CN113624451B - 别汉棱镜光轴一致性检测组件及方法 - Google Patents

别汉棱镜光轴一致性检测组件及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种别汉棱镜光轴一致性检测组件及方法。别汉棱镜光轴一致性检测组件包括：探测器；对照光路，从物方到像方依次包括：间隔设置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组，对照光路适于在探测器的像面上呈现目标清晰度的物像；检测光路，与对照光路共用第一透镜组和第二透镜组，检测光路还包括待测别汉棱镜，待测别汉棱镜位于所述第二透镜组远离所述第一透镜组的一侧，所述检测光路适于在所述探测器的像面上呈现所述目标清晰度的物像，待测别汉棱镜可沿其中心轴转动，以测量别汉棱镜的光轴一致性精度。采用本发明，别汉棱镜的倾斜度误差和平移量误差均能够被检测出。

Description

别汉棱镜光轴一致性检测组件及方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种别汉棱镜光轴一致性检测组件及方法。
背景技术
在周视扫描成像系统中，当系统进行扫描时，探测器上接收到的图像也会跟随轴旋转，即产生像旋现象。因此在此类光学系统中需要进行消像旋处理使系统能够正常成像。
别汉棱镜因其体积小、结构紧凑和可用于会聚光路中的优点被广泛应用于消像旋系统中。但因别汉棱镜在制造和胶合过程中会产生光学平行差和位置误差，这些误差使得通过别汉棱镜的出射光轴发生偏移或倾斜(即光轴不一致)，进而在像面出现像旋现象。针对上述问题，除了对别汉棱镜的制造工艺和胶合工艺严格要求以外，还需要精度较高的检测光路对别汉棱镜的光轴一致性进行检测，尤其是需要检测别汉棱镜在会聚光路中的光轴一致性，确保光轴一致性精度满足要求才能投入到系统中使用。传统的平行光管检测方法将棱镜放置在平行光路中，只能检测出棱镜光轴的倾斜度误差，无法检测出光轴的平移量误差。
发明内容
本发明实施例提供一种别汉棱镜光轴一致性检测组件及方法，用以解决现有技术中的平行光管检测方法无法检测出光轴的平移量误差的问题。
根据本发明实施例的别汉棱镜光轴一致性检测组件，包括：
探测器；
对照光路，从物方到像方依次包括：间隔设置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组，所述对照光路适于在所述探测器的像面上呈现目标清晰度的物像；
检测光路，与所述对照光路共用所述第一透镜组和所述第二透镜组，所述检测光路还包括待测别汉棱镜，所述待测别汉棱镜位于所述第二透镜组远离所述第一透镜组的一侧，所述检测光路适于在所述探测器的像面上呈现所述目标清晰度的物像，所述待测别汉棱镜可沿其中心轴转动，以测量所述别汉棱镜的光轴一致性精度。
根据本发明的一些实施例，所述对照光路的F数满足：1≤F/#对照≤20，所述对照光路的焦距f'对照满足：10mm≤f'对照≤1000mm；所述检测光路的F数满足：1≤F/#检测≤20，所述检测光路的焦距f'检测满足：-1000mm≤f'检测≤-10mm。
根据本发明的一些实施例，所述探测器为可见光探测器。
根据本发明的一些实施例，所述第一透镜组、所述第二透镜组、以及第三透镜组均包括至少一片透镜；
所述透镜包括但不限于K9玻璃件或熔融石英玻璃件。
根据本发明的一些实施例，所有透镜中至少包括一个非球面或球面，且所述非球面满足：
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距离非球面顶点的矢高，R为透镜的近轴曲率半径，K为圆锥系数，A、B、C均为高次非球面系数。
根据本发明的一些实施例，所述别汉棱镜光轴一致性检测组件的光学总长L和系统焦距f'之间满足：0.3f'≤L≤3f'。
根据本发明的一些实施例，所述别汉棱镜光轴一致性检测组件还包括：
计算单元，用于在所述待测别汉棱镜沿其中心轴转动过程中，收集物像在所述探测器的像面上形成的多个位置信息，以计算别汉棱镜的光轴一致性精度。
