CN107036791A - 测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置及方法,该装置至少包括光源、平行光管、曲面镜、偏轴镜片组件、测量显微镜，光源在平行光管的前端,在光源和平行光管之间的物镜焦平面处有玻罗板或鉴别率板提供物方像面,曲面镜在平行光管的出口侧,光源照射的物方像面通过平行光管出射平行光束，由曲面镜接收,经过偏轴镜片组件进入像方成像面的测量显微镜，利用测量显微镜进行读数和测量。本发明能提高测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的质量。并能提高装调效率，减轻装调人员的劳动强度。

Description

测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置及方法

技术领域

本发明属于光学系统测量，涉及一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置及方法。

背景技术

光学系统的特性参数是作为光学仪器设计的依据，根据使用要求而提出技术特性要求，从而决定了光学系统的适用范围。测量光学系统的特性参数不仅是验收产品的量化指标，考核其是否达到设计要求的手段，而且也是发现从设计、加工到装配整个过程中所存在的缺陷和问题的手段。

光学系统是由若干光学透镜组成，光学透镜在完成加工和装配后，由于存在加工和装配误差。装配后的物镜最终的焦距、后截距和鉴别率与光学系统最初设计的焦距值、后截距值和鉴别率值存在一定的差异。为了获取物镜焦距、后截距和鉴别率的准确性，必须针对物镜装配后的特性，提出一种满足其特性的焦距、后截距和鉴别率测量方法。

由不共轴(偏轴)透镜、非球面透镜和曲面反射镜(即不共轴光学系统) 加入到经典几何光学中的共轴球面光学系统中，一直存在无法运用几何光学中的焦距、后截距和鉴别率测量实验方法，对不共轴光学系统的焦距、后截距和鉴别率进行测量。只是利用全系统的显示来测量视度、视差、视场，而无法测量不共轴光学系统的焦距、后截距和鉴别率。任何透镜组(含不共轴光学系统)的焦距、后截距和鉴别率(含前面所述的视度、视差、视场等光学性能参数)，都是该光学系统的重要参数，直接影响光学系统的成像质量和装配质量。如果在不共轴光学系统组成的光学仪器装配和生产中，无法实现不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的测量，无法知晓不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率测量结果的正确性，将会造成修切不共轴光学系统物方焦平面的位置的不确定性，以及成像质量的好坏。造成重复装拆和修切，费工费时，甚至报废金工件的现象。

不共轴光学系统无法测量焦距、后截距和鉴别率的原因：

1、将偏轴镜片组件放置在光具座上，将其前端与平行光管的物镜两两相对，在偏轴镜片组件的物方焦平面处放置测量显微镜，无法接受处于平行光管物镜焦平面上玻罗板(物高y)分划板的像面。故无法测量不共轴光学系统的焦距和后截距；若换为鉴别率板分划板，不共轴光学系统的鉴别率也无法测量。

2、由几何光学中两个光组组合的焦距公式

式中：f′——组合物镜焦距；f₁′——第一组物镜焦距f₂′——第二组物镜焦距；d——第一组物镜像方主点和第二组物镜像方主点之间的距离。

通过上述分析得到：不共轴光学系统中的偏轴镜片组的出射光线不是平行光线，是汇聚或发散。无法接受到由光具座上的平行光管发出的平行光线，不满足光学系统焦距的定义，焦距、后截距和鉴别率的测量条件不成立，故无法测量不共轴光学系统的焦距、后截距和鉴别率。

由公式1得到，由偏轴镜片组件的焦距f₁′与平行光管的物镜的焦距f₂′，以及两者之间的距离d构成了新的光学系统。测量结果不是待测偏轴镜片组件的焦距和后截距。则测量结果更是不真实和错误。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置及方法，以便提高测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的质量。达到提高装调效率，减轻装调人员的劳动强度，提高工作效率和提高经济效益的目的。

本发明的目的是这样实现的,一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置,其特征是：至少包括光源、平行光管、曲面镜、偏轴镜片组件、测量显微镜，光源在平行光管的前端,在光源和平行光管之间的物镜焦平面处有玻罗板或鉴别率板提供物方像面,曲面镜在平行光管的出口侧,光源照射的物方像面通过平行光管出射平行光束，由曲面镜接收,经过偏轴镜片组件进入像方成像面的测量显微镜，利用测量显微镜进行读数和测量。

