CN103424243B - 畸变测试用目标系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学系统畸变测试用目标系统，属于光学计量与光电检测领域。该系统包括光源、滤光片、聚光镜、起偏器、第一检偏器组件、第二检偏器组件，畸变测试靶、分光棱镜、CCD、壳体、轴承、准直物镜和聚焦透镜。通过起偏器、第一检偏器组件和第二检偏器组件组合使用，能够产生中心亮，四周暗的高信噪比光，用来照明畸变测试靶上的星孔，并且可根据被测光学系统焦距的不同，在畸变测试靶上选择与之匹配的星孔。因此，本发明为高精度畸变测量提供了一种星孔大小可调、信噪比高的目标系统，同时还具有波长范围可选、性能可靠、覆盖范围广的特点。

Description

畸变测试用目标系统

技术领域

本发明属于光学计量与光电检测领域，主要涉及一种光学系统畸变测量装置，尤其涉及一种光学系统畸变测试的目标系统。

背景技术

大视场、短焦距光学系统是靶场光电测量设备、武器光电搜索跟踪系统和航天探测遥感器光学系统的重要组成部分。对于大视场、短焦距光学系统，影响其成像质量的一个重要的技术参数就是光学系统的畸变，畸变直接影响大视场、短焦距光学系统对目标的几何定位，并且畸变随着视场的增大而陡升。为了能够准确地获得目标的几何位置和几何尺寸，对大视场短焦距光学系统要进行高精度的畸变测量，并提供修正数据，目前广泛采用的畸变测量方法是精密测长法。在精密测长法测量光学系统畸变的装置中,需要畸变测试用目标系统产生目标口径可变、信噪比高的测试目标。中国专利ZL02262064.8公布了一种超宽视场光学系统畸变测量装置，该装置由目标信号装置，导轨和畸变测量采集机构构成。其目标信号装置由光源、滤光片、聚光镜、星点板和准直物镜组成，光源发出的光经过滤光片滤波,由聚光镜会聚照射到星点板上，被照明的星点板由准直物镜成像到无穷远，其不足之处在于：（1）由于目标信号装置中光源光强固定，照射到星点板后，星点板照度固定，不可调，当被测光学系统口径小、透射比较低时，星点目标照度较低，导致图像信噪比下降，星点目标质心判断误差较大，进而影响畸变测量精度；（2）星点板星点目标直径固定，只能针对一定焦距范围的被测镜头，适用范围受限制；（3）无法准确地将目标系统光轴和被测光学系统光轴调整到一致的状态，影响使用精密测长法测量大视场、短焦距光学系统畸变中实际像高和理论焦距的计算，进而影响畸变测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种星孔大小可调、信噪比高且可实现光轴精确对准的目标系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的畸变测试用目标系统包括光源、壳体、轴承、准直物镜、滤光片和聚光镜、起偏器、第一检偏器组件、第二检偏器组件、畸变测试靶和分光棱镜；所述壳体为一端带底一端敞口的圆筒，在壳体的筒壁上沿轴向依次开有第一周向圆弧槽、第二周向圆弧槽和第三周向圆弧槽；所述滤光片插入第一周向圆弧槽中，滤光片的手柄位于壳体外；所述第一检偏器组件包括第一检偏器、第一镜筒、第二镜筒和手柄；所述第一检偏器固定安装在第一镜筒内，第一镜筒一端设有外突沿，第二镜筒套在第一镜筒外，其一端定位在第一镜筒外突沿处，第一镜筒外径与第二镜筒内径为间隙配合，第一镜筒的轴向长度大于第二镜筒的轴向长度，在第一镜筒另一端安装手柄，手柄与第二镜筒另一端面紧贴；所述第二检偏器组件与所述第一检偏器组件结构相同，不同的是第二检偏器中心开有圆形小孔；第一检偏器组件和第二检偏器组件放置在壳体内，两者的第二镜筒均与壳体固连，两者的手柄都由第二周向圆弧槽伸出；所述畸变测试靶包含转盘、n个星孔和两个十字叉丝,3≤n≤10，转盘的中心带有转轴，盘面上带有n+2个通孔，这n+2个通孔均布在与转轴同心的一个圆周上，n个星孔和两个十字叉丝一一对应镶嵌在通孔中,转盘的转轴通过轴承支撑在壳体上，且转盘的一段弧边由壳体的第三圆弧槽露出；所述分光棱镜选用立方棱镜并安装在壳体内；所述光源发出的光经滤光片滤光后由聚光镜会聚，会聚光经起偏器变成线偏振光，线偏振光经第一检偏器组件整体衰减后到达第二检偏器组件，整体衰减的线偏振光经第二检偏器组件后变成中心亮、四周暗的线偏振光，该线偏振光照明畸变测试靶上位于光路中的星孔或十字叉丝，来自星孔或十字叉丝的光经分光棱镜透射后由准直物镜准直为平行光。

