CN108426700B - 一种重力对镜头光轴指向影响的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种重力对镜头光轴指向影响的检测方法。利用镜头自身光学系统自准直技术，通过在光学镜头焦面上安装一个光源和接收器件，并在镜头入光口增加小平面反镜和角锥棱镜。利用图像质心算法确定小平面反镜反射光线在接收器件上形成的光斑和角锥棱镜反射镜光线形成的参考光斑中心位置，通过光轴指向变化前后光斑中心位置的变化，可以以较高精度获取光轴指向的变化。

Description

一种重力对镜头光轴指向影响的检测方法

技术领域

本发明属于光学遥感器技术领域，涉及一种对光学镜头光轴指向变化的检测方法。

背景技术

光学镜头光轴指向检测是空间光学遥感器光学镜头装调过程中必不可少的重要环节。大口径长焦距光学镜头中反射镜尺寸大、面形质量要求高、反射镜之间的相对位置固定困难。在装调测试研制过程中受外部环境的影响，如温度环境变化等，光学镜头光轴将发生变化。为了实时检测不同环境条件下光学系统光轴的变化，需要在装调、测试过程中实时检测镜头光轴指向的变化。同时，光学镜头一般在光轴水平状态下进行装调，由于镜头在光轴方向尺寸较大，这时反射镜和支撑结构受重力作用的影响较大，光轴指向相对在轨状态有较大差异；而光轴竖直状态下反射镜和支撑结构受重力影响相对较小，反射镜的相对位置关系和光轴的指向更接近光学遥感器在太空失重的状态，但是在光轴竖直时光轴指向的变化采用传统的方法难以进行检测，为此需要在光轴水平状态下装调，在光轴竖直状态下检测光轴指向的变化以评估空间光学镜头在太空失重环境下光轴指向的变化。

目前光轴指向变化检测普遍采用的方法是镜头装调完成后，在结构件上引出基准镜，同时在镜头的焦面处放置一个模拟焦面，在镜头光轴指向发生变化时，用经纬仪瞄准模拟焦面中心靶标和引出基准镜的关系，检测光学系统的光轴指向。这种方法存在以下缺点：

1.受经纬仪检测条件的限制，在光轴竖直状态下(入光口向上时)，无法检测光轴的变化；

2.检测精度较低，只能达到10角秒左右；

3.模拟焦面受重力作用和热作用时，相对光学镜头可能产生位移使光轴位置变化测量不准确；

4.检测效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种重力对镜头光轴指向影响的检测方法，解决大口径长焦距光学镜头在光轴水平装调完成后受重力作用或其他环境因素作用引起的光轴指向变化的高精度检测问题。

本发明所采用的技术方案是：一种重力对镜头光轴指向影响的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：选择接收器件的像元尺寸和有效感光面面积；

步骤二：选择LCD光源的功率，确定平面反射镜和角锥棱镜的反射面积；

步骤三：在镜头的焦面位置处安装接收器件、LCD光源和半反半透棱镜，LCD光源发出的光经过半反半透棱镜后进入接收器件和镜头；调整LCD光源和接收器件的位置，使接收器件和LCD光源在镜头焦深范围内，固定接收器件、LCD光源和半反半透棱；

步骤四：在镜头出光口边缘位置安装平面反射镜和角锥反射镜；调整平面反射镜和角锥棱镜的位置，使通过平面反射镜反射的光和通过角锥棱镜反射的光分布成像在接收器件的不同位置且光斑位置靠近接收器件中心像元，固定平面反射镜和角锥棱镜；

步骤五：在镜头光轴水平状态下，将镜头放置在隔振平台上稳定静止后，关闭环境内其他杂光，开启LCD光源，调整LCD光源的亮度，使接收器件上探测到光斑；存储接收器件输出的平面反射镜反射光斑和角锥棱镜反射光斑图像；

步骤六：将镜头翻转至光轴竖直状态下，将镜头放置在隔振平台上稳定静止后，开启LCD光源，记录接收器件输出的平面反射镜反射光斑和角锥棱镜反射光斑图像；

步骤七：对步骤五、步骤六中记录的图像进行处理提出光斑质心位置，获得镜头光轴水平状态下，平面反射镜反射光斑在像面坐标系下质心位置坐标(X1，Y1)和角锥棱镜反射光斑中心在像面坐标系下质心位置坐标(X2，Y2)；获得镜头光轴数值状态下，平面反射镜反射光斑在像面坐标系下质心位置坐标(X1’，Y1’)和角锥棱镜反射光斑中心在像面坐标系下质心位置坐标(X2’，Y2’)；