所述的曲面镜和偏轴镜片组件组成了不共轴光学系统，并通过夹持工装固定在光具座平台上。

所述的测量显微镜固定在调节升降台上。

所述的调节升降台包括升降调整机构、二维直线微动调整台和二维角度微动测量台,升降调整机构、二维角度微动测量台和二维直线微动调整台构依次顺序从下至上在高度上进行叠加固定连接，叠加高度低于平行光管的输出像面轴线高度，便于调节测量显微镜光轴与不共轴光学系统光轴的等高。

所述的测量显微镜通过固定座固定在调节升降台的二维直线微动调整台上。

所述夹持工装有两个面和一个底座,两个面中一个为斜面，一个为垂直面，斜面位于垂直面上方向内倾斜，垂直面固定在底座上,斜面用于固定不共轴光学系统，垂直面起高度的支承。

一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率方法,其特征是：其它包括如下步骤：

1)、依据光学系统图和装配工艺的技术要求装配曲面镜、偏轴镜片组件构成不共轴光学系统；

2)、将不共轴光学系统通过夹持工装放置在光具座平台上；

3)、将测量显微镜固定在调节升降台上；

4)、通过光具座平台固定平行光管；

5)、使不共轴光学系统中的曲面镜开口面向平行光管物镜的光轴方向；

6)、将平行光管的出射光轴与曲面镜开口面的接收光轴即不共轴光学系统的光轴等高在一个平面上；

7)、将鉴别率分划板精确地调整到平行光管的物方焦平面处，并点亮光源；

8)、将测量显微镜通过固定座与二维直线微动调整台连接；两个二维直线微动调整台构成X和Y方向微动调整；二维直线微动调整台固定在二维角度微动测量台上面；两个二维角度微动测量台实现X和Y方向角度微动调节；在二维角度微动测量台的下面是升降调整机构；

9)、调整升降调整机构的高低位置，并同时旋转二维角度微动测量台，使测量显微镜的光轴与待测不共轴光学系统的光轴共轴；

10)、调整测量显微镜的目镜看清分划板并无视差，调整二维直线微动调整台，获取平行光管物方焦平面上鉴别率发出的光，通过曲面镜、偏轴镜片组件成像在其物方焦平面的像点；

11)、调节二维直线微动调整台，使鉴别率的像清晰无视差地成像在测量显微镜的分划板上，依据鉴别率测量方法，测量不共轴光学系统的鉴别率；

12)、在平行光管物镜焦平面处换上玻罗板，调节二维直线微动调整台，使玻罗板的像清晰无视差地成像在测量显微镜的分划板上，转动测量显微镜的测微手轮，对一组刻线进行压线读数，并记作A,移动测微手轮至该组刻线的另一端进行压线读数并记作B；通过y′＝A-B得到像高y′；利用光学系统焦距测量方法中的放大率法，对不共轴光学系统的焦距进行测量；

13)、对光具座导轨上的分划线值进行读数，再加上二维直线微动调整台上的刻线值得到C,在偏轴镜片组件的最后一片透镜上做一标记，将二维直线微动调整台上的测量显微镜向偏轴镜片组件的最后一片透镜方向移动，使最后一片透镜上的标记的像清晰无视差地成像在测量显微镜的分划板上，再次对光具座导轨上的分划线值进行读数，再加上二维直线微动调整台上的刻线值得到D,通过l_f′＝C-D得到不共轴光学系统的后截距。

本发明的优点是：

通过设计和制作测量显微镜、二维直线微动调整台、二维角度调整台、升降调整机构组成的二维调整测量装置，设计和制作不共轴光学系统夹持工装与光具座上的平行光管组成焦距、后截距和鉴别率测量系统。再利用二维调整测量装置能够方便快速地在测量显微镜中读取由平行光管焦平面上的玻罗板(物高y)通过不共轴光学系统所成的像(像高y′)，利用光学系统经典焦距测量方法中的放大率法，通过计算公式得到不共轴光学系统的焦距和后截距。然后换上鉴别率分划板，再进行不共轴光学系统鉴别率的测量。达到测量数据的准确和可靠，满足检验规范的技术要求。提高装调效率，减轻装调人员的劳动强度，提高工作效率和提高经济效益的目的。

