CN108444410B - 会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置及方法 - Google Patents

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    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Abstract

本发明公开了会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置及方法，该装置由离轴抛物面反射镜、平面反射采样镜、光电探测器、十字分划板等组成；十字分划板位于离轴抛物面反射镜的焦点处，光电探测器位于经平面反射采样镜反射的离轴抛物面反射镜的共轭焦点附近；通过十字分划板的成像位置校正跟踪视轴，使之与抛物面反射镜光轴平行后，会聚的激光光束经离轴抛物面反射镜聚焦，由平面反射采样镜衰减，沿光轴方向移动光电探测器使其感光，将感光面积最小的位置作为激光焦平面位置，并用抛物面反射镜焦距减去光电探测器移动距离作为激光实际焦距，由此计算光轴平行度。其实现了会聚激光发射光轴平行度的准确测量，具有适应性强、操作简便等优点。

Description

会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置及方法。
背景技术
随着相关技术的成熟，激光武器装备逐渐走向工程化。激光武器装备包含多光轴光学系统，实现对目标的探测、测量、跟踪、打击。高能激光通过激光发射系统，形成会聚激光，在目标攻击点聚焦，从而毁伤目标。为实现高能激光束沿着跟踪视轴精确聚焦于跟踪目标攻击点上，须对光轴平行度进行校正。
目前公开的文献及专利所述方法大多适用于激光测距等准直激光光轴平行度测量。一些专利和文献公开会聚激光光轴平行度测量方法是将发射的会聚激光折返至待测光学系统跟踪视轴的光电探测器，由光电探测器的探测结果计算光轴平行度。为准确测量光轴偏差量，须令发射的激光折返后聚焦于光电探测器上。可通过移动待测系统或折返系统使发射激光折返距离等于激光焦距，也可在折返系统中加入聚焦元件或模块实现，但前者须进行长距离高精度测距，后者不适用于共轴光学系统。
发明内容
为克服现有技术的不足，改进平行光管法，实现会聚激光光轴与跟踪视轴的平行度测量，本发明提供会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供一种会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置，包括：待测光学系统、离轴抛物面反射镜、平面反射采样镜、遮光板、光电探测器、十字分划板和光源；
所述待测光学系统和光源分别位于所述离轴抛物面反射镜的入射光路和反射光路上，所述十字分划板位于所述离轴抛物面反射镜与光源之间的离轴抛物面反射镜的焦点处且垂直于所述离轴抛物面反射镜的光轴，所述平面反射采样镜位于所述十字分划板与离轴抛物面反射镜之间，所述遮光板位于所述十字分划板与平面反射采样镜之间，所述平面反射采样镜和遮光板可在所处的平面内移动；
所述光电探测器位于经所述平面反射采样镜反射的离轴抛物面反射镜的共轭焦点附近，所述光电探测器的探测面中心在光轴上且探测面垂直于光轴，所述光电探测器可沿光轴方向移动。
本发明还提供一种会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置的测量方法，包括：
步骤1、移动平面反射采样镜和遮光板，使之完全不遮挡光路；
步骤2、调节光源亮度，使得待测光学系统跟踪视轴的图像传感器对十字分划板成像清晰；
步骤3、通过数字图像处理的方法获得十字分划板的像在图像传感器的坐标偏差量Δxtv和Λytv，求得跟踪光轴平行度偏差量θtv；
步骤4、调节待测光学系统的整体俯仰和偏摆，使得θtv小于跟踪视轴平行于离轴抛物面反射镜光轴平行度偏差阈值；
步骤5、移动平面反射采样镜和遮光板，使之完全遮挡光路；
步骤6、待测光学系统发射最小功率的激光；
步骤7、以离轴抛物面反射镜焦点为起点，沿光轴方向移动光电探测器，使得激光感光区域面积最小，记录移动的距离d；
