CN104075881B - 适用于多波段共光路望远镜的平行差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多波段共光路望远镜的平行差测量方法，属于光学测量领域。本发明首先利用双胶合工装镜以及现有的带有玻罗板的平行光管及测量显微镜，测量得到被测多波段望远镜与工装镜的组合焦距；然后再利用组合焦距公式以及平行差计算公式解算得到被测多波段望远镜的平行差。本发明解决了多波段望远镜的平行差测量问题,同时具有测量方法简单，适用范围广的特点。

Description

适用于多波段共光路望远镜的平行差测量方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及一种平行差的测量方法，尤其涉及一种采用双胶合透镜的多波段望远镜平行差测量方法。

背景技术

通常对望远系统的平行差测量采用五棱镜法。五棱镜法是利用五棱镜将任意入射光束折转90°出射的特点来测量平行差。平行光管、被测光学系统、五棱镜依次放置，平行光管和被测光学系统光轴平行，入射光束经平行光管和被测光学系统后，平行进入五棱镜的入射面，经五棱镜折转后进入前置镜。测量时，五棱镜入射面对准被测多波段望远镜的上边缘，记录前置镜中平行光管分划像位置，然后，沿垂直于光轴的方向平稳的移动五棱镜，使五棱镜对准被测多波段望远镜的下边缘，记录平行光管分划像位置，将两成像位置进行差值，得到分划像移动量，根据此移动量解算被测光学系统的平行差。然而，五棱镜法由于需要在前置镜中读出分划像的准确移动量，因此需要被测光学系统与前置镜光学系统的组合系统成像清晰，虽然前置镜光学系统已独立校正像差，若被测光学系统像质较差，会导致组合系统成像不清晰，最终使前置镜读出的像移动量偏差较大。因此，五棱镜法要求被测光学系统成像清晰，一般对其出射光束的平行差要求不大于3′。

目前，为满足机载产品对光电仪器的小型化需求，其中的光学系统多采用含可见光波段和红外波段或其它波段的多波段共光路形式。该光学系统由多波段望远镜、分光镜和相应波段成像系统构成，其中多波段望远镜为各波段成像系统的共用部分。入射光束经共用多波段望远镜后经分光镜分光分别进入各自波段成像探测器成像。经过分光镜分光后的各波段光束与后续各自波段成像系统可匹配校正像差，并最终满足系统的成像质量要求，因此，该类系统对多波段望远镜平行性要求要比通常望远镜低一些，一般为10′～30′。由于光学系统的平行差只能在可见光波段进行调试，通常在含有可见光波段和红外波段或其它波段的多波段望远镜中，可见光波段平行差精度要求高于红外波段或其它波段，这样，在望远镜调试时，通过测量可见光的平行差并将望远镜可见光波段的平行差调整到设计要求范围内，红外波段或其它波段的平行差也就随之得到保证。鉴于多波段望远镜平行差较高，成像质量欠优，因此，五棱镜法不适用于其平行差的测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提出一种采用工装镜来测量多波段望远镜平行差的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的多波段望远镜平行差的测量方法包括以下测量步骤：

第一步：安装工装镜，所述工装镜为一可见光波段的双胶合透镜，其中第一透镜为球面负透镜，第二透镜为球面正透镜，第一透镜位于光线入射端，第二透镜位于光线出射端，沿光线入射方向到出射方向的球面依次为第一球面，第二球面，第三球面及第四球面；将工装镜通过其镜筒与被测多波段望远镜的镜筒螺纹相连，使第一透镜面向被测多波段望远镜的目镜，通过控制两者镜筒的加工精度保证工装镜与被测多波段望远镜同轴，通过在被测多波段望远镜的目镜与第一透镜之间加装隔圈的方式，使所述目镜后表面顶点到第一球面顶点的距离S达到设计值，由此构成组合光学系统；

第二步：搭建组合焦距测量装置，首先将一个带有玻罗板的透射式平行光管放置在光学平台上，平行光管的导轨与光学平台固连，平行光管的口径大于被测多波段望远镜物镜的口径，平行光管的焦距应为所述组合光学系统焦距的3～5倍；将第一五维可调光学支架和第二五维可调光学支架置于平行光管的导轨上且两者均能够沿导轨滑动，组合光学系统固定在第一五维可调光学支架的平台上，所述被测多波段望远镜的物镜面向平行光管的物镜，调节第一五维可调光学支架，直至目测组合光学系统的光轴与平行光管的光轴重合；测量显微镜固定在第二五维可调光学支架的平台上，且测量显微镜的物镜面向所述第四球面，通过调节第二五维可调光学支架，直至目测测量显微镜的光轴与组合光学系统的光轴重合，测量显微镜的物镜前表面顶点到第四球面的顶点距离L等于测量显微镜的工作距离与工装镜的后截距之和；

