CN107764518B - 一种光学镜头焦距测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径长焦光学镜头焦距的测量装置及方法，装置包括干涉仪、标准球面反射镜、光电自准直仪、激光跟踪仪及数据处理单元。调整测试光路使光学镜头的光轴与干涉仪出射的平行光平行，在像方焦点理论位置放置一个小口径的标准球面反射镜，将标准球面反射镜调整到像方焦点实际位置，激光跟踪仪测量标准球面反射镜的空间位置。干涉仪偏转，测量偏转角度，将标准球面反射镜调整到像方焦点实际位置，用激光跟踪仪测量此时标准球面反射镜空间位置。数据处理单元根据干涉仪偏转角度和标准球面反射镜的空间位置变化量计算获得光学镜头的焦距。本发明可用于不同波段大口径长焦光学镜头的焦距测量，在空间光学遥感器的装调和测试中有着十分重要的应用。

Description

一种光学镜头焦距测量装置及方法

技术领域

本发明涉及大口径长焦光学镜头焦距的测量装置及方法，属于航天光学遥感技术领域。

背景技术

在光学测量和遥感测绘等技术领域中，都离不开高精度的光学镜头。焦距作为光学镜头最重要的参数之一，参与图像获取后对目标尺寸、距离等关键数据的计算处理，因此保证焦距测量的准确度十分重要。

目前国内外光学镜头的焦距测量主要采用放大率法、精密测角法、傅立叶频谱分析法和泰伯莫尔法。放大率法对玻罗板刻线精度和平行光管焦距准确度要求较高，用于长焦光学镜头焦距测量的误差较大，具体可参见文献CN201520125766.2一种焦距测量仪。通过五棱镜和分划板相结合的精密测角法，测量精度受到人眼瞄准误差、分划板刻线精度和分划板摆放位置的限制，测量结果引入的主观因素较多，即便采用多次测量取平均值的方法，测量误差最多控制到±1％，具体可参见文献CN201010179464.5一种提高长焦距平行光管焦距检测精度的方法。傅立叶频谱分析法是利用频谱面上的干涉条纹间距的测量值计算镜头焦距，对物和像的尺寸测量精度要求非常高，并且焦平面位置的确定有一定难度，具体可参见文献董永绵，对称双圆孔傅立叶变换干涉条纹法测焦距[J]，激光技术，2001,25(1)：70-72。泰伯莫尔法是利用泰伯自成像和莫尔条纹图的放大特性，通过放入被测镜头前后的莫尔条纹变化情况计算出焦距，在焦距测量过程中对光栅间距和栅线夹角的标定精度要求非常高，并且测试过程中需要频繁挪动被测镜头，应用在大口径长焦光学镜头操作繁琐，具体可参见文献CN201310001055.X一种基于莫尔条纹匹配的长焦距透镜焦距测量方法。在红外和紫外光学镜头的焦距测量中，还需采用相应的光电探测器采集图像并处理，但受制于现有红外和紫外光电探测器的像元尺寸和感光性能，传统测量方法更难以实现焦距的高精度测量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种光学镜头焦距测量装置及方法，解决了现有的大口径长焦光学镜头焦距测量方法操作繁琐、测量精度难以保证等问题。

本发明的技术方案是：一种光学镜头焦距测量装置，包括干涉仪、标准球面反射镜、光电自准直仪、激光跟踪仪及数据处理单元；标准球面反射镜的直径范围为5mm到20mm，标准球面反射镜放置在光学镜头像方焦点理论位置，干涉仪向光学镜头发射平行光，光学镜头将平行光汇聚在像方焦点位置，标准球面反射镜将汇聚的光线反射，干涉仪接收被标准球面反射镜反射且经过光学镜头的光线；光电自准直仪测量干涉仪的出射光角度值，激光跟踪仪测量标准球面反射镜球心的空间位置；数据处理单元根据干涉仪偏转前后激光跟踪仪测量的标准球面反射镜球心的空间位置和光电自准直仪测量的干涉仪的出射光角度值，计算获得光学镜头焦距。

该测量装置还包括激光扩束装置，激光扩束装置放置于干涉仪和待测试光学镜头之间；从干涉仪出射的激光经激光扩束装置扩束后出射的平行光覆盖光学镜头的通光口径。干涉仪和激光扩束装置均安装在带有水平及俯仰角度调节功能的底座上。

使用该装置测量光学镜头焦距的方法包括下列步骤：

1)调试测试光路，调整待测试光学镜头使其光轴与干涉仪出射的平行光平行，根据干涉仪上的干涉条纹调整标准球面反射镜，使标准球面反射镜的球心位置和光学镜头像方焦点实际位置重合。

