CN112414680B - 低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试系统和方法，包括：黑体、四杆靶标、红外窗口、真空平行光管、低温环境模拟器、平台车、红外探测器、五维调整台、温控仪系统、支撑工装。本方法首先通过成像的方法，使得平行光管焦面处的四杆靶标成像在红外探测器上，利用五维调整台实现红外探测器的调节，通过传函走过焦测试确定最佳焦面位置。低温镜头的透镜上贴有热敏电阻和加热片，通过走线连接在温控仪系统上，可实时读取和控制透镜温度。通过测试透镜不同温度下，低温镜头的最佳焦面位置，计算得到透镜的离焦灵敏度系数。本发明实现了低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试，测量精度高，可以为低温镜头的热控设计和结构设计提供实测数据。
Description
技术领域
本发明属于低温镜头热光特性测试领域，特别是涉及低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试系统和方法。
背景技术
随着低温光学的发展，低温镜头对热目标探测能力强的优点收到青睐，越来越多的低温镜头被设计和研制，广泛应用于资源普查、地标植被监控、自然灾害监测、太空探测等方面。由于低温光学发展时间比较短，目前的测试技术多集中在材料的热光特性测试方面，材料设计研制成低温镜头后，对低温镜头特性的实测影响方面开展的研究很少。透镜材料的热光特性测试技术，多采用材料低温折射率测试的方法，计算得到折射率和温度的关系来表征材料的热光特性。本发明所述透镜的离焦灵敏度系数是透镜上的温差对低温镜头焦面离焦量的表征，表征透镜温差对低温镜头焦面位置的敏感性，与材料的热光特性有差别。未见公开的资料报道。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试系统和方法，能够实现低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试。
本发明通过如下技术方案实现：
低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试系统，包括：黑体、四杆靶标、红外窗口、真空平行光管、低温环境模拟器、平台车、红外探测器、五维调整台、温控仪系统和支撑工装；
真空平行光管与低温环境模拟器结构相连形成一体化密封结构，真空平行光管的出光口对准低温环境模拟器罐内；
在一体化密封结构的外部，真空平行光管的焦面位置安装有四杆靶标；四杆靶标的后方架设黑体作为照明光源，一体化密封结构朝向四杆靶标的一侧安装有红外窗口；
被测低温镜头通过支撑工装架设在低温环境模拟器内的平台车上；
被测低温镜头的中心高与真空平行光管中心高一致，被测低温镜头的入光口对准真空平行光管的出光口；
被测低温镜头的焦面处架设有红外探测器，红外探测器固定安装在五维调整台上；五维调整台安放在平台车上，五维调整台用于实现五维调整；
被测低温镜头镜面成像区域的边缘粘贴有多个热敏电阻和加热片；多个加热片关于被测低温镜头的中心周向均布；两个热敏电阻关于被测低温镜头的中心对称；热敏电阻和加热片通过走线连接罐外的温控仪系统。
一种利用上述的低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试系统进行低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试方法，包括步骤如下：
1)搭建测试系统
搭建离焦灵敏度系数测试系统，使得四杆靶标经真空平行光管和被测低温镜头后成像在红外探测器上；
2)抽真空制冷
关闭低温环境模拟器的罐门，抽真空，低温环境模拟器内充液氮制冷，实现罐内的低温工作环境；低温工作环境的温度取值范围为100K～293K；
