CN104535300A - 一种大口径平行光管波前及像面位置标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电测试领域，涉及一种大口径平行光管波前及像面位置标定装置及方法。该装置包括光纤激光器，二维精密长导轨，CCD相机以及控制单元；具体的方法是：1)将CCD相机安装在二维精密长导轨上；2)调整光纤激光器功率，直到CCD相机能接收到光纤激光器光强；3)CCD相机在二维精密长导轨不同位置上获取光纤激光器发出图像点的质心坐标；4)CCD相机在二维精密长导轨不同位置上获取待标定平行光管发出图像点的质心坐标；5)确定待标定平行光管波前位置；6)确定待标定平行光管像面位置。本发明可实现大口径平行光管波前和焦面位置的准确测试。

Description

一种大口径平行光管波前及像面位置标定装置及方法

技术领域

本发明属于光电测试领域，涉及一种大口径平行光管波前及像面位置标定装置及方法。

背景技术

平行光管是一种用于在实验室模拟无穷远目标，发射平行光束，测量光学系统或相机成像质量和性能参数的光学精密测量设备。

近些年来，由于我国航天、航空技术的快速发展，尤其是高分工程的实施对空间相机的成像质量和地面分辨率要求越来越高，相机的焦距和口径也随之越来越大，因此要求检测长焦距、大口径相机成像质量和性能参数的光学精密测量设备——平行光管的口径和焦距也随之变长变大，其成像质量要求也大幅提高，因此对于平行光管本身的成象质量，即出射波前和焦面位置准确性(即出射光束平行性)的检测提出了更高的要求。

一般平行光管常用的方法是采用自准直测试法，利用大口径平面反射镜和干涉仪测量光管波前，利用五棱镜和经纬仪测量光束准直性。其存在问题是光管口径加大时反射镜的口径随之也要加大，反射镜本身的面型无法准确测量，另外反射镜材料和加工成本也成倍上升，测量方法受环境和人为主观性影响而导致较大的测量误差。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出了一种用于大口径平行光管波前及像面位置标定装置及方法，可实现光管波前和焦面位置的准确测试。

本发明的技术解决方案是：

一种大口径平行光管波前及像面位置标定装置，其特征在于：包括光纤激光器，二维精密长导轨，CCD相机以及控制单元；

所述CCD相机安装在二维精密长导轨上；所述二维精密长导轨包括水平导轨以及安装在水平导轨上的垂直导轨；所述CCD相机可沿二维精密长导轨在水平方向和垂直方向移动；所述光纤激光器位于CCD相机的正前方；所述控制单元分别与二维精密长导轨和CCD相机连接。

上述控制单元为计算机。

上述CCD相机由光学镜头和CCD探测器连接组成。

上述光学镜头包括两片透镜，一片为球面镜，一片为非球面镜。

上述光纤激光器的光纤头为单模光纤头。

根据上述的大口径平行光管波前及像面位置标定装置，现提出一种大口径平行光管波前及像面位置标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将CCD相机固定在二维精密长导轨上，调节CCD相机光轴和水平导轨、垂直导轨运动轴线互相垂直；

2)在CCD相机前处放置光纤激光器，并使光纤激光器的光纤头对准CCD相机，调整光纤激光器功率，直到CCD相机能接收到光纤激光器光强为止；

3)CCD相机在二维精密长导轨不同位置上获取光纤激光器发出图像点的质心坐标(x_i，y_j)；

以二维精密长导轨中心(x₀，y₀)为基准，控制二维精密长导轨带动CCD相机在水平和垂直两个方向上移动；移动范围为待标定平行光管的口径，移动步距为移动范围除以要采样的点数，计算机记录二维导轨不同位置坐标(M,N)；同时CCD相机采集每个位置上的图像并判读出每幅图像点的质心坐标位置(x_i，y_j)；所述二维精密长导轨的中心为水平导轨中心和垂直导轨中心的交点；

