CN1614378A

CN1614378A - 无限兼有限共轭光电像分析器

Info

Publication number: CN1614378A
Application number: CN 200410090673
Authority: CN
Inventors: 林家明; 沙定国; 秦志峰; 苏大图; 何川; 张旭升; 潘奕捷; 曾嫦娥; 陈凌峰
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2024-11-12
Also published as: CN100360919C

Abstract

一种无限兼有限共轭光电像分析器，可以实现多种测试功能，具有很高的集成度。由平移台和旋转台构成多维调整系统，可满足测试中的多维调整和折轴测试的需要；该仪器根据被测系统的需要，光电测头具有望远和显微两种功能，望远测头还要适应0视度和多个非0视度试样的测试功能，对望远系统参数的测试可以通过不同视度准直镜与CCD组成的接收系统实现，对照相系统可以通过在像分析器光学系统的物方接口处加接显微物镜来实现。该仪器通过相应的软件可以实现对光学系统所成的像进行采集和分析、图像数据处理，是集光、机、电、算、自动控制为一体的综合装置。

Description

无限兼有限共轭光电像分析器

技术领域

本发明涉及一种无限兼有限共轭光电像分析器，它属于光电测试技术领域。

背景技术

光电像分析器是一种采用光电探测器对被测光学系统所成的目标图像进行采集和处理，以测得被测光学系统的各种性能参数的模块组件。该组件一般是集光机电算及自动控制为一体的综合装置。

本无限兼有限共轭光电像分析器，现有文献没有记录。相近的产品只有美国Optikos公司的VideoMTF Image Analysis System的光电像分析器测头，用于测量光学成像系统的光学传递函数、焦距等光学参数。其不足之处为：(1)不能对无限共轭光学系统进行调焦测试，不能实现多视度测试；(2)不能测试折轴光学系统；(3)可测光学参数种类少。

但本发明，弥补了现有光学测试系统的不足，不但可以实现多维调整以及折轴测试，而且实现了对无限与有限共轭光学系统的测试，并且可以通过更换物方镜筒处的不同视度的准直镜实现多视度测试，而且可以实现多参数测试，例如：放大率、视场、像倾斜和分划倾斜、出瞳直径、出瞳距离、视度、可见光分辨率、畸变、双目仪器光轴一致性等。

发明内容

本发明的目的是：(1)通过组合的多个平移台及旋转台，使像分析器通过多维调整能够实现对光学系统轴上和轴外视场的光学参数进行测量，并且能够对折轴光学系统进行测试；(2)在像分析器光学系统的像方，由步进电机通过传动装置，带动线性轴承移动像面实现光电定焦；(3)在像分析器光学系统的物方，通过更换同接口的不同视度的准直物镜，实现对不同视度望远光学系统的测试；(4)在像分析器光学系统的物方，还可通过接口加显微物镜，实现对有限共轭光学系统的测试。

