CN115951502A - 一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法 - Google Patents

Abstract

为了解决竖直光轴的同轴式平行光管焦面组件的装调问题，本发明提出了一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法。首先，利用激光干涉仪给出平行光管焦点位置；然后，在平面反射镜附近架设激光跟踪仪并测量，建立平面反射镜坐标系，引出平行光管光轴，测量公共转换点坐标；再次，在平行光管附近架设激光跟踪仪，利用公共转换点恢复平面反射镜坐标系，通过测量折镜法线，在折镜和干涉仪之间构建平行光管光轴直线，作为焦面组件导轨的理论方向；最后，根据导轨实测方向和理论方向对焦面组件的导轨方向和靶标的法线方向进行装调和测试的迭代过程，最终完成平行光管的焦面组件的装调。本发明可满足平行光管焦面组件导轨方向与平行光管光轴的平行度装调要求。

Description

一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法

技术领域

本发明属于光学系统装调技术领域，具体涉及一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，适用于竖直光轴的同轴式平行光管焦面组件中的用于离焦调整的导轨及靶标相对于平行光管光轴和焦点位置的装调，可满足平行光管焦面组件导轨方向与平行光管光轴的平行度装调要求。

背景技术

随着航天遥感器越来越高的分辨率需求，遥感相机的口径也随之越来越大，为克服大口径主镜在光轴水平状态下的重力变形影响，遥感器的竖直装调方式应运而生；光学镜头装调结束后，需要对遥感相机的焦面器件的位置进行精确标定，保证焦面组件位置与光学镜头的焦面位置严格重合，一般采用传函测试的方法完成焦面器件的标定工作；为此，为保证采用竖直装调方法的光学镜头在焦面器件标定时光学性能不变，需要研制光轴竖直的平行光管，以完成镜头的传函测试工作。

在遥感相机焦面器件位置标定的过程中，一般采用轴向放大率的计算方法，即通过平行光管靶标的离焦使遥感相机的传函值达到最高，以平行光管靶标相对于无穷远位置的离焦量经过轴向放大率计算得到遥感相机焦面器件的离焦量，据此数据对焦面器件进行调整，最终保证平行光管靶标在无穷远位置时，遥感相机的传函值最高。平行光管靶标的离焦量调整一般通过一维平移导轨实现靶标沿平行光管光轴的移动，在平行光管的装调过程中，需要保证一维导轨的移动方向与平行光管的光轴平行，若导轨的移动方向与平行光管光轴的平行度较差，会造成靶标离焦量不准确，导致因焦面器件调整量的不准确而导致遥感相机焦面器件定位工作的反复。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对竖直光轴的同轴式平行光管的靶标导轨方向、靶标平面法线方向与平行光管光轴平行度装调问题，基于平行光管装调过程中的波像差测试光路，根据激光跟踪仪在光学装调中的测试应用原理，提出了一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法。

本发明的技术方案如下：

一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，所述平行光管焦面组件包括导轨和安装在导轨上的靶标，包括：

平行光管装调结束后，利用激光干涉仪给出平行光管各视场的波像差，确定平行光管中心视场焦点位置，所述平行光管为光轴竖直的光学系统，其装调时位于高度为3m的竖直装调塔上，出光口朝向地面；

在平面反射镜附近架设激光跟踪仪1#测站，建立平面反射镜坐标系，引出平行光管光轴，测量公共转换点坐标；所述激光跟踪仪1#测站位于地面上，且距离平面反射镜1-2m；

在平行光管附近架设激光跟踪仪2#测站，利用公共转换点恢复平面反射镜坐标系，通过测量折镜法线，在折镜和激光干涉仪之间构建平行光管光轴直线，作为焦面组件导轨理论方向；所述激光跟踪仪2#测站与平行光管位于同一水平平面，且距离平行光管1-2m；

根据导轨理论方向对焦面组件的导轨实际方向和靶标平面法线方向进行装调和测试迭代，最终完成平行光管焦面组件的装调。

优选的，激光干涉仪的位置满足：

平行光管装调结束后，旋转平面反射镜，根据靶标上的视场标记位置，给出平行光管各视场的波像差，中心视场位置即为激光干涉仪位置。

优选的，引出平行光管光轴的方法如下：

在平面反射镜反射面均布测量点，在每个测量点处，将靶球轻触平面反射镜的反射面，使用激光跟踪仪1#测站测量靶球的三维坐标，测量点数量≥6，在激光跟踪仪1#测站的配套SA软件中，利用所有测量点处靶球的三维坐标构建平面，并构建与该平面垂直的直线，该直线即为平面反射镜的法线，同时也是平行光管的光轴。