根据本发明的一些实施例，所述别汉棱镜光轴一致性检测组件还包括：
调节组件，用于在所述对照光路中调整所述探测器的位置，以使所述探测器的像面上适于呈现目标清晰度的物像，以及调整所述待测别汉棱镜在所述检测光路中的位置，以使所述探测器的像面上呈现所述目标清晰度的物像。
根据本发明实施例的别汉棱镜光轴一致性检测方法，所述方法基于如上所述的别汉棱镜光轴一致性检测组件实现，所述方法包括：
布置第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、以及探测器；
将所述第三透镜组替换为待测别汉棱镜；
转动待测别汉棱镜使其沿其中心轴转动，以测量所述别汉棱镜的光轴一致性精度。
根据本发明的一些实施例，所述转动待测别汉棱镜使其沿其中心轴转动，以测量所述别汉棱镜的光轴一致性精度，包括：
转动待测别汉棱镜使其沿其中心轴转动，并收集物像在所述探测器的像面上形成的多个位置信息；
基于所述多个位置信息，计算别汉棱镜的光轴一致性精度。
采用本发明实施例，别汉棱镜的倾斜度误差和平移量误差均能够被检测出。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例中对照光路结构示意图；
图2是本发明实施例中对照光路调制传递函数MTF示意图；
图3是本发明实施例中检测光路结构示意图；
图4是本发明实施例中检测光路调制传递函数MTF示意图；
图5是本发明实施例中对照光路结构示意图；
图6是本发明实施例中对照光路调制传递函数MTF示意图；
图7是本发明实施例中检测光路结构示意图；
图8是本发明实施例中检测光路调制传递函数MTF示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明第一方面实施例提出一种别汉棱镜光轴一致性检测组件，包括：
探测器；
对照光路，从物方到像方依次包括：间隔设置的第一透镜组10、第二透镜组20、第三透镜组30，如图1和图5所示，所述对照光路适于在所述探测器的像面上呈现目标清晰度的物像；
可以理解的是，排布好对照光路和探测器后，光信号穿过对照光路后可以在探测器的像面上形成清晰的物像。在此过程中，可以先排布第一透镜组10、第二透镜组20、和第三透镜组30，然后通过调整探测器的位置，使得所述探测器的像面上呈现目标清晰度的物像后固定探测器位置。
检测光路，与所述对照光路共用所述第一透镜组10和所述第二透镜组20，所述检测光路还包括待测别汉棱镜40，如图3和图7所示，所述待测别汉棱镜40位于第二透镜组20远离第一透镜组10的一侧，所述检测光路适于在所述探测器的像面上呈现所述目标清晰度的物像，所述待测别汉棱镜40可沿其中心轴转动，以测量所述别汉棱镜的光轴一致性精度。可以理解的是，光信号经过检测光路后可以在探测器的像面上呈现与经过目标清晰度的物像。这里的目标清晰度与对照光路中的目标清晰度是同一值。换言之，光信号经过对照光路后在像面上形成的物象的清晰度与光信号经过检测光路后形成的物象的清晰度一致。当然，这里所提到的“一致”、“同一值”是指在误差允许范围内一致。
例如，检测光路可以通过将对照光路中的第三透镜组30替换为待测别汉棱镜40后形成的。光信号穿过检测光路后同样可以在探测器的像面上形成清晰的物像。在构造检测光路的过程中，可以通过平移待测别汉棱镜40，和/或调整待测别汉棱镜40的俯仰角，使得所述探测器的像面上呈现目标清晰度的物像后固定待测别汉棱镜40的位置，形成检测光路。此时，待测别汉棱镜40的入射面与光轴垂直。
采用本发明实施例，别汉棱镜的倾斜度误差和平移量误差均能够被检测出。
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
根据本发明的一些实施例，所述对照光路的F数满足：1≤F/#对照≤20，所述对照光路的焦距f'对照满足：10mm≤f'对照≤1000mm；所述检测光路的F数满足：1≤F/#检测≤20，所述检测光路的焦距f'检测满足：-1000mm≤f'检测≤-10mm。在检测光路中，系统光轴穿过待测别汉棱镜40的棱镜光轴。