第三步：打开平行光管的电源，沿导轨滑动第二五维可调光学支架，直到在测量显微镜中观测到玻罗板的清晰像；在测量显微镜的视场内选取间距最大的一对刻线作为测量目标，旋动测量显微镜的手轮，使测量显微镜的标识分划十字对准测量目标的一条刻线，记录此时测量显微镜的读数A，再旋动测量显微镜的手轮，使测量显微镜的标识分划十字对准测量目标的另一条刻线，再记录此时测量显微镜的读数B；计算读数A与读数B之差，获得测量目标的间距值y'；根据公式(1)计算组合光学系统的焦距f₁'：

${f_1}^{\′}=\frac{y^{\′}}{\mathrm{\βy}}{f_2}^{\′}---\left(1\right)$

式中，y为在玻罗板上与y'具有物像关系的一对刻线的间距，β为测量显微镜的垂轴放大率，f₂'为平行光管的焦距；

第四步：计算被测多波段望远镜平行差θ。

4.1根据组合焦距公式(2)计算被测多波段望远镜的焦距f₃'：

$\frac{1}{{f^{\′}}_3}+\frac{1}{{f^{\′}}_4}-\frac{d_1}{{f^{\′}}_3{f^{\′}}_4}=\frac{1}{{f_1}^{\′}}---\left(2\right)$

式中，f'₄为工装镜的焦距，d₁为被测多波段望远镜的像方主面与工装镜的物方主面的间距；

4.2根据组合焦距公式(3)计算多波段望远镜物镜像方主面与目镜物方主面的距离d₂：

$\frac{1}{{f^{\′}}_5}+\frac{1}{{f^{\′}}_6}-\frac{d_2}{{f^{\′}}_5{f^{\′}}_6}=\frac{1}{{f_3}^{\′}}---\left(3\right)$

式中，f'₅为被测多波段望远镜物镜的焦距，f'₆为被测多波段望远镜目镜的焦距；

4.3依据公式(4)计算被测多波段望远镜平行差θ：

式中，D_目为多波段望远镜目镜的口径；d₀为多波段望远镜物镜像方焦面与目镜物方焦面重合时两者主面的间隔。

本发明的整体技术效果体现在以下几个方面：

(1)本发明通过测量被测多波段望远镜与工装镜的组合焦距，据此利用组合焦距公式以及平行差计算公式便可解算得到被测多波段望远镜平行差θ。由于焦距测量只需轴上光束中心孔径成像清晰，故对被测多波段望远镜全口径内的像质无要求，无需对多波段望远镜独立校正像差。因此，本发明不仅解决了多波段望远镜的平行差测量问题，而且对简化多波段望远镜的结构提供了技术支持。此外，对于像质清晰光学系统的平行差测量而言，本发明同样适用。

(2)本发明的测量方法中，所用工装镜为一双胶合透镜，再配以现有的带有玻罗板的平行光管及测量显微镜，三者结合即可测得被测多波段望远镜与工装镜的组合焦距。与现有技术相比，具有测量方法简单，适用范围广的特点。

附图说明

图1为组合焦距测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实例对本发明作进一步的详述。

本发明优选实施例是针对含有红外波段、可见光波段和激光波段机载光电仪器的多波段望远镜的平行差测量方法。在多波段望远镜中，红外波段的平行差要求小于30′，可见光波段的平行差要求小于10′，激光波段的平行差要求小于20′。因此，本发明只需对多波段望远镜中可见光波段的平行差进行测量。其具体测量步骤如下：

第一步：安装工装镜。

根据图1所示，本优选实施例中，工装镜5为一可见光波段的双胶合透镜，其中第一透镜为球面负透镜，第二透镜为球面正透镜，第一透镜位于光线入射端，第二透镜位于光线出射端，沿光线入射方向到出射方向的球面依次为第一球面5-1，第二球面5-2，第三球面5-3及第四球面5-4，其中第二球面5-2与第三球面5-3是胶合面，透镜的具体设计参数见表1。将工装镜5通过其镜筒与被测多波段望远镜4的镜筒螺纹相连，使第一透镜面向被测多波段望远镜4的目镜4-2，通过控制两者镜筒的加工精度保证工装镜5与被测多波段望远镜4同轴，通过在被测多波段望远镜4的目镜4-2与第一透镜之间加装隔圈的方式，使目镜4-2后表面顶点到第一球面5-1顶点的距离S达到设计值，由此构成了组合光学系统6。本实施例中S＝55mm。