本发明目的由如下技术方案实现。

本无限兼有限共轭光电像分析器组件包括：(1)X方向平移台，为了满足某些望远镜像方宽角视场测量的需要，采用行程为400mm的平移台。因为该平移台是整个测试系统的基础，所以采用精密滚珠螺杆作为该平移台的传动装置，采用精密线性滑块导轨作为其移动装置，组成精密重载形平移台，可以采用手动和步进电机两种驱动方式。其台面尺寸可以根据实际需要确定，螺杆倒程为5mm，分辨率为0.00039mm，重复定位精度为＜0.003mm，轴向间隙＜0.005mm，中心最大负载60kg，最大静转矩为80Ncm，其参数也可以实际需要确定。(2)水平旋转台，该旋转台安装在X方向平移台上，可实现像分析器在水平平面内的无极限调整。该旋转台采用精加工涡轮蜗杆作为传动装置，紧密轴系设计，保证高精度，大承载，可以采用手动和步进电机两种驱动方式。其台面尺寸为φ200mm，传动比为180∶1，分辨率为0.00125°，重复定位精度＜0.005°，最大静转矩为80Ncm，中心最大负载为60kg，也可以根据实际情况确定。(3)Y方向平移台，主要用于测量时沿光轴方向的调焦，采用行程为200mm的平移台。该平移台采用精密滚珠螺杆作为该平移台的传动装置，采用精密线性滑块导轨作为其移动装置，组成精密重载形平移台，可以采用手动和步进电机两种驱动方式。其台面尺寸为165×160mm，螺杆倒程为4mm，分辨率为0.00032mm，重复定位精度为＜0.003mm，轴向间隙＜0.005mm，中心最大负载30kg，最大静转矩为40Ncm，其参数可以根据实际情况确定。(4)Z方向平移台，该导轨的参数和X方向平移台的参数一致。采用行程为400mm的平移台，主要是考虑被试品具有潜望高，这一行程可以满足绝大多数被试品的要求，其参数可以根据实际情况确定。(5)竖直旋转台，该旋转台安装在Z方向平移台上，可实现像分析器测头在竖直平面内的无极限调整，通常折轴测试时需要的角度为±45°。该旋转台采用精加工涡轮蜗杆作为传动装置，紧密轴系设计，保证高精度，大承载，可以采用手动和步进电机两种驱动方式。其台面尺寸为φ100mm，传动比为180∶1，分辨率为0.00125°，重复定位精度＜0.005°，最大静转矩为40Ncm，中心最大负载为50kg，其参数可以根据实际情况确定。(6)支撑板，用于将平移台正交组合在一起，正交面精密加工，加工精度为1.6，竖直规格为600×10mm，水平规格为100×65mm，，其参数可以根据实际情况确定，竖直和水平两板的连接孔要求与平移台配作。(7)X、Z方向精密微调平移台，这两个平移台主要是针对像分析器在调整被试品像方出瞳中心位置时必须进行微量调整，当测量折轴望远镜时，其微调作用更为明显。其台面尺寸为53×53mm，行程为25mm，驱动方式采用M6×0.5螺杆，驱动位置在中心，分辨率为0.002mm，中心负载8kg，其参数可以根据实际情况确定。(8)不同视度准直镜，根据测试的实际需要，在本仪器中配置不同焦距、视度分别为零视度和非零视度的准直物镜，不同焦距、视度分别为零视度和非零视度的准直物镜是无限共轭光电像分析器的关键所在。(9)物方镜筒，该镜筒规格为φ40×150mm，中心孔直径为φ30mm，其参数可以根据实际情况确定，孔上车有消光螺纹起消除杂光作用，在物方镜筒的左端车有标准螺纹，与不同视度准直镜的镜框配合，右端的标准螺纹与可调节反射镜所在的腔体相连接。(10)像方镜筒，该镜筒规格为φ60×80mm，中心孔直径为φ45mm，在垂直孔的镜筒上有3个M3标准螺纹孔，其参数可以根据实际情况确定，用来固定线性轴承，在像方镜筒的左端车有标准螺纹，与可调节反射镜所在的腔体相连接。(11)线性轴承，其规格为φ45×64mm，中心孔直径为φ30mm，其参数可以根据实际情况确定，其靠止螺和紧配合安装像方镜筒上，其作用主要是让内套筒在其中顺畅的滑动。(12)内套筒，其规格为φ30×90mm，中心孔直径为φ25mm，其参数可以根据实际情况确定，右端有与CCD的标准螺纹接口，和与传动连接板连接的法兰盘，发兰盘的直径为φ42mm，其上有与传动连接板连接的三个M3螺纹孔，其参数可以根据实际情况确定。(13)传动连接板，规格为80×36×6mm，上端有与那套筒发兰盘相连接的螺纹孔，下端有与丝杠传动的标准M8螺纹孔，其参数可以根据实际情况确定。(14)面阵CCD探测器，其为逐行扫描，像素为1300×1300，每秒传输的速度为15帧，电子快门可达到1/1600秒，最小信噪比为50dB，输出数据频率为25MHz，其参数可以根据实际情况确定。(15)传动丝杠，其规格为M8的标准螺纹，长度为58mm，其参数可以根据实际情况确定，右端有与调节手轮相连接的部分，左端有与步进电机相连接的部分。(16)调节手轮，规格为φ36×5mm，中间有与传动丝杠相连接的φ7mm的孔，其参数可以根据实际情况确定，其主要起手动调节的作用。(17)步进电机，本仪器采用直流电机，步矩角为1.8，保持转矩≥0.036Nm，定位转矩为0.002Nm，空载启动频率为5KHz，转动惯量为1.23gcm²，其参数可以根据实际情况确定。

光电像分析器的多维调整以及折轴测试通过X方向平移台、水平旋转台、Y方向平移台、Z方向平移台、Y方向微调平移台、Z方向微调平移台、支撑架以及竖直旋转台来实现。测试系统的X、Y和Z轴方向平移台的移动量可以根据系统的移动量来确定，平移台采用精密导轨移动，通过步进电机驱动；水平旋转台2采用精密电控旋转台，可实现光电像分析器测试系统在水平面内360°的转动，提高了测试系统的灵活性；竖直旋转台采用精密电控旋转台，用于测试系统在竖直平面内的转动，可以实现对具有折轴的被试品进行测量；支撑架起支撑以及加强作用，使测试系统更加稳定。

