CN106767403B - 一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法，包括：选取待测辅助设备，并计算与待测辅助设备的理想光轴重合的预定位置；将点光源显微镜移动至预定位置，发射与理想光轴平行的准直光至位于待测辅助设备的焦点处的靶面；判断准直光在靶面上形成的光斑是否与靶面中心重合，若否，则根据光斑与所述靶面中心之间的偏离距离计算待测辅助设备的实际光轴的位置；根据实际光轴的位置以及所述理想光轴的位置计算光轴位置误差。相对现有技术中的不仅可以节省成本，而且缩短误差检测时间，还可以适应不同口径光学系统的光轴误差检测任务。本申请还公开了一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测系统，具有同样的技术效果。

Description

一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法

技术领域

本发明涉及光电技术领域，更具体地说，涉及一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法。

背景技术

光电系统是测控仪器的重要组成部分，由实现光学变换的光学系统与实现光电转换的光电探测器组成。被测对象发出的光经过光学系统转变为会聚光束、发散光束、平行光束或者其它形式的结构光束，形成光信息被光电探测器接收，转换为电信号进行处理。

随着光电系统的发展，多光轴光学系统中包括多个不同的测量设备，如对被测对象进行跟踪瞄准的多个辅助设备，以及用于根据辅助设备得到的瞄准位置对被测对象的光信息进行捕获的主设备。然而，主设备与辅助设备需要共享一个跟踪架，为使多光轴光学系统的测量具有一致性，需要对各个测量设备的光轴进行调节，务必保证各个测量设备的光轴平行性保持在一定的精度内。

对传统方法而言，多光轴光电系统的光轴标校主要是使用与被测对象尺寸相当的大口径平面镜，另一种是利用自然星的方法。将光学系统与之对准，可以形成自准直光路对光学系统中的各个辅助设备的光轴位置进行调节。然而，大口径平面镜不仅制造成本巨大，同时需要光学系统已经粗调至一定的精度，可以通过大口径平面镜形成光路，大大制约了其效率。

因此，如何提高调整光学系统中各个测量设备的光轴平行性的效率是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法，能够提高调整光学系统中各个测量设备的光轴平行性的效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法，包括：

