CN104965523B - 一种复合消色差棱镜相位检测及装调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合消色差棱镜相位检测及装调方法，解决消色差棱镜180°相位误差的检测和装配问题。该方法需要转台、光源、消色差棱镜组、平台和光轴检测装置等组件，利用安装在高精度转台上的光源标定和调整光轴检测装置，将其拼接成拥有大视场和高分辨率的检测组件，从而实现棱镜组的检测和装配。
Description
技术领域
本发明属于光电跟踪领域，涉及一种光学检测和装调方法，具体涉及一种复合消色差棱镜间的相位检测和装配。
背景技术
消色差旋转棱镜跟踪装置，主要包括电机、码盘和消色差棱镜组。旋转棱镜跟踪装置既适用于激光束的扫描，也可用于快速目标的跟踪。旋转棱镜跟踪装置通过旋转共轴的两个楔形棱镜达到控制光束偏转的目的，具有结构紧凑、转动惯量低、响应迅速的特点。由于单个棱镜的色散特性，旋转棱镜用于目标跟踪时，需用两个相位差为180°，不同色散特性的棱镜进行组合，消除成像波段的色差，如图1所示。图1是消色差旋转跟踪棱镜组示意图，由两组独立消色差棱镜组构成。
消色差棱镜组由两个色散差异较大，相位差180°的两个棱镜构成，当两个棱镜相位差180°时，两个棱镜因折射率随波长变化而引起的光线偏折误差完成抵消，从而达到消除色差的目的；但是，当两个棱镜的相位误差不等于180°时，棱镜折射率变化引起的光线偏折误差则不能完成抵消，***色差不能完成消除。特别地，当成像波段范围较宽，跟踪范围较宽，棱镜顶角较大，跟踪精度较高的情况下两个消色差棱镜的相位误差要求更高，其相位误差范围通常为5～40″。
旋转棱镜跟踪装置的口径通常在10～120mm，棱镜顶角在5～15°范围内。在口径和棱镜顶角都较小的情况下，消色差棱镜相位误差为5～40″所引起的棱镜矢高变化量小于0.2微米，特别是当棱镜口径在10-30mm量级时，棱镜矢高变化量甚至小于0.05微米，而三坐标测量仪的精度一般约0.5微米，达不到所需精度。另外，棱镜的偏折范围通常在±10～80°范围内，如此大的范围内利用一个大视场的检测装置很难达到秒级的检测精度。因此，利用传统的测量方法无法达到消色差棱镜的高精度要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，解决消色差棱镜180°相位误差检测和装配问题，确保消色差棱镜的相位误差能控制在2-10″范围内。
本发明的技术解决方案是：一种复合消色差棱镜相位检测及装调方法，其特征在于：包括光源、消色差棱镜组、光轴检测装置、转台和平台；光轴检测装置包括光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ，消色差棱镜组包括棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ。光源是光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ的参考目标，光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ用于测量被棱镜组偏折后光源的位置。
进一步的，所述的消色差棱镜相位检测方法的工作流程包括以下步骤：
步骤1)、根据棱镜组中棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ的折射率n和顶角α计算棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ的偏折角度；
步骤2)、光轴检测装置安装在平台上，光源安装在转台上，且不安装棱镜组；光轴检测Ⅰ与光源同轴，光轴检测Ⅱ与光轴检测Ⅰ的夹角θ1为棱镜组的偏折角，光轴检测Ⅲ与光轴检测Ⅰ的夹角θ2为棱镜Ⅰ的偏折角；
步骤3)、利用电子水平仪调整转台至水平；
步骤4)、旋转转台，在光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ的视场内分别检测其靶面坐标是否与光源由于转台旋转所产生的轨迹平行，如果不平行，分别调整光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ，使其与光源轨迹平行度误差小于1″；
步骤5)、在平行度调整完成后，分别记录光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ中标记点(光源旋转轨迹)的纵坐标yⅠ，yⅡ和yⅢ；
