CN111649915B - 平行光管离焦像差标定装置 - Google Patents

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Abstract

为了解决相机定焦和真空像面预置时平行光管存在离焦像差而影响定焦和真空像面预置精度的问题，本发明提出了一种平行光管离焦像差标定装置，包括可调焦望远系统和平行光管离焦像差标定单元；可调焦望远系统用于将被标定平行光管整个离焦范围内的出射光束整形为平行光；平行光管离焦像差标定单元用于模拟被标定平行光管靶标离焦时的使用状态，并根据所述可调焦望远系统出射的平行光，解算被标定平行光管的离焦像差。本发明能够定量标定平行光管焦面靶标离焦不同距离时的像差大小，为相机定焦和真空像面预置工作提供指导，克服平行光管离焦像差所带来的不利影响。

Description

平行光管离焦像差标定装置
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种平行光管离焦像差标定装置，适用于测量平行光管焦面靶标离焦使用时，其所模拟目标的像差特性，能够有效提高相机定焦及真空像面预置的精度。
背景技术
平行光管在光学系统装调和整机最终光电检测阶段具有重要作用，主要用于产生平行光，可模拟高像质的无穷远目标。通过在平行光管焦面处放置星点板、条纹板、玻罗板、鉴别率板等不同类型的靶标，可以对光学系统焦距、鉴别率、成像质量等指标进行检测，同时，在相机整机阶段，配合二维转台等设备，可以检测相机焦距、畸变、不同视场的弥散斑、MTF等指标。
平行光管设计时，其像差校正通常针对模拟无穷远目标时的情况，具体使用时焦面靶标一般也置于其最佳焦面位置处，此时平行光管所模拟目标的像质满足使用要求。而在一些特殊应用场合，平行光管焦面靶标需要偏离最佳焦面位置使用，如在相机定焦过程中，相机对平行光管焦面靶板前后移动所模拟不同距离目标进行成像，通过对相机所成图像的像质进行评价，据此确定相机焦面；又如空间相机真空像面预置时，也需要沿平行光管光轴方向前后移动焦面靶板，相机对不同离焦距离的目标成像，并对其成像质量进行拟合，直至成像质量最好的位置与空间相机真空预置量相等。相机定焦和真空像面预置工作时，均需对平行光管焦面靶板进行离焦，一般认为平行光管所模拟目标的像质是完好的，然而其离焦后所模拟目标必然存在离焦像差，但目前对该离焦像差尚无有效标定方法，造成定焦和真空像面预置精度的降低。因此，对平行光管离焦像差进行标定具有重要意义。
发明内容
为了解决相机定焦和真空像面预置时平行光管存在离焦像差而影响定焦和真空像面预置精度的问题，本发明提出了一种平行光管离焦像差标定装置。本发明能够定量标定平行光管焦面靶标离焦不同距离时的像差大小，为相机定焦和真空像面预置工作提供指导，克服平行光管离焦像差所带来的不利影响。
本发明的技术方案是：
平行光管离焦像差标定装置，其特殊之处在于：
包括可调焦望远系统和平行光管离焦像差标定单元；
可调焦望远系统用于将被标定平行光管整个离焦范围内的出射光束整形为平行光；
平行光管离焦像差标定单元用于模拟被标定平行光管靶标离焦时的使用状态，并根据所述可调焦望远系统出射的平行光，解算被标定平行光管的离焦像差。
进一步地，所述可调焦望远系统的入瞳直径Dent应大于平行光管出射光束的口径Dcol。
进一步地，可调焦望远系统由物镜和目镜构成；
所述物镜的焦距fobj满足：fobj≥10Dent；
所述目镜的焦距feye满足：feye≤fobj*Dhat/Dent；
其中，Dhat为哈特曼波前传感器的工作口径。
进一步地，所述物镜包括离轴非球面镜；所述目镜为变焦镜组。
进一步地，所述物镜还包括设置在离轴非球面镜与变焦镜组之间的折轴镜。
进一步地，所述离轴非球面镜为抛物面、椭圆面或双曲面反射镜。
进一步地，所述平行光管离焦像差标定单元由激光光源和哈特曼波前传感器构成；激光光源可沿被标定平行光管的光轴方向平移，用于照射被标定平行光管，模拟被标定平行光管靶标离焦时的使用状态；哈特曼波前传感器设置在所述可调焦望远系统的后端，用于采集所述可调焦望远系统出射的携带平行光管离焦像差信息的平行光束图像，并解算平行光管的离焦像差。
进一步地，所述激光光源包括不同波长的激光器。
进一步地，所述平行光管离焦像差标定单元由激光干涉仪和平面反射镜构成；激光干涉仪可沿被标定平行光管的光轴方向平移，用于照射被标定平行光管，模拟被标定平行光管靶标离焦时的使用状态；平面反射镜设置在所述可调焦望远系统的后端，用于使可调焦望远系统出射的携带平行光管离焦像差信息的平行光束沿原路返回至所述激光干涉仪；所述激光干涉仪还用于采集干涉图像，解算平行光管的离焦像差。
本发明的优点是：
1.本发明利用变焦镜组可以有效标定平行光管需离焦使用时的像差特性，确定其所模拟目标的像质是否满足使用要求。
2.本发明设计了两套平行光管离焦像差标定方案，第一种是激光器与哈特曼波前传感器组合，另一种是激光干涉仪与平面镜组合，实际应用中可以根据需要灵活选择。
3.本发明中的变焦镜组只需对可调焦望远系统在整个焦距变化范围内的轴上特定波长处的单色像差进行校正即可，像差校正易于实现。
4.本发明通过采用不同波长的激光光源，并在标定装置设计阶段考虑工作波段内的色差校正问题，则可以对平行光管不同波长下的离焦像差进行标定，这一点对于折射式和折返式平行光管有重要意义。
附图说明
图1是基于哈特曼波前传感器标定平行光管离焦像差装置示意图。
图2是平行光管焦前离焦像差标定装置示意图。
图3是平行光管焦后离焦像差标定装置示意图。
图4是基于激光干涉仪标定平行光管离焦像差装置示意图。