2)使用光电自准直仪测量干涉仪的出射光角度值(h₁，v₁)，使用激光跟踪仪测量此时标准球面反射镜球心的空间位置(x₁，y₁，z₁)；

3)偏转干涉仪0.15°-0.25°，根据干涉仪上干涉条纹调整标准球面反射镜位置，使标准球面反射镜的球心位置和光学镜头的像方焦点实际位置重合，使用光电自准直仪测量此时干涉仪的出射光角度值(h₂，v₂)，使用激光跟踪仪测量此时标准球面反射镜球心的空间位置(x₂，y₂，z₂)；

4)根据干涉仪偏转前后激光跟踪仪两次测量的标准球面反射镜球心的空间位置和光电自准直仪两次测量的干涉仪的出射光角度值，数据处理单元计算获得光学镜头的焦距其中，d为干涉仪偏转前后标准球面反射镜球心空间位置的变化量，θ为干涉仪偏转的角度值，θ＝arccos(cos(h₂-h₁)·cos(v₂-v₁))。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明方法在光学镜头波前测试光路的基础上，利用激光干涉仪接收到的光波波前power值对标准球面反射镜的位置非常敏感的特性，通过像方焦点位置的变化和激光干涉仪出射光角度的变化，通过简单的数学计算即可得到光学镜头的焦距值。通过实验标定，使用本发明方法测量焦距为1.5m的大口径光学镜头焦距，测量误差小于0.2％，且光学镜头焦距越大测量误差越小，相对传统测量方法的测量误差1％，测量精度得到了一定的提高。

2)本发明方法在焦距测量过程中，通过干涉仪的转动完成光学镜头轴上和轴外视场焦点位置的测试，无需转动或移动体积庞大、质量沉重的大口径长焦距光学镜头，极大程度地降低了操作难度和风险。

3)本发明方法仅需更换相应谱段的干涉仪便可实现可见光、红外和紫外大口径长焦光学镜头焦距的高精度测量，摆脱了传统的非可见光学镜头焦距测量方法中光电探测器像元尺寸和感光性能的限制，测量精度与可见光学镜头焦距测量精度一致，极大的提高了红外、紫外光学镜头焦距测量的精度。

附图说明

图1为是本发明的装置示意图；

图2为是本发明干涉仪激光扩束装置和底座的示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的装置示意图，包括干涉仪1、标准球面反射镜3、光电自准直仪4、激光跟踪仪5及数据处理单元。干涉仪1、光学镜头2和标准球面反射镜3搭建的光学镜头2波前测试光路是使用本发明的方法进行焦距测量的基础光路，标准球面反射镜3放置在光学镜头2像方焦点理论位置；干涉仪1向光学镜头2发射平行光，光学镜头2将平行光汇聚在像方焦点位置，标准球面反射镜3将汇聚的光线反射，干涉仪1接收被标准球面反射镜3反射且经过光学镜头的光线；光电自准直仪4和激光跟踪仪5分别用于测量干涉仪1出射光角度和标准球面反射镜3球心的空间位置。数据处理单元根据干涉仪1偏转前后标准球面反射镜3球心的空间位置和干涉仪1的出射光角度值，计算获得光学镜头2的焦距。其中标准球面反射镜3的直径范围为5mm到20mm。

激光扩束装置和底座的示意图如图2所示。激光扩束装置放置于干涉仪1和待测试光学镜头2之间；从干涉仪1出射的激光经激光扩束装置扩束后出射的平行光覆盖光学镜头2的通光口径。干涉仪1和激光扩束装置均安装在带有水平及俯仰角度的调节功能的底座上。

本发明一种大口径长焦光学镜头焦距的测量方法，具体过程如下：

1)调试测试光路。将光学镜头2通光口径置于干涉仪1的出射光口径范围内，调整光学镜头2使其光轴与干涉仪1出射的平行光一致，并用螺钉、压块等固定装置紧固光学镜头2此时所在的位置。调整标准球面反射镜3位置使干涉仪1上可见的干涉条纹不多于3条、power值尽可能趋近0，此时标准球面反射镜3的球心位置即为光学镜头2的像方焦点实际位置。

2)使用光电自准直仪4测量干涉仪1的出射光角度值(h₁，v₁)，使用激光跟踪仪5测量此时标准球面反射镜3的球心空间位置(x₁，y₁，z₁)。

3)测试偏场光路。调节干涉仪1底座，将干涉仪1的水平或俯仰角度偏转0.2°，偏转后干涉仪1的出射光仍必须覆盖光学镜头2的通光口径，使用光电自准直仪4测量干涉仪1此时的出射光角度值(h₂，v₂)。将标准球面反射镜3置于光学镜头2偏场光路的像方焦点理论位置，调整标准球面反射镜3位置使干涉仪1上可见的干涉条纹不多于3条、power值尽可能趋近0，此时标准球面反射镜3的球心位置即为光学镜头2偏场光路的像方焦点实际位置，使用激光跟踪仪5测量此时标准球面反射镜3的球心空间位置(x₂，y₂，z₂)。

