CN104501831A - 平行光管装校方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种平行光管装校方法，该方法包括以下步骤：S1、安装平行光管并进行初调；S2、判断步骤S1安装并初调后的平行光管是否满足预设的设计指标要求；S3、根据步骤S2的判断结果，若平行光管不符合预设的设计指标要求，获取平行光管中各光学部件的失调量值并根据失调量值再次调试平行光管；若平行光管符合预设的设计指标要求，结束装校操作。采用本发明的平行光管装校方法能够实现平行光管的快速准确装校，克服了传统装校方法随机性强、装校周期长等缺点，并且能够显著提高平行光管的装校精度，减小准直光束的不平行度。

Description

平行光管装校方法

技术领域

本发明涉及光学测试设备装校领域，特别涉及一种平行光管装校方法。

背景技术

伴随着航天技术的迅速发展，武器系统及空天飞行器中逐渐采用高精度的星敏感器作为导航装置，并且用到的红外导引头制导精度也越来越高。标定是星敏感器及红外导引头的研制过程中必不可少的一项处理，该过程通常在地面实验室中进行，作为其中最常采用的标定设备，平行光管的作用就显得尤为重要。而现有的平行光管仅能满足中等精度星敏感器的地面标定，若想满足更高精度星敏感器的标定需求，就需要大幅提升平行光管的精度。现有的光学元件的精度就现有的加工条件已经达到峰值，因而在光学元件加工精度尚无优化空间的前提下，如何从平行光管的装校工艺入手，以提升平行光管的精度从而保证星敏感器及导引头的标定精度就成为关键。目前采用的传统的平行光管装校工艺，仅能够依靠操作人员的装校经验进行，存在装校周期长、随机性大、装校精度低等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够快速、准确实现平行光管的装校的平行光管装校方法。

为解决上述问题，本发明提出一种平行光管装校方法，该方法包括以下步骤：

S1、安装平行光管并进行初调；

S2、判断步骤S1安装并初调后的所述平行光管是否满足预设的设计指标要求；

S3、根据步骤S2的判断结果，

若所述平行光管不符合预设的设计指标要求，获取所述平行光管中各光学部件的失调量值并根据所述失调量值再次调试所述平行光管；

若所述平行光管符合预设的设计指标要求，结束装校操作；

其中，步骤S2中预设的设计指标要求根据需求精度、测试产品等因素的不同而不同，使用人员可根据实际需要进行设置，在此不一一列举。

优选的，步骤S1中的所述初调包括对所述平行光管的光轴进行对准装校以及对所述平行光管的理想焦面位置进行调整以保证所述平行光管满足测量其波像差的条件。

优选的，步骤S2包括以下步骤：

S21、获取所述平行光管的波像差；

S22、求得步骤S21中得到的所述波像差与理论值之间的偏差值；

S23、根据步骤S22求得的所述偏差值得出安装并初调后的所述平行光管是否符合预设的设计指标要求的结论，

其中，步骤S22中的理论值为在仿真设计中得到的波像差的理想值。

优选的，步骤S21中，所述平行光管的波像差由激光干涉仪测量得到，所述激光干涉仪置于所述平行光管焦面处。

优选的，步骤S22中所述波像差采用Zernike多项式形式表示。

优选的，步骤S3中所述“获取所述平行光管中各光学部件的失调量值并根据所述失调量值再次调试所述平行光管”包括以下步骤：

S31、获取波像差值与平行光管各元件的失调量值的等量关系；

S32、根据步骤S22求得的所述波像差与理论值之间的偏差值以及步骤S31中获取的所述波像差值与平行光管各元件的失调量值的等量关系得出平行光管各元件的失调量值；

S33、根据步骤S32获得的所述平行光管各元件的失调量值调整平行光管的各元件。

优选的，步骤S31包括以下步骤：

S311、给平行光管各元件的位置结构参数设置一增量；

S312、获取步骤S311所述增量导致的像差变量；

S313、将步骤S313中获取的所述像差变量与步骤S311中获取的所述增量作商并由此建立平行光管的灵敏度矩阵；

S314、由步骤S313中获得的所述平行光管的灵敏度矩阵得出波像差值与平行光管各元件的失调量值的等量关系。

采用本发明的平行光管装校方法能够实现平行光管的快速准确装校，克服了传统装校方法随机性强、装校周期长等缺点，并且能够显著提高平行光管的装校精度，减小准直光束的不平行度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的平行光管装校方法的流程图。

