CN111707450A - 光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

为了克服现有的相机光电对接方案效率低、精度差、成本高、调整复杂以及对相机探测器反光面反射率有较高要求的技术问题，本发明提出了一种光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置及方法。本发明结合平行光管、二维转台、三维坐标测量系统，能够对光学镜头任意视场的能量集中度、点扩散函数或调制传递函数等指标进行过焦测试，从而确定光学镜头的焦平面位置；同时利用三维坐标测量系统可检测光学镜头机械安装面位置；由此，最终实现了对光学镜头安装面和焦平面位置关系的检测，为相机光电对接工作提供数据支撑，从而可以提高被测光学镜头在光电对接阶段的效率。

Description

光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置及方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种光学镜头焦平面与机械安装面位置关系的检测装置。

背景技术

光学镜头是相机的重要组成部分，在其装配完成后与探测器进行光电对接，即形成最终相机产品，以各类航空、航天飞行器为搭载平台，相机可以输出目标区域的图像数据，完成侦查、测绘、农林业管理、环境监测等任务。相机光电对接是光机装配的最后一步，需要准确地将探测器同镜头的焦面位置进行对接，光电对接精度关乎相机成像质量。传统光电对接方法通过反复修改连接光学镜头机械安装面和探测器的垫片厚度，直至找到像面位置，此方法效率低、精度差、耗时耗力。

针对相机光电对接的问题，公开号为CN103278934B的专利文献中提出了一种基于平行光管和二维调整架精密标定相机不同视场调制传递函数，进而完成光电对接的方法，但该方法实施过程中光学系统与机械系统未紧密连接，紧固螺钉安装、销钉安装等步骤引起较大的不确定性。公开号为CN108680154A的专利文献中提出了基于多个单星模拟器测量相机不同视场弥散斑，据此完成光电对接的方案，该方案需同时使用9个单星模拟器，成本高，调整复杂，尤其对于大口径相机而言，几乎不现实。公开号为CN103309147B的专利文献中公开了利用探测器感光面反光特性构建自准直焦面对接光路的方法实现光电对接，其要求相机探测器的反光面必须有较高的反射率，且难以保证相机探测器与其光学系统光轴的垂直度。公开号为CN103402114B的专利文献中公开了采用高精度双轴车床保证焦面对接的调整目标和调整精度，该方案需依次调整光学镜头、探测器姿态使其与相应旋转轴对准，加工成本较高。

发明内容

为了克服现有的相机光电对接方案效率低、精度差、成本高、调整复杂以及对相机探测器反光面反射率有较高要求的技术问题，本发明提出了一种光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置及方法。本发明能够检测光学镜头不同视场的过焦像差特性，从而确定光学镜头的焦平面，同时可以检测光学镜头机械安装面的位置，能对光学镜头焦平面与机械安装面的相对位置进行高精度测量，为相机光电对接工作提供数据支撑。

本发明采用的技术解决方案如下：

光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置，其特殊之处在于：包括积分球光源、平行光管、二维转台和三维坐标测量系统；

积分球光源位于平行光管焦面后方，用于均匀照明平行光管焦面靶标；

二维转台位于平行光管出光口正前方，其台面用于安装被测光学镜头和三维坐标测量系统；

三维坐标测量系统包括三维平移台和设置在三维平移台上的光学镜头像质显微测量系统；

光学镜头像质显微测量系统包括沿同一光轴依次设置的物镜、中继镜和探测器；物镜与中继镜之间的距离可调；中继镜和探测器位置固定，探测器感光面与中继镜对无穷远物成像时的焦面位置重合。

进一步地，三维坐标测量系统由Z方向平移台、X方向平移台和Y方向平移台构成；Z方向平移台的移动方向垂直于二维转台方位和俯仰旋转轴所构成的平面；以Z方向平移台为基准，X方向平移台和Y方向平移台依次固定安装在Z方向平移台上；X方向平移台移动范围的中心固定安装于Z方向平移台的安装台面上，Y方向平移台通过L形板固定安装于X方向平移台的安装台面上；所述光学镜头像质显微测量系统固定安装于Y方向平移台的安装台面上，且其光轴与Z方向平移台的移动方向平行。

进一步地，积分球光源的出光口口径大于平行光管焦面尺寸；平行光管光轴垂直于二维转台方位和俯仰旋转轴所构成的平面。

进一步地，光学镜头像质显微测量系统与平行光管的光轴高度相等。

进一步地，物镜选择出射光束为平行光的物镜。

本发明还提供了一种基于上述的光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置检测光学镜头焦平面与机械安装面位置关系的方法，其特殊值在于，包括以下步骤：