表1

第二步：搭建组合焦距测量装置。

首先将一个带有玻罗板3-1的透射式平行光管3放置在光学平台1上，平行光管3的导轨2与光学平台1固连，要求平行光管3的口径大于被测多波段望远镜4的物镜4-1的口径，平行光管3的焦距应为组合光学系统6焦距的3～5倍。将第一五维可调光学支架8置于平行光管3的导轨2上且第一五维可调光学支架8能够沿导轨2滑动；将组合光学系统6固定在第一五维可调光学支架8的平台上，使被测多波段望远镜4的物镜4-1面向平行光管3的物镜3-2，调节第一五维可调光学支架8，直至目测组合光学系统6的光轴与平行光管3的光轴重合。将第二五维可调光学支架9置于平行光管3的导轨2上且第二五维可调光学支架9能够沿导轨2滑动；将测量显微镜7固定在第二五维可调光学支架9的平台上，且测量显微镜7的物镜面向第四球面5－4，通过调节第二五维可调光学支架9，直至目测测量显微镜7的光轴与组合光学系统6的光轴重合，同时要求测量显微镜7物镜的前表面顶点与第四球面5-4的顶点距离L为测量显微镜7的工作距离到工装镜5的后截距之和。本实施例中，L＝107mm。

第三步：测量组合光学系统6的焦距。

打开平行光管3的电源，沿导轨2移动第二五维可调光学支架9，直到在测量显微镜7中观测到玻罗板3-1的清晰像。在测量显微镜7的视场内选取间距最大的一对刻线作为测量目标，旋动测量显微镜7的手轮，使测量显微镜7的标识分划十字对准测量目标的一条刻线，记录此时测量显微镜7的读数A，再旋动测量显微镜7的手轮，使测量显微镜7的标识分划十字对准测量目标的另一条刻线，再记录此时测量显微镜7的读数B。计算读数A与读数B之差，获得测量目标的间距值y'。根据公式(1)计算组合光学系统6的焦距f₁'：

${f_1}^{\′}=\frac{y^{\′}}{\mathrm{\βy}}{f_2}^{\′}---\left(1\right)$

式中，y为在玻罗板上与y'具有物像关系一对刻线的间距(已知参量)，β为测量显微镜7的垂轴放大率(已知参量)，f₂'为平行光管3的物镜3-2的焦距。在本实施例中，y'＝A-B＝5.16－1.84＝3.32mm，β＝5，y＝2.36mm，f₂'＝1600mm，f₁'＝450.2mm。

第四步：计算被测多波段望远镜4的平行差θ。

4.1根据组合焦距公式(2)计算被测多波段望远镜4的焦距f₃'：

$\frac{1}{{f^{\′}}_3}+\frac{1}{{f^{\′}}_4}-\frac{d_1}{{f^{\′}}_3{f^{\′}}_4}=\frac{1}{{f_1}^{\′}}---\left(2\right)$

式中，f'₄为工装镜5的焦距，d₁为被测多波段望远镜4的像方主面与工装镜5的物方主面的间距。本实施例中，f'₄＝90，d₁＝1.2×10⁵mm，f₁'＝450.2mm，求得f₃'＝1.5×10⁵mm。

4.2根据组合焦距公式(3)计算多波段望远镜4的物镜4-1像方主面与目镜4-2物方主面的距离d₂

$\frac{1}{{f^{\′}}_5}+\frac{1}{{f^{\′}}_6}-\frac{d_2}{{f^{\′}}_5{f^{\′}}_6}=\frac{1}{{f_3}^{\′}}---\left(3\right)$

式中，f'₅为被测多波段望远镜4的物镜4-1的焦距，f'₆为被测多波段望远镜4的目镜4-2的焦距。本实施例中，f'₅＝450，f'₆＝90，f₃'＝1.5×10⁵，求得：d₂＝539.73。

4.3依据公式(4)计算被测多波段望远镜4的平行差θ：

式中，D_目为多波段望远镜4的目镜4-2的口径；d₀为多波段望远镜4的物镜4-1像方焦面与目镜4-2物方焦面重合时两者主面的间隔。本实施例中，d₀＝538.89mm、f'₆＝90mm、D_目＝20mm、d₂＝539.73mm，求得θ＝3.58'。

Claims (2)

1.一种适用于多波段共光路望远镜的平行差测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步：安装工装镜，所述工装镜(5)为一可见光波段的双胶合透镜，其中第一透镜为球面负透镜，第二透镜为球面正透镜，第一透镜位于光线入射端，第二透镜位于光线出射端，沿光线入射方向到出射方向的球面依次为第一球面(5-1)，第二球面(5-2)，第三球面(5-3)及第四球面(5-4)；将工装镜(5)通过其镜筒与被测多波段望远镜(4)的镜筒螺纹相连，使第一透镜面向被测多波段望远镜(4)的目镜(4-2)，通过控制两者镜筒的加工精度保证工装镜(5)与被测多波段望远镜(4)同轴，通过在被测多波段望远镜(4)的目镜(4-2)与第一透镜之间加装隔圈的方式，使所述目镜(4-2)后表面顶点到第一球面(5-1)顶点的距离S达到设计值，由此构成组合光学系统(6)；