优选的，平面反射镜坐标系建立方法如下：

在激光跟踪仪1#测站的SA软件中构建平面反射镜坐标系，其中将平行光管光轴定义为Z轴，任意选取平面反射镜表面上两个不同的测量点作为原点和X轴定位点。

优选的，在平行光管的支撑结构上布设公共转换点，数量≥6，保证靠近平面反射镜的激光跟踪仪1#测站和激光跟踪仪2#测站对所有公共转换点均能有效测量；

测量公共转换点坐标时，在激光跟踪仪1#测站的SA软件中设置平面反射镜坐标系为工作坐标系，使用激光跟踪仪1#测站对所有公共转换点的三维坐标进行测量。

优选的，利用公共转换点恢复平面反射镜坐标系的方法如下：

将激光跟踪仪1#测站测量的公共转换点的三维坐标值输入到激光跟踪仪2#测站的SA软件中，通过激光跟踪仪2#测站的SA软件中的仪器定位功能和最佳拟合功能，对公共转换点进行测量，在激光跟踪仪2#测站恢复平面镜坐标系，并将其作为工作坐标系。

优选的，在折镜反射面均布测量点，测量点数量≥6，在每个测量点处，将靶球轻触折镜的反射面，使用激光跟踪仪2#测站测量靶球的三维坐标，利用所有测量点处靶球的三维坐标构建平面，并构建与该平面垂直的直线，该直线即为折镜法线。

优选的，在折镜和激光干涉仪之间构建平行光管光轴直线时，平行光管焦点位置按照如下方式确定：

在导轨上架设靶球，通过靶球球心对激光干涉仪球面波的自准直测量激光干涉仪汇聚点，通过测量靶球表面的面形离焦量的大小，调整靶球球心与激光干涉仪汇聚点重合，用激光跟踪仪2#测站测量激光干涉仪汇聚点处靶球球心的三维坐标，该点即为平行光管焦点位置。

优选的，焦面组件导轨理论方向确定方法如下：

计算平行光管光轴和折镜法线的夹角θ，根据θ构建平行光管光轴相对于折镜法线的对称直线，再构建对称直线的平行线，所述平行线过激光干涉仪汇聚点，该平行线即为导轨理论方向，其经折镜反射后与平行光管光轴重合。

优选的，根据导轨理论方向对焦面组件的导轨实际方向和靶标平面法线方向进行装调和测试迭代，最终完成平行光管焦面组件的装调，具体实现方式如下：

利用导轨运动旋钮分别将靶球移动到导轨行程的两端，用激光跟踪仪2#测站分别测量靶球的两个位置，并在激光跟踪仪2#测站的SA软件中用两端处靶球位置坐标构建直线，则该直线即为测量得到的导轨实际方向；

在激光跟踪仪2#测站的SA软件中计算导轨实际方向和导轨理论方向的差值，以激光干涉仪汇聚点为调整中心，对导轨位置进行调整—测量—调整的迭代过程，直至导轨实际方向与导轨理论方向重合，用螺钉固定导轨；

将靶标重新安装到导轨上，将靶球轻触靶标的平面，使用激光跟踪仪2#测站测量靶球的三维坐标，测量点位置在靶标表面均布，测量点数量≥6，在激光跟踪仪2#测站的配套SA软件中，利用所有测量点处的靶球三维坐标构建平面，并构建与该平面垂直的直线，该直线即为靶标的法线，调整靶标的安装座，使靶标的法线方向与导轨理论方向平行，完成平行光管焦面组件的装调。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用激光跟踪仪进行平行光管的焦面组件的装调工作，具有测试速度快，精度高的优点；

2)本发明根据同轴式平行光管光学系统的特点，通过激光跟踪仪测量得到平面反射镜的法线作为平行光管的光轴，并通过SA软件将抽象的光轴具象的表征出来，作为平行光管焦面组件装调的理论值；

3)本发明利用激光干涉仪对激光跟踪仪靶球的自准直原理，将平行光管中心视场焦点位置的三维坐标精确测量出来，作为平行光管焦面组件的装调原点；

4)本发明采用公共点转换原理，将在地面和在平行光管高度处的两个激光跟踪仪测站的工作坐标系进行了统一，保证了测量基准的一致性；

5)本发明利用激光跟踪仪进行竖直光轴的同轴式平行光管的焦面组件装调，解决了竖直检测光路中无法使用经纬仪的问题，同时在其他类型的平行光管焦面组件的装调测试中有普遍应用的前景。

