CN108121049A - 一种多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遥感相机镜头的装调测试方法、光学系统及干涉光路系统。其中，该方法包括以下步骤：组成光学系统；建立干涉测量光路系统；使用经纬仪测量和确定待测光学系统通道的中心视场；根据次镜和红外三镜反射面上光斑的位置，确定次镜和红外三镜的安装位置；得到系统波前的zernike系数ΔF；得到灵敏度矩阵A；得到失调量ΔX；直至系统波像差与设计值像差在0.03λ以内；观察像点在模拟焦面的位置，如果像点落在设计位置则进入下一步；拆除模拟焦面，测量系统波前W1；复测系统波前W2；若W2和W1的差值小于预设值，则装调测试完成。本发明解决多元件复杂光学系统多通道成像、分视场成像、大像差装调的技术难点。

Description

一种多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法

技术领域

本发明属于光学遥感器光机装调和测试领域，尤其涉及一种多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法。

背景技术

一方面，离轴三反光学系统由于具有无中心遮拦、成像质量好、视场大、结构紧凑等优点得到了广泛的应用。另一方面，鉴于目标在不同波段下的光谱特征有较大差异，多谱段成像在资源普查、立体测绘、灾害预防等遥感领域方优势明显。因此，多通道多谱段离轴成像系统成为光学遥感相机的研究热点。

多通道多谱段相机的成像系统光路复杂，同一成像通道不同视场使用光学系统各反射镜镜面不同区域，不同成像通道更是使用各反射镜镜面不同区域，并且入瞳在主镜后面，无法限制入瞳孔径。由于光机系统初装时出瞳位置和设计位置偏差较大，无法确定出瞳准确位置。因此，光学系统装调时必须对各反射镜反射面孔径进行限制，避免各自通道孔径外的光束进入；其次由于是多谱段成像，红外通道装调时，在可见光干涉光路中，系统属于带像差装调，必须考虑像质补偿才能形成干涉检测。

针对上述问题的多谱段多通道离轴成像系统的装调和检测并未见公开的资料报道。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种遥感相机镜头的装调测试方法、光学系统及干涉光路系统，解决多元件复杂光学系统多通道成像、分视场成像、大像差装调的技术难点。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法，所述方法包括以下步骤：

(1)组成光学系统；其中，光学系统包括主镜、次镜、红外三镜、折反镜、可见三镜和折反镜；

(2)以光学系统的主镜作为装调基准，建立干涉测量光路系统；其中，干涉测量光路系统包括大口径平面波干涉仪、光学系统、球面波干涉仪、气浮平台、支撑平台和球面波干涉仪调节工装；

(3)使用经纬仪测量和确定待测光学系统通道的中心视场；

(4)将主镜光阑板安装于主镜，将次镜光阑板安装于次镜，将红外三镜光阑板安装于红外三镜；以主镜作为装调基准保持不动，根据次镜和红外三镜上光斑的位置，确定次镜和红外三镜的安装位置；

(5)分别采集大口径平面波干涉仪和球面波干涉仪的干涉数据，得到系统波前的zernike系数ΔF；

(6)利用光学仿真软件和计算机辅助装调原理，得到光学系统的主镜、次镜、红外三镜的灵敏度矩阵A；

(7)根据zernike系数ΔF得到光学系统的主镜、次镜、红外三镜的失调量ΔX；

(8)根据失调量ΔX调整主镜、次镜、红外三镜的空间位置，直至系统波像差与设计值像差在0.03λ以内，其中，λ为光波长；

(9)将模拟焦面安装在光学系统的像面位置，观察像点在模拟焦面的位置，如果像点落在设计位置则进入下一步，否则重复步骤(4)～(8)的操作，直至像点落在设计位置；其中，像点为光学系统的会聚点；

(10)拆除模拟焦面，根据干涉测量光路，测量系统波前W1；固定住主镜、次镜和红外三镜，复测系统波前W2；

(11)若W2和W1的差值小于预设值，则装调测试完成。

上述多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法中，在步骤(1)中，平行入射光经主镜反射到达次镜，然后分成两路光，一路光经过红外三镜后在红外探测器上会聚成像；另一路光经过折反镜反射到可见三镜，经过可见三镜和折反镜的反射后在可见光探测器上会聚成像。