多视度和无限共轭测试系统是光学系统成像性能与像质评价重要组成部分，主要应用于对望远系统的测试，该测试系统要适应0视度和多个非0视度试样的测试功能。该光电像分析器采用高性能科学面阵CCD传感器和不同焦距、视度分别为零视度和非零视度的准直物镜组成测试光电系统，实现各种望远系统所成目标的像的采集、分析与数据处理，并且可更换的视度准直物镜是无限共轭光电像分析器的关键所在。根据测试对象和目标图案像的特点，光电像分析器采用面阵CCD器件可以避免机械扫描等机电器件带来的测量效率低、速度慢、精度不稳定等问题。由于无限共轭光电像分析器可实现对多种测试对象和多种参数的测试，因此必须考虑其高精度、多用途等性能，这也是具有相当技术难度的。对于具有视度的望远系统来说，在出瞳视度筒的左侧安装所配备的相应焦距和视度的准直物镜即可测试，然后由步进电机通过传动丝杠、传动连接板、带动滑动套筒和面阵CCD探测器，实现CCD靶面的移动，然后通过软件采集图象，确定像点的位置，实现无限共轭测试。步进电机通过传动装置带动面阵CCD探测器自动找像是该系统的关键所在，这部分对于系统的结构，运动的平稳性有严格的要求，起关键作用的是线性轴承。

光电像分析器的有限共轭测试主要是完成对现有的照相系统的测试，其测试主要由零视度准直镜和显微物镜来完成，通过在零视度准直镜的镜框前作连接接口来连接显微物镜，以完成有限共轭测试的模块组成。对该测试系统在物方镜筒左端的零视度准直镜的前端配有显微物镜接口，该接口设计为标准显微物镜接口，这种接口前端可以连接显微物镜，后端可以连接零视度准直镜，这样光电仪器构成了有限共轭测试系统。

本发明与以往的光电测头相比，除了具有目视观测、有限共轭测试和CCD采集外，另具有如下的优点：通过线性轴承移动CCD实现无限共轭测试；实现多视度测试和折轴测试。

本发明的有益效果是，大大提高了光学测试系统的自动化程度，可以实现更多种光学参数的测量。通过模块式设计使该无限共轭光电像分析器具有折轴测试功能，以及对望远和照相系统的测试，该仪器采用步进电机控制，提高了测试速度和精度。该仪器与信号处理系统一起，具备光电调焦、光电对准测角、光电测光度、光电测调制度以及各种数字图象处理技术的功能，具有很高的集成化，降低了整套仪器的成本。

附图说明

图1无限兼有限共轭光电像分析器系统正面图；

图2无限兼有限共轭光电像分析器系统剖面图；

图3为有限共轭测试系统原理图；

图4为图形采集及软件分析流程图。

图中，1-X方向平移台、2-水平旋转台、3-Y方向平移台、4-Z方向平移台、5-X方向精密微调平移台、6-Z方向精密微调平移台、7-支撑架、8-竖直旋转台，这八部分组成了像分析器系统的多维调整部分，其中调整8的角度可以实现折轴测试；9-望远系统、10-不同视度准直镜、11-物方镜筒、12-可调节反射镜、13-观测目镜、14-像方镜筒、15-线性轴承、16-内套筒、17-传动连接板、18-面阵CCD探测器、19-手动调节旋钮、20-传动丝杠、21-步进电机，这十三部分组成了像分析器系统的多视度和无限共轭测试系统；22-被测照相系统、23-显微物镜、24-零视度准直镜、25-显微物镜接口，对于有限共轭测试系统，在多视度和无限共轭测试系统的基础上，只需将多视度和无限共轭测试系统中的某些组件更换即可，即将11前的10更换为24，然后通过24的标准螺纹接口连接25和23，即可实现对照相系统的有限共轭测试。

具体实施方式

测试时，由图一可以知道，首先根据被测试的对象调整1、2、3、4等的位置，如果是具有折轴系统的被测对象，就调整8的位置，使被测试对象的出瞳的轴线与像分析器的物方镜筒的轴线同轴，在接近轴线时，使用5和6来进行微量调整，此时可以把12旋转到与水平成45度的位置，使光线进入到13，通过13边观测边调整测系统的位置。

