CN112230439B - 对利用光纤面板传像的同心光学系统的焦面装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对利用光纤面板传像的同心光学系统的焦面装调方法，采用基于待调焦面猫眼反射的干涉检测技术，通过对干涉检测获取的波前信息进行解算，得到对应视场的离焦量。结合多个视场点的离焦量，得到待调焦面在空间三个正交方向上的偏心量。通过设计、加工等厚垫片和横向位移调整来消除离焦量，完成同心光学系统焦面的装调。本发明对待调焦面离焦量的检测采用的是干涉方法，不受检测人员视力等主观因素影响，具有检测精度高的优点。本发明在待调焦面装调过程中，能够实现焦面透镜在空间三个正交方向上偏心量的精确解算，只需要对待调焦面进行位移调整，不需要对待调焦面进行倾斜角的调整，有助于降低装调难度，提高装调效率。

Description

对利用光纤面板传像的同心光学系统的焦面装调方法

技术领域

本发明属于光学装调技术领域，具体涉及对利用光纤面板传像的同心光学系统的焦面装调方法。

背景技术

同心光学系统是指光学系统中所有折射/反射表面和像面都是球面，且所有表面和像面的曲率中心重合的光学系统。同心光学系统由于不需要对场曲像差进行校正，可以极大程度上降低光学设计难度，缩减镜片数量，在大视场成像光学系统的设计中有着巨大的优势。

由于目前球形感光面的探测器的研制与应用还不成熟，所以一般需要将球像面转换成平像面来进行成像。一种常见的做法是通过光纤面板转接将球像面转换为平像面后，再用平面探测器接收成像[.J.A.Waidelich,Jr.,“Spherical lens imaging device,”U.S.patent 3,166,623(19.January 1965).][I.Stamenov,A.Arianpour,S.J.Olivas,I.P.Agurok,A.R.Johnson,R.A.Stack,R.L.Morrison,and J.E.Ford,“Panoramicmonocentric imaging using fiber-coupled focal planes,”Opt Express 22(26),31708-31721(2014).]。光纤面板是利用大量的光纤压制而成的具有传像功能的光学器件，两端可以抛光成平面或者球面。球像面转换为平像面的过程如下：将光纤面板的前端抛光成球面，其曲率半径与球像面相同，光纤面板的后端抛光成平面，与探测器贴合，利用光纤面板的传像功能实现平像场成像，如图1所示，光纤面板2的前端抛光成球面，其曲率半径与同心光学系统1的球像面相同，光纤面板2的后端抛光成平面，与探测器3贴合，利用光纤面板2的传像功能实现平像场成像。

还有一种方法是在同心光学系统的焦面处放置一片焦面透镜，焦面透镜后表面与系统像面重合，然后将光纤面板前表面抛光为球面，与焦面透镜后表面贴合；后表面抛光为平面，与探测器感光面贴合，实现平像场成像，如图2所示，同心光学系统1的作用是将目标物体成像在一个具有一定曲率半径的球面上；焦面透镜22的后表面与光学系统1球像面重合，光纤面板2的前表面抛光成与焦面透镜22后表面曲率半径相同的球面，并通过胶合等方法与之贴合。光纤面板2的后表面抛光成平面，与探测器3的感光面贴合，从而实现将弯曲像面转换成平像面成像的目的。

光学系统在装调中，如果探测器感光面不与光学系统的像面重合，就会带来离焦，导致成像模糊。对于常规的平像面光学系统，探测器的离焦量主要靠调节探测器与光学系统的轴向距离来保证，而垂直于光轴方向的平移不会带来离焦量。对于球像面的同心光学系统，光纤面板起到了传像作用，光纤面板的前表面或者焦面透镜的后表面等效为探测器的感光面，因此，对于这种球像面光学系统，焦面的装调实际上就是光纤面板或者焦面透镜的装调。由于光纤面板前表面或者焦面透镜后表面(统称待调焦面)具有一定的曲率，因此相比于平像面光学系统，球像面系统的焦面装调有其自身的难点：待调焦面沿着光轴方向和垂直于光轴方向的偏离都会带来离焦，焦面的装调需要同时消除轴向失调量和垂直于轴向的偏心量。