步骤8、通过数字图像处理的方法获得激光感光区域在光电探测器的坐标偏差量Δxle和Λyle，求得会聚激光发射光轴平行度偏差量θle。
作为本发明的进一步改进，在步骤3中，跟踪光轴平行度偏差量θtv的计算公式为：
Figure BDA0001701789600000021
式中，f为待测光学系统中跟踪视轴成像模块的焦距。
作为本发明的进一步改进，在步骤8中，会聚激光发射光轴平行度偏差量θle的计算公式为：
Figure BDA0001701789600000031
式中，f0为离轴抛物面反射镜的焦距。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用离轴抛物面反射镜，避免测量元件遮挡光路，适用于共光轴光学系统光轴平行度测量；采用平面反射采样的方法对会聚激光进行衰减，避免透射衰减造成的激光焦距改变，且实现测量装置复用；通过移动光电探测器获得会聚激光实际焦距，实现会聚激光发射光轴平行度准确测量。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量方法的流程图。
图中：
1、待测光学系统；2、离轴抛物面反射镜；3、平面反射采样镜；4、遮光板；5、光电探测器；6、十字分划板；7、光源。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
本发明提供会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置及方法，该装置由待测光学系统、离轴抛物面反射镜、平面反射采样镜、遮光板、光电探测器、十字分划板和光源组成，其中十字分划板位于离轴抛物面反射镜焦点处，光电探测器位于经平面反射采样镜反射的离轴抛物面反射镜的共轭焦点附近，且可沿光轴方向移动。该方法为：光源为分划板提供照明，通过十字分划板的成像位置校正待测光学系统跟踪视轴，使之与离轴抛物面反射镜的光轴平行度偏差小于设定的阈值，即当平行度偏差小于设定的阈值时，跟踪视轴与离轴抛物面反射镜光轴相平行；即当平行度偏差大于设定的阈值时，跟踪视轴与离轴抛物面反射镜光轴不平行；跟踪视轴与离轴抛物面反射镜光轴平行后，采用平面反射采样的方式对激光进行衰减，采用遮光板对透过平面反射采样镜的激光进行遮挡，避免激光对十字分划板的破坏；将离轴抛物面反射镜焦距减去光电探测器上激光光斑面积最小时的移动距离作为激光实际焦距，由此计算会聚激光发射光轴平行度。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供一种会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置，包括：待测光学系统1、离轴抛物面反射镜2、平面反射采样镜3、遮光板4、光电探测器5、十字分划板6和光源7；其中：
待测光学系统1和光源7分别位于离轴抛物面反射镜2的入射光路和反射光路上，十字分划板6位于离轴抛物面反射镜2的焦点处且垂直于离轴抛物面反射镜2的光轴，十字分划板6位于离轴抛物面反射镜2与光源7之间，即光源7位于十字分划板6的后方；光源7为十字分划板提供照明，光源7出射的光先经过十字分划板6，后经过离轴抛物面反射镜2后成像在待测光学系统1上；平面反射采样镜3位于十字分划板6与离轴抛物面反射镜2之间，遮光板4位于十字分划板6与平面反射采样镜3之间；平面反射采样镜3和遮光板4平行设置，平面反射采样镜3和遮光板4可在各自所处的平面内移动；光电探测器5位于经平面反射采样镜3反射的离轴抛物面反射镜2的共轭焦点附近，共轭焦点附近是指光电探测器5位于经平面反射采样镜3反射的离轴抛物面反射镜2的共轭焦点处且可沿光轴方向移动；光电探测器5的探测面中心在光轴上且探测面垂直于光轴，光电探测器5可沿光轴方向移动，从而可找到激光感光区域面积最小的激光光斑，并通过光电探测器5的移动距离计算发射光轴与跟踪视轴的平行度。
如图2所示，本发明提供一种会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置的测量方法，包括：