步骤6)、旋转转台，将光源对准光轴检测Ⅰ的中心，此时光源在光轴检测Ⅰ中的纵坐标应为yⅠ，锁定转台，安装棱镜Ⅰ，棱镜Ⅰ的顶角面应与水平面基本平行，此时光源的成像应在光轴检测Ⅲ中，读取光轴检测Ⅲ中光源像的纵坐标，旋转棱镜Ⅰ使得此时光源像的纵坐标与之前光轴检测Ⅲ中标记点的纵坐标yⅢ重合；
步骤7)、安装棱镜Ⅱ，棱镜Ⅱ的顶角面应与水平面基本平行，顶角方向与棱镜Ⅰ相反，此时光源的成像应在光轴检测Ⅱ中，读取光轴检测Ⅱ中光源像的纵坐标，旋转棱镜Ⅱ使得此时光源像的纵坐标与之前光轴检测Ⅱ中标记点的纵坐标yⅡ重合；
步骤8)、锁定棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ，完整棱镜组的检测和装配。
本发明原理在于：
***组成框图如图2所示，首先组成消色差棱镜相位检测***的主要部件有转台(1)、光源(2)、消色差棱镜组(3)、平台(4)和光轴检测装置。光轴检测装置由三个视场很小，但测量精度较高的光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ组成，并且利用安装在高精度转台上的光源标定和调整光轴检测装置，使得三个相互独立的光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ形成有机整体，将其拼接成为在水平方向有10-30°的视场，但测量精度优于0.2″的检测组件，为棱镜组的检测和装配提供了测量依据，从而确保棱镜组的装配精度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)、利用几个小视场的光轴检测装置实现了大角度范围内的高精度角度测量；
2)、为旋转棱镜跟踪装置的检测、装配和调试提供了简单的，廉价的，高精度的测量***。
附图说明
图1为消色差棱镜示意图；
图2为消色差棱镜检测装置的组成原理示意图；1为转台，2为光源，3为消色差棱镜组，4为平台，5为光轴检测Ⅰ，6为光轴检测Ⅱ，7为光轴检测Ⅲ；
图3为消色差复合棱镜相位检测示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
首先结合图2介绍消色差棱镜相位检测方法。该方法需要用到转台(1)、光源(2)、消色差棱镜组(3)、平台(4)、光轴检测Ⅰ(5)、光轴检测Ⅱ(6)和光轴检测Ⅲ(7)，其中消色差棱镜组(3)包含棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ。
光轴检测5、6和7的焦距较长，分辨率高，但视场较小，通常约0.2-0.4°，焦距约2-3m，分辨率约0.1-1.0″，光轴检测的视场远远小于棱镜的光线偏折角度(约10-70°)，单独用光轴检测无法完成对棱镜组的检测。转台(1)的旋转范围为±90°，轴系晃动约1″，主要使得光源(2)旋转，形成一个线阵光源，实现对三个小视场的光轴检测Ⅰ(5)、光轴检测Ⅱ(6)和光轴检测Ⅲ(7)的标校。并且，光轴检测5、6和7以特定的夹角直线排列在平台上，如图2所示，光轴检测Ⅰ(5)与光源(2)同轴，光轴检测Ⅱ(6)与光轴检测Ⅰ(5)的夹角θ1为棱镜组的偏折角，光轴检测Ⅲ(7)与光轴检测Ⅰ(5)的夹角θ2为棱镜Ⅰ的偏折角，各棱镜偏折角与光轴检测5、6和7之间的对应如图3所示。图3中，光轴Ⅰ是光轴检测Ⅰ(5)的视场，其视场中心位于棱镜组的旋转的中心点，如图3中第一个标定点；光轴Ⅱ是光轴检测Ⅱ(6)的视场，其视场中心位于棱镜组旋转引起光源(2)的像的旋转轨迹与水平线(转台旋转引起的光源(2)的像的移动轨迹)的交点，如图3中第二个标定点；光轴Ⅲ是光轴检测Ⅲ(7)的视场，其视场中心位于棱镜Ⅰ旋转引起光源(2)的像的旋转轨迹与水平线(转台旋转引起的光源(2)的像的移动轨迹)的交点，如图3中第三个标定点，同时该点也是棱镜Ⅱ旋转引起光源(2)的像旋转的中心点。
根据以上描述要完成消色差棱镜组相位的检测和装配需要按如下步骤进行：
1)利用电子水平仪将转台(1)调整到水平；
2)光源安装固定在转台(1)上，光轴检测装置按图3所示的位置和角度安装在平台(4)上，光轴检测Ⅰ(5)与光源(2)同轴，光轴检测Ⅱ(6)与光轴检测Ⅰ(5)的夹角θ1为棱镜组(3)的偏折角，光轴检测Ⅲ(7)与光轴检测Ⅰ(5)的夹角θ2为棱镜Ⅰ的偏折角；
