CN111045220A - 一种变焦光学系统光轴与视轴对准方法 - Google Patents

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祝世民
王建成
张美生
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Abstract

本发明涉及一种变焦光学系统光轴与视轴对准方法，其中，包括：构装调测试系统；将光学镜头调节至最短焦距，观测靶标成像清晰度并记录两参考点新像素坐标；在测试计算机绘图软件中标记两参考点的四个像素坐标，延长两线段并确定两连线的相交位置像素坐标；将光学镜头再调节至最长焦距，转动精密二维转台，将靶标上一参考点的像点调节至交点像素位置，固定精密二维转台位置；调节探测器径向位置，使像素位置处的参考像点移动至探测器中心像素位置，调节完成后固定探测器位置；此时调节光学镜头焦距，参考像点始终在像素位置处不改变，变焦光学系统光轴与视轴实现对准。变焦光学系统光轴与视轴对准方法对准精度可达像素级。

Description

一种变焦光学系统光轴与视轴对准方法
技术领域
本发明专利属于光学装校领域，具体涉及一种变焦光学系统光轴与视轴对准方法。
背景技术
变焦光学系统通过改变光学镜头焦距，能够在不同视场范围内观测目标与景物，因而被广泛应用于目标搜索、跟踪和探测等领域。变焦光学系统需要在变焦过程中和变焦前后视场中心位置不变，以保证稳定观测，不丢失目标。因此，变焦光学系统的视轴与光轴需要在不同焦距下保持对准精度。
光学镜头的旋转对称轴为光轴，经过探测器中心点且垂直于探测器感光面的直线为视轴。现有变焦光学系统光轴与视轴的对准调节需要具备装调经验的操作人员反复凑试，耗时长，可操作性差。未查询到其它有关变焦光学系统光轴与视轴调节的文献或专利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变焦光学系统光轴与视轴对准方法，用于满足变焦光学系统光轴与视轴对准的需求。
本发明一种变焦光学系统光轴与视轴对准方法，其中，包括：构装调测试系统；对准装校时步骤如下：(1)将光学镜头调节至最长焦距，调节探测器轴向位置使其视场范围内像质最佳并固定，选取靶标上两参考点，记录其像素坐标(m1,n1)和(m2,n2)；(2)将光学镜头调节至最短焦距，观测靶标成像清晰度并记录两参考点新像素坐标(m1',n1')和(m2',n2')；(3)在测试计算机绘图软件中标记两参考点的四个像素坐标，将(m1,n1)和(m1',n1')连接，(m2,n2)和(m2',n2')连接，延长两线段并确定两连线的相交位置像素坐标(m3,n3)；(4)将光学镜头再调节至最长焦距，转动精密二维转台，将靶标上一参考点的像点调节至交点像素位置(m3,n3)，固定精密二维转台位置；(5)调节探测器径向位置，使像素位置(m3,n3)处的参考像点移动至探测器中心像素位置(m0,n0)，调节完成后固定探测器位置；此时调节光学镜头焦距，参考像点始终在像素位置(m0,n0)处不改变，变焦光学系统光轴与视轴实现对准。
根据本发明的变焦光学系统光轴与视轴对准方法的一实施例，其中，装调测试系统包括：光源、靶标、离轴抛物面镜、精密二维转台以及测试计算机。
根据本发明的变焦光学系统光轴与视轴对准方法的一实施例，其中，光源提供与变焦光学系统谱段匹配的照明；靶标位于离轴抛物面镜焦平面，提供调焦和对准参考点；离轴抛物面口径需覆盖待装调变焦光学系统通光口径，用于提供平行光；测试计算机用于对输出图像进行数据读取与处理，光源出射光线依次经过靶标、离轴抛物面镜和二维转台上固定的变焦光学系统。
根据本发明的变焦光学系统光轴与视轴对准方法的一实施例，其中，切换式两档中波红外变焦镜头参数为：长焦距280mm，短焦距54mm。
