CN109521582A - 一种光学镜头光轴表征方法、系统以及成像组件对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学镜头光轴表征方法、系统以及成像组件对准方法，属于光学器件装配领域。本发明实施例提供的一种光学镜头光轴表征方法，通过在光学镜头上设置基准元件，通过定心仪及两套六自由度位置调节组件，使基准元件的法线与光学镜头的光轴方向一致，根据两个基准元件对应的位置标识特征及位移量确定基准元件法线与光学镜头光轴在水平面内的相对位置，当向基准元件照射光时，根据基准元件反射回像及确定的相对位置即可表征光学镜头光轴，该方法表征的光轴指向精度高(光轴引出精度≤0.5′)，提高了光学镜头与其他成像组件的装调时的对准精度，对准精度≤1′。

Description

一种光学镜头光轴表征方法、系统以及成像组件对准方法

技术领域

本发明涉及一种光学镜头光轴表征方法、系统以及成像组件对准方法，属于光学器件装配领域。

背景技术

星敏感器是高分辨率对地观测和天文观测任务中必不可少的空间测量敏感器。随着平台需求的不断提升，星敏感器测量精度的需求也越来越高。过高的测量精度使得星敏感器光机装调误差不能忽视。

星敏感器感器光机装调对象主要针对星敏感器成像组件。星敏感器成像组件包括探测器组件与光学镜头，组件结构复杂，装配链路多，是主要的精密装调控制对象，也是影响整机精度指标的重要因素之一。

精密装调时，需调整镜头光轴与探测器感光面指向，使得两者间夹角尽量小，这就需要精密引出镜头的光轴指向，并以引出的镜头光轴指向为基准，完成探测器的精密装调。

目前，光学镜头的光轴是通过镜头本身机械设计保证的，通常通过控制镜头内部镜片组件的对心加工误差及镜头镜筒的加工误差，分析得出镜头光轴相对于镜头安装面的最大指向偏差，该偏差精度为≤2′。装调时，在镜头机械安装面上粘贴基准镜，以基准镜的指向代替镜头的光轴指向。

上述方法得到的镜头光轴指向的精度较低，导致成像组件的装调时对准精度误差一般在5′以上。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种光学镜头光轴表征方法、系统以及成像组件对准方法，通过对光学镜头光轴进行表征，提高了成像组件装调时的对准精度。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种光学镜头光轴表征方法，包括以下步骤：

(1)将两个基准元件通过第一调节组件固定在光学镜头上，所述基准元件为带有位置标识特征的反射元件；

(2)将固定有所述基准元件的光学镜头通过第二调节组件设置在定心仪上，并调整所述第二调节组件，使所述光学镜头各镜片球心的连线与所述定心仪的测量基准匹配；

(3)通过所述第二调节组件将两个所述基准元件依次平移至所述定心仪的视场内，通过调节对应的所述第一调节组件，使视场内的所述基准元件的回像与所述定心仪的测量基准匹配；

(4)根据调节后的所述基准元件的回像，确定所述光学镜头的光轴指向，根据步骤(3)中所述第二调节组件平移位移确定各所述基准元件与所述光学镜头的位置关系；

(5)根据确定的光学镜头的光轴指向以及各所述基准元件与所述光学镜头的位置关系，表征所述光学镜头光轴。

在一可选实施例中，所述第一调节组件包括：两个光学双轴倾斜俯仰台和固定卡箍，所述固定卡箍上设有两个固定孔，所述固定卡箍用于卡接在所述光学镜头前端圆周上，所述两个光学双轴倾斜俯仰台与所述两个固定孔一一对应并通过紧固件固定，所述两个基准元件各设置在一个所述光学双轴倾斜俯仰台上。

在一可选实施例中，所述第二调节组件包括：双轴倾斜俯仰台、水平移动平台及单轴转动平台，所述单轴转动平台设置在所述水平位移平台上，所述双轴倾斜俯仰台设置在所述单轴转动平台上，用于固定所述光学镜头。

在一可选实施例中，所述基准元件为反射率≥10％的平面反射元件，且反射面积为25mm²～225mm²。

一种成像组件对准方法，所述成像组件包括光学镜头、安装法兰及探测元件，所述光学镜头与所述安装法兰的相对位置固定，所述探测元件设置在所述安装法兰上，所述方法包括：

根据上述方法表征所述光学镜头的光轴；

以表征的所述光学镜头的光轴为基准，确定所述探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态，以对准所述光学镜头及探测元件。