步骤1，将被测光学镜头安装在二维转台上，调整其位置使得平行光管、被测光学镜头和三维坐标测量系统中的光学镜头像质显微测量系统三者光轴相互平行，同时使被测光学镜头与平行光管的光轴高度相等；

步骤2，利用积分球光源照射平行光管焦面处的靶标，模拟无穷远目标；

步骤3，通过二维转台、三维平移台和光学镜头像质显微测量系统，依次完成被测光学镜头多个视场能量集中度、点扩散函数或调制传递函数的过焦测试，实现被测光学镜头焦平面位置的检测；

步骤4，利用三维坐标测量系统检测被测光学镜头机械安装面位置；

步骤5，根据步骤3得到的被测光学镜头焦平面位置和步骤4得到被测光学镜头机械安装面位置，得到被测光学镜头焦平面与机械安装面位置关系。

进一步地，所述步骤3具体为：

3.1)对被测光学镜头多个视场位置处能量集中度、点扩散函数或调制传递函数进行过焦测试，第i个视场位置测试时的三维平移台读数为(x_i,y_i,z_ij)，相应的像质评价指标为I_ij；由于单个视场过焦测试时x_i,y_i坐标保持不变，因此，对z_ij和I_ij进行最小二乘拟合即可得到该视场的最佳焦面位置，拟合公式如下：

I＝a_iz²+b_iz+c_i

3.2)按下式计算光学镜头第i个视场位置处的最佳焦面位置：

z_i＝-b_i/(2a_i)；

3.3)依次对被测光学镜头视场内多个视场位置进行检测，并按步骤3.2)中的公式进行处理，得到相应的最佳焦面位置(x_i,y_i,z_i)，据此即可得到被测光学镜头的场曲特性，从而根据需要确定光学镜头的焦平面位置。

进一步地，步骤3.3)中，采用平面拟合的方法，对最佳焦面位置(x_i,y_i,z_i)进行拟合，得到如下式所示的焦平面方程：

px+qy+wz+m＝0。

进一步地，步骤4具体为：

4.1)利用三维坐标测量系统分别对被测光学镜头机械安装面上各安装孔进行成像，对所得图像进行处理，得到各安装孔中心位置(x_k,y_k,z_k)；

4.2)对各安装孔中心位置(x_k,y_k,z_k)进行平面拟合，得到如下式所示的平面方程：

αx+βy+γz+σ＝0

4.3)若检测光学镜头机械安装面位置时，光学镜头像质显微测量系统中使用了不同筒距的套筒，将筒距变化量记为Δ，则被测光学镜头机械安装面方程为：

αx+βy+γ(z-Δ)+σ＝0。

进一步地，步骤5具体为：

根据步骤3.3)得到的被测光学镜头焦平面方程和4.3)得到的被测光学镜头机械安装面方程，获取被测光学镜头焦平面与机械安装面位置关系。

本发明的优点在于：

1.本发明结合平行光管、二维转台、三维坐标测量系统，能够对光学镜头任意视场的能量集中度、点扩散函数或调制传递函数等指标进行过焦测试，从而确定光学镜头的焦平面位置；同时利用三维坐标测量系统可检测光学镜头机械安装面位置；由此，最终实现了对光学镜头安装面和焦平面位置关系的检测，为相机光电对接工作提供数据支撑，从而可以提高被测光学镜头在光电对接阶段的效率。

2.本发明所获得的光学镜头焦平面位置与其机械安装面位置关系检测结果，结合相机探测器感光面与机械安装面位置关系标定结果(采用三坐标等设备标定)，可以直接得到光学镜头机械安装面与探测器安装面之间隔圈的厚度，焦面对接工作整个流程只需一次测试、一次加工即可完成，能够高效率、高精度、低成本、操作简单地实现焦面对接工作，能够提高相机的生产速度，同时整个流程对相机探测器反光面无任何要求。

3.本发明可对光学镜头整个视场内的像质(如能量集中度、点扩散函数、调制传递函数等)指标进行定量检测，并且能够对任意视场进行过焦测试，从而检测光学镜头的场曲特性，便于选择光学镜头的焦平面。

4.本发明中光学镜头像质显微测量系统的物镜和中继镜之间的距离可调，通过设计不同筒距规格的套筒，可以有效防止由于物镜工作距离短而无法聚焦到光学镜头机械安装面的问题。