由图二知道，在测试具有视度的望远系统时，在11前端通过螺纹连接10，开始测试时，把12打在水平位置，使光路通过腔体到达像方镜筒，然后通过计算机软件控制步进电机，使其通过20、17以及16带动18移动，通过图形采集以及软件分析使CCD靶面精确到达指定的焦面位置，然后采集焦面位置的图形，进行数据处理。无限共轭测试时，把11前的准直镜更换为24，其余调节与测试方式测试具有视度的望远系统相同。

对于有限共轭光学系统的测试，如图三所示，在像分析器光学系统的11的前端接口处，先安装25，然后安装倍率和数值孔径合适的23，然后通过计算机软件控制步进电机通过20、17以及16带动18移动，通过图形采集以及软件分析使CCD靶面精确到达指定的焦面位置，然后采集焦面位置的图形，进行数据处理。

图四为无限兼有限共轭光电像分析器测试系统中采用的图形采集及软件流程图。在被测镜头和光电像分析器的位置调整好以后，通过软件控制步进电机，调整CCD的位置，在一系列位置采集成像图形，然后通过计算机分析采集的图形，如果满足测试需要，则计算机会按照相应的指令处理图形，然后输出相应的数据；如果计算机采集的图形不满足测试，则重复以上步骤，直到满足测试需要，得到正确的数据。

Claims

1.一种无限兼有限共轭光电像分析器，其特征在于：该像分析器由多微调整和折轴系统、无限共轭测试系统、有限共轭测试系统组成的集光机电算及自动控制为一体的综合装置。其中多微调整和折轴系统由通过X方向平移台、水平旋转台、Y方向平移台、Z方向平移台、Y方向微调平移台、Z方向微调平移台、支撑架以及竖直旋转台等组成；多视度和无限共轭测试系统由线性轴承、内套筒、面阵CCD探测器、传动装置、不同焦距和不同视度的准直镜、物方镜筒、像方镜筒等组成；有限共轭测试系统指在多视度和无限共轭测试系统上增加零视度准直镜、显微物镜接口等部件。

2.根据权利要求1所述，一种无限兼有限共轭光电像分析器组件中的微调整和折轴系统包括：(1)X方向平移台，采用精密线性滑块导轨作为其移动装置，组成精密重载形平移台，可以采用手动和步进电机两种驱动方式；(2)水平旋转台，该旋转台安装在X方向平移台上，可实现像分析器在水平平面内的无极限调整；该旋转台采用精加工涡轮蜗杆作为传动装置，紧密轴系设计，保证高精度，大承载，可以采用手动和步进电机两种驱动方式；(3)Y方向平移台，该平移台采用精密滚珠螺杆作为该平移台的传动装置，采用精密线性滑块导轨作为其移动装置，组成精密重载形平移台，可以采用手动和步进电机两种驱动方式；(4)Z方向平移台，该导轨的参数和X方向平移台的参数一致；(5)竖直旋转台，该旋转台安装在Z方向平移台上，可实现像分析器测头在竖直平面内的无极限调整；该旋转台采用精加工涡轮蜗杆作为传动装置，紧密轴系设计，保证高精度，大承载，可以采用手动和步进电机两种驱动方式；(6)支撑板，用于将平移台正交组合在一起，正交面精密加工，加工精度为1.6，其参数可以根据实际情况确定，竖直和水平两板的连接孔要求与平移台配作。支撑架起支撑以及加强作用，使测试系统更加稳定；(7)X、Z方向精密微调平移台，这两个平移台主要是针对像分析器在调整被试品像方出瞳中心位置时必须进行微量调整，当测量折轴望远镜时，其微调作用更为明显，其参数可以根据实际情况确定。

3.根据权利要求1所述，一种无限兼有限共轭光电像分析器的多视度和无限共轭测试系统以及有限共轭光电像分析器测试系统，其特征在于：对于无限共轭测试系统来说，在出瞳视度筒的左侧安装所配备的相应焦距和视度的准直物镜即可测试，然后由步进电机通过传动丝杠、传动连接板、带动滑动套筒和面阵CCD探测器，实现CCD靶面的移动，然后通过软件采集图象，确定像点的位置，实现无限兼有限共轭测试。

4.根据权利要求1所述，一种无限兼有限共轭光电像分析器，其特征在于：线性轴承对面阵CCD探测器沿光轴方向运动的平稳性起关键作用。

5.如权利要求1所述，一种无限兼有限共轭光电像分析器，其特征在于：不同焦距和不同视度准直镜与物方镜筒通过标准螺纹连接为一体。

6.如权利要求1所述，一种无限兼有限共轭光电像分析器的有限共轭系统，其特征在于：零视度准直镜和显微物镜通过显微物镜接口连接为一体。