4)CCD相机在二维精密长导轨不同位置上获取待标定平行光管发出图像点的质心坐标(x_i′，y_j′)；

4.1)在CCD相机前安装待标定平行光管，将光纤激光器进行位置调整，使得光纤激光器的光纤头位于平行光管焦面上；

4.2)以二维精密长导轨中心为基准，控制二维精密长导轨带动CCD相机在水平和垂直两个方向上移动，按步骤3)导轨移动的相同位置对待标定平行光管全口径进行采样，同时CCD相机采集每个位置上的图像并判读出每幅图像点的质心坐标位置(x_i′，y_j′)；

5)确定待标定平行光管波前位置；

5.1)计算步骤3)和步骤4.2)在二维导轨同一位置两次判读的图像点质心坐标位置(x_i，y_j)和(x_i′，y_j′)的差值坐标(Δx_i，Δy_j)；

5.2)在待标定平行光管全口径内将导轨每个位置按步骤5.1)求得的差值坐标(Δx_i，Δy_j)；规划在一个平面内，采用二维线性最小二乘法拟合计算线性项，去掉线性项；

5.3)再采用分区梯度积分法或索斯维尔算法或波面多项式拟合算法计算待标定平行光管波前位置；

6)确定待标定平行光管像面位置；

6.1)将步骤4.2)得到的图像质心坐标(x_i′，y_j′)和二维精密长导轨在中心时得到的图像质心坐标(x₀，y₀)做差值，得到差值坐标(Δx_i′，Δy_j′)；

6.2)将得到的差值坐标(Δx_i′，Δy_j′)用二维多项式进行拟合可得到待标定平行光管全口径内光束的平行性误差，利用高斯公式可计算出像面位置误差。

6.3)利用步骤6.2)获取的像面位置误差，确定待标定平行光管像面位置。

本发明优点如下：

1、本发明利用小口径CCD相机多点扫描技术，同时实现了大口径平行光管波前和焦面位置的测量；

2、本发明采用相对位置定位拼接技术，完成了在同一平面内不同位置上多幅图像目标坐标位置的高精度拼接，对此平面内的数据采用二维线性最小二乘法拟合计算线性项，去掉线性项，利用分区梯度积分算法或索斯维尔算法或波面多项式拟合算法复原出了平行光管波前；利用中心图像位置为基准，通过非线性多项式拟合算法，可实现光管不同口径光束平行性的测量。

3、本发明中的光学镜头采用两片透镜，一片球面和一片非球面，大F数(口径5～110mm，焦距300～500mm)大焦深的形式，消除了色差，实现了目标的超衍射现象，解决了导轨在不同位置上相机离焦和像差对弥散斑的影响，提高了判读精度；

4、本发明利用单模光纤头做点光源，产生标准球面波，采用不同距离模拟可实现任意口径和焦距的平行光管波前和焦面位置的标定。

附图说明

图1本发明标定装置的结构示意图。

1—光纤激光器、2—光学镜头、3—CCD探测器、4—二维精密长导轨、5—计算机。

图2本发明对待平行光管波前标定与焦面位置测量的结构示意图。

1—待标定平行光管、2—光学镜头、3—CCD探测器、4—二维精密长导轨、5—计算机、6-光纤激光器。

具体实施方式

本文提出一种新型的检测装置和方法来解决大口径平行光管的波前和焦面位置准确性的检测。

如图1所示：该装置包括光纤激光器1，二维精密长导轨4，光学镜头2、CCD探测器3以及计算机5；

光学镜头2、CCD探测器3精密连接组成CCD相机。

CCD相机安装在二维精密长导轨4上；二维精密长导轨4包括水平导轨以及安装在水平导轨上的垂直导轨；CCD相机可沿二维精密长导轨4在水平方向和垂直方向移动；光纤激光器1位于CCD相机的正前方；控制单元分别与二维精密长导轨4和CCD相机连接。