附图说明

图1是本发明光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置的原理示意图。

图2是三维坐标测量系统示意图。

图3是筒距可调的光学镜头像质显微测量系统示意图。

附图标记说明：

1-积分球光源；2-平行光管；3-被测光学镜头；4-二维转台；5-三维坐标测量系统；6-Z方向平移台；7-X方向平移台；8-Y方向平移台；9-光学镜头像质显微测量系统；10-物镜；11-中继镜；12-套筒；13-探测器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明考虑到光电对接的主要困难在于：光学镜头加工装配过程中，由于镜片加工误差、结构件加工误差、装配误差等因素，导致其像质及机械安装面偏离设计值，即光学镜头焦平面与机械安装面的相对位置发生改变，此为导致相机光电对接困难的根本原因。因此，本发明提出了一种能够直接检测光学镜头焦平面与机械安装面位置关系的装置及方法，以定量检测光学镜头焦平面相对于机械安装面的位置关系，进而为后续光电对接工作提供数据指导。

如图1所示，本发明所提供的能够直接检测光学镜头焦平面与机械安装面位置关系的装置，包括积分球光源1、平行光管2、二维转台4和三维坐标测量系统5。

积分球光源1位于平行光管2焦面后方，用于均匀照明平行光管2焦面靶标，积分球光源1的出光口口径大于平行光管2焦面尺寸。

二维转台4位于平行光管2出光口正前方。

被测光学镜头3和三维坐标测量系统5固定安装于二维转台4的台面上。

如图2所示，三维坐标测量系统5包括由Z方向平移台6、X方向平移台7和Y方向平移台8构成的三维平移台，以及光学镜头像质显微测量系统9。Z方向平移台6、X方向平移台7和Y方向平移台8相互之间的移动方向垂直。

如图3所示，光学镜头像质显微测量系统9包括沿同一光轴依次设置的物镜10、中继镜11和探测器13；物镜10选择出射光束为平行光的物镜；物镜10安装在套筒12的一端，中继镜11安装在套筒12的另一端。可以根据实际使用需求更换不同性能参数的物镜10，通过更换不同长度的套筒12以实现筒距的调节；中继镜11和探测器13位置固定，探测器13感光面与中继镜11对无穷远物成像时的焦面位置重合。

测试前，应先将平行光管2、被测光学镜头3和三维坐标测量系统5中的光学镜头像质显微测量系统9三者光轴调至相互平行。

本发明的装调过程具体如下：

首先完成三维平移台的组装，如图2所示，以Z方向平移台6为基准，在其上依次固定安装X方向平移台7和Y方向平移台8，X方向平移台7移动范围的中心固定安装于Z方向平移台6的安装台面上，Y方向平移台8通过L形板固定安装于X方向平移台7的安装台面上，调整Z方向平移台6、X方向平移台7和Y方向平移台8的位置关系，使三者平移方向互相垂直；

然后，如图3所示，将物镜10、中继镜11、套筒12和探测器13组装成光学镜头像质显微测量系统9；

接着，将光学镜头像质显微测量系统9固定安装于Y方向平移台8的安装台面上，调整光学镜头像质显微测量系统9的位置，使其光轴与Z方向平移台6的移动方向平行，从而完成三维坐标测量系统5的组装；

调整平行光管2的姿态，使其中心视场出射光线平行于水平面，并在平行光管2焦面后方放置积分球光源1，如图1所示，在平行光管2出光口正前方放置二维转台4，调整二维转台4的位置，使平行光管2光轴垂直于二维转台4方位和俯仰旋转轴所构成的平面；

最后，将组装好的三维坐标测量系统5固定于二维转台4的台面上，调整三维坐标测量系统5的位置，使得Z方向平移台6的移动方向垂直于二维转台4方位和俯仰旋转轴所构成的平面，同时使得当Y方向平移台8位于其移动范围的中间位置时，光学镜头像质显微测量系统9与平行光管2的光轴高度相等。

以上过程即完成了光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置的装调工作，后期当需要使用时，直接将被测光学镜头3固定于二维转台4的台面上即可。