附图说明

图1竖直光轴的同轴式平行光管波像差测试光路；

图2带有视场标记位置平行光管靶标示意图；

图3利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调示意图；

图4焦面组件中导轨实际移动方向测试示意图；

图5焦面组件中靶标法线方向测试示意图；

附图标记说明

1-激光干涉仪；2-导轨；3-靶标；4-支撑结构；5-折镜；6-主镜；7-次镜；8-平面反射镜；9-靶球；10-激光跟踪仪1#测站；11-平面反射镜坐标系；12-公共转换点；13-平行光管光轴；14-折镜法线；15-平行光管光轴与折镜法线夹角θ；16-激光跟踪仪2#测站；17-激光干涉仪汇聚点；18-导轨理论方向；19-导轨实际方向；20-靶标平面法线方向。

具体实施方式

为实现竖直光轴的平行光管的靶标导轨方向与平行光管光轴的平行度精确标定及装调，本发明针对竖直光轴的同轴反射式平行光管的结构特点提出一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调及标定方法，可保证导轨的移动方向与平行光管光轴的平行度优于12″，该参数的传统装调标定方法一般采用经纬仪瞄准平行光管焦面的十字刻线靶标的方法实现，但在竖直光轴平行光管的光路中无法架设使用经纬仪，因而需要对传统方法进行改进。本发明利用激光跟踪仪，能够大幅度提升导轨的移动方向与平行光管光轴的平行度精度，解决了在保证检测精度的前提下因竖直光轴的平行光管结构遮挡无法使用传统方法对靶标导轨位置进行装调标定的问题。

图1为竖直光轴的同轴式平行光管波像差测试光路，图2为带有视场标记位置平行光管靶标示意图，图3为利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调示意图，图4为焦面组件中导轨实际移动方向测试示意图，图5为焦面组件中靶标法线方向测试示意图。

本发明所述的一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，包括以下步骤：

步骤1，平行光管装调结束后，利用激光干涉仪1给出平行光管各视场的波像差，确定平行光管中心视场焦点位置。

确定激光干涉仪1位置：平行光管装调结束后，通过旋转平面反射镜，根据靶标3上的视场标记位置，给出各视场的波像差，在中心视场位置固定激光干涉仪1位置，保证其位置稳定性。

步骤2，在平面反射镜8附近架设激光跟踪仪1#测站10并测量，建立平面反射镜坐标系11，引出平行光管光轴13，测量公共转换点坐标12。所述激光跟踪仪1#测站位于地面上，且距离平面反射镜1-2m；

平行光管光轴13引出：将靶球9轻触平面反射镜8的反射面，使用激光跟踪仪测量靶球9的三维坐标，测量点位置在平面反射镜8表面均布，测量点数量≥6，在激光跟踪仪的配套软件SA中，利用所有测量点构建平面，并构建与该平面垂直的直线，该直线即为平面反射镜的法线，同时也是平行光管光轴13。

平面反射镜坐标系11建立：在SA软件中构建平面反射镜坐标系11，其中Z轴为平行光管光轴13，原点和X轴定位点任意选取两个不同的测量点即可。

公共转换点12布置：在平行光管的支撑结构4上布设公共转换点，数量≥6，保证靠近平面反射镜的激光跟踪仪1#测站10和激光跟踪仪2#测站16对所有公共转换点12的测量有效性。

公共转换点12测量：在SA软件中设置平面反射镜坐标系11为工作坐标系，使用激光跟踪仪1#测站10对所有公共转换点12的三维坐标进行测量；

步骤3，在平行光管附近架设激光跟踪仪2#测站16，利用公共转换点12恢复平面反射镜坐标系11，通过测量折镜法线14，在折镜5和激光干涉仪1之间构建平行光管光轴直线，作为焦面组件导轨理论方向18。所述激光跟踪仪2#测站与平行光管位于同一水平平面，且距离平行光管1-2m；

平面镜坐标系11恢复：将公共转换点12的坐标值输入到激光跟踪仪2#测站16的SA软件中，通过SA软件中的仪器定位功能和最佳拟合功能，使用激光跟踪仪2#测站16对公共转换点12进行测量，在激光跟踪仪2#测站16恢复平面镜坐标系11，并将其作为工作坐标系。