选取待测辅助设备，并计算与所述待测辅助设备的理想光轴重合的预定位置；

将点光源显微镜移动至所述预定位置，发射与所述理想光轴平行的准直光至位于所述待测辅助设备的焦点处的靶面；

判断所述准直光在所述靶面上形成的光斑是否与靶面中心重合，若否，则根据所述光斑与所述靶面中心之间的偏离距离计算所述待测辅助设备的实际光轴的位置；

根据所述实际光轴的位置以及所述理想光轴的位置计算光轴位置误差。

优选的，在上述方法中，将点光源显微镜移动至所述预定位置，具体包括：

利用机械臂将点光源显微镜移动至所述预定位置，所述光源显微镜设置于所述机械臂的移动末端。

优选的，在上述方法中，计算所述待测辅助设备的实际光轴的位置之后，还包括：

在所述机械臂上设置激光跟踪仪靶球，并利用激光跟踪仪获取所述待测辅助设备的实际光轴的三维空间信息。

优选的，在上述方法中，在所述机械臂上设置激光跟踪仪靶球，具体包括：

在所述机械臂上设置三个所述激光跟踪仪靶球，所述激光跟踪仪靶球分别位于直角等边三角形的三个顶点位置。

本发明还提供了一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测系统，包括：

位置选取模块，用于选取待测辅助设备，并计算与所述待测辅助设备的理想光轴重合的预定位置；

显微镜移动装置，用于将点光源显微镜移动至所述预定位置；

光源显微镜，用于发射与所述理想光轴平行的准直光至位于所述待测辅助设备的焦点处的靶面；

判断模块，用于判断所述准直光在所述靶面上形成的光斑是否与靶面中心重合；

计算模块，用于根据所述光斑与所述靶面中心之间的偏离距离计算所述待测辅助设备的实际光轴的位置，根据所述实际光轴的位置以及所述理想光轴的位置计算光轴位置误差。

优选的，在上述系统中，所述显微镜移动装置为机械臂，所述光源显微镜设置于所述机械臂的移动末端。

优选的，在上述系统中，还包括：

设置于所述机械臂上的三个激光跟踪仪靶球，所述激光跟踪仪靶球分别位于直角等边三角形的三个顶点位置；

激光跟踪仪，用于获取所述待测辅助设备的实际光轴的三维空间信息。

优选的，在上述系统中，所述光源显微镜发射的所述准直光为功率为0.2mW、直径为6mm的准直激光或者红色LED准直光。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法，包括：选取待测辅助设备，并计算与所述待测辅助设备的理想光轴重合的预定位置；将点光源显微镜移动至所述预定位置，发射与所述理想光轴平行的准直光至位于所述待测辅助设备的焦点处的靶面；判断所述准直光在所述靶面上形成的光斑是否与靶面中心重合，若否，则根据所述光斑与所述靶面中心之间的偏离距离计算所述待测辅助设备的实际光轴的位置；根据所述实际光轴的位置以及所述理想光轴的位置计算光轴位置误差。

本发明提供的多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法，通过将光源显微镜移动至待测辅助设备的理想光轴重合的预定位置，发射与所述理想光轴平行的准直光，形成的光斑与靶面中心之间的偏离距离得到光轴位置误差。对待测辅助设备的光轴位置误差进行测量，以便于基于检测结果对待测辅助设备的光轴位置进行调节。由于多光轴光学系统中包括了主设备与多个辅助设备，因此，在一个辅助设备的光轴调节结束后，接着对另一个辅助设备进行装调，直至全部子系统的轴线误差得到检测并装调完成。相对现有技术中的不仅可以节省成本，而且缩短误差检测时间，还可以适应不同口径光学系统的光轴误差检测任务。

本发明还提供了一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测系统，具有同样的技术效果。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法示意图。

在一种具体的实施方式中，提供一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法，包括：

步骤S1：选取待测辅助设备01，并计算与所述待测辅助设备01的理想光轴重合的预定位置。

其中，在多光轴光学系统中包括多个辅助设备与一个主设备，选取其中一个辅助设备作为待测辅助设备01。预定位置为需要光源显微镜PSM发射的准直光束入射的位置，大体分布与待测辅助设备01的光轴重合。对于所到达的预定位置，可以通过空间机构学的基本原理进行计算，亦可在实际装调的过程中现场进行调节。

步骤S2：将点光源显微镜02移动至所述预定位置，发射与所述理想光轴平行的准直光至位于所述待测辅助设备01的焦点处的靶面。

其中，PSM具有两种工作模式，既可以作为小型的平行光管，又可在添加镜头之后，发射出标准的球面波。本实施例中，PSM作为一种便携性设备，通过各种方式均可以将光源显微镜PSM移动至预定位置后，即位于待测辅助设备01的理想光轴附近，利用其平行光管模式入射平行光。

本实施例中，通过机械臂04将PSM携带，使得PSM可达到位于机械臂04工作空间中的任意位置，结合机械臂04冗余的自由度，可实现PSM的出光口可以位于任意方向，出射光可自由指向。需要指出的是，将PSM移动至预定位置的方式包括但不限于利用机械臂04进行移动，还可以利用其它装置进行移动，均在保护范围之内。

PSM可以在除了绕光轴旋转的自由度的另外五个自由度上进行测量，故可以胜任多种测量要求，具有较大的动态范围，不需要对系统进行预先的粗调。对于PSM来说，不仅可以产生接近理想的点光源，同时又可以对于反射回来的光线成像。