所述畸变测试用目标系统还包括CCD和聚焦透镜；在所述壳体正对分光棱镜的位置处开有一个径向圆孔，CCD固连在壳体外部且正对所述径向圆孔；当目标系统用于畸变测试系统时且在对被测光学系统进行畸变测试前，聚焦透镜以螺纹连接方式与壳体的敞口端固连，由准直物镜出射的平行光经聚焦透镜会聚照射到被测光学系统上，当由被测光学系统第一个镜头的两个表面反射的反射光分别依次经过聚焦透镜、准直物镜透射后，再由分光棱镜反射并会聚到CCD的中心后，拆下聚焦透镜以进行畸变测试。

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

（一）在本发明的畸变测试用目标系统中，起偏器和第一检偏器组件组合能够使通过第一检偏器组件的光能量等比例改变，从而保证了畸变测量装置采集到的星孔图像处于线性工作区内；通过调整第二检偏器，保持畸变测量装置采集到的星孔图像中星孔的光照度不变而背景光照度衰减，从而提高了星孔图像信噪比，进而提高星孔质心位置的判断精度，最终提高畸变测量精度；

（二）在本发明中，畸变测试靶含有多个直径不同的星孔，能够与不同焦距的光学系统畸变测试相匹配，覆盖范围广；

（三）在本发明中，由聚焦透镜和CCD联合使用，可精确调整被测光学系统光轴与畸变测试用目标系统光轴一致，有利于提高光学系统畸变的测量精度。

附图说明

图1是本发明畸变测试用目标系统的组成示意图。

图2是本发明的第一检偏器组件的组成示意图。

图3是目标系统对准被测光学系统一个表面的光路示意图。

图4是目标系统对准被测光学系统另一个表面的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

参见图1，本发明优选实施例的目标系统包括光源1、两个滤光片2、聚光镜3、起偏器4、第一检偏器组件5、第二检偏器组件6、畸变测试靶7、分光棱镜8、CCD9、壳体10、准直物镜11、聚焦透镜12和轴承13。光源1为照明光源并选用150W卤钨灯，其光谱范围为400nm～1000nm。滤光片2有两个，第一滤光片为窄带滤光片，中心波长为546nm，半带宽10nm；第二滤光片为带通滤光片，光谱范围为400nm～780nm，带宽为380nm。滤光片2为插拔件，通过更换,可以对测试光谱进行选择。聚光镜3由两个平凸透镜构成，两个平凸透镜凸面相对安装，其材料为K9玻璃，放大倍率为1倍。参见图2，第一检偏器组件5包括第一检偏器5－1、第一镜筒5－2、第二镜筒5－3和手柄5－4。第一检偏器5－1固定安装在第一镜筒5－2内，第一镜筒5－2一端设有外突沿，第二镜筒5－3套在第一镜筒5－2外，其一端定位在第一镜筒5－2外的突沿处，第一镜筒5－2外径与第二镜筒5－3内径为间隙配合，第一镜筒5－2的轴向长度大于第二镜筒5－3的轴向长度，在第一镜筒5－2另一端固定安装手柄5－4，手柄5－4与第二镜筒5－3另一端面紧贴。第二检偏器组件6与第一检偏器组件5结构相同，不同的是第二检偏器中心开有圆形小孔，其直径为Φ2mm。畸变测试靶7包含转盘、六个星孔和两个十字叉丝；转盘的中心带有转轴，盘面上带有八个Φ10mm通孔，这八个通孔均布在与转轴同心的一个圆周上。六个星孔和两个十字叉丝一一对应镶嵌在通孔中。两个十字叉丝宽度分别为Ф0.02mm、Ф0.05mm，叉丝长度为3mm，用于目标系统光轴和被测光学系统光轴的准直调整。六个星孔的直径分别为Ф0.01mm、Ф0.03mm、Ф0.1mm、Ф0.3mm、Ф1mm和Ф2mm，测试时,选择与被测光学镜头焦距相匹配的星孔。分光棱镜8选用立方棱镜，分光面上镀半透半反分光膜，光的入射面和两个光线出射面均镀有反射率小于0.25％的增透膜，整个分光棱镜的反射／透射＝50／50，光学材料为K9玻璃。CCD9选用日本JAI公司的CV－M2CL型号，像元尺寸为7.4μm，像元个数为1024×1024，灰度分辨率为12位。准直物镜11由K9玻璃制成，口径Φ50mm，焦距f350mm，面型精度PV值小于0.1λ，RMS值小于0.025λ，λ＝632.8nm。聚焦透镜12的F数为7.2。