图2为图1中步骤S2的流程图。

图3为图1中步骤S3的流程图。

图4为图3中步骤S31的流程图。

图5为本发明的实施例1中光路测量布局图。

图6为本发明的实施例1中平行光管装校流程图。

图7为图6中步骤Sa′的流程图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

如图1所示，为本发明的平行光管装校方法的流程图，包括以下步骤：

S1、安装平行光管并进行初调；

S2、判断步骤S1安装并初调后的平行光管是否满足预设的设计指标要求；

S3、根据步骤S2的判断结果，

若平行光管不符合预设的设计指标要求，获取平行光管中各光学部件的失调量值并根据失调量值再次调试平行光管；

若平行光管符合预设的设计指标要求，结束装校操作；

其中，步骤S2中预设的设计指标要求根据需求精度、测试产品等因素的不同而不同，使用人员可根据实际需要进行设置，在此不一一列举。

上述的初调包括对平行光管的光轴进行对准装校以及对平行光管的理想焦面位置进行调整以保证平行光管满足测量其波像差的条件。

如图2所示，图1中的步骤S2包括以下步骤：

S21、获取平行光管的波像差；

S22、求得步骤S21中得到的波像差与理论值之间的偏差值；

S23、根据步骤S22求得的偏差值得出安装并初调后的平行光管是否符合预设的设计指标要求的结论，

上述步骤S21中，平行光管的波像差由激光干涉仪测量得到，激光干涉仪置于平行光管焦面处。

步骤S22中波像差采用Zernike多项式形式表示，且该步骤中的理论值为在仿真设计中得到的波像差的理想值。

如图3所示，图1中的步骤S3中“获取所述平行光管中各光学部件的失调量值并根据失调量值再次调试平行光管”包括以下步骤：

S31、获取波像差值与平行光管各元件的失调量值的等量关系；

S32、根据步骤S22求得的波像差与理论值之间的偏差值以及步骤S31中获取的波像差值与平行光管各元件的失调量值的等量关系得出平行光管各元件的失调量值；

S33、根据步骤S32获得的平行光管各元件的失调量值调整平行光管的各元件。

如图4所示，图3中的步骤S31包括以下步骤：

S311、给平行光管各元件的位置结构参数设置一增量；

S312、获取步骤S311增量导致的像差变量；

S313、将步骤S313中获取的像差变量与步骤S311中获取的增量作商并由此建立平行光管的灵敏度矩阵；

S314、由步骤S313中获得的平行光管的灵敏度矩阵得出波像差值与平行光管各元件的失调量值的等量关系。

实施例1：

如图5所示，为本发明的平行光管装校方法的一种优选的实施方式中用以实现光路的测量的布局图，其中，为了实现平行光管的波像差的测量，本实施例采用干涉仪，并将该干涉仪置于平行光管焦面处，干涉仪发出标准球面波，球面波经光管准直形成平行光束打到出射口处的平面反射镜，经平面反射镜反射进入光管光路中，后经主镜反射在干涉仪前端与标准球面波进行干涉成像，干涉仪获取波面信息，进而得到Zernike系数。

如图6所示，为本实施例的平行光管装校流程图，首先对平行光管进行步骤Sa、安装并初调，其中该初调主要为对平行光管的光轴进行对准装校以及对平行光管的理想焦面位置进行调整。

具体的，在对平行光管光轴对准装校时，应保证光管底座的水平度，可以通过在底座不同位置摆放水平仪的方式来实现，在完成了光管底座水平度调节之后，再将一个水平平台放在光管的出射口处，平台上摆放激光器，在远离光管的位置摆放高度可调节平台，平台上摆放经纬仪，继而通过以下六个步骤完成光轴调节：