在一可选实施例中，所述探测元件为成像芯片或能量收集芯片。

在一可选实施例中，所述以表征的所述光学镜头的光轴为基准，确定所述探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态，包括：

先将所述光学镜头与安装法兰固定连接，并根据所述表征的所述光学镜头的光轴，在所述安装法兰上设置光学基准组件，所述光学基准组件的法线与所述光学镜头的光轴一致；

将所述光学镜头从所述安装法兰上拆除，根据所述光学基准组件的法线确定探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态。

在一可选实施例中，所述确定所述探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态之后，还包括：

根据确定的所述相对位置，在所述安装法兰上涂覆一层光学胶黏剂；

将所述探测元件放置在光学胶黏剂层上，并在所述探测元件与所述胶黏剂层之间垫设至少两条金属箔片，通过按压所述探测元件，使所述探测元件回像与所述光学基准组件的法线匹配，然后去掉所述金属箔片，固化，实现所述探测元件与所述安装法兰的固定。

一种光学镜头光轴表征系统，包括两个基准元件、定心仪、第一调节组件和第二调节组件，所述基准元件为带有位置标识特征的反射元件，所述定心仪用于提供测量基准，所述第一调节组件用于将所述两个基准元件固定在光学镜头上并调节所述基准元件六自由度位置以使所述基准元件的回像与所述测量基准匹配，所述第二调节组件用于将固定有所述基准元件的光学镜头设置在定心仪上，并调整所述光学镜头的六自由度位置以使所述光学镜头各镜片球心的连线与所述测量基准匹配，或者调整所述基准元件的水平位置，以使所述基准元件平移至所述定心仪的视场内。

在一可选实施例中，所述第一调节组件包括：两个光学双轴倾斜俯仰台和固定卡箍，所述固定卡箍上设有两个固定孔，所述固定卡箍用于卡接在所述光学镜头前端圆周上，所述两个光学双轴倾斜俯仰台与所述两个固定孔一一对应并通过紧固件固定，所述两个基准元件各设置在一个所述光学双轴倾斜俯仰台上。

在一可选实施例中，所述第二调节组件包括：双轴倾斜俯仰台、水平移动平台及单轴转动平台，所述单轴转动平台设置在所述水平位移平台上，所述双轴倾斜俯仰台设置在所述单轴转动平台上，用于固定所述光学镜头。

在一可选实施例中，所述基准元件为反射率≥10％的平面反射元件，且反射面积为25mm²～225mm²。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明实施例提供的一种光学镜头光轴表征方法，通过在光学镜头上设置基准元件，通过定心仪及两套六自由度位置调节组件，使基准元件的法线与光学镜头的光轴方向一致，根据两个基准元件对应的位置标识特征及位移量确定基准元件法线与光学镜头光轴在水平面内的相对位置，当向基准元件照射光时，根据基准元件反射回橡及确定的相对位置即可表征光学镜头光轴，该方法表征的光轴指向精度高(光轴引出精度≤0.5′)，提高了光学镜头与其他成像组件的装调时的对准精度，对准精度误差≤1′。

附图说明

图1为本发明实施例一种光学镜头光轴表征系统与光学镜头装配示意图；

图2为本发明实施例提供的第一调节组件及基准元件与光学镜头装配的俯视图示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光学双轴倾斜俯仰台结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

参见图1，本发明实施例提供了一种光学镜头光轴表征系统，包括两个基准元件7、定心仪1、第一调节组件和第二调节组件，所述基准元件7为带有位置标识特征的反射元件，所述定心仪1用于提供测量基准，所述第一调节组件用于将所述两个基准元件7固定在光学镜头2上并调节所述基准元件7六自由度位置以使所述基准元件7的回像与所述测量基准匹配，所述第二调节组件用于将固定有所述基准元件7的光学镜头2设置在定心仪1上，并调整所述光学镜头2的六自由度位置以使所述光学镜头2各镜片球心的连线与所述测量基准匹配，或者调整所述基准元件7的水平位置，以使所述基准元件7平移至所述定心仪1的视场内。