下面结合实施例附图对本发明进一步说明：

附图说明

图1是不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率测量系统图；

图2是不共轴光学系统焦距测量调节平台示意图；

图3不共轴光学系统的夹持工装；

图4放大率法测量焦距原理图；

图5鉴别率测量焦距原理图。

图中,1、光源；2、平行光管；3、曲面镜；4、偏轴镜片组件；5、测量显微镜；6、不共轴光学系统；7、玻罗板；8、调节升降台；9、待测物镜； 10、鉴别率板；11、夹持工装。

具体实施方式

如图1所示,一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置,至少包括光源1、平行光管2、曲面镜3、偏轴镜片组件4、测量显微镜5，光源 1在平行光管的前端,在光源和平行光管之间的物镜焦平面处有玻罗板7或鉴别率板10提供物方像面,曲面镜在平行光管的出口侧,光源照射的物方像面通过平行光管出射平行光束，由曲面镜接收,经过偏轴镜片组件4进入像方成像面的测量显微镜5，利用测量显微镜5的目镜502进行读数和测量。

所述的曲面镜和偏轴镜片组件组成了不共轴光学系统6，并通过夹持工装 11固定在光具座平台上。偏轴镜片组件和光具座平台属业内已有技术,在这不作过多说明。

如图2所示，所述的调节升降台8包括升降调整机构801、二维直线微动调整台802和二维角度微动测量台803,升降调整机构801、二维角度微动测量台803和二维直线微动调整台802构依次顺序从下至上在高度上进行叠加固定连接，叠加高度低于平行光管的输出像面轴线高度，便于调节测量显微镜光轴与不共轴光学系统光轴的等高。升降调整机构为现有技术，这里就不做详细描述。

所述的测量显微镜通过固定座固定在调节升降台的二维直线微动调整台上。

如图3所示，所述夹持工装有两个面和一个底座,两个面中一个为斜面 110，一个为垂直面111，斜面位于垂直面上方向内倾斜，垂直面固定在底座 112上,斜面用于固定不共轴光学系统，垂直面起高度的支承。

一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率方法,包括如下步骤：

1)、依据光学系统图和装配工艺的技术要求装配曲面镜、偏轴镜片组件构成不共轴光学系统；

2)、将不共轴光学系统通过夹持工装放置在光具座平台上；

3)、将测量显微镜固定在调节升降台上；

4)、通过光具座平台固定平行光管；

5)、使不共轴光学系统中的曲面镜开口面向平行光管物镜的光轴方向；

6)、将平行光管的出射光轴与曲面镜开口面的接收光轴即不共轴光学系统的光轴等高在一个平面上；

7)、将鉴别率分划板精确地调整到平行光管的物方焦平面处，并点亮光源；

8)、将测量显微镜通过固定座与二维直线微动调整台连接；两个二维直线微动调整台构成X和Y方向微动调整；二维直线微动调整台固定在二维角度微动测量台上面；两个二维角度微动测量台实现X和Y方向角度微动调节；在二维角度微动测量台的下面是升降调整机构；

9)、调整升降调整机构的高低位置，并同时旋转二维角度微动测量台，使测量显微镜的光轴与待测不共轴光学系统的光轴共轴；

10)、调整测量显微镜的目镜看清分划板并无视差，调整二维直线微动调整台，获取平行光管物方焦平面上鉴别率发出的光，通过曲面镜、偏轴镜片组件成像在其物方焦平面的像点；

11)、调节二维直线微动调整台，使鉴别率的像清晰无视差地成像在测量显微镜的分划板上，依据鉴别率测量方法，测量不共轴光学系统的鉴别率；

12)、在平行光管物镜焦平面处换上玻罗板，调节二维直线微动调整台，使玻罗板的像清晰无视差地成像在测量显微镜的分划板上，转动测量显微镜的测微手轮，对一组刻线进行压线读数，并记作A,移动测微手轮至该组刻线的另一端进行压线读数并记作B；通过y′＝A-B得到像高y′；利用光学系统焦距测量方法中的放大率法，对不共轴光学系统的焦距进行测量；