上述多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法中，在步骤(2)中，大口径平面波干涉仪设置于气浮平台上部；支撑平台设置于气浮平台上部；光学系统设置于支撑平台上部；球面波干涉仪调节工装设置于支撑平台上部；球面波干涉仪设置于球面波干涉仪调节工装上；其中，大口径平面波干涉仪发射平行光经过光学系统会聚到球面波干涉仪的标准头，然后经球面波干涉仪的标准头反射后，经光学系统原路返回进入大口径平面波干涉仪，大口径平面波干涉仪进行干涉成像。

上述多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法中，在步骤(2)中，球面波干涉仪反射球面波，经光学系统变为平行光到达大口径平面波干涉仪，然后经大口径平面波干涉仪的标准平面镜反射后，经光学系统原路返回进入球面波干涉仪，球面波干涉仪进行干涉成像。

上述多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法中，在步骤(7)中，失调量ΔX的公式为：ΔF＝AΔX。

上述多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法中，在步骤(11)中，所述预设值为0-3‰。

根据本发明的另一方面，还提供了一种多谱段多通道遥感相机镜头的装调光学系统，包括：主镜、次镜、红外三镜、折反镜、可见三镜和折反镜；其中，平行入射光经主镜反射到达次镜，然后分成两路光，一路光经过红外三镜后在红外探测器上会聚成像；另一路光经过折反镜反射到可见三镜，经过可见三镜和折反镜的反射后在可见光探测器上会聚成像。

上述多谱段多通道遥感相机镜头的装调光学系统中，还包括：主镜光阑板、次镜光阑板和红外三镜光阑板；其中，主镜光阑板安装于主镜，次镜光阑板安装于次镜，红外三镜光阑板安装于红外三镜。

根据本发明的又一方面，还提供了一种多谱段多通道遥感相机镜头的装调干涉测量光路系统，包括：如本发明另一方面所述的光学系统、大口径平面波干涉仪、球面波干涉仪、气浮平台、支撑平台和球面波干涉仪调节工装；其中，大口径平面波干涉仪设置于气浮平台上部；支撑平台设置于气浮平台上部；光学系统设置于支撑平台上部；球面波干涉仪调节工装设置于支撑平台上部；球面波干涉仪设置于球面波干涉仪调节工装上；其中，大口径平面波干涉仪发射平行光经过光学系统会聚到球面波干涉仪的标准头，然后经球面波干涉仪的标准头反射后，经光学系统原路返回进入大口径平面波干涉仪，大口径平面波干涉仪进行干涉成像。

上述多谱段多通道遥感相机镜头的装调干涉测量光路系统中，还包括：球面波干涉仪反射球面波，经光学系统变为平行光到达大口径平面波干涉仪，然后经大口径平面波干涉仪的标准平面镜反射后，经光学系统原路返回进入球面波干涉仪，球面波干涉仪进行干涉成像。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明运用孔径限制技术解决了遥感相机采用多谱段多通道、分视场成像的设计方式造成的光学系统无实物孔径光阑的问题；

(2)本发明采用像质补偿技术，结合计算机辅助装调技术解决了光学系统大像差，无法建立可测干涉光路的问题，实现了光学系统的干涉测试和装调；

(3)本发明使用模拟焦面技术，结合计算机辅助装调技术，解决了多部组件安装定位、光学系统与支撑结构关系定位的问题，确保了光学系统波像差、光学系统与支撑结构之间位置关系两方面都满足设计要求。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的多谱段多通道遥感相机镜头的装调光学系统的示意图；

图2是本发明实施例提供的入射光孔径限制技术示意图；

图3是本发明实施例提供的多谱段多通道遥感相机镜头的装调干涉测量光路系统的示意图；

图4是本发明实施例提供的模拟焦面示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本实施的光学系统包括：主镜1、次镜2、红外三镜3、折反镜4、可见三镜5和折反镜6。其中部件1-3构成红外通道，1、2、4、5和6构成可见光通道。可见光通道和红外通道之间存在一个固定夹角的视场。

如图2所示，孔径限制技术通过光阑板8实现，光阑板8安装在反射镜组件7的镜框耳片上或镜框上。需要理解的是，光阑板8是对主镜光阑板、次镜光阑板和红外三镜光阑板总的一个概括，在这里，光阑板8可以是主镜光阑板、也可以是次镜光阑板、也可以是红外三镜光阑板，反射镜组件7代表的是主镜1、次镜2和红外三镜3。