步骤八：利用如下公式计算获得在重力作用下，镜头光轴指向的变化：

镜头光轴指向绕像面坐标系X轴方向的变化角度为：

镜头(3)光轴指向绕像面坐标系Y轴方向的变化角度为：

所述步骤一的具体方法为：根据镜头的焦距f、监测的角度精度σ和夹角可能预估的变化范围α，选择接收器的像元尺寸，接收器件像元尺寸小于等于10·f·tgσ；接收器件有效感光面面积大于等于2·f·tgα×2·f·tgα。

所述步骤二中，平面反射镜和角锥棱镜的反射面积需满足如下条件：LCD光源最大功率和平面反射镜和角锥棱镜的反射面积保证从焦面LCD光源发出的光经过镜头出射后在镜头前端通过平面反射镜和角锥棱镜反射后在接收器件上成像后的能量大于像元能量饱和的90％。

所述步骤四中，平面反射镜和角锥棱镜通过支撑结构安装在镜头上；平面反射镜的面形小于等于0.1波长，角锥棱镜的角度误差小于等于1″；平面反射镜和角锥棱镜及支撑结构遮挡相机的有效通光口径不超过5％。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)相对传统测试方法，本方法检测精度高，当光学系统的焦距为1m，接收器件的像元尺寸为10μm时，按照0.1像元的质心位置提取精度，检测光轴指向角度变化的精度可达到0.2秒，甚至更高；检测精度较经纬仪要高出许多。

(2)检测装置尺寸小，重量轻，实施简便，环境条件限制小，通过通用的质心提取算法程序即可完成检测。

(3)本检测方法检测时间周期短，操作简便，通过计算机程序，检测一次时间周期小于1s，节省了检测时间，提高了检测效率。

附图说明

图1为平面反射镜反射光路图；

图2为角锥棱镜反射光路图；

图3为测量系统布置图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的检测方法采用自准直原理，利用已经装调完成的大口径光学镜头，在镜头的焦面位置上安装一个光源1，光源1发出的光经过一个半反半透棱镜2和光学镜头3后出射。在光学镜头3口径前端边沿同时安装一个平面反射镜4和角锥棱镜5。从光学镜头3出射的不同子口径内的光线经过平面反射镜4和角锥棱镜5反射后，再次进入光学镜头3。经过半反半透棱镜2反射在接收器件6上分别成像。由于平面反射镜4反射的光线与角锥棱镜5反射的光线入射的角度不同，在接收器件6上将获得两个光斑影像。小平面镜形成的光斑反映了镜头光轴的变化和焦面自身的变化，角锥棱镜5反射形成的光斑是参考光斑，光斑位置的变化反映焦面自身的变化。通过前后两次测量光斑位置的变化可确定光轴指向的变化。

在该测量方法中，光斑位置变化的主要因素有光学镜头中由于反射镜7和反射镜8相对位置变化引起的光轴位置变化、接收器件6和半反半透棱镜2以及光源1之间的相对位置的变化，平面反射镜4和角锥棱镜5自身位置的相对变化。由于平面反射镜4和角锥棱镜5尺寸较小质量较轻，且支撑结构采用殷钢等低膨胀合金，平面反射镜4和角锥棱镜5在两次测量过程中相对安装固定结构的位置可认为保持恒定。通过角锥棱镜5反射的光线原路返回，光学系统光轴位置的变化对光斑位置变化没有影响。前后两次角锥棱镜5反射的光线形成的光斑位置不同是由于接收器件6、半反半透棱镜2和光源1三者之间相对位置的变化引起的光斑变化。通过平面反射镜4反射形成的光斑不仅受光学系统自身光轴指向变化的影响，还受到接收器件6和半反半透棱镜2相对位置变化的影响。

本测量方法中，应确保接收器件6感光区域足够大，可以同时收到两个分开的光斑，并有足够的测量量程范围。可以通过调整平面反射镜4的法线，使两个初始光斑位于接收器件的中心位置附近。可以通过遮挡角锥棱镜5或平面反射镜4辨别反射光线对应的光斑位置。同时需要选择匹配光源1的亮度和光谱范围、平面反射镜4的直径和接收器件6的像元尺寸和光谱响应度。