根据本发明的一些实施例，所述探测器为可见光探测器。例如，面阵规格为4k×4k的可见光探测器。由此，可以提高探测精度。
根据本发明的一些实施例，所述探测器适于接收波长为555nm的光信号。
根据本发明的一些实施例，所述第一透镜组10、所述第二透镜组20、以及第三透镜组30均包括至少一片透镜；例如，如图5所示，第一透镜组10、所述第二透镜组20、以及第三透镜组30均可以包括一片透镜。又如，第一透镜组10、所述第二透镜组20、以及第三透镜组30均可以包括多片透镜。
所述透镜包括但不限于K9玻璃件或熔融石英玻璃件。可以理解的是，这里的透镜可以是K9玻璃件或熔融石英玻璃件，当然也可以通过其他材质制备，K9玻璃、熔融石英玻璃仅仅是对于透镜材料的一种举例说明书，仅仅是提供一种实施方式，并不是对于透镜的限定。K9玻璃件或熔融石英玻璃件容易获得且成本低。
根据本发明的一些实施例，所有透镜中至少包括一个非球面或球面，且所述非球面满足：
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距离非球面顶点的矢高，R为透镜的近轴曲率半径，K为圆锥系数，A、B、C均为高次非球面系数。
根据本发明的一些实施例，所述别汉棱镜光轴一致性检测组件的光学总长L和系统焦距f'之间满足：0.3f'≤L≤3f'。
根据本发明的一些实施例，所述别汉棱镜光轴一致性检测组件还包括：
计算单元，用于在所述待测别汉棱镜40沿其中心轴转动过程中，收集物像在所述探测器的像面上形成的多个位置信息，以计算别汉棱镜的光轴一致性精度。
由此，可以提高检测组件的自动化和智能化。
根据本发明的一些实施例，所述别汉棱镜光轴一致性检测组件还包括：
调节组件，用于在所述对照光路中调整所述探测器的位置，以使所述探测器的像面上适于呈现目标清晰度的物像，以及调整所述待测别汉棱镜40在所述检测光路中的位置，以使所述探测器的像面上呈现所述目标清晰度的物像。
由此，可以提高检测组件的自动化。
本发明第二方面实施例提出一种别汉棱镜光轴一致性检测方法，所述方法基于如上第一方面实施例所述的别汉棱镜光轴一致性检测组件实现，所述方法包括：
布置第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、以及探测器；
将所述第三透镜组替换为待测别汉棱镜；
转动待测别汉棱镜使其沿其中心轴转动，以测量所述别汉棱镜的光轴一致性精度。
进一步的，所述转动待测别汉棱镜使其沿其中心轴转动，以测量所述别汉棱镜的光轴一致性精度，包括：
转动待测别汉棱镜使其沿其中心轴转动，并收集物像在所述探测器的像面上形成的多个位置信息；
基于所述多个位置信息，计算别汉棱镜的光轴一致性精度。
下面参照图1-图8以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的别汉棱镜光轴一致性检测组件及方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
越来越多的别汉棱镜被用于光学系统中起到消像旋的作用，别汉棱镜由于对加工和装配过程中对光轴的倾斜度和偏移量的精度要求较高，光轴一致性很难保证。传统的平行光管检测方法将棱镜放置在平行光路中，只能检测出棱镜光轴的倾斜度误差，无法检测出光轴的平移量误差，因此需要一种在会聚光路检测别汉棱镜光轴一致性的方法，保证别汉棱镜的倾斜度误差和平移量误差均能够被检测出。
基于此，本发明实施例提出一种别汉棱镜光轴一致性检测组件及方法。别汉棱镜光轴一致性检测组件包括对照光路和检测光路，如图1和图5所示，对照光路沿光线行进方向从物方到像方依次设置：第一透镜组10、第二透镜组20和第三透镜组30，检测光路沿光线行进方向从物方到像方依次设置：第一透镜组10、第二透镜组20和待测别汉棱镜40。检测光路和对照光路共用第一透镜组10和第二透镜组20。检测光路和对照光路物面至像面的总长相等。对照光路和检测光路兼容面阵规格4k×4k及其他多种面阵规格的可见光探测器，适用于555nm或其他波段的光信号。