3)确定焦面位置
使用热敏电阻测试获得被测低温镜头的当前温度作为基准温度，红外探测器对四杆靶标成像，通过走过焦计算图像传函的方法，确定被测低温镜头的焦面位置作为基准焦面位置；
4)温度拉偏
测试被测低温镜头焦面位置沿焦深方向的变化量；使用加热片加热被测低温镜头温度升高至稳定，使用热敏电阻测试获得被测低温镜头变温后的温度，红外探测器对四杆靶标成像，通过走过焦计算图像传函的方法，确定被测低温镜头的焦面位置作为温度拉偏后的焦面位置，根据温度拉偏后的焦面位置和步骤3)所述基准焦面位置之间的差值，获得离焦量数据，同时，根据变温后的温度和步骤3)所述基准温度的差值，获得温差数据；
5)重复步骤4)多次，获得被测低温镜头在多个温度下的焦面位置，从而计算透镜的离焦灵敏度系数；
步骤4)中每次温度拉偏的步长为2K，至少重复步骤4)五次，得到多组温差数据、离焦量数据(ΔTi，Δdi)，i为正整数；根据多组温差数据、离焦量数据(ΔTi，Δdi)，通过线性最小二乘法拟合直线，将直线斜率作为离焦灵敏度系数。
本发明的有益效果是：
1)本发明采用走过焦测传函的方法，精确测试某温度下的焦面位置，测量精度优于0.01mm。
2)本发明采用温度拉偏和焦面位置测试的方法，实现了对低温镜头中透镜温差导致的低温镜头离焦的实测，表征了低温镜头中透镜对镜头性能的热光热性，可应用于低温镜头的热控设计。
3)本发明采用多点测试和最小二乘法拟合计算透镜离焦灵敏度系数的方法，减少了测试过程中的偶然误差，大大提高了测试精度。根据实测的透镜离焦灵敏度系，可设计实现低温镜头在轨热调焦，省去机械调焦机构，大大减小了相机重量，节约了发射成本。
附图说明
图1是本发明透镜的离焦灵敏度测试系统示意图；
图2是本发明透镜上加热片和热敏电阻粘贴位置分布示意图；
图3(a)(b)为本发明最小二乘法拟合计算透镜的离焦灵敏度系数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，真空平行光管4与低温环境模拟器5是一体化密封设计，结构相连，平行光管出光口对准低温环境模拟器5罐内，焦面位置在真空平行光管4结构的外部，安装有四杆靶标2。四杆靶标2后方架设黑体1作为照明光源，前方的密封结构上安装有红外窗口3。被测低温镜头11通过支撑工装10架设在低温环境模拟器5内的平台车6上，镜头中心高与真空平行光管中心高一致，入光口对准真空平行光管4的出光口，镜头焦面处架设有红外探测器7，红外探测器7安装固定在五维调整台8上。五维调整台8安放在平台车6上，其控制系统可实现五维调整。
低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试系统，包括：黑体1、四杆靶标2、红外窗口3、真空平行光管4、低温环境模拟器5、平台车6、红外探测器7、五维调整台8、温控仪系统9和支撑工装10；
真空平行光管4与低温环境模拟器5结构相连形成一体化密封结构，真空平行光管4的出光口对准低温环境模拟器5罐内；
在一体化密封结构的外部，真空平行光管4的焦面位置安装有四杆靶标2；四杆靶标2的后方架设黑体1作为照明光源，一体化密封结构朝向四杆靶标2的一侧安装有红外窗口3；
被测低温镜头11通过支撑工装10架设在低温环境模拟器5内的平台车6上；
被测低温镜头11的中心高与真空平行光管中心高一致，被测低温镜头11的入光口对准真空平行光管4的出光口；
被测低温镜头11的焦面处架设有红外探测器7，红外探测器7固定安装在五维调整台8上；五维调整台8安放在平台车6上，五维调整台8用于实现五维调整；
被测低温镜头11镜面成像区域的边缘粘贴有多个热敏电阻22和加热片21；多个加热片21关于被测低温镜头11的中心周向均布；两个热敏电阻22关于被测低温镜头11的中心对称；热敏电阻22和加热片21通过走线连接罐外的温控仪系统9。为更均匀地控制或测试透镜的温度，对于圆形边缘的成像区域，两个热敏电阻22沿径向对称设置；对于矩形边缘的成像区域，两个热敏电阻22关于矩形的长边对称，这样设置热敏电阻22更能体现温度变化特性。