平行光管折镜法线14引出：将靶球9轻触折镜5的反射面，使用激光跟踪仪2#测站16测量靶球9的三维坐标，测量点位置在折镜表面均布，测量点数量≥6，在激光跟踪仪的配套软件SA中，利用所有测量点构建平面，并构建与该平面垂直的直线，该直线即为折镜法线14。

平行光管焦点位置测量：在导轨2上架设靶球9，干涉仪会聚点17可以通过靶球9球心对激光干涉仪1球面波的自准直进行测量，通过测量靶球9表面的面形离焦量的大小，将靶球9中心与干涉仪会聚点17调重合，用激光跟踪仪2#测站16测量干涉仪会聚点17处靶球9球心的三维坐标，该点即为平行光管焦点位置。

平面镜法线13与光管折镜法线14夹角θ计算：在SA软件计算平行光管光轴13和折镜法线14的夹角计算平行光管光轴与折镜法线夹角θ15，根据θ构建平行光管光轴13相对于折镜法线14的对称直线，再以干涉仪汇聚点17为直线上的一点构建对称直线的平行线，则该平行线即为导轨理论方向18，其经折镜5反射后与平行光管光轴13重合。

步骤4，根据导轨理论方向18对焦面组件的导轨实际方向19和靶标平面法线方向20进行装调和测试的迭代过程，最终完成平行光管的焦面组件的装调。

导轨2实际移动方向测量：调节靶球到导轨2行程的两端，分别用激光跟踪仪2#测站16测量靶球9的位置，并在SA中用此两点构建直线，则该直线即为导轨实际方向19；

导轨2位置的迭代调整：在SA中计算导轨实际方向19和导轨理论方向18的差值，以干涉仪汇聚点17为调整中心，对导轨2位置进行调整—测量—调整的迭代过程，直至导轨实际方向19与导轨理论方向18重合，用螺钉固定导轨2。

靶标3方向调整：将靶标3重新安装到导轨2上，将靶球9轻触靶标3的平面，使用激光跟踪仪2#测站16测量靶球9的三维坐标，测量点位置在靶标表面均布，测量点数量≥6，在激光跟踪仪的配套软件SA中，利用所有测量点构建平面，并构建与该平面垂直的直线，该直线即为靶标平面法线方向20，调整靶标的安装座，使靶标的平面法线方向20与导轨理论方向18平行。最终完成平行光管的焦面组件的装调。

竖直光轴的同轴式平行光管在镜头装调时利用大口径平面反射镜对出射光反射，由干涉仪给处平行光管镜头的像差，当平行光管镜头装调结束时，干涉仪的出射光汇聚点位置为平行光管的无穷远焦点位置，而大口径平面发射镜的光轴为平行光管的光轴。本发明利用激光跟踪仪建立平面反射镜坐标系，Z轴为平面镜法线即平行光管光轴，在该坐标系下给出平行光管折镜的法线方向，由SA软件计算得到光管光轴与光管折镜法线间的角度θ；同时利用跟踪仪靶球测出干涉仪出射光汇聚点位置，在SA软件中利用P和θ构建导轨方向的直线，即为导轨方向的理论值，将导轨平移到两端时靶球的位置，构建直线计算其与理论值的差值，根据差值进行装调即可保证靶标导轨方向与平行光管光轴平行度。本发明可满足平行光管焦面组件导轨方向与平行光管光轴的平行度装调要求。靶标离焦量准确，有效提高了遥感相机焦面器件定位工作的一次成功率。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，所述平行光管焦面组件包括导轨和安装在导轨上的靶标，其特征在于，包括：

平行光管装调结束后，利用激光干涉仪给出平行光管各视场的波像差，确定平行光管中心视场焦点位置，所述平行光管为光轴竖直的光学系统，其装调时位于高度为3m的竖直装调塔上，出光口朝向地面；

在平面反射镜附近架设激光跟踪仪1#测站，建立平面反射镜坐标系，引出平行光管光轴，测量公共转换点坐标；所述激光跟踪仪1#测站位于地面上，且距离平面反射镜1-2m；

在平行光管附近架设激光跟踪仪2#测站，利用公共转换点恢复平面反射镜坐标系，通过测量折镜法线，在折镜和激光干涉仪之间构建平行光管光轴直线，作为焦面组件导轨理论方向；所述激光跟踪仪2#测站与平行光管位于同一水平平面，且距离平行光管1-2m；

根据导轨理论方向对焦面组件的导轨实际方向和靶标平面法线方向进行装调和测试迭代，最终完成平行光管焦面组件的装调。

2.根据权利要求1所述的一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，其特征在于，激光干涉仪的位置满足：