第一透镜组10包含至少一片透镜，镜片材料包含但不仅限于K9玻璃、熔融石英玻璃等，其焦距f'A满足：10mm≤f'A≤8000mm。第二透镜组20包含至少一片透镜，镜片材料包含但不仅限于K9玻璃等。第三透镜组30包含至少一片透镜，镜片材料包含但不仅限于K9玻璃、熔融石英玻璃等。所有透镜的面型都为球面或非球面。
对照光路F数满足：1≤F/#对照≤20，对照光路焦距f'对照满足：10mm≤f'对照≤1000mm；检测光路F数满足：1≤F/#检测≤20，检测光路焦距f'检测满足：-1000mm≤f'检测≤-10mm。光学系统的光学总长L和系统焦距f'之间满足条件：0.3f'≤L≤3f'。
光轴一致性检测方法为：首先搭建对照光路，调节探测器使成像清晰，再将第三透镜组30切换为待测别汉棱镜40，保持其他透镜和像面的位置不动，仅对别汉棱镜进行平移和调整其俯仰角，使像面成像清晰，旋转别汉棱镜，根据探测器像面上接收到的像的画圆位置和画圆量大小计算别汉棱镜的光轴一致性精度。检测光路在像面上形成的物象清晰度与对照光路在像面上形成的物象清晰度相同。
根据图1的镜头结构示意图，设计一种检测别汉棱镜在会聚光路中光轴一致性的方法所用的光学系统实施例1对照光路，系统焦距为326mm，入瞳直径为55mm，视场角为±1°，光学系统总长308mm，设计波长555nm，该检测光路透镜的具体参数如表1所示。在该对照光路中，第一透镜组10包括第一透镜11和第二透镜12，第二透镜组20包括第三透镜21，第三透镜组30包括第四透镜31和第五透镜32，从物方到像方的方向上，第一透镜11的入射面为S1、出射面为S2，第二透镜12的入射面为S3、出射面为S4，第三透镜21的入射面为S5、出射面为S6，第四透镜31的入射面为S7、出射面为S8，第五透镜32的入射面为S9、出射面为S10。第一透镜11朝向物方的表面处可以设置一个光阑。
表1
本实施例1光学系统对照光路的MTF曲线如图2所示。
根据图3的镜头结构示意图，设计一种检测别汉棱镜在会聚光路中光轴一致性的方法所用的光学系统实施例1检测光路，系统焦距为-360mm，入瞳直径为55mm，视场角为±1°，光学系统总长308mm，设计波长555nm，该光路中的第一透镜组10和第二透镜组20的具体参数与对照光路完全相同，待测别汉棱镜40的口径为28mm。
本实施例1光学系统检测光路的MTF曲线如图4所示。
根据图5的镜头结构示意图，设计一种检测别汉棱镜在会聚光路中光轴一致性的方法所用的光学系统实施例2对照光路，系统焦距为332mm，入瞳直径为55mm，视场角为±1°，光学系统总长470mm，设计波长555nm，该对照光路透镜的具体参数如表2所示。在该对照光路中，第一透镜组10、第二透镜组20以及第三透镜组30均包括一片透镜，从物方到像方的方向上，第一透镜组10的入射面为S1、出射面为S2，第二透镜组20的入射面为S3、出射面为S4，第三透镜组30的入射面为S5、出射面为S6。
表2
旋转对称偶次非球面曲面满足下列方程：
上式中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距离非球面顶点的矢高，R为透镜的近轴曲率半径，K为圆锥系数，A、B、C为高次非球面系数。表3为该实施例的非球面参数。
表3
K A B C
S2 0 1.3326E-07 2.5595E-11 1.4219E-14
S5 0 -2.7704E-07 -1.5239E-10 -1.2590E-12
本实施例2光学系统对照光路的MTF曲线如图6所示。
根据图7的镜头结构示意图，设计一种检测别汉棱镜在会聚光路中光轴一致性的方法所用的光学系统实施例2检测光路，系统焦距为-353mm，入瞳直径为55mm，视场角为±1°，光学系统总长470mm，设计波长555nm，该光路中的第一透镜组10和第二透镜组20的具体参数与对照光路完全相同，待测别汉棱镜40的口径为28mm。
本实施例2光学系统检测光路的MTF曲线如图8所示。
本发明的优点包括：
本发明光学系统具有同时检测别汉棱镜光轴倾斜度误差和平移量误差的功能；
本发明检测光路可兼容多种尺寸的别汉棱镜光轴一致性检测；
本发明光学系统可适用于多种工作波段，且成像清晰；