第二步：搭建组合焦距测量装置，首先将一个带有玻罗板(3-1)的透射式平行光管(3)放置在光学平台(1)上，平行光管(3)的导轨(2)与光学平台(1)固连，平行光管(3)的口径大于被测多波段望远镜(4)的物镜(4-1)口径，平行光管(3)的焦距应为所述组合光学系统(6)焦距的3～5倍；将第一五维可调光学支架(8)和第二五维可调光学支架(9)置于平行光管(3)的导轨(2)上且两者均能够沿导轨(2)滑动，组合光学系统(6)固定在第一五维可调光学支架(8)的平台上，所述被测多波段望远镜(4)的物镜(4-1)面向平行光管(3)的物镜(3-2)，调节第一五维可调光学支架(8)，直至目测组合光学系统(6)的光轴与平行光管(3)的光轴重合；测量显微镜(7)固定在第二五维可调光学支架(9)的平台上，且测量显微镜(7)的物镜面向所述第四球面(5-4)，通过调节第二五维可调光学支架(9)，直至目测测量显微镜(7)的光轴与组合光学系统(6)的光轴重合，测量显微镜(7)的物镜前表面顶点到第四球面(5-4)的顶点距离L等于测量显微镜(7)的工作距离与工装镜(5)的后截距之和；

第三步：打开平行光管(3)的电源，沿导轨(2)滑动第二五维可调光学支架(9)，直到在测量显微镜(7)中观测到玻罗板(3-1)的清晰像；在测量显微镜(7)的视场内选取间距最大的一对刻线作为测量目标，旋动测量显微镜(7)的手轮，使测量显微镜(7)的标识分划十字对准测量目标的一条刻线，记录此时测量显微镜(7)的读数A，再旋动测量显微镜(7)的手轮，使测量显微镜(7)的标识分划十字对准测量目标的另一条刻线，再记录此时测量显微镜(7)的读数B；计算读数A与读数B之差，获得测量目标的间距值y'；根据公式(1)计算组合光学系统(6)的焦距f₁'：

${f_1}^{\′}=\frac{y^{\′}}{\mathrm{\β}y}{f_2}^{\′}---\left(1\right)$

式中，y为在玻罗板上与y'具有物像关系的一对刻线的间距，β为测量显微镜(7)的垂轴放大率，f₂'为平行光管(3)的焦距；

第四步：计算被测多波段望远镜(4)的平行差θ，

4.1根据组合焦距公式(2)计算被测多波段望远镜(4)的焦距f₃'：

$\frac{1}{{f^{\′}}_3}+\frac{1}{{f^{\′}}_4}-\frac{d_1}{{f^{\′}}_3{f^{\′}}_4}=\frac{1}{{f_1}^{\′}}---\left(2\right)$

式中，f'₄为工装镜(5)的焦距，d₁为被测多波段望远镜(4)的像方主面与工装镜(5)的物方主面的间距；

4.2根据组合焦距公式(3)计算多波段望远镜(4)的物镜(4-1)的像方主面与目镜(4-2)物方主面的距离d₂

$\frac{1}{{f^{\′}}_5}+\frac{1}{{f^{\′}}_6}-\frac{d_2}{{f^{\′}}_5{f^{\′}}_6}=\frac{1}{{f_3}^{\′}}---\left(3\right)$

式中，f'₅为被测多波段望远镜(4)的物镜(4-1)的焦距，f'₆为被测多波段望远镜(4)的目镜(4-2)的焦距；

4.3依据公式(4)计算被测多波段望远镜(4)的平行差θ：

式中，D_目为多波段望远镜(4)的目镜(4-2)的口径；d₀为多波段望远镜(4)的物镜(4-1)像方焦面与目镜(4-2)物方焦面重合时两者主面的间隔。

2.根据权利要求1所述的适用于多波段共光路望远镜的平行差测量方法，其特征在于:所述第一透镜由环保重火石玻璃HZF6制作，厚度为4mm，所述第一球面(5-1)的曲率半径为47.75mm，所述第二球面(5-2)的曲率半径为22.06mm；所述第二透镜由环保镧火石玻璃HLaF1制作，厚度为8mm，所述第三球面(5-3)的曲率半径为22.06mm，所述第四球面(5-4)的曲率半径为310.5mm，所述第一透镜和第二透镜的口径均为φ30mm。