对于球像面光学系统待调焦面的装调，过程分为两步：离焦量的检测与离焦量的消除。目前，球像面光学系统待调焦面的离焦检测一般需要利用球像面光学系统对靶标进行成像，再利用显微镜先对靶标像进行对焦，再和待调焦面进行对焦，然后测量出靶标像和焦面透镜后表面的距离，以此来判定离焦量，测得多个视场的离焦量后，即可得到待调焦面上多点的离焦量，这种方法由于会受到检测人员视力等主观因素影响，检测误差较大；球像面光学系统待调焦面的离焦量消除一般根据测得的多点的离焦量，通过重新设计、加工具有一定倾斜角的垫片等方法来完成，该方法存在倾斜垫片的修磨难度和成本较高的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了对利用光纤面板传像的同心光学系统的焦面装调方法，采用干涉方法对待调焦面离焦量进行检测，检测精度高且能够实现焦面透镜在空间三个正交方向上偏心量的精确解算，降低装调难度，提高装调效率。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

本发明的一种对利用光纤面板传像的同心光学系统的焦面装调方法，包括如下步骤：

步骤1，初步完成待调焦面的定位；

步骤2，将干涉仪放置于同心光学系统的物方，干涉仪出射光的焦点需与同心光学系统的物方轴上物点重合，若同心光学系统的物距为无穷远，则使干涉仪发出平行光；干涉仪发出的检测光经过同心光学系统后，到达待调焦面，检测光经待调焦面反射后会原路返回至干涉仪，生成干涉条纹；通过对干涉条纹进行解算获取波前像差数据；对波前像差数据进行Zernike像差系数拟合得到离焦像差系数；调整干涉仪检测光的入射角度或者焦点位置实现不少于3个待检测视场的波像差检测；

步骤3，在Zemax或者Code V光学设计软件中对同心光学系统检测光路进行建模，其中视场设置为待检测视场，将待调焦面之前的装调间隔设置为优化变量，将步骤2获得的检测光路的离焦像差系数添加到优化限制函数中，并将优化目标值设置为实际检测获取的离焦像差系数；

通过优化装调间隔，使软件计算得到的检测光路的离焦像差系数与实际获取的数值相等，用优化后的装调间隔减掉优化前的间隔得到该待检测视场下待调焦面的离焦量；

步骤4，改变待检测视场，通过步骤3的方式得到所有待检测视场的离焦量；

对每一个待检测视场建立如式(8)所示的方程：

(X₁-X₂)²+(Y₁-Y₂)²+(Z₁-Z₂)²＝d² (8)

其中，d为离焦量；

X₁、Y₁、Z₁为主光线与未失调的待调焦面的交点坐标：

其中，R为待调焦面的曲率半径；

X₂、Y₂、Z₂为主光线与失调状态下待调焦面的交点坐标：

其中，A、B、C为X、Y、Z方向上的偏离量；其中，同心光学系统的光轴方向为Z轴，轴上视场点光线传播的方向定义为Z轴正向；垂直于Z轴向上的方向定义为Y轴正向，X轴正向与Y轴、Z轴符合右手定则，同心光学系统所有表面的曲率中心为坐标系原点，其坐标为(0，0，0)；

x＝tan(xan) (2.a)

y＝tan(yan) (2.b)

其中，xan、yan为待测视场的视场点坐标；

通过求不同待测视场方程组成的方程组的最小二乘解，得到待调焦面在空间X、Y与Z方向上的失调量；

步骤5，依据计算得到的失调量对待调焦面进行调整，具体如下：

X和Y方向上的偏心量通过平移待调焦面来消除，Z方向上的偏心量通过调整待调焦面的轴向位置进行去除。

其中，所述步骤2中，如果因为光瞳渐晕导致出现光瞳波面不是圆形的情况，则在整个波面上截取部分圆口径来保证Zernike系数拟合的正交性。

其中，如果同心光学系统通过焦面透镜和光纤面板进行成像，所述待调焦面为焦面透镜的后表面；如果同心光学系统直接通过光纤面板进行成像，所述待调焦面为光纤面板的前表面。

有益效果：

本发明采用基于待调焦面猫眼反射的干涉检测技术，通过对干涉检测获取的波前信息进行解算，得到对应视场的离焦量。结合多个视场点的离焦量，得到待调焦面在空间三个正交方向上的偏心量。通过设计、加工等厚垫片和横向位移调整来消除离焦量，完成同心光学系统焦面的装调。本发明对待调焦面离焦量的检测采用的是干涉方法，不受检测人员视力等主观因素影响，具有检测精度高的优点。本发明在待调焦面装调过程中，能够实现焦面透镜在空间三个正交方向上偏心量的精确解算，只需要对待调焦面进行位移调整，不需要对待调焦面进行倾斜角的调整，有助于降低装调难度，提高装调效率。