13)、对光具座导轨上的分划线值进行读数，再加上二维直线微动调整台上的刻线值得到C,在偏轴镜片组件的最后一片透镜上做一标记，将二维直线微动调整台上的测量显微镜向偏轴镜片组件的最后一片透镜方向移动，使最后一片透镜上的标记的像清晰无视差地成像在测量显微镜的分划板上，再次对光具座导轨上的分划线值进行读数，再加上二维直线微动调整台上的刻线值得到D,通过l_f′＝C-D得到不共轴光学系统的后截距。

1、光学系统的焦距和后截距测量原理：

光学系统的焦距是主点到焦点之间的距离，后截距是焦点到物镜组最后一片透镜顶点之间的距离。焦距是确定光学系统物象关系的重要特性参数，他可以确定物体经光学系统所成像的位置、大小、与虚实等特性。实用焦平面是指白光照明下，无限远物体经透镜全孔径成像最清晰，并且垂直于光轴的平面。由于主点和焦点均为空间无实体的点，则光学系统的焦距与顶焦距无法通过直接测量精确得到。通过光学系统与焦距相关的物象关系测量相关量，通过计算公式间接得到。

如图4所示,常见的光学系统焦距测量方法为放大率法和精密测角法。

放大率法测量焦距的原理是基于光学系统的像高y′与物高y比值等于光学系统的焦距f′与测量标准仪器(平行光管)的焦距f₀′的比值。

式中：f′为待测光学系统的焦距；y′为像高；y为物高；f₀′为平行光管的焦距。

在平行光管焦平面放置玻罗板7，玻罗板7是在平板玻璃上刻划的已知间距的几组平行分划线对作为测量标准物高y。通过待测物镜9成像在其像方焦平面，用测量显微镜测量平行分划线某一组的间距及像高y′，由计算得到。

由于在焦距测量中，使用的测量显微镜5的物镜501将平行分划线某一组的间距及像高y′再次的放大，故光学系统焦距的测量公式需要进入显微镜物镜的放大倍率β和测量显微镜5的目镜502测微丝杠的螺距k，则光学系统的焦距测量公式为

式中：f′为待测光学系统的焦距；y′为像高；y为物高；f₀′为平行光管的焦距。β为显微镜物镜501的放大倍率；k为测微目镜测微丝杠的螺距的倒数。

后截距的测量方法是将在测量物镜组焦点的位置的测量显微镜的位置，从物镜组焦点位置移动到物镜组最后一片透镜顶点之间的距离。

精密测角法不适用不共轴光学系统，测量原理省略。

2、光学系统的鉴别率测量原理：

光学系统的鉴别率是指光学系统所能区分或分辨物体细节的能力。鉴别率是一个数值，测量较容易，对光学系统的成像质量能够达到定量分析。

如图5所示,望远系统的鉴别率表示能分辨的物方无限远处两物点对望远系统入射光瞳中心的张角，用α表示。用栅格状图案做成的鉴别率板10，为了适应不同的光学仪器对鉴别率的检测，按照鉴别率图案中栅格间距的大小组成不同的栅格图案，用所能分辨的一组栅格的线条在四个方向成像同时清晰为标准，通过查找栅格鉴别率图案换算表，得到该光学系统的鉴别率。

也可以通过测量位于光具座上的平行光管物方焦平面上的鉴别率图案，通过计算得到。

式中：α为待测光学系统的鉴别率；2b为对应第n组线条的宽度；f₀′为平行光管的焦距，206265为线值与角度秒的换算常数。

由于目前不共轴光学系统属于科研和试制阶段，产品数量较少，对测量数据的误差分析和测量不确定度的评定，存在一定的局限性。但是在现有的成品中，进行了大量的测量，得到的测量数据和误差分析均能满足不共轴光学系统焦距的技术要求，测量装置、测量方法和测量结果可靠真实。提高了劳动效率，降低了劳动强度，保证了产品装调和质量。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (7)