本发明检测光路镜片数量少，且不单独设计光阑，系统结构紧凑，质量轻；
本发明透镜面型简单，透镜材料为K9玻璃等常用加工材料，降低了加工难度，节省了加工成本；
本发明光学系统成像质量好，分辨率高；
本发明适用于面阵规格4k×4k及多种面阵规格的可见光探测器；
本发明检测光路和对照光路共用第一透镜组10和第二透镜组20，检测时只需将第三透镜组30切换为需要检测的别汉棱镜，装配简单，可反复拆装，适用于工程化。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
不应将位于括号之内的任何参考符号构造成对权利要求的限制。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (9)

1.一种别汉棱镜光轴一致性检测组件，其特征在于，包括：
探测器；
对照光路，从物方到像方依次包括：间隔设置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组，所述对照光路适于在所述探测器的像面上呈现目标清晰度的物像；
检测光路，与所述对照光路共用所述第一透镜组和所述第二透镜组，所述检测光路还包括待测别汉棱镜，所述待测别汉棱镜位于所述第二透镜组远离所述第一透镜组的一侧，所述检测光路适于在所述探测器的像面上呈现所述目标清晰度的物像，所述待测别汉棱镜可沿其中心轴转动，以测量所述别汉棱镜的光轴一致性精度；
计算单元，用于在所述待测别汉棱镜沿其中心轴转动过程中，收集物像在所述探测器的像面上形成的多个位置信息，以计算别汉棱镜的光轴一致性精度。
2.如权利要求1所述的别汉棱镜光轴一致性检测组件，其特征在于，所述对照光路的F数满足：1≤F/#对照≤20，所述对照光路的焦距f'对照满足：10mm≤f'对照≤1000mm；所述检测光路的F数满足：1≤F/#检测≤20，所述检测光路的焦距f'检测满足：-1000mm≤f'检测≤-10mm。
3.如权利要求1所述的别汉棱镜光轴一致性检测组件，其特征在于，所述探测器为可见光探测器。
4.如权利要求1所述的别汉棱镜光轴一致性检测组件，其特征在于，所述第一透镜组、所述第二透镜组、以及第三透镜组均包括至少一片透镜；
所述透镜包括但不限于K9玻璃件或熔融石英玻璃件。
5.如权利要求4所述的别汉棱镜光轴一致性检测组件，其特征在于，所有透镜中至少包括一个非球面或球面，且所述非球面满足：
其中，Z为非球面沿光轴方向在高度为Y的位置时，距离非球面顶点的矢高，R为透镜的近轴曲率半径，K为圆锥系数，A、B、C均为高次非球面系数。
6.如权利要求1所述的别汉棱镜光轴一致性检测组件，其特征在于，所述别汉棱镜光轴一致性检测组件的光学总长L和系统焦距f'之间满足：0.3f'≤L≤3f'。
7.如权利要求1所述的别汉棱镜光轴一致性检测组件，其特征在于，所述别汉棱镜光轴一致性检测组件还包括：
调节组件，用于在所述对照光路中调整所述探测器的位置，以使所述探测器的像面上适于呈现目标清晰度的物像，以及调整所述待测别汉棱镜在所述检测光路中的位置，以使所述探测器的像面上呈现所述目标清晰度的物像。
8.一种别汉棱镜光轴一致性检测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-7中任一项所述的别汉棱镜光轴一致性检测组件实现，所述方法包括：
布置第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组、以及探测器；
将所述第三透镜组替换为待测别汉棱镜；
转动待测别汉棱镜使其沿其中心轴转动，以测量所述别汉棱镜的光轴一致性精度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述转动待测别汉棱镜使其沿其中心轴转动，以测量所述别汉棱镜的光轴一致性精度，包括：
转动待测别汉棱镜使其沿其中心轴转动，并收集物像在所述探测器的像面上形成的多个位置信息；
基于所述多个位置信息，计算别汉棱镜的光轴一致性精度。
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