如图3所示，进行镜头光学系统装调测试时，整个测试系统架设在气浮平台40上。大口径平面波干涉仪10(可使用大口径平面镜代替)架设在待测光学系统20的入瞳一侧，球面波干涉仪30架设在待测光学系统20的像面一侧，，球面波干涉仪调节工装60安装在支撑平台50上，球面波干涉仪30安装在球面波干涉仪调节工装60；建立干涉测量自准直光路，用于在光学系统装调和测试时测试系统的波像差系数。

如图4所示，模拟焦面安装在光学系统像面处，由带刻线玻璃板及其支撑结构组成。玻璃板大小与探测器尺寸一致，通过刻线等分为多个视场。

实施例

多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法包括如下步骤：

(1)将各反射镜装框，得到图1所示的光学组件1-6，将光学组件1-6安装在支撑结构上；组成光学系统，光学系统包括主镜1、次镜2、红外三镜3、折反镜4、可见三镜5和折反镜6；平行入射光经主镜1反射到达次镜2，然后分成两路光，一路光经过红外三镜3后在红外探测器上会聚成像；另一路光经过折反镜4反射到可见三镜5，经过可见三镜5和折反镜6的反射后在可见光探测器上会聚成像。

(2)以主镜1作为装调基准，建立图3所示干涉测量光路；干涉测量光路包括大口径平面波干涉仪10、光学系统20、球面波干涉仪30、气浮平台40、支撑平台50和球面波干涉仪调节工装60；大口径平面波干涉仪10设置于气浮平台40上部；支撑平台50设置于气浮平台40上部；光学系统20设置于支撑平台50上部；球面波干涉仪调节工装60设置于支撑平台50上部；球面波干涉仪30设置于球面波干涉仪调节工装60上。大口径平面波干涉仪10发射平行光经过光学系统20会聚到球面波干涉仪30的标准头，然后经球面波干涉仪30的标准头反射后，经光学系统20原路返回进入大口径平面波干涉仪10，大口径平面波干涉仪10进行干涉成像。

球面波干涉仪30反射球面波，经光学系统20变为平行光到达大口径平面波干涉仪10，然后经大口径平面波干涉仪10的标准平面镜反射后，经光学系统20原路返回进入球面波干涉仪30，球面波干涉仪30进行干涉成像。

(3)使用经纬仪测量和确定待测光学系统20通道的中心视场；

(4)运用图2所示的孔径限制技术，通过光学仿真软件对入射光线的追迹确定入射光在反射镜表面所占的区域，制作与入射光所占区域相匹配的金属或塑料光阑板，将光阑板安装固定在各光学组件在反射镜面一侧，光阑板距离反射镜镜面不超过1mm；将主镜1光阑板、次镜2光阑板、红外三镜3光阑板依次安装主镜1、次镜2、红外三镜3上；以主镜1作为装调基准保持不动，根据次镜2和红外三镜3上光斑的位置，确定次镜2和红外三镜3的安装安装位置。

(5)保持图3所示干涉测量光路不变，分别采集大口径平面波干涉仪10和球面波干涉仪30的干涉数据，得到系统波前的zernike系数ΔF；

(6)利用光学仿真软件和计算机辅助装调原理，得到光学系统的主镜1、次镜2、红外三镜3的灵敏度矩阵A；

(7)根据计算机辅助装调原理公式(1)和步骤(5)实测得到的zernike系数ΔF，得到光学系统的主镜1、次镜2、红外三镜3的失调量ΔX；

ΔF＝AΔX (1)

(8)根据失调量ΔX调整主镜1、次镜2、红外三镜3的空间位置，直至系统波像差与设计值像差在0.03λ以内；其中，λ为光波长；

(9)安装图4所示模拟焦面，观察像点位置，如果像点落在设计位置则进入下一步，否则微调除主镜以外的反射镜组件，重复步骤(4)～(8)的操作，直至像点落在设计位置；将模拟焦面安装在光学系统20的像面位置，观察像点(光学系统20的会聚点)在模拟焦面的位置，如果像点落在设计位置则进入下一步，否则微调次镜2、红外三镜3，重复步骤(4)～(8)的操作，直至像点落在设计位置；