1.一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置,其特征是：至少包括光源、平行光管、曲面镜、偏轴镜片组件、测量显微镜，光源在平行光管的前端,在光源和平行光管之间的物镜焦平面处有玻罗板或鉴别率板提供物方像面,曲面镜在平行光管的出口侧,光源照射的物方像面通过平行光管出射平行光束，由曲面镜接收,经过偏轴镜片组件进入像方成像面的测量显微镜，利用测量显微镜进行读数和测量。

2.根据权利要求1所述的一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置,其特征是：所述的曲面镜和偏轴镜片组件组成了不共轴光学系统，并通过夹持工装固定在光具座平台上。

3.根据权利要求1所述的一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置,其特征是：所述的测量显微镜固定在调节升降台上。

4.根据权利要求2或3所述的一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置,其特征是：所述的调节升降台包括升降调整机构、二维直线微动调整台和二维角度微动测量台,升降调整机构、二维角度微动测量台和二维直线微动调整台构依次顺序从下至上在高度上进行叠加固定连接，叠加高度低于平行光管的输出像面轴线高度，便于调节测量显微镜光轴与不共轴光学系统光轴的等高。

5.根据权利要求4所述的一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置,其特征是：所述的测量显微镜通过固定座固定在调节升降台的二维直线微动调整台上。

6.根据权利要求2所述的一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率的装置,其特征是：所述夹持工装有两个面和一个底座,两个面中一个为斜面，一个为垂直面，斜面位于垂直面上方向内倾斜，垂直面固定在底座上,斜面用于固定不共轴光学系统，垂直面起高度的支承。

7.一种测量不共轴光学系统焦距、后截距和鉴别率方法,其特征是：其它包括如下步骤：

1)、依据光学系统图和装配工艺的技术要求装配曲面镜、偏轴镜片组件构成不共轴光学系统；

2)、将不共轴光学系统通过夹持工装放置在光具座平台上；

3)、将测量显微镜固定在调节升降台上；

4)、通过光具座平台固定平行光管；

5)、使不共轴光学系统中的曲面镜开口面向平行光管物镜的光轴方向；

6)、将平行光管的出射光轴与曲面镜开口面的接收光轴即不共轴光学系统的光轴等高在一个平面上；

7)、将鉴别率分划板精确地调整到平行光管的物方焦平面处，并点亮光源；

8)、将测量显微镜通过固定座与二维直线微动调整台连接；两个二维直线微动调整台构成X和Y方向微动调整；二维直线微动调整台固定在二维角度微动测量台上面；两个二维角度微动测量台实现X和Y方向角度微动调节；在二维角度微动测量台的下面是升降调整机构；

9)、调整升降调整机构的高低位置，并同时旋转二维角度微动测量台，使测量显微镜的光轴与待测不共轴光学系统的光轴共轴；

10)、调整测量显微镜的目镜看清分划板并无视差，调整二维直线微动调整台，获取平行光管物方焦平面上鉴别率发出的光，通过曲面镜、偏轴镜片组件成像在其物方焦平面的像点；

11)、调节二维直线微动调整台，使鉴别率的像清晰无视差地成像在测量显微镜的分划板上，依据鉴别率测量方法，测量不共轴光学系统的鉴别率；

12)、在平行光管物镜焦平面处换上玻罗板，调节二维直线微动调整台，使玻罗板的像清晰无视差地成像在测量显微镜的分划板上，转动测量显微镜的测微手轮，对一组刻线进行压线读数，并记作A,移动测微手轮至该组刻线的另一端进行压线读数并记作B；通过y′＝A-B得到像高y′；利用光学系统焦距测量方法中的放大率法，对不共轴光学系统的焦距进行测量；

13)、对光具座导轨上的分划线值进行读数，再加上二维直线微动调整台上的刻线值得到C,在偏轴镜片组件的最后一片透镜上做一标记，将二维直线微动调整台上的测量显微镜向偏轴镜片组件的最后一片透镜方向移动，使最后一片透镜上的标记的像清晰无视差地成像在测量显微镜的分划板上，再次对光具座导轨上的分划线值进行读数，再加上二维直线微动调整台上的刻线值得到D,通过l_f′＝C-D得到不共轴光学系统的后截距。