附图说明

图1为现有的同心光学系统通过光纤面板的转接实现平像场成像示意图；

其中，1-同心光学系统，2-光纤面板，3-探测器。

图2为现有的同心光学系统通过焦面透镜与光纤面板的转接实现平像场成像示意图。

其中，1-同心光学系统，22-焦面透镜，2-光纤面板，3-探测器。

图3为本发明同心光学系统焦面透镜离焦量检测示意图；

其中，1-同心光学系统，22-焦面透镜，33-干涉仪。

图4为本发明利用光纤面板传像的同心光学系统的焦面装调流程图。

图5为本发明实验验证实例中使用的同心光学系统示意图。

其中，1-同心光学系统，22-焦面透镜，焦面透镜后表面为待调焦面。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明解决了利用光纤面板传像的同心光学系统的焦面装调问题。将多视场点波前干涉检测的方法和“逆向优化法”相结合完成了待调焦面离焦量的检测，该方法不受检测人员视力等主观因素影响，具有检测精度高的优点。基于待调焦面多个视场点的离焦量数据，推导了待调焦面在空间3个正交方向上的位移失调量的解析计算方法，能够实现待调焦面在空间3个正交方向上偏心量的精确获取，只需要对待调焦面进行位移调整，不需要对待调焦面进行倾斜角的调整，有助于降低装调难度，提高装调效率。

本发明对同心光学系统中待调焦面的离焦量检测方案如图3所示。

同心光学系统1的待调焦面(图3中为焦面透镜22的后表面，如果同心光学系统通过焦面透镜22和光纤面板2进行成像，所述待调焦面为焦面透镜22的后表面；如果同心光学系统直接通过光纤面板2进行成像，所述待调焦面为光纤面板的前表面)。经过初装调后，将干涉仪33放置于同心光学系统1的物方。干涉仪33出射光的焦点需与同心光学系统1的物点重合，若同心光学系统1的物距为无穷远，则使干涉仪33发出平行检测光即可。干涉仪33发出的检测光经过同心光学系统1后，到达待调焦面，由于待调焦面在同心光学系统1的像面附近，故在此处会发生猫眼反射，检测光经待调焦面反射后会原路返回至干涉仪33，生成干涉条纹。通过对干涉条纹进行解算，可获取波像差数据，将波像差数据输入到光学设计软件中进行仿真，可得到待调焦面对应视场的离焦量。对于其他视场离焦量的检测，可以通过调整干涉仪33检测光的入射角度或者焦点位置来实现(如图3中33a与33b所在位置)。通过不同视场的离焦量数据可求得待调焦面的三个正交方向上的偏心量，垂直于光轴方向上的偏心量可以通过设计、加工等厚垫片等方法平移待调焦面来消除，光轴方向上的偏心量可以通过调整待调焦面的轴向位置进行去除。最终完成焦面透镜的装调。

具体地，本实施例利用光纤面板传像的球像面光学系统的焦面装调流程如图4所示，包括如下步骤：

步骤1，待调焦面的初步装调，具体如下：

利用螺钉限位等的手段初步完成待调焦面的定位，初步装调后待调焦面可能存在较大的装调误差。

步骤2，对同心光学系统的多视场波前进行干涉检测，具体如下：

干涉检测过程如图3所示，将干涉仪33放置于同心光学系统1的物方，干涉仪33出射光的焦点需与同心光学系统1的物方轴上物点重合，若同心光学系统1的物距为无穷远，则使干涉仪33发出平行光即可。干涉仪33发出的检测光经过同心光学系统1后，到达待调焦面，由于待调焦面在同心光学系统1的像面附近，故在此处会发生猫眼反射，检测光经待调焦面反射后会原路返回至干涉仪33，生成干涉条纹，通过对干涉条纹进行解算，可获取波前像差数据。对波前像差数据进行Zernike像差系数拟合，可以得到离焦像差系数(Zernike多项式中2R²-1项的系数)，如果因为光瞳渐晕导致出现光瞳波面不是圆形的情况，可以在整个波面上截取部分圆口径来保证Zernike系数拟合的正交性。干涉条纹的解算和像差系数的拟合均可通过干涉仪配套软件完成。如果对于其他视场离焦像差的检测，可以通过调整干涉仪检测光的入射角度或者焦点位置来实现。由于待调焦面的空间自由度有3个，所以为了确定待调焦面的失调量，需要至少对3个不同的视场进行波像差检测。