(10)拆除模拟焦面，根据干涉测量光路，测量系统波前W1；锁紧主镜1、次镜2、红外三镜3，复测系统波前W2；

若W2＝W1，或变化很细微(小于3‰)，则系统装调测试完成；若超出变化范围，则松开各组件，重新锁紧，直至锁紧前后系统波前变化满足要求。

如图1所示，本实施例还提供了一种多谱段多通道遥感相机镜头的装调光学系统，包括：主镜1、次镜2、红外三镜3、折反镜4、可见三镜5和折反镜6；其中，平行入射光经主镜1反射到达次镜2，然后分成两路光，一路光经过红外三镜3后在红外探测器上会聚成像；另一路光经过折反镜4反射到可见三镜5，经过可见三镜5和折反镜6的反射后在可见光探测器上会聚成像。

上述实施例中，还包括主镜光阑板、次镜光阑板和红外三镜光阑板；其中，主镜光阑板安装于主镜1，次镜光阑板安装于次镜2，红外三镜光阑板安装于红外三镜3。

本实施例还提供了一种多谱段多通道遥感相机镜头的装调干涉测量光路系统，包括：光学系统20、大口径平面波干涉仪10、球面波干涉仪30、气浮平台40、支撑平台50和球面波干涉仪调节工装60。光学系统20在上面的实施例中已经详细描述，在此不再赘述。其中，

大口径平面波干涉仪10设置于气浮平台40上部；支撑平台50设置于气浮平台40上部；光学系统20设置于支撑平台50上部；球面波干涉仪调节工装60设置于支撑平台50上部；球面波干涉仪30设置于球面波干涉仪调节工装60上。大口径平面波干涉仪10发射平行光经过光学系统20会聚到球面波干涉仪30的标准头，然后经球面波干涉仪30的标准头反射后，经光学系统20原路返回进入大口径平面波干涉仪10，大口径平面波干涉仪10进行干涉成像。

球面波干涉仪30反射球面波，经光学系统20变为平行光到达大口径平面波干涉仪10，然后经大口径平面波干涉仪10的标准平面镜反射后，经光学系统20原路返回进入球面波干涉仪30，球面波干涉仪30进行干涉成像。

本实施例运用孔径限制技术解决了遥感相机采用多谱段多通道、分视场成像的设计方式造成的光学系统无实物孔径光阑的问题；并且本实施例采用像质补偿技术，结合计算机辅助装调技术解决了光学系统大像差，无法建立可测干涉光路的问题，实现了光学系统的干涉测试和装调；并且本实施例使用模拟焦面技术，结合计算机辅助装调技术，解决了多部组件安装定位、光学系统与支撑结构关系定位的问题，确保了光学系统波像差、光学系统与支撑结构之间位置关系两方面都满足设计要求。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)组成光学系统；其中，光学系统包括主镜(1)、次镜(2)、红外三镜(3)、折反镜(4)、可见三镜(5)和折反镜(6)；

(2)以光学系统的主镜(1)作为装调基准，建立干涉测量光路系统；其中，干涉测量光路系统包括大口径平面波干涉仪(10)、光学系统(20)、球面波干涉仪(30)、气浮平台(40)、支撑平台(50)和球面波干涉仪调节工装(60)；

(3)使用经纬仪测量和确定待测光学系统通道的中心视场；

(4)将主镜光阑板安装于主镜(1)，将次镜光阑板安装于次镜(2)，将红外三镜光阑板安装于红外三镜(3)；以主镜(1)作为装调基准保持不动，根据次镜(2)和红外三镜(3)上光斑的位置，确定次镜(2)和红外三镜(3)的安装位置；

(5)分别采集大口径平面波干涉仪(10)和球面波干涉仪(30)的干涉数据，得到系统波前的zernike系数ΔF；

(6)利用光学仿真软件和计算机辅助装调原理，得到光学系统的主镜(1)、次镜(2)、红外三镜(3)的灵敏度矩阵A；

(7)根据zernike系数ΔF得到光学系统的主镜(1)、次镜(2)、红外三镜(3)的失调量ΔX；

(8)根据失调量ΔX调整主镜(1)、次镜(2)、红外三镜(3)的空间位置，直至系统波像差与设计值像差在0.03λ以内，其中，λ为光波长；

(9)将模拟焦面安装在光学系统(20)的像面位置，观察像点在模拟焦面的位置，如果像点落在设计位置则进入下一步，否则重复步骤(4)～(8)的操作，直至像点落在设计位置；其中，像点为光学系统(20)的会聚点；