检测光学镜头焦平面与机械安装面位置关系时，将被测光学镜头3固定安装于二维转台4的台面上，调整被测光学镜头3的位置，使被测光学镜头3的光轴与平行光管2光轴平行，同时使被测光学镜头3与平行光管2的光轴高度相等。然后在平行光管2焦面处放置星点、狭缝或刀口等靶标，开启积分球光源1的电源，并打开光学镜头像质显微测量系统9的探测器13，控制二维转台4、Z方向平移台6、X方向平移台7和Y方向平移台8，依次检测被测光学镜头3多个视场的能量集中度、点扩散函数或调制传递函数。被测光学镜头3单个视场像质检测时，控制Z方向平移台6在被测光学镜头3焦平面位置附近前后等间隔移动多个位置，进行过焦测试。前述工作完成后，可以得到被测光学镜头3多个视场能量集中度、点扩散函数或调制传递函数等像质指标的过焦测试结果，据此可以获得被测光学镜头3的场曲特性，从而确定被测光学镜头3的焦平面位置，并记录此位置对应的三维平移台读数。

移动X方向平移台7和Y方向平移台8，使光学镜头像质显微测量系统9对准被测光学镜头3的机械安装面上的某一安装孔，向前移动Z方向平移台6，直至探测器13观察到该安装孔的清晰像，若始终无法成清晰像，则更换其他筒距的套筒12，直至该安装孔成像最清晰。控制三维平移台，使探测器13依次对被测光学镜头3机械安装面上的各个安装孔清晰成像，记录各个安装孔的中心位置，并对这些中心位置进行拟合，从而获取被测光学镜头3的机械安装平面位置。

结合前面检测得到的被测光学镜头3的焦平面位置和套筒12的筒距，解算出被测光学镜头3焦平面和机械安装面的位置关系。

本发明的原理：

如图1所示，依次对被测光学镜头3多个视场位置处的能量集中度、点扩散函数或调制传递函数进行过焦测试，第i个视场位置测试时的三维平移台读数为(x_i,y_i,z_ij)，相应的像质评价指标为I_ij。由于单个视场过焦测试时x_i,y_i坐标保持不变，因此，对z_ij和I_ij进行最小二乘拟合即可得到该视场的最佳焦面位置，拟合公式如下：

I＝a_iz²+b_iz+c_i (1)

其中，为I为像质评价指标；a_i、b_i、c_i为拟合二次多项式的系数；z为Z方向平移台的坐标位置。

据此，按下式计算被测光学镜头3第i个视场位置处的最佳焦面位置：

z_i＝-b_i/(2a_i) (2)

依次对光学镜头视场内多个视场位置进行检测并按公式(1)和公式(2)进行处理得到相应的最佳焦面位置(x_i,y_i,z_i)，据此即可得到被测光学镜头3的场曲特性，从而根据需要确定被测光学镜头3的焦平面位置，例如，可以采用平面拟合的方法，对(x_i,y_i,z_i)进行拟合，得到如下式所示的焦平面方程：

px+qy+wz+m＝0 (3)

其中，p、q、w、m为平面方程系数；x、y、z为坐标变量。

利用图2所示的三维坐标测量系统，分别对被测光学镜头3机械安装面上各安装孔进行成像，通过对相应图像进行处理，得到各安装孔中心位置(x_k,y_k,z_k)，对各安装孔中心位置进行平面拟合，得到如下式所示的平面方程：

αx+βy+γz+σ＝0 (4)

其中，k为光学镜头机械安装面上安装孔的编号；α、β、γ、σ为平面方程系数。

若检测被测光学镜头3机械安装面位置时，光学镜头像质显微测量系统9中使用了不同筒距的套筒12，筒距变化量用Δ表示，则应当对公式(4)进行如下修正：

αx+βy+γ(z-Δ)+σ＝0 (5)

公式(3)和公式(5)在同一坐标系下分别表征了被测光学镜头3焦平面位置和机械安装面位置，以此检测结果为数据支撑，可以提高被测光学镜头3在光电对接阶段的效率。

Claims (10)

1.光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置，其特征在于：包括积分球光源(1)、平行光管(2)、二维转台(4)和三维坐标测量系统(5)；

积分球光源(1)位于平行光管(2)焦面后方，用于均匀照明平行光管(2)焦面靶标；

二维转台(4)位于平行光管(2)出光口正前方，其台面用于安装被测光学镜头(3)和三维坐标测量系统(5)；

三维坐标测量系统(5)包括三维平移台和设置在三维平移台上的光学镜头像质显微测量系统(9)；

光学镜头像质显微测量系统(9)包括沿同一光轴依次设置的物镜(10)、中继镜(11)和探测器(13)；物镜(10)与中继镜(11)之间的距离可调；中继镜(11)和探测器(13)位置固定，探测器(13)感光面与中继镜(11)对无穷远物成像时的焦面位置重合。