本装置中采用的控制单元为计算机5；计算机5作用是控制二维精密长导轨4运动，存储CCD相机采集的图像并提取出图像点的中心位置作数据判读处理和计算。

光学镜头2为大F数(口径5～110mm，焦距300～500mm)大焦深的形式，光学镜头2包括为超衍射光学镜头，包括两片透镜，一片为球面镜，一片为非球面镜，消除了色差，实现了目标的超衍射现象；解决了导轨在不同位置上相机离焦和像差对弥散斑的影响，提高了判读精度；

CCD探测器3用来采集通过光学镜头2的图像；

其中，光纤激光器1的用于在不同位置出射标准球面波，用于标定波前及焦面位置标定装置的基准；光纤激光器的光纤头选用单模光纤头做点光源，产生标准球面波，采用不同距离模拟可实现任意口径平行光管波前装置的标定。

根据上述装置结构的描述，现对大口径平行光管波前及像面位置标定装置的标定方法进行阐述，具体包括以下步骤：

步骤1)将CCD相机固定在二维精密长导轨上，调节CCD相机光轴和水平导轨、垂直导轨运动轴线互相垂直；

步骤2)在CCD相机前处放置光纤激光器，并使光纤激光器的光纤头对准CCD相机，光纤调整激光器功率，直到CCD相机能接收到光纤激光器光强为止；

步骤3)CCD相机在二维精密长导轨不同位置上获取光纤激光器发出图像点的质心坐标(x_i，y_j)；

以二维精密长导轨中心(x₀，y₀)为基准，控制二维精密长导轨带动CCD相机在水平和垂直两个方向上移动；移动范围为待标定平行光管的口径，移动步距为移动范围除以要采样的点数，计算机记录二维导轨不同位置坐标(M,N)；同时CCD相机采集每个位置上的图像并判读出每幅图像点的质心坐标位置(x_i，y_j)；所述二维精密长导轨的中心为水平导轨中心和垂直导轨中心的交点；

步骤4)CCD相机在二维精密长导轨不同位置上获取待标定平行光管发出图像点的质心坐标(x_i′，y_j′)；

步骤4.1)在CCD相机前安装待标定平行光管，将光纤激光器进行位置调整，使得光纤激光器的光纤头位于平行光管焦面上；

步骤4.2)以二维精密长导轨中心为基准，控制控制二维精密长导轨带动CCD相机在水平和垂直两个方向上带动移动，按步骤3)导轨移动的相同位置对待标定平行光管全口径进行采样，同时CCD相机采集每个位置上的图像并判读出每幅图像点的质心坐标位置(x_i′，y_j′)；

步骤5)确定待标定平行光管波前位置；

步骤5.1)计算步骤3)和步骤4.2)两次判读的图像点质心坐标位置(x_i，y_j)和(x_i′，y_j′)的差值坐标(Δx_i，Δy_j)；

步骤5.2)在待标定平行光管全口径内将导轨每个位置按步骤5.1)求得的差值坐标(Δx_i，Δy_j)；规划在一个平面内，采用二维线性最小二乘法拟合计算线性项，去掉线性项；

步骤5.3)再采用分区梯度积分法或索斯维尔算法或波面多项式拟合算法计算待标定平行光管波前位置；

步骤6)确定待标定平行光管像面位置；

步骤6.1)将步骤4.2)得到的图像质心坐标(x_i′，y_j′)和二维精密长导轨在中心时得到的图像质心坐标(x₀，y₀)做差值，得到差值坐标(Δx_i′，Δy_j′)；

步骤6.2)将得到的差值坐标(Δx_i′，Δy_j′)用二维多项式进行拟合可得到待标定平行光管全口径内光束的平行性误差，利用高斯公式可计算出像面位置误差。

步骤6.3)利用步骤6.2)获取的像面位置误差，确定待标定平行光管像面位置。

Claims (6)