需要指出的是，为了减少误差，可在不同位置重复该步骤。

步骤S3：判断所述准直光在所述靶面上形成的光斑是否与靶面中心重合，若否，则根据所述光斑与所述靶面中心之间的偏离距离计算所述待测辅助设备01的实际光轴的位置。

其中，若所述准直光在所述靶面上形成的光斑与靶面中心重合，则该待测辅助设备01的实际光轴位置就是理想光轴位置，若所述准直光在所述靶面上形成的光斑并不与靶面中心重合，则该待测辅助设备01的实际光轴位置偏离理想光轴位置，即待测辅助设备01发生的偏移。

需要指出的是，优选的情况下，可以根据主设备的理想光轴为标准，对其他辅助设备的实际光轴的位置进行调节，均与主设备的理想光轴平行。

步骤S4：根据所述实际光轴的位置以及所述理想光轴的位置计算光轴位置误差。

在一个辅助设备装调结束后，接着对另一个辅助设备进行装调，直到全部辅助设备的轴线误差得到检测并装调完成。

本发明提供的多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法，通过将光源显微镜移动至待测辅助设备01的理想光轴重合的预定位置，发射与所述理想光轴平行的准直光，形成的光斑与靶面中心之间的偏离距离得到光轴位置误差。对待测辅助设备01的光轴位置误差进行测量，以便于基于检测结果对待测辅助设备01的光轴位置进行调节。由于多光轴光学系统中包括了主设备与多个辅助设备，因此，在一个辅助设备的光轴调节结束后，接着对另一个辅助设备进行装调，直至全部子系统的轴线误差得到检测并装调完成。相对现有技术中的不仅可以节省成本，而且缩短误差检测时间，还可以适应不同口径光学系统的光轴误差检测任务。

在上述方法的基础上，将点光源显微镜02移动至所述预定位置，具体包括：

利用机械臂04将点光源显微镜02移动至所述预定位置，所述光源显微镜设置于所述机械臂04的移动末端。

其中，在机械臂04的顶端位置，留有接口，可将PSM固定，本实施例中，机械臂04的臂展为2米，可实现4米级及其以下规模的多光轴光学系统的光轴装调，具有可移植性强，精度高的特点。

在上述方法的基础上，计算所述待测辅助设备01的实际光轴的位置之后，还包括：

在所述机械臂04上设置激光跟踪仪03靶球，并利用激光跟踪仪03获取所述待测辅助设备01的实际光轴的三维空间信息。

激光跟踪仪03的工作基本原理是在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。简单的说，激光跟踪测量系统的所要解决的问题是静态或动态地跟踪一个在空间中运动的点，同时确定目标点的空间坐标。

本实施例中，激光跟踪仪03是一种典型的球坐标三维坐标测量仪器，其精度是优于机械臂04的定位精度的。如果需要得到各个辅助设备的实际轴线更加精确的位置信息，可在定位实际轴线的同时，利用激光跟踪仪03对位置信息进行更高精度的测量。在机械臂04之上安装激光跟踪仪03靶球，并提前做好标校工作，利用高靶球与激光跟踪仪03就可以获得突破机械臂04精度的子系统光轴位置信息。

进一步的，在所述机械臂04上设置激光跟踪仪03靶球，具体包括：

在所述机械臂04上设置三个所述激光跟踪仪03靶球，所述激光跟踪仪03靶球分别位于直角等边三角形的三个顶点位置。

其中，利用三个位于直角等边三角形，可在空间中确定PSM的姿态与位置，具体的利用激光跟踪仪03测量空间位置请参考现有技术，在此不再赘述。

在另一种具体的实施方式中，图2为本发明实施例提供的一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测系统示意图。