步骤3，根据视场点的离焦波像差分析对应视场的离焦量，具体如下：

根据离焦波像差分析对应视场的离焦量可以参照依托于Zemax或者Code V光学设计的“逆向优化法”(S.Kim,H.S.Yang,Y.W.Lee,and S.W.Kim,“Merit functionregression method for efficient alignment control of two-mirror opticalsystems,”Opt Express 15(8),5059-5068(2007).)。具体方法为：在光学设计软件中对同心光学系统1检测光路进行建模，视场设置为待检测视场，建模完成后，将待调焦面的之前的装调间隔设置为优化变量，同时将检测光路的离焦像差系数添加到优化限制函数中，并将优化目标值设置为实际检测获取的离焦像差系数。通过优化装调间隔，使软件计算得到的检测光路的离焦像差系数与实际获取的数值相等，这时用优化后的装调间隔减掉优化前的间隔即为待调焦面的离焦量。通过改变视场设置，可以得到不同视场的离焦量d。

步骤4，根据不同视场的离焦量计算待调焦面的失调量，具体如下：

为了便于推导待调焦面失调量的计算公式，现对空间坐标系进行定义。同心光学系统的光轴方向为Z轴，轴上视场点光线传播的方向定义为Z轴正向；垂直于Z轴向上的方向定义为Y轴正向，X轴正向与Y轴、Z轴符合右手定则。同心光学系统所有表面的曲率中心为坐标系原点，其坐标为(0，0，0)。

在空间坐标系的定义下xan、yan的视场点的主光线方向余弦a、b、c可以用式1表示。

其中

x＝tan(xan) (2.a)

y＝tan(yan) (2.b)

同心光学系统中，主光线经过球心，因此，可得主光线的方程为

待调焦面的在未失调情况下的理论方程为

X²+Y²+Z²-R²＝0 (4)

其中，R为待调焦面的曲率半径。

由于，待调焦面为球面，可以用待调焦面的球心位置来完全描述其光学意义。因此，失调量可以表示为球心坐标相对于原点的在X、Y、Z方向上的偏离量A、B、C。因此待调焦面存在失调量的情况下的方程为

(X-A)²+(Y-B)²+(Z-C)²-R²＝0 (5)

联立式(3)与(4)，可以求得主光线与未失调的待调焦面的交点坐标X₁、Y₁、Z₁，由于待调焦面位于光线传播方向上原点之后，所以取Z为正值的一组解

同理，联立式(3)与(5)，可以求得主光线与失调状态下待调焦面的交点坐标X₂、Y₂、Z₂

通过采集多个视场点的离焦量，每一个视场点都可以建立如式(8)所示的方程。

(X₁-X₂)²+(Y₁-Y₂)²+(Z₁-Z₂)²＝d² (8)

求解X、Y、Z方向上的偏离量A、B、C，需要至少检测3个视场点。如果检测的视场点数量超过3个，则通过求不同待测视场方程组成的方程组的最小二乘解，即可得到失调球面的失调量。

步骤5，依据计算得到的失调量对待调焦面进行调整，具体如下：

求解出待调焦面在空间X、Y与Z方向上的失调量后，X和Y方向上的偏心量可以通过平移待调焦面来消除，Z方向上的偏心量可以通过调整待调焦面的轴向位置进行去除。在实际装调过程中，检测与调整过程不可避免的会存在一定误差，误差会影响检测和调整的精度，可以通过多次迭代调整来降低误差的影响，完成焦面透镜的装调。

实验验证实例：

将对如表1所示的同心光学系统进行焦面装调。该同心光学系统如图5所示，通光口径为17.5mm，视场角为60°×60°，成像波段为可见光，物距为无穷远。表1中表面12和表面13为焦面透镜的前、后表面，表面13为待调焦面。

表1实验实例中同心光学系统

对同心光学系统的5个视场波前进行干涉检测，检测的5个视场点如表2所示。

表2仿真中检测的视场点

视场编号	xan/°	yan/°
			1	0	0
2	0	30
			3	0	-30
4	30	0
			5	30	-0

检测完成后，得到5个视场波前像差检测结果，由于该同心光学系统轴外视场存在光瞳渐晕，导致了出现光瞳波面不是圆形的情况，因此，计算失调量时取80％的波面数据来保证Zernike系数拟合的正交性。