1.一种大口径平行光管波前及像面位置标定装置，其特征在于：包括光纤激光器，二维精密长导轨，CCD相机以及控制单元；

所述CCD相机安装在二维精密长导轨上；所述二维精密长导轨包括水平导轨以及安装在水平导轨上的垂直导轨；所述CCD相机可沿二维精密长导轨在水平方向和垂直方向移动；所述光纤激光器位于CCD相机的正前方；所述控制单元分别与二维精密长导轨和CCD相机连接。

2.根据权利要求1所述的大口径平行光管波前及像面位置标定装置，其特征在于：所述控制单元为计算机。

3.根据权利要求2所述的大口径平行光管波前及像面位置标定装置，其特征在于：所述CCD相机由光学镜头和CCD探测器连接组成。

4.根据权利要求3所述的大口径平行光管波前及像面位置标定装置，其特征在于：所述光学镜头包括两片透镜，一片为球面镜，一片为非球面镜。

5.根据权利要求4所述大口径平行光管波前及像面位置标定装置，其特征在于：所述光纤激光器的光纤头为单模光纤头。

6.根据权利要求1所述的大口径平行光管波前及像面位置标定装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将CCD相机固定在二维精密长导轨上，调节CCD相机光轴和水平导轨、垂直导轨运动轴线互相垂直；

2)在CCD相机前处放置光纤激光器，并使光纤激光器的光纤头对准CCD相机，调整光纤激光器功率，直到CCD相机能接收到光纤激光器光强为止；

3)CCD相机在二维精密长导轨不同位置上获取光纤激光器发出图像点的质心坐标(x_i，y_j)；

以二维精密长导轨中心(x₀，y₀)为基准，控制二维精密长导轨带动CCD相机在水平和垂直两个方向上移动；移动范围为待标定平行光管的口径，移动步距为移动范围除以要采样的点数，计算机记录二维导轨不同位置坐标(M,N)；同时CCD相机在二维精密长导轨的不同位置采集光纤激光器发出的图像点并判读出每幅图像点的质心坐标位置(x_i，y_j)；所述二维精密长导轨的中心为水平导轨中心和垂直导轨中心的交点；

4)CCD相机在二维精密长导轨不同位置上获取待标定平行光管发出图像点的质心坐标(x_i′，y_j′)；

4.1)在CCD相机前安装待标定平行光管，将光纤激光器进行位置调整，使得光纤激光器的光纤头位于平行光管焦面上；

4.2)以二维精密长导轨中心为基准，控制二维精密长导轨带动CCD相机在水平和垂直两个方向上移动，按步骤3)导轨移动的相同位置对待标定平行光管全口径进行采样，同时CCD相机采集每个位置上的图像并判读出每幅图像点的质心坐标(x_i′，y_j′)；

5)确定待标定平行光管波前位置；

5.1)计算步骤3)和步骤4.2)在二维导轨同一位置两次判读的图像点质心坐标位置(x_i，y_j)和(x_i′，y_j′)的差值坐标(Δx_i，Δy_j)；

5.2)在待标定平行光管全口径内将导轨每个位置按步骤5.1)求得的差值坐标(Δx_i，Δy_j)规划在一个平面内，采用二维线性最小二乘法拟合计算线性项，去掉线性项；

5.3)再采用分区梯度积分法或索斯维尔算法或波面多项式拟合算法计算待标定平行光管波前位置；

6)确定待标定平行光管像面位置；

6.1)将步骤4.2)得到的图像质心坐标(x_i′，y_j′)和二维精密长导轨在中心时得到的图像质心坐标(x₀，y₀)做差值，得到差值坐标(Δx_i′，Δy_j′)；

6.2)将得到的差值坐标(Δx_i′，Δy_j′)用二维多项式进行拟合可得到待标定平行光管全口径内光束的平行性误差，利用高斯公式可计算出像面位置误差；

6.3)利用步骤6.2)获取的像面位置误差，确定待标定平行光管像面位置。