本发明的方法的特点是利用被检测大口径长焦距光学系统自身和平面反射镜4自准直，并采用角锥棱镜5形成参考光斑，避免接收器件6和半反半透棱镜2位置的变化而引入的测量误差，提高了光轴指向的测量精度。由于光学系统两次测量中的焦距变化相对较小，对计算结果影响非常小，在计算光轴指向夹角变化时，可以采用变化之前的焦距值。通过质心提取算法计算光斑质心位置，光斑质心位置提取精度可达到微米、亚微米级。光轴指向确定精度可达到秒级。

假设光学系统的焦距为f；

接收器件的像元尺寸为d；

像元质心提取精度为0.1d；

光轴指向预计变化为±α；

光轴水平状态装调时：

角锥棱镜5反射所成的光斑质心位置为(X1，Y1)；

平面反射镜4反射所成的光斑质心位置为(X2，Y2)；

光轴竖直状态下，光轴指向发生变化时：

角锥棱镜5反射所成的光斑质心位置为(X1’，Y1’)；

平面反射镜4反射所成的光斑质心位置为(X2’，Y2’)；

光轴指向绕X轴角度变化为

光轴指向绕Y轴角度变化为

光轴指向的测量精度为：arctg(d/10f)；

接收器件6的感光面尺寸应不小于2·f·tgα×2·f·tgα；

镜头3由主镜7和次镜8组成。

如图3所示，一种重力对镜头光轴指向影响的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：选择接收器件6像元尺寸和大小。根据镜头3的焦距f、监测的角度精度σ和夹角可能预估的变化范围α，选择接收器6的像元尺寸。接收器件6像元尺寸应小于等于10·f·tgσ。接收器件6有效感光面面积大小应大于等于2·f·tgα×2·f·tgα。

步骤二：选择LCD光源1的功率，确定平面反射镜4和角锥棱镜5的反射面积，LCD光源1的功率应可以调整，LCD光源1最大功率和平面反射镜4和角锥棱镜5的反射面积应确保从焦面LCD光源1发出的光经过镜头3出射后在镜头3前端通过平面反射镜4和角锥棱镜5反射后在接收器件6上成像后能量大于像元能量饱和的90％。

步骤三：在镜头3的焦面位置处安装接收器件6、LCD光源1和半反半透棱镜2及接收器件6和LCD光源1的其他电子学。调整LCD光源1和接收器件6的位置，使接收器件6和LCD光源1在镜头焦深范围内，固定接收器件6、LCD光源1和半反半透棱2，固定结构应确保接收器件6、LCD光源1和半反半透棱镜2相对镜头位置保持不变。

步骤四：在镜头3出光口边缘位置安装平面反射镜4和角锥反射镜5。平面反射镜4的面形应优于0.1波长，角锥棱镜5的角度误差小于等于1″。平面反射镜4和角锥棱镜5及支撑结构11遮挡相机的有效通光口径不应超过5％。调整平面反射镜4和角锥棱镜5的位置，使通过平面反射镜4反射的光和通过角锥棱镜5反射的光分布成像在接收器件6的不同位置。光斑位置应靠在接收器件6中心像元附近，固定平面反射镜4和角锥棱镜5。支撑结构11应保持平面反射镜4和角锥棱镜5相对镜头位置保持不变。

步骤五：在光轴水平状态下，镜头3放置在隔振平台上稳定静止后，关闭环境内其他杂光，开启LCD光源1，调整LCD光源1的亮度，使接收器件6上探测到清晰的光斑。接收器件6输出平面反射镜4反射光斑和角锥棱镜5反射光斑图像。在不能区分接收器件6上的两个光斑是平面反射镜4反射所成的像还是角锥棱镜5反射所成的像时，可以通过遮挡平面反射镜4或角锥棱镜5中的一个，所剩下的光斑即为未遮挡的所成的像。在相机稳定状态下将接收器件6输出的图像连续多次存盘(5次以上)。

步骤六：翻转至光轴竖直状态下，镜头3放置在隔振平台上稳定静止后，开启光源，接收器件6输出平面反射镜4反射光斑和角锥棱镜5反射光斑图像。在相机稳定状态下将接收器件6输出的图像连续多次存盘(5次以上)。

步骤七：通过光斑图像质心算法，可获取光学镜头3光轴变化前光斑中心在像面坐标系下质心坐标，同一瞬间多次测量取平均后得到质心位置为(X1，Y1)，(X2，Y2)；同样，光轴指向变化后测试时也可获取角锥棱镜5和平面反射镜4反射光线形成的光斑图像同一瞬间多次测量取平均后得到质心位置为(X1’，Y1’)，(X2’，Y2’)。像面坐标系的原点O位于像面中心，X轴指向像元行方向，Y轴指向像元列方向，Z轴指向为像面法线方向。