2.根据权利要求1所述的光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置，其特征在于：三维坐标测量系统(5)由Z方向平移台(6)、X方向平移台(7)和Y方向平移台(8)构成；Z方向平移台(6)的移动方向垂直于二维转台(4)方位和俯仰旋转轴所构成的平面；以Z方向平移台(6)为基准，X方向平移台(7)和Y方向平移台(8)依次固定安装在Z方向平移台(6)上；X方向平移台(7)移动范围的中心固定安装于Z方向平移台(6)的安装台面上，Y方向平移台(8)通过L形板固定安装于X方向平移台(7)的安装台面上；所述光学镜头像质显微测量系统(9)固定安装于Y方向平移台(8)的安装台面上，且其光轴与Z方向平移台(6)的移动方向平行。

3.根据权利要求2所述的光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置，其特征在于：积分球光源(1)的出光口口径大于平行光管(2)焦面尺寸；平行光管(2)光轴垂直于二维转台(4)方位和俯仰旋转轴所构成的平面。

4.根据权利要求3所述的光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置，其特征在于：光学镜头像质显微测量系统(9)与平行光管(2)的光轴高度相等。

5.根据权利要求4所述的光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置，其特征在于：物镜(10)选择出射光束为平行光的物镜。

6.基于权利要求1-5任一所述的光学镜头焦平面与机械安装面位置关系检测装置检测光学镜头焦平面与机械安装面位置关系的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将被测光学镜头(3)安装在二维转台(4)上，调整其位置使得平行光管(2)、被测光学镜头(3)和三维坐标测量系统(5)中的光学镜头像质显微测量系统(9)三者光轴相互平行，同时使被测光学镜头(3)与平行光管(2)的光轴高度相等；

步骤2，利用积分球光源(1)照射平行光管(2)焦面处的靶标，模拟无穷远目标；

步骤3，通过二维转台(4)、三维平移台和光学镜头像质显微测量系统(9)，依次完成被测光学镜头(3)多个视场能量集中度、点扩散函数或调制传递函数的过焦测试，实现被测光学镜头(3)焦平面位置的检测；

步骤4，利用三维坐标测量系统(5)检测被测光学镜头(3)机械安装面位置；

步骤5，根据步骤3得到的被测光学镜头(3)焦平面位置和步骤4得到被测光学镜头机械安装面位置，得到被测光学镜头焦平面与机械安装面位置关系。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述步骤3具体为：

3.1)对被测光学镜头(3)多个视场位置处能量集中度、点扩散函数或调制传递函数进行过焦测试，第i个视场位置测试时的三维平移台读数为(x_i,y_i,z_ij)，相应的像质评价指标为I_ij；由于单个视场过焦测试时x_i,y_i坐标保持不变，因此，对z_ij和I_ij进行最小二乘拟合即可得到该视场的最佳焦面位置，拟合公式如下：

I＝a_iz²+b_iz+c_i

3.2)按下式计算光学镜头(3)第i个视场位置处的最佳焦面位置：

z_i＝-b_i/(2a_i)；

3.3)依次对被测光学镜头(3)视场内多个视场位置进行检测，并按步骤3.2)中的公式进行处理，得到相应的最佳焦面位置(x_i,y_i,z_i)，据此即可得到被测光学镜头(3)的场曲特性，从而根据需要确定光学镜头(3)的焦平面位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

步骤3.3)中，采用平面拟合的方法，对最佳焦面位置(x_i,y_i,z_i)进行拟合，得到如下式所示的焦平面方程：

px+qy+wz+m＝0。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：

步骤4具体为：

4.1)利用三维坐标测量系统(5)分别对被测光学镜头(3)机械安装面上各安装孔进行成像，对所得图像进行处理，得到各安装孔中心位置(x_k,y_k,z_k)；

4.2)对各安装孔中心位置(x_k,y_k,z_k)进行平面拟合，得到如下式所示的平面方程：

αx+βy+γz+σ＝0

4.3)若检测光学镜头机械安装面位置时，光学镜头像质显微测量系统(9)中使用了不同筒距的套筒(12)，将筒距变化量记为Δ，则被测光学镜头(3)机械安装面方程为：

αx+βy+γ(z-Δ)+σ＝0。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：

步骤5具体为：

根据步骤3.3)得到的被测光学镜头(3)焦平面方程和4.3)得到的被测光学镜头(3)机械安装面方程，获取被测光学镜头焦平面与机械安装面位置关系。

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