①在光管出口处找到水平方向的最大直径位置，同样再找出垂直方向的最大直径位置，两条最大直径的交点即为光轴与光管出射面的交点；

②打开激光器，让激光光束射向主反射镜并通过步骤①标定的交点位置，通过尺寸测量，调整激光器航向角度，使得在主反射镜附近的光点距底座边缘的水平距离与步骤①标定的交点距底座边缘的水平距离相同，以保证激光光束与理想光轴位于同一垂直面上；

③在激光器处用白纸挡光，得到激光光点1，调节经纬仪，让激光光点1处于经纬仪的水平面上，并保持经纬仪俯仰角度固定不变；

④在主反射镜处用白纸挡光，得到激光光点2，通过经纬仪进行观察，调整激光器俯仰角度，使得激光光点2同样处于经纬仪的水平面上，以保证激光光束与理想光轴重合；

⑤在主反射镜反射激光方向用白纸挡光，得到激光光点3，通过经纬仪进行观察，观察激光光点3是否与激光光点1、激光光点2同样处于经纬仪的水平面上，如不在同一水平面上，通过调整主反射镜的俯仰角度使激光光点3处于经纬仪水平面上，根据三点确定平面原理，至此完成了光轴水平度的调节；

⑥调节主反射镜航向角度，让经主镜反射的激光光束照射到靶标面的中心位置，至此就完成了高精度平行光管光轴的调节。

平行光管焦面位置的调整可以采用自准直的方法来实现：

①在光管出射孔处放置一与水平方向垂直的高精度平面反射镜，通过调整使平面反射镜与经过调节过的光轴垂直；

②在光管设计焦面位置处放置一小孔光源，小孔光源经过光管中的次镜及主镜反射形成准直光束，通过出射孔打在平面反射镜上；

③准直光束通过平面反射镜反射后又进入光管光路中，经过主镜的汇聚作用，在小孔光源附近成像；

④用硫酸纸或白纸在小孔光源附近寻找小孔的自准直像，通过观察自准直像的清晰度来调节小孔光阑位置，直到得到小孔的最清晰像为止，小孔光阑的位置即为最佳焦面位置。

Sb、利用干涉仪获取波像差；

Sc、用Zernike多项式系数表达获取的波像差，此处由于步骤Sb中从干涉仪得到的波像差值表达方式不适合与仿真设计中得到的波像差的理想值进行比较，因此需要用光学设计软件适用的Zernike多项式表示测得系统波像差；

Sd、比较实际和理想的波像差；

Se、根据步骤Sd中对实际和理想的波像差的比较结果判断是否满足预设的设计指标要求；

若步骤Se判断的结论为满足了预设的设计指标要求则进行步骤Sf、装校结束；

若步骤Se判断判断的结论为不满足预设的设计指标要求则需要根据预先由Sa′建立的灵敏度矩阵进行步骤Sb′、计算光学元件失调量继而进行步骤Sc′、调整光学元件失调量。

其中，如图7所示，为图6中步骤Sa′的流程图，通过仿真进行步骤Sa′1、建立理想光学系统，Sa′2、取理想系统Zernike多项式值Z₀；Sa′3、给系统结构参数一个增量ΔX_i；Sa′4、取改变后系统Zernike项的值Z_j；Sa′5、计算Z_j-Z₀；Sa′6、计算得到一组ΔZ_j/ΔX_i；Sa′7、建立灵敏度矩阵。上述的仿真可以利用Zemax光学设计软件进行。

上述光学系统的性能由其结构参数决定，像差则为结构参数的函数。若系统的像差用F_j(j＝1，2，…，m)表示，各元件位置结构参数用x_i(i＝1，2，…，n)表示，则二者之间的函数关系可表示为

$\left[\begin{array}{c}{F}_1\\ ...\\ F_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{f}_1(x_1,\·\·\·,x_n)\\ ...\\ f_m(x_1,\·\·\·,x_n)\end{array}\right]$