步骤八：利用如下公式计算获得在不同检测状态下，受重力作用镜头(3)光轴指向的变化：

镜头(3)光轴指向绕像面坐标系X轴方向的变化角度为：

镜头(3)光轴指向绕像面坐标系Y轴方向的变化角度为：

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种重力对镜头光轴指向影响的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：选择接收器件(6)的像元尺寸和有效感光面面积；

步骤二：选择LCD光源(1)的功率，确定平面反射镜(4)和角锥棱镜(5)的反射面积；

步骤三：在镜头(3)的焦面位置处安装接收器件(6)、LCD光源(1)和半反半透棱镜(2)，LCD光源(1)发出的光经过半反半透棱镜(2)后进入接收器件(6)和镜头(3)；调整LCD光源(1)和接收器件(6)的位置，使接收器件(6)和LCD光源(1)在镜头焦深范围内，固定接收器件(6)、LCD光源(1)和半反半透棱镜(2)；

步骤四：在镜头(3)出光口边缘位置安装平面反射镜(4)和角锥棱镜(5)；调整平面反射镜(4)和角锥棱镜(5)的位置，使通过平面反射镜(4)反射的光和通过角锥棱镜(5)反射的光分布成像在接收器件(6)的不同位置且光斑位置靠近接收器件(6)中心像元，固定平面反射镜(4)和角锥棱镜(5)；

步骤五：在镜头(3)光轴水平状态下，将镜头(3)放置在隔振平台上稳定静止后，关闭环境内其他杂光，开启LCD光源(1)，调整LCD光源(1)的亮度，使接收器件(6)上探测到光斑；存储接收器件(6)输出的平面反射镜(4)反射光斑和角锥棱镜(5)反射光斑图像；

步骤六：将镜头(3)翻转至光轴竖直状态下，将镜头(3)放置在隔振平台上稳定静止后，开启LCD光源(1)，记录接收器件(6)输出的平面反射镜(4)反射光斑和角锥棱镜(5)反射光斑图像；

步骤七：对步骤五、步骤六中记录的图像进行处理提出光斑质心位置，获得镜头(3)光轴水平状态下，平面反射镜(4)反射光斑在像面坐标系下质心位置坐标(X1，Y1)和角锥棱镜(5)反射光斑中心在像面坐标系下质心位置坐标(X2，Y2)；获得镜头(3)光轴竖直状态下，平面反射镜(4)反射光斑在像面坐标系下质心位置坐标(X1’，Y1’)和角锥棱镜(5)反射光斑中心在像面坐标系下质心位置坐标(X2’，Y2’)；

步骤八：利用如下公式计算获得在重力作用下，镜头(3)光轴指向的变化：

镜头(3)光轴指向绕像面坐标系X轴方向的变化角度为：

镜头(3)光轴指向绕像面坐标系Y轴方向的变化角度为：f为镜头(3)的焦距。

2.根据权利要求1所述的一种重力对镜头光轴指向影响的检测方法，其特征在于：所述步骤一的具体方法为：根据镜头(3)的焦距f、监测的角度精度σ和夹角可能预估的变化范围α，选择接收器(6)的像元尺寸，接收器件(6)像元尺寸小于等于10·f·tgσ；接收器件(6)有效感光面面积大于等于2·f·tgα×2·f·tgα。

3.根据权利要求1或2所述的一种重力对镜头光轴指向影响的检测方法，其特征在于：所述步骤二中，平面反射镜(4)和角锥棱镜(5)的反射面积需满足如下条件：LCD光源(1)最大功率和平面反射镜(4)和角锥棱镜(5)的反射面积保证从焦面LCD光源(1)发出的光经过镜头(3)出射后在镜头(3)前端通过平面反射镜(4)和角锥棱镜(5)反射后在接收器件(6)上成像后的能量大于像元能量饱和的90％。

4.根据权利要求3所述的一种重力对镜头光轴指向影响的检测方法，其特征在于：所述步骤四中，平面反射镜(4)和角锥棱镜(5)通过支撑结构(11)安装在镜头(3)上；平面反射镜(4)的面形小于等于0.1波长，角锥棱镜(5)的角度误差小于等于1″；平面反射镜(4)和角锥棱镜(5)及支撑结构(11)遮挡相机的有效通光口径不超过5％。