干涉仪直接拟合出的代表离焦像差的Zernike项2R²-1的系数如表3所示。

表3仿真中检测的视场点离焦像差的Zernike系数

根据5个视场的离焦像差系数，依次利用“逆向优化法”对焦面透镜的轴向位置进行优化求解，可得5个视场的离焦量如表4所示。

表4根据5个视场点的离焦波像差分析得到的对应视场的离焦量

视场编号	离焦量(单位：mm)
		1	0.062
2	0.064
		3	0.038
4	0.042
		5	0.061

根据本发明方法，计算得到的待调焦面在X、Y、Z方向上的偏离量A、B、C分别为：0.0186mm、0.0250mm、0.0602mm。

通过研磨焦面透镜的垫片，将垫片减薄0.06mm来完成偏离量C的修正，然后通过平移焦面透镜来完成A与B偏离量的修正。修正后，再次利用干涉检测方法对焦面透镜的离焦量进行检测，得到修正后待调焦面的偏离量A、B、C分别为：0.0051mm、0.0018mm、0.0186mm。

相比于修正前，偏离量A、B、C分别下降了72.6％、92.8％、69.1％。并未完全消除待调焦面的偏离量的原因是由于实际检测、装调过程中，不可避免的会存在装调、检测误差的影响。但是，偏离量大幅下降的装调结果仍然有效表明了本发明方法的实用有效。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (3)

1.一种利用光纤面板传像的同心光学系统的焦面装调方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，初步完成待调焦面的定位；

步骤2，将干涉仪(33)放置于同心光学系统(1)的物方，干涉仪(33)出射光的焦点需与同心光学系统(1)的物点重合，若同心光学系统(1)的物距为无穷远，则使干涉仪(33)发出平行光；干涉仪(33)发出的检测光经过同心光学系统(1)后，到达待调焦面，检测光经待调焦面反射后会原路返回至干涉仪(33)，生成干涉条纹；通过对干涉条纹进行解算获取波前像差数据；对波前像差数据进行Zernike像差系数拟合得到离焦像差系数；调整干涉仪(33)检测光的入射角度或者焦点位置实现不少于3个待检测视场的波像差检测；

步骤3，在Zemax或者Code V软件中对同心光学系统(1)检测光路进行建模，其中视场设置为待检测视场，将待调焦面之前的装调间隔设置为优化变量，将步骤2获得的所有视场的离焦像差系数添加到优化限制函数中，并将优化目标值设置为实际检测获取的离焦像差系数；

通过优化装调间隔，使软件计算得到的所有视场的离焦像差系数与实际获取的数值相等，用优化后的装调间隔减掉优化前的间隔得到所有视场下待调焦面的离焦量；

步骤4，对每一个视场建立如式(8)所示的方程：

(X₁-X₂)²+(Y₁-Y₂)²+(Z₁-Z₂)²＝d² (8)

其中，d为离焦量；

X₁、Y₁、Z₁为主光线与未失调的待调焦面的交点坐标：

其中，R为待调焦面的曲率半径；

X₂、Y₂、Z₂为主光线与失调状态下待调焦面的交点坐标：

其中，A、B、C为X、Y、Z方向上的偏离量；

x＝tan(xan) (2.a)

y＝tan(yan) (2.b)

其中，xan、yan为待测视场的视场点坐标；

如果只检测3个视场点，则求取3个视场对应方程组成的方程组的解析解，如果检测的视场点数量超过3个，则求方程组的最小二乘解，从而得到待调焦面在空间X、Y与Z方向上的失调量；

步骤5，依据计算得到的失调量对待调焦面进行调整，具体如下：

X和Y方向上的偏心量通过平移待调焦面来消除，Z方向上的偏心量通过调整待调焦面的轴向位置进行去除。

2.如权利要求1所述的利用光纤面板传像的同心光学系统的焦面装调方法，其特征在于，所述步骤2中，如果因为光瞳渐晕导致出现光瞳波面不是圆形的情况，则在整个波面上截取80％的波面数据来保证Zernike系数拟合的正交性。

3.如权利要求1所述的利用光纤面板传像的同心光学系统的焦面装调方法，其特征在于，所述步骤2中，干涉条纹的解算和像差系数的拟合均可通过干涉仪配套软件完成。

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