(10)拆除模拟焦面，根据干涉测量光路，测量系统波前W1；固定住主镜(1)、次镜(2)和红外三镜(3)，复测系统波前W2；

(11)若W2和W1的差值小于预设值，则装调测试完成。

2.根据权利要求1所述的多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法，其特征在于：在步骤(1)中，平行入射光经主镜(1)反射到达次镜(2)，然后分成两路光，一路光经过红外三镜(3)后在红外探测器上会聚成像；另一路光经过折反镜(4)反射到可见三镜(5)，经过可见三镜(5)和折反镜(6)的反射后在可见光探测器上会聚成像。

3.根据权利要求1所述的多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法，其特征在于：在步骤(2)中，大口径平面波干涉仪(10)设置于气浮平台(40)上部；支撑平台(50)设置于气浮平台(40)上部；光学系统(20)设置于支撑平台(50)上部；球面波干涉仪调节工装(60)设置于支撑平台(50)上部；球面波干涉仪(30)设置于球面波干涉仪调节工装(60)上；其中，大口径平面波干涉仪(10)发射平行光经过光学系统(20)会聚到球面波干涉仪(30)的标准头，然后经球面波干涉仪(30)的标准头反射后，经光学系统(20)原路返回进入大口径平面波干涉仪(10)，大口径平面波干涉仪(10)进行干涉成像。

4.根据权利要求3所述的多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法，其特征在于：在步骤(2)中，球面波干涉仪(30)反射球面波，经光学系统(20)变为平行光到达大口径平面波干涉仪(10)，然后经大口径平面波干涉仪(10)的标准平面镜反射后，经光学系统(20)原路返回进入球面波干涉仪(30)，球面波干涉仪(30)进行干涉成像。

5.根据权利要求1所述的多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法，其特征在于：在步骤(7)中，失调量ΔX的公式为：ΔF＝AΔX。

6.根据权利要求1所述的多谱段多通道遥感相机镜头的装调测试方法，其特征在于：在步骤(11)中，所述预设值为0-3‰。

7.一种多谱段多通道遥感相机镜头的装调光学系统，其特征在于包括：主镜(1)、次镜(2)、红外三镜(3)、折反镜(4)、可见三镜(5)和折反镜(6)；其中，平行入射光经主镜(1)反射到达次镜(2)，然后分成两路光，一路光经过红外三镜(3)后在红外探测器上会聚成像；另一路光经过折反镜(4)反射到可见三镜(5)，经过可见三镜(5)和折反镜(6)的反射后在可见光探测器上会聚成像。

8.根据权利要求7所述的多谱段多通道遥感相机镜头的装调光学系统，其特征在于还包括：主镜光阑板、次镜光阑板和红外三镜光阑板；其中，主镜光阑板安装于主镜(1)，次镜光阑板安装于次镜(2)，红外三镜光阑板安装于红外三镜(3)。

9.一种多谱段多通道遥感相机镜头的装调干涉测量光路系统，其特征在于包括：如权利要求7至8中任一项所述的光学系统、大口径平面波干涉仪(10)、球面波干涉仪(30)、气浮平台(40)、支撑平台(50)和球面波干涉仪调节工装(60)；其中，

大口径平面波干涉仪(10)设置于气浮平台(40)上部；支撑平台(50)设置于气浮平台(40)上部；光学系统(20)设置于支撑平台(50)上部；球面波干涉仪调节工装(60)设置于支撑平台(50)上部；球面波干涉仪(30)设置于球面波干涉仪调节工装(60)上；其中，大口径平面波干涉仪(10)发射平行光经过光学系统(20)会聚到球面波干涉仪(30)的标准头，然后经球面波干涉仪(30)的标准头反射后，经光学系统(20)原路返回进入大口径平面波干涉仪(10)，大口径平面波干涉仪(10)进行干涉成像。

10.根据权利要求9所述的多谱段多通道遥感相机镜头的装调干涉测量光路系统，其特征在于还包括：球面波干涉仪(30)反射球面波，经光学系统(20)变为平行光到达大口径平面波干涉仪(10)，然后经大口径平面波干涉仪(10)的标准平面镜反射后，经光学系统(20)原路返回进入球面波干涉仪(30)，球面波干涉仪(30)进行干涉成像。