再参见图1，壳体10为一端带底一端敞口的圆筒，在壳体10的筒壁上沿轴向依次开有第一周向圆弧槽、第二周向圆弧槽、第三周向圆弧槽和一个径向圆孔，第一周向圆弧槽临近筒底；第一周向圆弧槽的弧长与滤光片2的直径相当，第二周向圆弧槽的弧边占壳体10圆周的1／4，第三周向圆弧槽的弧边与畸变测试靶7的直径相当。光源1、滤光片2、聚光镜3、起偏器4、第一检偏器组件5、第二检偏器组件6、畸变测试靶7、分光棱镜8、准直物镜11和聚焦透镜12依次安装在壳体10内。其中：光源1位于壳体10的筒底处且通过灯座与壳体10固连。滤光片2插入第一周向圆弧槽中，滤光片2的手柄位于壳体10外。聚光镜3和起偏器4通过各自的镜框与壳体10固连。第一检偏器组件5和第二检偏器组件6均通过各自的第二镜筒与壳体10固连，且两者的手柄都由第二周向圆弧槽伸出；通过手指转动第一检偏器组件5的手柄，衰减通过第一检偏器组件5的光能量；同样转动第二检偏器组件6的手柄，通过第二检偏器组件6中心小孔的光能量不衰减，其余部分光能量再次衰减。畸变测试靶7的转轴通过轴承13支撑在壳体10上，转盘的一段弧边由壳体10的第三周向圆弧槽中露出，通过手动转动转盘能够使测试所需的星孔或者十字叉丝切换到光路中。分光棱镜8位于径向圆孔处，通过支架与壳体10固连。CCD9固连在壳体10外部，且位于径向圆孔处。准直物镜11和聚光透镜12通过螺纹结构与壳体10连接。光源1发出的光经滤光片2滤波后由聚光镜3会聚，会聚光经起偏器4变成线偏振光，线偏振光经第一检偏器组件5整体衰减后到达第二检偏器组件6，整体衰减的线偏振光经第二检偏器组件6后变成中心亮、四周暗的线偏振光，该线偏振光照明畸变测试靶7上位于光路中的星孔或十字叉丝，来自星孔或十字叉丝的光经分光棱镜8透射后由准直物镜11准直为平行光。该平行光就是光学系统畸变测试所需的测试光。

如图3、4所示，在对被测光学系统开始畸变测试前，需要调整被测光学系统与目标系统的光路准直，此时安装聚焦透镜12。由准直物镜11出射的平行光经聚焦透镜12再次变为会聚光，该会聚光照射到被测光学系统14上，由被测光学系统14第一个镜头的一个表面反射的反射光，依次经过聚焦透镜12、准直物镜11后，再由分光棱镜8反射会聚到CCD9上，调整被测光学系统14的俯仰和方位，使该表面的星孔或十字叉丝反射像对准CCD9的中心。轴向移动被测光学系统14，按上述方法调整被测光学系统14第一个镜头的另一个表面反射的星孔或十字叉丝反射像，使之对准CCD9的中心，反复调整被测光学系统14的俯仰和方位，当第一个镜头的两个表面反射的星孔或十字叉丝反射像都对准CCD9的中心时，目标系统和被测光学系统14的光轴准直。