附图标记说明：
1-激光光源；2-平行光管；3-离轴非球面镜；4-折轴镜；5-变焦镜组；6-哈特曼波前传感器；7-激光干涉仪；8-平面反射镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例的平行光管离焦像差标定装置包括沿光路依次设置的激光光源1、离轴非球面镜3、折轴镜4、变焦镜组5和哈特曼波前传感器6。
激光光源1设置在被标定的平行光管2焦面位置附近，并固定安装在平移台上；激光光源1出射的球面波的数值孔径大于平行光管2的数值孔径，激光光源1在平移台的带动下可沿平行光管2的光轴方向前后移动，激光光源1发出的标准球面波经平行光管2后，便会携带平行光管离焦像差信息，从而模拟平行光管2靶标离焦时的使用状态。
离轴非球面镜3设置在平行光管2的输出光路上，折轴镜4设置在离轴非球面镜3的反射光路上，变焦镜组5设置在折轴镜4的反射光路上。离轴非球面镜3、折轴镜4、变焦镜组5构成可调焦望远系统，通过移动变焦镜组5，可使激光光源1沿平行光管2光轴方向移动不同距离时，从变焦镜组5出射的光束均为平行光束，从而将平行光管2整个离焦范围内的出射光束整形为平行光。
离轴非球面镜3和折轴镜4相当于可调焦望远系统中的物镜；变焦镜组5相当于可调焦望远系统中的目镜，主要起到缩束作用，保证其出射光束直径小于哈特曼波前传感器6的工作口径。
为保证可调焦望远系统能全部接收平行光管2的出射光束，可调焦望远系统的入瞳直径Dent应大于平行光管2出射光束的口径Dcol，即：Dent＞Dcol。
为降低目镜外形尺寸和保证可调焦望远系统的缩束比，物镜的焦距fobj应满足：fobj≥10Dent。目镜的焦距feye根据哈特曼波前传感器的工作口径Dhat和物镜的焦距fobj选取，即满足feye≤fobj*Dhat/Dent。
由于标定时平行光管2为单个视场的出射光束，故在设计可调焦望远系统时只需考虑轴上视场；像差校正时，需要对-∞～L1和L2～+∞物距间进行像质校正，重点校正轴上像差，故需要对平行光管在-∞～L1和L2～+∞的离焦像差进行标定。其中：L1为平行光管焦面靶标向平行光管侧离焦最大值时所模拟目标的距离；L2为平行光管焦面靶标向远离平行光管侧离焦最大值时所模拟目标的距离；根据牛顿公式，L1、L2按下式确定：
Figure GDA0003134053760000051
Figure GDA0003134053760000052
式中：fcol为平行光管2焦距；ΔL1为平行光管焦面靶标向平行光管侧离焦时的离焦量最大值；ΔL2为平行光管焦面靶标向远离平行光管侧离焦时的离焦量最大值。
哈特曼波前传感器6设置在变焦镜组5后端，用于采集变焦镜组5出射的携带平行光管离焦像差信息的平行光束图像，并利用哈特曼波前传感器6自带软件解算平行光管的离焦像差。
本实施例中：
激光光源1可以是不同波长的激光器，从而可以实现标定平行光管2在多个波长位置处的波像差标定。
离轴非球面镜3可以是抛物面、椭圆面、双曲面等多种形式的反射镜。
折轴镜4用于折转光轴使得标定装置结构更紧凑，当标定时空间充足的情况下，可以不使用折轴镜4。
图2所示为激光光源1向平行光管2焦前离焦时变焦镜组5的工作状态，其相对于图1中变焦镜组5的位置有一定变化。
图3所示为激光光源1向平行光管2焦后离焦时变焦镜组5的工作状态，其位置不同于图1、图3中变焦镜组5的位置。
通过图2、3可以看出，通过目镜镜组之间间距的调整，能够实现调焦。
本实施例标定过程和原理如下：
首先，根据平行光管2的使用要求，确定其焦面靶标的离焦范围，从而确定可调焦望远系统的口径和焦距变化范围；
然后，通过光学设计软件，设计可调焦望远系统，设计时，对可调焦望远系统的整个焦距范围内的像质进行充分校正；
接着，按照图1所示光路摆放激光光源1、平行光管2、可调焦望远系统和哈特曼波前传感器6，通过平移台前后移动激光光源1，模拟平行光管2焦面靶标的不同离焦情况，根据平行光管2当前离焦量，计算其所模拟目标的理论距离-∞～L1和L2～+∞，根据此理论距离确定可调焦望远系统中变焦镜组5的调整距离，然后用哈特曼波前传感器6检测变焦镜组5出射光束的波像差，即为平行光管2在当前离焦位置处的离焦像差。
实施例2：
如图4所示，本实施例与实施例1的区别仅在于：将实施例1中的激光光源1用激光干涉仪7替代，将哈特曼波前传感器6用平面反射镜8替代。
激光干涉仪7沿平行光管2的光轴方向前后移动，激光干涉仪7发出的球面波经平行光管2后，便会携带平行光管离焦像差信息，从而模拟平行光管2靶标离焦时的使用状态。
平面反射镜8设置在变焦镜组5的后端，使变焦镜组5出射的携带平行光管离焦像差信息的平行光束沿原路返回至激光干涉仪7，形成自准直光路，利用激光干涉仪7采集干涉图像，利用激光干涉仪7自带软件解算平行光管的离焦像差。
本实施例标定过程和原理如下：
首先，根据平行光管2的使用要求，确定其焦面靶标的离焦范围，从而确定可调焦望远系统的口径和焦距变化范围；
然后，通过光学设计软件，设计可调焦望远系统，设计时，对可调焦望远系统的整个焦距范围内的像质进行充分校正；
接着，按照图4所示光路摆放激光干涉仪7、平行光管2、可调焦望远系统和平面反射镜8，通过平移台前后移动激光干涉仪7，模拟平行光管2焦面靶标的不同离焦情况，根据平行光管2当前离焦量，计算其所模拟目标的理论距离，根据此距离确定可调焦望远系统中变焦镜组5的调整距离，然后用平面反射镜8使得变焦镜组5出射的平行光束沿原路返回至激光干涉仪7，利用激光干涉仪7检测变焦镜组5出射光束的波像差，即为平行光管2在当前离焦位置处的离焦像差。

