用自准直原理，在离轴抛物镜(3)焦面位置放置标准球面镜(22)，使从干涉仪(17)出射的平行光线经过标准球面镜(22)后能够原路返回至于涉仪(17)；

(3)干涉仪(17)测量离轴抛物镜(3)像质，调整离轴抛物镜(3)的俯仰和旋转，并相应调整标准球面镜(22)的平移、俯仰和旋转，直至离轴抛物镜(3)波像差最小；定义此时干涉仪(17)出射平行光的方向为离轴抛物镜(3)方向；

(4)用第四经纬仪(19)自准干涉仪(17)出射平行光的方向，将第二外基准立方棱镜(2)安装在离轴抛物镜(3)背后，用第五经纬仪(20)、第六经纬仪(21)自准第二外基准立方棱镜(2)，之后通过第六经纬仪(21)、第五经纬仪(20)和第四经纬仪(19)之间两两对瞄，得到离轴抛物镜(3)视轴在第二外基准立方棱镜(2)坐标系∑₂下的单位矢量

(5)以干涉仪(17)为基准得到两立方镜坐标系的夹角余弦矩阵

其中上标T表示转置；

(6)将离轴抛物镜(3)和红外低温相机(14)固定安装到测试台(11)上，用第七经纬仪(6)、第八经纬仪(10)自准第一外基准立方棱镜(7)，第七经纬仪(6)和第八经纬仪(10)对瞄，得到第一外基准立方棱镜(7)三个坐标轴在第七经纬仪(6)坐标系∑₀下的单位向量

和

第九经纬仪(1)和第十经纬仪(4)自准第二外基准立方棱镜(2)，第九经纬仪(1)和第十经纬仪(4)对瞄，第十经纬仪(4)再与第七经纬仪(6)对瞄，得到第二外基准立方棱镜(2)三个坐标轴在第七经纬仪(6)坐标系∑₀下的单位向量

和

以第七经纬仪(6)为基准的两个立方镜坐标系的夹角余弦矩阵N；

(7)分别调整红外低温相机(14)和离轴抛物镜(3)的俯仰和旋转，直至矩阵N与矩阵M一致；定义离轴抛物镜(3)的视轴方向为低温平行光管的视轴方向；此时红外低温相机(14)视轴方向与低温平行光管视轴方向一致；

(8)用五棱镜法将模拟靶标(9)放置在离轴抛物镜(3)的焦面处。

2.根据权利要求1所述的一种红外镜头的装调方法，其特征在于：所有所述的经纬仪的测量精度优于1″。

3.根据权利要求1所述的一种红外镜头的装调方法，其特征在于：所述的测试台(11)能够分别对离轴抛物镜(3)和红外低温相机(14)进行俯仰和旋转调节，且调节精度优于30″。

4.根据权利要求1所述的一种红外镜头的装调方法，其特征在于：所述模拟靶标(9)安装在具有三维平移功能的调整机构上，且该平移调整机构的精度优于0.01mm。

5.根据权利要求1所述的一种红外镜头的装调方法，其特征在于：所述的第一外基准立方棱镜(7)两个相邻面的夹角应为90°±5″，所述的第二外基准立方棱镜(2)两个相邻面的夹角应为90°±5″。

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