Claims (4)

1.一种畸变测试用目标系统，包括光源(1)、壳体(10)、轴承(13)、准直物镜(11)、滤光片(2)和聚光镜(3)，其特征在于：还包括起偏器(4)、第一检偏器组件(5)、第二检偏器组件(6)、畸变测试靶(7)和分光棱镜(8)；所述壳体(10)为一端带底一端敞口的圆筒，在壳体(10)的筒壁上沿轴向依次开有第一周向圆弧槽、第二周向圆弧槽和第三周向圆弧槽；所述滤光片(2)插入第一周向圆弧槽中，滤光片(2)的手柄位于壳体(10)外；所述第一检偏器组件(5)包括第一检偏器(5－1)、第一镜筒(5－2)、第二镜筒(5－3)和手柄(5－4)；所述第一检偏器(5－1)固定安装在第一镜筒(5－2)内，第一镜筒(5－2)一端设有外突沿，第二镜筒(5－3)套在第一镜筒(5－2)外，其一端定位在第一镜筒(5－2)外突沿处，第一镜筒(5－2)外径与第二镜筒(5－3)内径为间隙配合，第一镜筒(5－2)的轴向长度大于第二镜筒(5－3)的轴向长度，在第一镜筒(5－2)另一端安装手柄(5－4)，手柄(5－4)与第二镜筒(5－3)另一端面紧贴；所述第二检偏器组件(6)与所述第一检偏器组件(5)结构相同，不同的是第二检偏器中心开有圆形小孔；第一检偏器组件(5)和第二检偏器组件(6)放置在壳体(10)内，两者的第二镜筒均与壳体(10)固连，两者的手柄都由第二周向圆弧槽伸出；所述畸变测试靶(7)包含转盘、n个星孔和两个十字叉丝,3≤n≤10，转盘的中心带有转轴，盘面上带有n+2个通孔，这n+2个通孔均布在与转轴同心的一个圆周上，n个星孔和两个十字叉丝一一对应镶嵌在通孔中，转盘的转轴通过轴承(13)支撑在壳体(10)上，且转盘的一段弧边由壳体(10)的第三周向圆弧槽露出；所述分光棱镜(8)选用立方棱镜并安装在壳体(10)内；所述光源(1)发出的光经滤光片(2)滤光后由聚光镜(3)会聚，会聚光经起偏器(4)变成线偏振光，线偏振光经第一检偏器组件(5)整体衰减后到达第二检偏器组件(6)，整体衰减的线偏振光经第二检偏器组件(6)后变成中心亮、四周暗的线偏振光，该线偏振光照亮畸变测试靶(7)上位于光路中的星孔或十字叉丝，来自星孔或十字叉丝的光经分光棱镜(8)透射后由准直物镜(11)准直为平行光。

2.根据权利要求1所述的畸变测试用目标系统，其特征在于：所述滤光片(2)为两个，第一滤光片中心波长为546nm，半带宽10nm，第二滤光片为带通滤光片，其光谱范围为400nm～780nm，带宽为380nm。

3.根据权利要求1所述的畸变测试用目标系统，其特征在于：所述畸变测试靶(7)上的星孔直径在10μm～2000μm范围内。

4.根据权利要求1所述的畸变测试用目标系统，其特征在于：还包括CCD(9)和聚焦透镜(12)；在所述壳体(10)正对分光棱镜(8)的位置处开有一个径向圆孔，CCD(9)固连在壳体(10)外部且正对所述径向圆孔；当目标系统用于畸变测试系统时且在对被测光学系统进行畸变测试前，聚焦透镜(12)以螺纹连接方式与壳体(10)的敞口端固连，由准直物镜(11)出射的平行光经聚焦透镜(12)会聚照射到被测光学系统(14)上，当由被测光学系统(14)第一个镜头的两个表面反射的反射光分别依次经过聚焦透镜(12)、准直物镜(11)透射后，再由分光棱镜(8)反射并会聚到CCD(9)的中心后，拆下聚焦透镜(12)以进行畸变测试。