所述黑体1的温度调整范围为293K～600K，温度控制精度为0.1K。
所述的四杆靶标2由不锈钢薄板单面发黑处理后，不锈钢表面激光镂刻四条狭缝而成。本发明实施例中采用奈频靶标。靶标材质不局限与不锈钢，图案不局限于四杆。四杆中狭缝宽度根据平行光管焦距、被测低温镜头焦距和红外探测器像元尺寸计算得到。
其中，d为四杆靶标中狭缝的宽度，fc'为平行光管焦距，fl'为低温镜头焦距，a为红外探测器像元尺寸。
所述的红外窗口3由红外光学材料制成，红外窗口3表面镀有增透膜，增透膜的透过谱段取值范围为2μm～15μm，透过率＞85％。
真空平行光管4的出射光口径大于被测低温镜头11的口径。
所述的低温环境模拟器5采用液氮热沉设计，能够辐射制冷，辐射制冷的温度取值范围为100K～293K。
所述的红外探测器7为面阵探测器。
所述的五维调整台8能够实现三维平移、旋转通道、俯仰通道共五维调整，三维平移的控制精度小于2μm，旋转通道和俯仰通道的弧度控制精度优于10秒。
所述温控仪系统9包括：热敏电阻22、加热片21和温控仪；
热敏电阻22和加热片21通过走线连接温控仪，热敏电阻22的测试精度为±0.1K，加热片21的温控取值范围为±20K。为更均匀地控制或测试透镜的温度，若透镜为圆形，则加热片按圆周对称分布粘贴，若为方形则按轴向对称分布粘贴；热敏电阻2个按轴向对称分布粘贴。
一种利用上述的低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试系统进行低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试方法，包括步骤如下：
1)搭建测试系统
搭建离焦灵敏度系数测试系统，使得四杆靶标2经真空平行光管4和被测低温镜头11后成像在红外探测器7上；
2)抽真空制冷
关闭低温环境模拟器5的罐门，抽真空，低温环境模拟器5内充液氮制冷，实现罐内的低温工作环境；低温工作环境的温度取值范围为100K～293K；
3)确定焦面位置
使用热敏电阻22测试获得被测低温镜头11的当前温度作为基准温度，红外探测器7对四杆靶标2成像，通过走过焦计算图像传函的方法，确定被测低温镜头11的焦面位置作为基准焦面位置；
4)温度拉偏
测试被测低温镜头11焦面位置沿焦深方向的变化量；使用加热片21加热被测低温镜头11温度升高至稳定，使用热敏电阻22测试获得被测低温镜头11变温后的温度，红外探测器7对四杆靶标2成像，通过走过焦计算图像传函的方法，确定被测低温镜头11的焦面位置作为温度拉偏后的焦面位置，根据温度拉偏后的焦面位置和步骤3)所述基准焦面位置之间的差值，获得离焦量数据，同时，根据变温后的温度和步骤3)所述基准温度的差值，获得温差数据；
5)重复步骤4)多次，获得被测低温镜头11在多个温度下的焦面位置，从而计算透镜的离焦灵敏度系数；
步骤4)中每次温度拉偏的步长为2K，至少重复步骤4)五次，得到多组温差数据、离焦量数据(ΔTi，Δdi)，i为正整数；根据多组温差数据、离焦量数据(ΔTi，Δdi)，通过线性最小二乘法拟合直线，将直线斜率作为离焦灵敏度系数。
如图2所示，被测低温镜头11的透镜边缘加工台阶上粘贴有热敏电阻22和加热片21。其中，粘贴用胶为GD414硅橡胶，加热片21的功率经过计算，可实现温控范围±20K。热敏电阻22和加热片21的导线穿过低温环境模拟器5大罐上的法兰盘连接到温控仪系统9，温控仪可实时读取热敏电阻22测得的透镜温度，并可通过软件设置温度目标，启动加热片21加热，使得透镜温度达到设定值，温控精度±0.2K。