根据本发明的变焦光学系统光轴与视轴对准方法的一实施例，其中，选用探测器规格为640pixel×512pixel，像元尺寸15μm。光源选用面源黑体。
根据本发明的变焦光学系统光轴与视轴对准方法的一实施例，其中，靶标选用美军标靶USAF1951，离轴抛物面镜的焦距1.8m，口径Ф0.5mm。
根据本发明的变焦光学系统光轴与视轴对准方法的一实施例，其中，将光学镜头固定在精密二维转台上，探测器与光学镜头通过装调结构连接，测试计算机与探测器通过线缆连接。
本发明利用光学镜头变焦前后两参考点像素坐标位置变化确定系统焦点，从而确定视轴与光轴偏移方向与偏移量。该方法解决了现有对准调节中需要操作人员反复凑试，耗时长，可操作性差的问题。该对准方法对准精度可达像素级。
附图说明
图1装调测试系统整体布局图；
图2长焦距与短焦距靶标成像示意图；
图3探测器径向调节前后靶标成像位置变化示意图。
附图标记：
01——光源；
02——靶标；
03——离轴抛物面镜；
04——精密二维转台；
05——变焦光学镜头；
06——探测器；
07——测试计算机。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供一种光轴与视轴对准方法包括：首先构建装调测试系统，系统由光源、靶标、离轴抛物面镜、精密二维转台以及测试计算机构成。其中，光源提供与变焦光学系统谱段匹配的照明；靶标位于离轴抛物面镜焦平面，提供调焦和对准参考点；离轴抛物面口径需覆盖待装调变焦光学系统通光口径，用于提供平行光；测试计算机用于对输出图像进行数据读取与处理。光源出射光线依次经过靶标、离轴抛物面镜和二维转台上固定的变焦光学系统。
对准装校时步骤如下：
(1)将光学镜头调节至最长焦距，调节探测器轴向位置使其视场范围内像质最佳并固定。选取靶标上两参考点，记录其像素坐标(m1,n1)、(m2,n2)；
(2)将光学镜头调节至最短焦距，观测靶标成像清晰度并记录两参考点新像素坐标(m1',n1')、(m2',n2')；
(3)在测试计算机绘图软件中标记两参考点的四个像素坐标，将(m1,n1)和(m1',n1')连接，(m2,n2)和(m2',n2')连接，延长两线段并确定两连线的相交位置像素坐标(m3,n3)；
(4)将光学镜头再调节至最长焦距，转动精密二维转台，将靶标上一参考点的像点调节至交点像素位置(m3,n3)，固定精密二维转台位置。
(5)调节探测器径向位置，使像素位置(m3,n3)处的参考像点移动至探测器中心像素位置(m0,n0)。调节完成后固定探测器位置。
此时调节光学镜头焦距，参考像点始终在像素位置(m0,n0)处不改变，变焦光学系统光轴与视轴实现对准，
下面结合切换式两档中波红外变焦光学系统光轴与视轴对准调节，对本发明做进一步的说明：
切换式两档中波红外变焦镜头参数为：长焦距280mm，短焦距54mm。选用探测器规格为640pixel×512pixel，像元尺寸15μm。光源选用面源黑体。靶标选用美军标靶USAF1951。离轴抛物面镜的焦距1.8m，口径Ф0.5mm。
(1)如图1所示，将光学镜头05固定在精密二维转台04上。探测器06与光学镜头05通过装调结构连接，其具备沿光学镜头05轴向和径向调节、固定能力。测试计算机07与探测器06通过线缆连接。
(2)光源01、光学镜头05、探测器06以及测试计算机07等设备加电启动，待各系统均稳定工作后，将光学镜头05设置为长焦模式。调节探测器06轴向位置使其视场范围内能够对靶标02的第2组第3单元(5.01lp/mm)清晰成像，调节完成后固定探测器06轴向位置。选取靶标02上第0组第1单元左上角和第0组第2单元左上角两点作为参考点(为例，实际上任意两个点均可)，在计算机07中分别读取并记录两参考点像点的像素坐标A1(m1,n1)、B1(m2,n2)。