具体地，所述基准元件7上的位置标示特征可以位置点、十字分划线等形式，本发明不作限定。

如图2和3所示，在一可选实施例中，所述第一调节组件包括：两个光学双轴倾斜俯仰台6和固定卡箍8，所述固定卡箍8上设有两个固定孔，所述固定卡箍8用于卡接在所述光学镜2头前端圆周上，所述两个光学双轴倾斜俯仰台6与所述两个固定孔一一对应并通过螺钉固定通过销钉定位，所述两个基准元件7各设置在一个所述光学双轴倾斜俯仰台6上。

如图1所示，在一可选实施例中，所述第二调节组件包括：双轴倾斜俯仰台3、水平移动平台4及单轴转动平台5，所述单轴转动5平台设置在所述水平位移平台4上，所述双轴倾斜俯仰台3设置在所述单轴转动平台5上，用于固定所述光学镜头2。

在一可选实施例中，所述基准元件为反射率≥10％的平面反射元件，且反射面积为25mm²～225mm²。当反射面为为25mm²～225mm²时既能保证反射的回光能量满足测试需求，又能防止结构体积过大导致的镜头表面损伤。

本发明实施例还提供了一种光学镜头光轴表征方法，采用上述实施例提供的表征系统进行表征，具体描述详见上述系统实施例，在此不再赘述。所述光学镜头光轴表征方法包括以下步骤：

(1)将两个基准元件通过第一调节组件固定在光学镜头上，所述基准元件为带有位置标识特征的反射元件；

(2)将固定有所述基准元件的光学镜头通过第二调节组件设置在定心仪上，并调整所述第二调节组件，使所述光学镜头各镜片球心的连线与所述定心仪的测量基准匹配；

(3)通过所述第二调节组件将两个所述基准元件依次平移至所述定心仪的视场内，通过调节对应的所述第一调节组件，使视场内的所述基准元件的回像与所述定心仪的测量基准匹配；

(4)根据调节后的所述基准元件的回像，确定所述光学镜头的光轴指向，根据步骤(3)中所述第二调节组件平移位移确定各所述基准元件与所述光学镜头的位置关系；

(5)根据确定的光学镜头的光轴指向以及各所述基准元件与所述光学镜头的位置关系，表征所述光学镜头光轴。

本发明实施例提供的一种光学镜头光轴表征方法，通过在光学镜头上设置基准元件，通过定心仪及两套六自由度位置调节组件，使基准元件的法线与光学镜头的光轴方向一致，根据两个基准元件对应的位置标识特征及位移量确定基准元件法线与光学镜头光轴在水平面内的相对位置，当向基准元件照射光时，根据基准元件反射回橡及确定的相对位置即可表征光学镜头光轴，该方法表征的光轴指向精度高，光轴引出精度≤0.5′，提高了光学镜头与其他成像组件的装调时的对准精度。

在一可选实施例中，所述第一调节组件包括：两个光学双轴倾斜俯仰台和固定卡箍，所述固定卡箍上设有两个固定孔，所述固定卡箍用于卡接在所述光学镜头前端圆周上，所述两个光学双轴倾斜俯仰台与所述两个固定孔一一对应并通过紧固件固定，所述两个基准元件各设置在一个所述光学双轴倾斜俯仰台上。

在一可选实施例中，所述第二调节组件包括：双轴倾斜俯仰台、水平移动平台及单轴转动平台，所述单轴转动平台设置在所述水平位移平台上，所述双轴倾斜俯仰台设置在所述单轴转动平台上，用于固定所述光学镜头。

在一可选实施例中，所述基准元件为反射率≥10％的平面反射元件，且反射面积为25mm²～225mm²。

本发明实施例还提供了一种成像组件对准方法，所述成像组件包括光学镜头、安装法兰及探测元件，所述光学镜头与所述安装法兰的相对位置固定，所述探测元件设置在所述安装法兰上，所述方法包括：

根据上述表征方法实施例表征所述光学镜头的光轴，具体描述详见上述表征方法实施例，在此不再赘述；

以表征的所述光学镜头的光轴为基准，确定所述探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态，以对准所述光学镜头及探测元件。

本发明实施例还提供的一种成像组件对准方法，以表征的光学镜头光轴作为成像组件装调基准，通过光学基准转换对星敏感器探测器进行精密装调，极大提高了星敏感器成像组件的装调精度。

在一可选实施例中，所述以表征的所述光学镜头的光轴为基准，确定所述探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态，包括：