上述的黑体1温度连续可调，可调范围293K～600K，控制精度0.1K，测试时调节黑体1温度，使得四杆靶标2经平行光管4成像和被测低温镜头成像在探测器上，靶标图像灰度值为探测器灰度值饱和阈值的70％～80％。
上述的红外探测器7为面阵探测器，且经过热控设计和实施，能够在低温环境模拟器5内的低温环境下保持268K～283K的正常工作温度。红外探测器7的图采系统能够实现图像的读取、显示、采集和处理。
上述的五维调整台8及其控制系统经过热控设计和实施，能够确保在低温环境模拟器5内的低温环境下保持263K～293K。五维调整台8在控制系统控制下，可实现三维平移、旋转、俯仰共五维调整，平移控制精度优于2μm，旋转和俯仰控制精度优于10秒。
实施例
透镜的离焦灵敏度系数测试方法，包括以下步骤：
1)测试系统的搭建。按照图1所示关系，在低温环境模拟器5内的平台车上架设被测低温镜头、五维调整台8，五维调整台8上架设红外探测器7。四杆靶标2架设在真空平行光管4焦面位置处，黑体1架设在四杆靶标2后。
2)测试系统的调试。调整被测低温镜头中心高与真空平行光管4中心高一致，全口径在平行光管4出射口径内。使用经纬仪测试平行光管4出射光方向和被测低温镜头的光轴，调整低温镜头，使得低温镜头光轴与平行光管4出射光平行。红外探测器7架设在被测低温镜头的焦面处，可通过五维调整台8调整。
3)打开黑体1，设置初始温度，黑体1升温并稳定。
4)打开红外探测器7，设置参数，正常工作。
5)打开五维调整台8，通过控制系统调节五维调整台8，验证调整台8可正常工作。
6)在黑体1作为照明光源下，四杆靶标2经平行光管4和被测低温镜头后成像在红外探测器7上，调节五维调整台8，直至四杆靶标2图像清晰。
7)整个测试系统测试功能验证完毕。关闭黑体1、红外探测器7系统、五维调整台8及其控制系统。
8)抽真空制冷。在低温环境模拟器5内的平台车、低温镜头工装、被测低温镜头镜筒外部、五维调整台8的平台面上贴有温度测点，关闭低温环境模拟器5罐门，抽真空至10- 3Pa，充液氮制冷，并通过罐内粘贴的测点实时监测系统各部位温度，到达工作温度后，稳定24小时，实现罐内的低温工作环境。降温过程中，保证红外探测器7、五维调整台8的热控措施，使得这两个设备维持在各自工作温度范围内。
9)罐内到达工作温度并稳定后，打开黑体1、红外探测器7及其图采系统、五维调整台8及其控制系统，并确认各系统正常工作。
10)确定焦面位置。调节黑体1温度，使得四杆靶标22成像在红外探测器7上，靶标像的灰度值在饱和阈值的70％～80％之间，通过五维调整台88控制红外探测器7在镜头焦深方向走过焦测传函，调节步长0.01mm，传函值最高的位置即为被测低温镜头11的焦面位置。温控仪读取透镜温度，五维调整台8读取红外探测器7位置，记录此时透镜温度、焦面位置(T0，d0)。
11)温度拉偏，测试焦面位置变化量。通过温控仪系统9，设定透镜温度为T0+2K，启动加热片21加热并稳定。
12)按照步骤10)再次测试被测低温镜头11的焦面位置，记录此时被测低温镜头11的透镜温度、焦面位置(T1，d1)。
13)按照步骤12)和13)，分别设定温度为T0+4K、T0+6K、T0+8K、T0+10K，并测试相应温度下的焦面位置di，得到温度拉偏测试的5个数据点(Ti，di)，i＝1，……，5。
14)利用步骤13)温度拉偏测试的数据，计算透镜的离焦灵敏度系数。测试数据(Ti，di)减去步骤10)测得的(T0，d0)，得到5组温差、离焦量数据(ΔTi，Δdi)，i＝1，……，5，通过线性最小二乘法拟合直线，直线斜率即为透镜的离焦灵敏度系数，如图3(a)(b)所示。
其中，b为直线的截距；k为直线的斜率，即透镜的离焦灵敏度系数。
15)通过上述步骤，实现低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试。