3)旋转转台(1)，分别记录光源(2)在光轴检测Ⅰ(5)、光轴检测Ⅱ(6)和光轴检测Ⅲ(7)内的移动轨迹；
4)检测光轴检测Ⅰ(5)、光轴检测Ⅱ(6)和光轴检测Ⅲ(7)是否水平，如果光轴组件与水平有夹角，分别调整光轴检测Ⅰ(5)、光轴检测Ⅱ(6)和光轴检测Ⅲ(7)，使其横坐标与光源(2)轨迹平行度误差小于1″；
5)完成平行度调整后，分别记录光轴检测Ⅰ(5)、光轴检测Ⅱ(6)和光轴检测Ⅲ(7)中光源(2)旋转轨迹的纵坐标yⅠ，yⅡ和yⅢ；
6)旋转转台(1)，将光源(2)对准光轴检测Ⅰ(5)的中心，此时光源在光轴检测Ⅰ(5)中的纵坐标应为yⅠ，锁定转台(1)，安装棱镜Ⅰ，棱镜Ⅰ的顶角面应与水平面基本平行，此时光源(2)的像应在光轴检测Ⅲ(7)中，读取光轴检测Ⅲ(7)中光源(2)的像的纵坐标，并旋转棱镜Ⅰ使得此时光源(2)的像的纵坐标与之前光轴检测Ⅲ(7)中光源(2)旋转轨迹的纵坐标yⅢ重合；
7)固定棱镜Ⅰ；
8)安装棱镜Ⅱ，棱镜Ⅱ的顶角面应与水平面基本平行，顶角方向与棱镜Ⅰ相反，此时光源的像应在光轴检测Ⅱ(6)中，读取光轴检测Ⅱ(6)中光源像的纵坐标，旋转棱镜Ⅱ使得此时光源(2)像的纵坐标与之前光轴检测Ⅱ(6)中光源(2)旋转轨迹的纵坐标yⅡ重合；
9)固定棱镜Ⅱ，完成棱镜组相位的检测和装配。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (2)
1.一种复合消色差棱镜相位检测及装调方法，其特征在于：包括光源、消色差棱镜组、光轴检测装置、转台和平台；光轴检测装置包括光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ，消色差棱镜组包括棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ；光源是光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ的参考目标，光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ用于测量被棱镜组偏折后光源的位置；其工作流程包括以下步骤：
步骤1)、根据棱镜组中棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ的折射率n和顶角α计算棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ的偏折角度；
步骤2)、光轴检测装置安装在平台上，光源安装在转台上，且不安装棱镜组；光轴检测Ⅰ与光源同轴，光轴检测Ⅱ与光轴检测Ⅰ的夹角θ1为棱镜组的偏折角，光轴检测Ⅲ与光轴检测Ⅰ的夹角θ2为棱镜Ⅰ的偏折角；
步骤3)、利用电子水平仪调整转台至水平；
步骤4)、旋转转台，在光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ的视场内分别检测其靶面坐标是否与光源由于转台旋转所产生的轨迹平行，如果不平行，分别调整光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ，使其与光源轨迹平行度误差小于1″；
步骤5)、在平行度调整完成后，分别记录光轴检测Ⅰ、光轴检测Ⅱ和光轴检测Ⅲ中标记点的纵坐标yⅠ，yⅡ和yⅢ；即光源旋转轨迹；
步骤6)、旋转转台，将光源对准光轴检测Ⅰ的中心，此时光源在光轴检测Ⅰ中的纵坐标应为yⅠ，锁定转台，安装棱镜Ⅰ，棱镜Ⅰ的顶角面应与水平面基本平行，此时光源的像应在光轴检测Ⅲ中，读取光轴检测Ⅲ中光源像的纵坐标，旋转棱镜Ⅰ使得此时光源像的纵坐标与之前光轴检测Ⅲ中标记点的纵坐标yⅢ重合；
步骤7)、安装棱镜Ⅱ，棱镜Ⅱ的顶角面应与水平面平行，顶角方向与棱镜Ⅰ相反，此时光源的成像应在光轴检测Ⅱ中，读取光轴检测Ⅱ中光源像的纵坐标，旋转棱镜Ⅱ使得此时光源像的纵坐标与之前光轴检测Ⅱ中标记点的纵坐标yⅡ重合；
步骤8)、锁定棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ，完成棱镜组的检测和装配。
2.根据权利要求1所述的一种复合消色差棱镜相位检测及装调方法，利用安装在高精度转台上的光源标定和调整光轴检测装置，将其拼接成拥有大视场和高分辨率的检测组件，从而实现棱镜组的检测和装配。
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