本发明还提供了一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测系统，包括：

位置选取模块，用于选取待测辅助设备01，并计算与所述待测辅助设备01的理想光轴重合的预定位置；

显微镜移动装置，用于将点光源显微镜02移动至所述预定位置；

光源显微镜，用于发射与所述理想光轴平行的准直光至位于所述待测辅助设备01的焦点处的靶面；

判断模块，用于判断所述准直光在所述靶面上形成的光斑是否与靶面中心重合；

计算模块，用于根据所述光斑与所述靶面中心之间的偏离距离计算所述待测辅助设备01的实际光轴的位置，根据所述实际光轴的位置以及所述理想光轴的位置计算光轴位置误差。

进一步的，多光轴光学系统的光轴位置误差检测系统中，所述显微镜移动装置为机械臂04，所述光源显微镜设置于所述机械臂04的移动末端。

进一步的，多光轴光学系统的光轴位置误差检测系统还包括：

设置于所述机械臂04上的三个激光跟踪仪03靶球，所述激光跟踪仪03靶球分别位于直角等边三角形的三个顶点位置；

激光跟踪仪03，用于获取所述待测辅助设备01的实际光轴的三维空间信息。

进一步的，所述光源显微镜发射的所述准直光为功率为0.2mW、直径为6mm的准直激光或者红色LED准直光。

需要指出的是，光源显微镜发射的所述准直光包括但不限于上述准直激光或者红色LED准直光，还可以为其它颜色的LED准直光或者其它功率以及半径参数的准直光，根据需要进行设计，均在保护范围内。

本发明提供多光轴光学系统的光轴位置误差检测系统，利用PSM结合坐标测量设备如激光跟踪仪03，不仅可以在大尺度上确定所测量点的位置，也可以在局部获得较高的位置与角度精度，准确测量实际光轴的位置，对辅助设备的光轴进行准确的调整。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测方法，其特征在于，包括：

选取待测辅助设备，并计算与所述待测辅助设备的理想光轴重合的预定位置；

将点光源显微镜移动至所述预定位置，发射与所述理想光轴平行的准直光至位于所述待测辅助设备的焦点处的靶面；

判断所述准直光在所述靶面上形成的光斑是否与靶面中心重合，若否，则根据所述光斑与所述靶面中心之间的偏离距离计算所述待测辅助设备的实际光轴的位置；

根据所述实际光轴的位置以及所述理想光轴的位置计算光轴位置误差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将点光源显微镜移动至所述预定位置，具体包括：

利用机械臂将点光源显微镜移动至所述预定位置，所述光源显微镜设置于所述机械臂的移动末端。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，计算所述待测辅助设备的实际光轴的位置之后，还包括：

在所述机械臂上设置激光跟踪仪靶球，并利用激光跟踪仪获取所述待测辅助设备的实际光轴的三维空间信息。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述机械臂上设置激光跟踪仪靶球，具体包括：

设置于所述机械臂上的三个激光跟踪仪靶球分别位于直角等边三角形的三个顶点位置。

5.一种多光轴光学系统的光轴位置误差检测系统，其特征在于，包括：

位置选取模块，用于选取待测辅助设备，并计算与所述待测辅助设备的理想光轴重合的预定位置；

显微镜移动装置，用于将点光源显微镜移动至所述预定位置；

光源显微镜，用于发射与所述理想光轴平行的准直光至位于所述待测辅助设备的焦点处的靶面；

判断模块，用于判断所述准直光在所述靶面上形成的光斑是否与靶面中心重合；

计算模块，用于根据所述光斑与所述靶面中心之间的偏离距离计算所述待测辅助设备的实际光轴的位置，根据所述实际光轴的位置以及所述理想光轴的位置计算光轴位置误差。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述显微镜移动装置为机械臂，所述光源显微镜设置于所述机械臂的移动末端。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

设置于所述机械臂上的三个激光跟踪仪靶球分别位于直角等边三角形的三个顶点位置；

激光跟踪仪，用于获取所述待测辅助设备的实际光轴的三维空间信息。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光源显微镜发射的所述准直光为功率为0.2mW、直径为6mm的准直激光或者红色LED准直光。