式中，f_j(j＝1，2，…，m)表示像差和结构参数之间的函数关系，这是一个复杂的多元非线性方程组，这里光学系统计算机辅助装校问题变成了建立和求解非线性方程组，即根据光学系统的像差(F₁，F₂，…F_m)，解上述方程得到(x₁，x₂，…，x_n)的值。但事实上我们无法给出函数(f₁，f₂，…f_m)的数学表达式，为了能够求解该方程组，利用多元函数的Taylor公式，可以把非线性方程组近似的用如下线性方程组来替代：

$F_j=F_{0j}+\frac{{\∂f}_j}{{\∂x}_1}(x_1+x_{01})+\·\·\·+\frac{{\∂f}_j}{{\∂x}_n}(x_n-x_{0n})$

我们用像差函数对各位置结构参数的差商近似的代替微商，这样可以得到表示像差与位置结构参数之间关系的像差线性方程组：

$\left[\begin{array}{c}{F}_1\\ ...\\ F_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{F}_{01}\\ ...\\ F_{0m}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{{\∂f}_1}{{\∂x}_1}{\mathrm{\Δx}}_1+\·\·\·+\frac{{\∂f}_1}{{\∂x}_n}{\mathrm{\Δx}}_n\\ ...\\ \frac{{\∂f}_m}{{\∂x}_1}{\mathrm{\Δx}}_1+\·\·\·+\frac{{\∂f}_m}{{\∂x}_n}{\mathrm{\Δx}}_n\end{array}\right]$

设

$\mathrm{\ΔF}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔF}}_1\\ ...\\ {\mathrm{\ΔF}}_n\end{array}\right],\mathrm{\ΔX}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}_1\\ ...\\ {\mathrm{\Δx}}_n\end{array}\right],$

其矩阵形式为AΔX＝ΔF

因而，据此即完成波像差值与平行光管各元件的失调量值的等量关系的建立，继而可结合获得的波像差与理论值之间的偏差值，并调整平行光管的各元件。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (7)

1.一种平行光管装校方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、安装平行光管并进行初调；

S2、判断步骤S1安装并初调后的所述平行光管是否满足预设的设计指标要求；

S3、根据步骤S2的判断结果，

若所述平行光管不符合预设的设计指标要求，获取所述平行光管中各光学部件的失调量值并根据所述失调量值再次调试所述平行光管；

若所述平行光管符合预设的设计指标要求，结束装校操作。

2.根据权利要求1所述的平行光管装校方法，其特征在于，步骤S1中的所述初调包括对所述平行光管的光轴进行对准装校以及对理想焦面位置进行调整。

3.根据权利要求1所述的平行光管装校方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：

S21、获取所述平行光管的波像差；

S22、求得步骤S21中得到的所述波像差与理论值之间的偏差值；

S23、根据步骤S22求得的所述偏差值得出安装并初调后的所述平行光管是否符合预设的设计指标要求的结论。

4.根据权利要求3所述的平行光管装校方法，其特征在于，步骤S21中，所述平行光管的波像差由激光干涉仪测量得到，所述激光干涉仪置于所述平行光管焦面处。

5.根据权利要求3所述的平行光管装校方法，其特征在于，步骤S22中所述波像差采用Zernike多项式形式表示。

6.根据权利要求1所述的平行光管装校方法，其特征在于，步骤S3中所述“获取所述平行光管中各光学部件的失调量值并根据所述失调量值再次调试所述平行光管”包括以下步骤：

S31、获取波像差值与平行光管各元件的失调量值的等量关系；

S32、根据步骤S22求得的所述偏差值以及步骤S31中获取的所述等量关系得出平行光管各元件的失调量值；

S33、根据步骤S32获得的所述失调量值调整平行光管的各元件。

7.根据权利要求6所述的平行光管装校方法，其特征在于，步骤S31包括以下步骤：

S311、给平行光管各元件的位置结构参数设置一增量；

S312、获取步骤S311所述增量导致的像差变量；

S313、将步骤S313中获取的所述像差变量与步骤S311中获取的所述增量作商并由此建立平行光管的灵敏度矩阵；

S314、由步骤S313中获得的所述灵敏度矩阵得出波像差值与平行光管各元件的失调量值的等量关系。