Claims (7)

1.平行光管离焦像差标定装置，其特征在于：
包括可调焦望远系统和平行光管离焦像差标定单元；
可调焦望远系统用于将被标定平行光管整个离焦范围内的出射光束整形为平行光；
平行光管离焦像差标定单元用于模拟被标定平行光管靶标离焦时的使用状态，并根据所述可调焦望远系统出射的平行光，解算被标定平行光管的离焦像差；
所述可调焦望远系统的入瞳直径Dent应大于平行光管出射光束的口径Dcol；
可调焦望远系统由物镜和目镜构成；
所述物镜的焦距fobj满足：fobj≥10Dent；
所述目镜的焦距feye满足：feye≤fobj*Dhat/Dent；
其中，Dhat为哈特曼波前传感器的工作口径。
2.根据权利要求1所述的平行光管离焦像差标定装置，其特征在于：
所述物镜包括离轴非球面镜；
所述目镜为变焦镜组。
3.根据权利要求2所述的平行光管离焦像差标定装置，其特征在于：
所述物镜还包括设置在离轴非球面镜与变焦镜组之间的折轴镜。
4.根据权利要求3所述的平行光管离焦像差标定装置，其特征在于：
所述离轴非球面镜为抛物面、椭圆面或双曲面反射镜。
5.根据权利要求1-4任一所述的平行光管离焦像差标定装置，其特征在于：
所述平行光管离焦像差标定单元由激光光源和哈特曼波前传感器构成；
激光光源可沿被标定平行光管的光轴方向平移，用于照射被标定平行光管，模拟被标定平行光管靶标离焦时的使用状态；
哈特曼波前传感器设置在所述可调焦望远系统的后端，用于采集所述可调焦望远系统出射的携带平行光管离焦像差信息的平行光束图像，并解算平行光管的离焦像差。
6.根据权利要求5所述的平行光管离焦像差标定装置，其特征在于：
所述激光光源包括不同波长的激光器。
7.根据权利要求1-4任一所述的平行光管离焦像差标定装置，其特征在于：
所述平行光管离焦像差标定单元由激光干涉仪和平面反射镜构成；
激光干涉仪可沿被标定平行光管的光轴方向平移，用于照射被标定平行光管，模拟被标定平行光管靶标离焦时的使用状态；
平面反射镜设置在所述可调焦望远系统的后端，用于使可调焦望远系统出射的携带平行光管离焦像差信息的平行光束沿原路返回至所述激光干涉仪；
所述激光干涉仪还用于采集干涉图像，解算平行光管的离焦像差。
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