先将所述光学镜头与安装法兰固定连接，并根据所述表征的所述光学镜头的光轴，在所述安装法兰上设置光学基准组件，所述光学基准组件的法线与所述光学镜头的光轴一致，优选为反射率≥10％的平面反射元件；

将所述光学镜头从所述安装法兰上拆除，根据所述光学基准组件的法线确定探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态。

通过在安装法兰上设置光学基准组件，实现在光学镜头拆除后仍能以所述光学镜头的光轴为基准确定探测元件在所述安装法兰上的相对位置。

在一可选实施例中，所述确定所述探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态之后，还包括：

根据确定的所述相对位置，在所述安装法兰上涂覆一层光学胶黏剂；

将所述探测元件放置在光学胶黏剂层上，并在所述探测元件与所述胶黏剂层之间垫设至少两条金属箔片，通过按压所述探测元件，使所述探测元件回像与所述光学基准组件的法线匹配，然后去掉所述金属箔片，固化，实现所述探测元件与所述安装法兰的固定。

通过在胶黏剂层与探测元件之间夹设至少两条金属箔片，通过所述金属箔片给所述胶黏剂层进行厚度补偿，避免按压时，由于胶黏剂层受力不均导致的芯片粘接倾斜等导致的粘接失败。

以下为本发明的一具体实施例：

参见图1～3，本实施例提供了一种光学镜头轴线表征方法，包括：

1、确定待装调光学成像镜头2的光轴方向和坐标(x₀,y₀)：

1.1在待装调光学成像镜头7的前端镜身上附加安装一卡箍8，如图2所示，卡箍8左右两侧对称设有两个固定孔两个固定孔通过与螺钉配合将两个光学双轴倾斜俯仰台6固定在卡箍8的外缘，在光学双轴倾斜俯仰台6工作面上安装精密反射镜分划板(基准元件7)，所述精密反射镜分划板上表面为工作面，上表面镀30％的反射膜，下表面镀增透膜，上表面刻画有十字分划线(位置标示特征)；

1.2打开定心仪，在反射测量模式下利用平晶调平定心仪工作台，确定定心仪的测量基准；

1.3通过第二调节组件将固定有两个精密反射镜分划板的被测光学成像镜头转接到定心仪工作台上，在定心仪透镜组测量模式下输入待测镜头的光学参数，定心仪1将输出被测镜头各镜片球心的相对位置；

1.4调整定心仪，使其在上述相对位置附近测得镜头内部各镜片表面的反射回像，调节待装调光学成像镜头下方的第二调节组件，使得光学镜头各镜片球心的连线与所述定心仪的测量基准的画圆半径最小，此时待装调光学成像镜头在该位置时的光轴与定心仪测量基准匹配；

1.5记录此时第二调节组件的移动位置作为待装调光学成像镜头的光轴坐标(x₀,y₀)。

经过以上步骤，求得待装调光学成像镜头的光轴坐标。

2.调整两个固定在待装调光学成像镜头镜身上精密反射镜分划板十字分划线在水平面内的方向，确定其光轴坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)：

2.1移动第二调节组件，使得其中一个反射镜分划板十字分划线位于定心仪1中心；

2.2调整位于精密反射镜分划板下方的光学双轴倾斜俯仰台6，确保分划板十字线反射回像与定心仪投射出来得十字像重合，则此时反射镜分划板的法线与待测光学镜头光轴平行；

2.3记录此时第二调节组件的移动位置作为该反射镜分划板十字分划线的光轴坐标(x₁,y₁)；

2.4重复步骤2.1，2.2，2.3得到另一侧反射镜分划板十字分划线的光轴坐标(x₂,y₂)；

经过以上步骤，求的固定于待装调光学成像镜头的镜身上的两个分划板十字线的光轴坐标并将其法线方向调整至与待测镜头光轴平行。

根据测知的待装调光学成像镜头的光轴坐标(x₀,y₀)和两个分划板十字线的光轴坐标(x₁,y₁)和(x₂,y₂)，求得这三个光轴坐标的数学关系。即，在知道了两个标定玻璃平板十字刻线的位置后，就可以通过十字刻线的位置反推出镜头的光轴坐标。十字刻线法线方向与待测镜头光轴平行，因此光学镜头的光轴指向信息都转移到了延伸件(反射镜分划板等)上。后续将以延伸件上的指向信息为安装基准，指导探测器组件的精密装调。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种光学镜头光轴表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将两个基准元件通过第一调节组件固定在光学镜头上，所述基准元件为带有位置标识特征的反射元件；