(3)将光学镜头05设置为短焦模式，此时可对测靶标02的第0组第1单元和第2单元清晰成像，读取并记录已选取的短焦模式的两参考点新像素坐标A2(m1',n1')、B2(m2',n2')。
(4)如图2所示，在测试计算机07的绘图软件中标记两参考点的四个像素坐标，分别将(m1,n1)和(m1',n1')连接，(m2,n2)和(m2',n2')连接，延长两线段并确定两连线的相交位置像素值C(m3,n3)。
(5)将光学镜头05调回长焦模式，转动精密二维转台04，将靶标02第0组第1单元右下角像点调节至交点像素位置C(m3,n3)，固定精密二维转台04位置。
(6)调节探测器06径向位置，再将C(m3,n3)处的靶标02第0组第1单元右下角像点移动至探测器06中心像素位置O(m0,n0)。调节完成后固定探测器06位置，此时变焦光学系统光轴与视轴实现对准。探测器径向调节前后靶标02成像的位置变化如图3所示。
本发明利用光学镜头变焦前后两参考点像素坐标位置变化确定系统焦点，从而确定视轴与光轴偏移方向与偏移量。该方法解决了现有对准调节中需要操作人员反复凑试，耗时长，可操作性差的问题。该对准方法对准精度可达像素级。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种变焦光学系统光轴与视轴对准方法，其特征在于，包括：
构建装调测试系统；
对准装校时步骤如下：
(1)将光学镜头调节至最长焦距，调节探测器轴向位置使其视场范围内像质最佳并固定，选取靶标上两参考点，记录其像素坐标(m1,n1)和(m2,n2)；
(2)将光学镜头调节至最短焦距，观测靶标成像清晰度并记录两参考点新像素坐标(m1',n1')和(m2',n2')；
(3)在测试计算机绘图软件中标记两参考点的四个像素坐标，将(m1,n1)和(m1',n1')连接，(m2,n2)和(m2',n2')连接，延长两线段并确定两连线的相交位置像素坐标(m3,n3)；
(4)将光学镜头再调节至最长焦距，转动精密二维转台，将靶标上一参考点的像点调节至交点像素位置(m3,n3)，固定精密二维转台位置；
(5)调节探测器径向位置，使像素位置(m3,n3)处的参考像点移动至探测器中心像素位置(m0,n0)，调节完成后固定探测器位置；
此时调节光学镜头焦距，参考像点始终在像素位置(m0,n0)处不改变，变焦光学系统光轴与视轴实现对准。
2.如权利要求1所述的变焦光学系统光轴与视轴对准方法，其特征在于，装调测试系统包括：光源、靶标、离轴抛物面镜、精密二维转台以及测试计算机。
3.如权利要求2所述的变焦光学系统光轴与视轴对准方法，其特征在于，光源提供与变焦光学系统谱段匹配的照明；靶标位于离轴抛物面镜焦平面，提供调焦和对准参考点；离轴抛物面口径需覆盖待装调变焦光学系统通光口径，用于提供平行光；测试计算机用于对输出图像进行数据读取与处理，光源出射光线依次经过靶标、离轴抛物面镜和二维转台上固定的变焦光学系统。
4.如权利要求1所述的变焦光学系统光轴与视轴对准方法，其特征在于，切换式两档中波红外变焦镜头参数为：长焦距280mm，短焦距54mm。
5.如权利要求1所述的变焦光学系统光轴与视轴对准方法，其特征在于，选用探测器规格为640pixel×512pixel，像元尺寸15μm。光源选用面源黑体。
6.如权利要求1所述的变焦光学系统光轴与视轴对准方法，其特征在于，靶标选用美军标靶USAF1951，离轴抛物面镜的焦距1.8m，口径Ф0.5mm。
7.如权利要求1所述的变焦光学系统光轴与视轴对准方法，其特征在于，将光学镜头固定在精密二维转台上，探测器与光学镜头通过装调结构连接，测试计算机与探测器通过线缆连接。
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