本发明在工程上重要的需求背景是减重。在航天上，有效载荷重量极大的关联着发射成本，每减掉一公斤都可以大大降低航天器的发射费用，提升效益和市场竞争力。因此在低温光学遥感相机设计时，为了减重，采用对低温镜头温控的方式实现调焦的功能，即采用热调焦代替传统的机械调焦，省去调焦机构，实现减重。但是这要求精确测量低温镜头中光学元件温差对低温镜头离焦量的关系。本发明就是在这一背景下设计并验证的。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
Claims (1)
1.一种低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试方法，所述测试方法用于低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试系统，其特征在于，所述低温镜头中透镜的离焦灵敏度系数测试系统包括：黑体(1)、四杆靶标(2)、红外窗口(3)、真空平行光管(4)、低温环境模拟器(5)、平台车(6)、红外探测器(7)、五维调整台(8)、温控仪系统(9)和支撑工装(10)；
真空平行光管(4)与低温环境模拟器(5)结构相连形成一体化密封结构，真空平行光管(4)的出光口对准低温环境模拟器(5)罐内；
在一体化密封结构的外部，真空平行光管(4)的焦面位置安装有四杆靶标(2)；四杆靶标(2)的后方架设黑体(1)作为照明光源，一体化密封结构朝向四杆靶标(2)的一侧安装有红外窗口(3)；
被测低温镜头(11)通过支撑工装(10)架设在低温环境模拟器(5)内的平台车(6)上；
被测低温镜头(11)的中心高与真空平行光管中心高一致，被测低温镜头(11)的入光口对准真空平行光管(4)的出光口；
被测低温镜头(11)的焦面处架设有红外探测器(7)，红外探测器(7)固定安装在五维调整台(8)上；五维调整台(8)安放在平台车(6)上，五维调整台(8)用于实现五维调整；
被测低温镜头(11)镜面成像区域的边缘粘贴有多个热敏电阻(22)和加热片(21)；多个加热片(21)关于被测低温镜头(11)的中心周向均布；两个热敏电阻(22)关于被测低温镜头(11)的中心对称；热敏电阻(22)和加热片(21)通过走线连接罐外的温控仪系统(9)；
所述测试方法包括步骤如下：
1)搭建测试系统
搭建离焦灵敏度系数测试系统，使得四杆靶标(2)经真空平行光管(4)和被测低温镜头(11)后成像在红外探测器(7)上；
2)抽真空制冷
关闭低温环境模拟器(5)的罐门，抽真空，低温环境模拟器(5)内充液氮制冷，实现罐内的低温工作环境；低温工作环境的温度取值范围为100K～293K；
3)确定焦面位置
使用热敏电阻(22)测试获得被测低温镜头(11)的当前温度作为基准温度，红外探测器(7)对四杆靶标(2)成像，通过走过焦计算图像传函的方法，确定被测低温镜头(11)的焦面位置作为基准焦面位置；
4)温度拉偏
测试被测低温镜头(11)焦面位置沿焦深方向的变化量；使用加热片(21)加热被测低温镜头(11)温度升高至稳定，使用热敏电阻(22)测试获得被测低温镜头(11)变温后的温度，红外探测器(7)对四杆靶标(2)成像，通过走过焦计算图像传函的方法，确定被测低温镜头(11)的焦面位置作为温度拉偏后的焦面位置，根据温度拉偏后的焦面位置和步骤3)所述基准焦面位置之间的差值，获得离焦量数据，同时，根据变温后的温度和步骤3)所述基准温度的差值，获得温差数据；
5)重复步骤4)多次，获得被测低温镜头(11)在多个温度下的焦面位置，从而计算透镜的离焦灵敏度系数；
步骤4)中每次温度拉偏的步长为2K，至少重复步骤4)五次，得到多组温差数据、离焦量数据(ΔTi，Δdi)，i为正整数；根据多组温差数据、离焦量数据(ΔTi，Δdi)，通过线性最小二乘法拟合直线，将直线斜率作为离焦灵敏度系数。
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