(2)将固定有所述基准元件的光学镜头通过第二调节组件设置在定心仪上，并调整所述第二调节组件，使所述光学镜头各镜片球心的连线与所述定心仪的测量基准匹配；

(3)通过所述第二调节组件将两个所述基准元件依次平移至所述定心仪的视场内，通过调节对应的所述第一调节组件，使视场内的所述基准元件的回像与所述定心仪的测量基准匹配；

(4)根据调节后的所述基准元件的回像，确定所述光学镜头的光轴指向，根据步骤(3)中所述第二调节组件平移位移确定各所述基准元件与所述光学镜头的位置关系；

(5)根据确定的光学镜头的光轴指向以及各所述基准元件与所述光学镜头的位置关系，表征所述光学镜头光轴。

2.根据权利要求1所述的光学镜头光轴表征方法，其特征在于，所述第一调节组件包括：两个光学双轴倾斜俯仰台和固定卡箍，所述固定卡箍上设有两个固定孔，所述固定卡箍用于卡接在所述光学镜头前端圆周上，所述两个光学双轴倾斜俯仰台与所述两个固定孔一一对应并通过紧固件固定，所述两个基准元件各设置在一个所述光学双轴倾斜俯仰台上。

3.根据权利要求1所述的光学镜头光轴表征方法，其特征在于，所述第二调节组件包括：双轴倾斜俯仰台、水平移动平台及单轴转动平台，所述单轴转动平台设置在所述水平位移平台上，所述双轴倾斜俯仰台设置在所述单轴转动平台上，用于固定所述光学镜头。

4.根据权利要求1所述的光学镜头光轴表征方法，其特征在于，所述基准元件为反射率≥10％的平面反射元件，且反射面积为25mm²～225mm²。

5.一种成像组件对准方法，所述成像组件包括光学镜头、安装法兰及探测元件，所述光学镜头与所述安装法兰的相对位置固定，所述探测元件设置在所述安装法兰上，其特征在于，所述方法包括：

根据权利要求1～4任一项所述的方法表征所述光学镜头的光轴；

以表征的所述光学镜头的光轴为基准，确定所述探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态，以对准所述光学镜头及探测元件。

6.根据权利要求5所述的成像组件对准方法，其特征在于，所述探测元件为成像芯片或能量收集芯片。

7.根据权利要求5所述的成像组件对准方法，其特征在于，所述以表征的所述光学镜头的光轴为基准，确定所述探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态，包括：

先将所述光学镜头与安装法兰固定连接，并根据所述表征的所述光学镜头的光轴，在所述安装法兰上设置光学基准组件，所述光学基准组件的法线与所述光学镜头的光轴一致；

将所述光学镜头从所述安装法兰上拆除，根据所述光学基准组件的法线确定探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态。

8.根据权利要求7所述的成像组件对准方法，其特征在于，所述确定所述探测元件在所述安装法兰上的相对位置及安装姿态之后，还包括：

根据确定的所述相对位置，在所述安装法兰上涂覆一层光学胶黏剂；

将所述探测元件放置在光学胶黏剂层上，并在所述探测元件与所述胶黏剂层之间垫设至少两条金属箔片，通过按压所述探测元件，使所述探测元件回像与所述光学基准组件的法线匹配，然后去掉所述金属箔片，固化，实现所述探测元件与所述安装法兰的固定。

9.一种光学镜头光轴表征系统，其特征在于，包括两个基准元件、定心仪、第一调节组件和第二调节组件，所述基准元件为带有位置标识特征的反射元件，所述定心仪用于提供测量基准，所述第一调节组件用于将所述两个基准元件固定在光学镜头上并调节所述基准元件六自由度位置以使所述基准元件的回像与所述测量基准匹配，所述第二调节组件用于将固定有所述基准元件的光学镜头设置在定心仪上，并调整所述光学镜头的六自由度位置以使所述光学镜头各镜片球心的连线与所述测量基准匹配，或者调整所述基准元件的水平位置，以使所述基准元件平移至所述定心仪的视场内。

10.根据权利要求9所述的光学镜头光轴表征系统，其特征在于，所述基准元件为反射率≥10％的平面反射元件，且反射面积为25mm²～225mm²。