S1、移动平面反射采样镜和遮光板，使之完全不遮挡光路；
S2、调节光源亮度，使得待测光学系统跟踪视轴的图像传感器对十字分划板成像清晰，对比度合适；
S3、通过数字图像处理的方法获得十字分划板的像在图像传感器的坐标偏差量Δxtv和Λytv，由以下公式求得跟踪光轴平行度偏差量θtv：
Figure BDA0001701789600000051
式中，f为待测光学系统中跟踪视轴成像模块的焦距；
S4、调节待测光学系统的整体俯仰和偏摆，使得θtv小于跟踪视轴平行于离轴抛物面反射镜光轴平行度偏差阈值，即当平行度偏差小于设定的阈值时，跟踪视轴与离轴抛物面反射镜光轴相平行；当平行度偏差大于设定的阈值时，跟踪视轴与离轴抛物面反射镜光轴不平行；
S5、移动平面反射采样镜和遮光板，使之完全遮挡光路；
S6、待测光学系统发射最小功率的激光；
S7、以离轴抛物面反射镜焦点为起点，沿光轴方向移动光电探测器，使得激光感光区域面积最小，记录移动的距离d；
S8、通过数字图像处理的方法获得激光感光区域在光电探测器的坐标偏差量Δxle和Λyle，由以下公式求得会聚激光发射光轴平行度偏差量θle：
Figure BDA0001701789600000052
式中，f0为离轴抛物面反射镜的焦距。
本发明采用离轴抛物面反射镜，避免测量元件遮挡光路，适用于共光轴光学系统光轴平行度测量；采用平面反射采样的方法对会聚激光进行衰减，避免透射衰减造成的激光焦距改变，且实现测量装置复用；通过移动光电探测器获得会聚激光实际焦距，实现会聚激光发射光轴平行度准确测量。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置，其特征在于，包括：待测光学系统、离轴抛物面反射镜、平面反射采样镜、遮光板、光电探测器、十字分划板和光源；
所述待测光学系统和光源分别位于所述离轴抛物面反射镜的入射光路和反射光路上，所述十字分划板位于所述离轴抛物面反射镜与光源之间的离轴抛物面反射镜的焦点处且垂直于所述离轴抛物面反射镜的光轴，所述光源在所述十字分划板后方，为所述十字分划板提供照明，所述平面反射采样镜位于所述十字分划板与离轴抛物面反射镜之间，通过十字分划板在待测光学系统图像传感器的坐标偏差值计算跟踪光轴的平行度，所述遮光板位于所述十字分划板与平面反射采样镜之间，所述遮光板和所述平面反射采样镜平行布置，所述平面反射采样镜和遮光板可在所处的平面内移动；
所述光电探测器位于经所述平面反射采样镜反射的离轴抛物面反射镜的共轭焦点附近，所述光电探测器的探测面中心在光轴上且探测面垂直于光轴，所述光电探测器可沿光轴方向移动；通过光电探测器的移动找到激光感光区域面积最小的激光光斑，并通过光电探测器的移动距离结合激光感光区域在光电探测器的坐标偏差量计算发射光轴的平行度。
2.一种如权利要求1所述的会聚激光发射光轴与跟踪视轴平行度测量装置的测量方法，其特征在于，包括：
步骤1、移动平面反射采样镜和遮光板，使之完全不遮挡光路；
步骤2、调节光源亮度，使得待测光学系统跟踪视轴的图像传感器对十字分划板成像清晰；
步骤3、通过数字图像处理的方法获得十字分划板的像在图像传感器的坐标偏差量△xtv和Λytv，求得跟踪光轴平行度偏差量θtv；
跟踪光轴平行度偏差量θtv的计算公式为：
Figure FDA0002568595930000011
式中，f为待测光学系统中跟踪视轴成像模块的焦距；
步骤4、调节待测光学系统的整体俯仰和偏摆，使得θtv小于跟踪视轴平行于离轴抛物面反射镜光轴平行度偏差阈值；
步骤5、移动平面反射采样镜和遮光板，使之完全遮挡光路；
步骤6、待测光学系统发射最小功率的激光；
步骤7、以离轴抛物面反射镜焦点为起点，沿光轴方向移动光电探测器，使得激光感光区域面积最小，记录移动的距离d；
步骤8、通过数字图像处理的方法获得激光感光区域在光电探测器的坐标偏差量△xle和Λyle，求得会聚激光发射光轴平行度偏差量θle；
会聚激光发射光轴平行度偏差量θle的计算公式为：
Figure FDA0002568595930000021
式中，f0为离轴抛物面反射镜的焦距。
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