4)数据处理单元计算焦距。根据激光跟踪仪5和光电自准直仪4两次测量值，利用空间几何数学计算方法，可得到标准球面反射镜3球心空间位置的变化量为干涉仪1出射光的偏转角度值为θ＝arccos(cos(h₂-h₁)·cos(v₂-v₁))。根据精密测角法原理，计算获得光学镜头2的焦距

激光跟踪仪5测量标准球面反射镜3的空间位置的方法为：以激光跟踪仪5两个旋转轴的交点为坐标原点建立空间坐标系，利用自准直原理、激光测距原理和精密测角原理计算出标准球面反射镜3的球心在空间坐标系的坐标值(x,y,z)。

光电自准直仪4测量的干涉仪1的出射光角度值的方法为：利用自准直原理调整光电自准直仪4使其出射光光轴和干涉仪1的标准平面镜前表面法线方向平行，此时干涉仪1出射光和光电自准直仪4出射光的相对角度值定义为(0,0)。当干涉仪1偏转时，根据标准平面镜的反射光在光电自准直仪4探测器上像元位置的变化量计算出干涉仪1的相对偏转角度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种光学镜头焦距测量装置，其特征在于：包括干涉仪(1)、标准球面反射镜(3)、光电自准直仪(4)、激光跟踪仪(5)及数据处理单元；标准球面反射镜(3)放置在光学镜头(2)像方焦点理论位置；干涉仪(1)向光学镜头(2)发射平行光，光学镜头(2)将平行光汇聚在像方焦点位置，标准球面反射镜(3)将汇聚的光线反射，干涉仪(1)接收被标准球面反射镜(3)反射且经过光学镜头的光线；光电自准直仪(4)测量干涉仪(1)的出射光角度值，激光跟踪仪(5)测量标准球面反射镜(3)球心的空间位置；数据处理单元根据干涉仪(1)偏转前后标准球面反射镜(3)球心的空间位置和干涉仪(1)的出射光角度值，计算获得光学镜头(2)的焦距。

2.根据权利要求1所述的一种光学镜头焦距测量装置，其特征在于：还包括激光扩束装置；所述激光扩束装置放置于干涉仪(1)和待测试光学镜头(2)之间；从干涉仪(1)出射的激光经激光扩束装置扩束后出射的平行光覆盖光学镜头(2)的通光口径。

3.根据权利要求2所述的一种光学镜头焦距测量装置，其特征在于：所述干涉仪(1)和激光扩束装置均安装在带有水平及俯仰角度调节功能的底座上。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种光学镜头焦距测量装置，其特征在于：所述标准球面反射镜(3)的直径范围为5mm到20mm。

5.一种利用如权利要求1所述的测量装置进行光学镜头焦距测量的方法，其特征在于：包括下列步骤：

1)调试测试光路；

2)测量干涉仪(1)的出射光角度值，测量此时标准球面反射镜(3)球心的空间位置；

3)偏转干涉仪(1)，根据干涉仪(1)上干涉条纹调整标准球面反射镜(3)位置，使标准球面反射镜(3)球心位置和光学镜头(2)的像方焦点实际位置重合，测量干涉仪(1)的出射光角度值，测量此时标准球面反射镜(3)球心的空间位置；

4)根据干涉仪(1)偏转前后两次测量的标准球面反射镜(3)球心的空间位置和测量的干涉仪(1)的出射光角度值，数据处理单元计算获得光学镜头(2)的焦距f。

6.根据权利要求5所述的一种光学镜头焦距的测量方法，特征在于：所述步骤1)调试测试光路的具体方法为：调整待测试的光学镜头(2)使其光轴与干涉仪(1)出射的平行光平行，根据干涉仪(1)上的干涉条纹调整标准球面反射镜(3)，使标准球面反射镜(3)球心位置和光学镜头(2)的像方焦点实际位置重合。

7.根据权利要求5所述的一种光学镜头焦距的测量方法，其特征在于：数据处理单元计算获得光学镜头(2)的焦距其中，d为干涉仪(1)偏转前后标准球面反射镜(3)球心空间位置的变化量，θ为干涉仪(1)偏转的角度值。

8.根据权利要求7所述的一种光学镜头焦距的测量方法，其特征在于：所述干涉仪(1)偏转前后的标准球面反射镜(3)球心空间位置的变化量的计算公式为：

其中，(x₁，y₁，z₁)为调试测试光路时标准球面反射镜(3)球心的空间位置，(x₂，y₂，z₂)为测试偏场光路时标准球面反射镜(3)球心的空间位置。

9.根据权利要求7所述的一种光学镜头焦距的测量方法，其特征在于：所述干涉仪(1)的偏转角度值θ＝arccos(cos(h₂-h₁)·cos(v₂-v₁))；其中，(h₁，v₁)为调试测试光路时干涉仪(1)的出射光角度值，(h₂，v₂)为测试偏场光路时干涉仪(1)的出射光角度值。

10.根据权利要求5-9任意一项所述的一种光学镜头焦距的测量方法，其特征在于：偏转干涉仪(1)时偏转的角度范围为0.15°-0.25°。