平行光管装调结束后，旋转平面反射镜，根据靶标上的视场标记位置，给出平行光管各视场的波像差，中心视场位置即为激光干涉仪位置。

3.根据权利要求1所述的一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，其特征在于，引出平行光管光轴的方法如下：

在平面反射镜反射面均布测量点，在每个测量点处，将靶球轻触平面反射镜的反射面，使用激光跟踪仪1#测站测量靶球的三维坐标，测量点数量≥6，在激光跟踪仪1#测站的配套SA软件中，利用所有测量点处靶球的三维坐标构建平面，并构建与该平面垂直的直线，该直线即为平面反射镜的法线，同时也是平行光管的光轴。

4.根据权利要求3所述的一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，其特征在于，平面反射镜坐标系建立方法如下：

在激光跟踪仪1#测站的SA软件中构建平面反射镜坐标系，其中将平行光管光轴定义为Z轴，任意选取平面反射镜表面上两个不同的测量点作为原点和X轴定位点。

5.根据权利要求4所述的一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，其特征在于，在平行光管的支撑结构上布设公共转换点，数量≥6，保证靠近平面反射镜的激光跟踪仪1#测站和激光跟踪仪2#测站对所有公共转换点均能有效测量；

测量公共转换点坐标时，在激光跟踪仪1#测站的SA软件中设置平面反射镜坐标系为工作坐标系，使用激光跟踪仪1#测站对所有公共转换点的三维坐标进行测量。

6.根据权利要求5所述的一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，其特征在于，利用公共转换点恢复平面反射镜坐标系的方法如下：

将激光跟踪仪1#测站测量的公共转换点的三维坐标值输入到激光跟踪仪2#测站的SA软件中，通过激光跟踪仪2#测站的SA软件中的仪器定位功能和最佳拟合功能，对公共转换点进行测量，在激光跟踪仪2#测站恢复平面镜坐标系，并将其作为工作坐标系。

7.根据权利要求1所述的一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，其特征在于，在折镜反射面均布测量点，测量点数量≥6，在每个测量点处，将靶球轻触折镜的反射面，使用激光跟踪仪2#测站测量靶球的三维坐标，利用所有测量点处靶球的三维坐标构建平面，并构建与该平面垂直的直线，该直线即为折镜法线。

8.根据权利要求1所述的一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，其特征在于，在折镜和激光干涉仪之间构建平行光管光轴直线时，平行光管焦点位置按照如下方式确定：

在导轨上架设靶球，通过靶球球心对激光干涉仪球面波的自准直测量激光干涉仪汇聚点，通过测量靶球表面的面形离焦量的大小，调整靶球球心与激光干涉仪汇聚点重合，用激光跟踪仪2#测站测量激光干涉仪汇聚点处靶球球心的三维坐标，该点即为平行光管焦点位置。

9.根据权利要求1所述的一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，其特征在于，焦面组件导轨理论方向确定方法如下：

计算平行光管光轴和折镜法线的夹角θ，根据θ构建平行光管光轴相对于折镜法线的对称直线，再构建对称直线的平行线，所述平行线过激光干涉仪汇聚点，该平行线即为导轨理论方向，其经折镜反射后与平行光管光轴重合。

10.根据权利要求1所述的一种利用激光跟踪仪的平行光管焦面组件装调方法，其特征在于，根据导轨理论方向对焦面组件的导轨实际方向和靶标平面法线方向进行装调和测试迭代，最终完成平行光管焦面组件的装调，具体实现方式如下：

利用导轨运动旋钮分别将靶球移动到导轨行程的两端，用激光跟踪仪2#测站分别测量靶球的两个位置，并在激光跟踪仪2#测站的SA软件中用两端处靶球位置坐标构建直线，则该直线即为测量得到的导轨实际方向；

在激光跟踪仪2#测站的SA软件中计算导轨实际方向和导轨理论方向的差值，以激光干涉仪汇聚点为调整中心，对导轨位置进行调整—测量—调整的迭代过程，直至导轨实际方向与导轨理论方向重合，用螺钉固定导轨；

将靶标重新安装到导轨上，将靶球轻触靶标的平面，使用激光跟踪仪2#测站测量靶球的三维坐标，测量点位置在靶标表面均布，测量点数量≥6，在激光跟踪仪2#测站的配套SA软件中，利用所有测量点处的靶球三维坐标构建平面，并构建与该平面垂直的直线，该直线即为靶标的法线，调整靶标的安装座，使靶标的法线方向与导轨理论方向平行，完成平行光管焦面组件的装调。

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