CN108761831B - 一种高精度光学镜头快速穿心装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度光学镜头快速穿心装置及方法，主要解决现有技术操作繁琐、适用面窄，以及存在安全隐患等问题，特别适用于光学镜头焦距从几毫米到几十毫米的短焦距、大视场光学镜头的穿心。本发明的穿心装置包括水平设置的光学导轨、第一、第二目标支架、光学镜头、探测器及和监视器；光学镜头第一、第二目标支架通过滑块设置在光学导轨上且均位于光学镜头的一侧；探测器设置在光学镜头的另一侧；光学镜头第一目标支架上设置标记A，第二目标支架上设置标记C，标记A的中心与标记C的中心位于同一水平直线上；第二目标支架下部与滑块铰接；光学镜头通过组合移动台安装在光学导轨上；光学镜头探测器通过移动装置安装在光学镜头上。

Description

一种高精度光学镜头快速穿心装置及方法

技术领域

本发明属于光学成像与测量技术领域，涉及一种高精度光学镜头快速穿心装置及方法。

背景技术

所谓光学穿心，是指将光学***的像面中心与探测器中心重合。

在实际的工作中经常会遇到光学穿心的问题，例如光学***畸变校正过程中，需要事先给后续畸变校正提供参考点，需将光学像面中心与探测器中心调整重合。在基于图像的光学测量应用中，也需要将光学与探测器中心调整重合，以便消除由此造成的测量误差。

目前，光学镜头的穿心，没有统一的***及方法，对于不同类型的光学镜头，由于其结构形式、复杂程度各不相同，光学镜头穿心方法也存在差异。

现有光学镜头穿心的方法主要有自准直法和旋转光学镜头法。

自准直法利用自准直光管和平面度较好的反射镜实现穿心。穿心时需将反射镜粘贴在要求穿心的光学镜头端面处，并假定端面与光学镜头光轴重合或者通过定心加工方式保证该端面与光学镜头光轴垂直，调整光学镜头或者自准直光管使平面镜十字反射像与光管中十字目标重合，从而实现光管光轴与光学镜头光轴平行，此时光管发出的十字像经光学镜头成像后即为光学像面中心，再将探测器中心与之重合，最终完成光学镜头穿心过程。

自准直法操作繁琐，对穿心光学镜头具有选择性，对于装配好的光学镜头需事先选择粘贴反射镜的基准面，而且要求基准面与光轴垂直，这在实际中较难实现，而且也无法实现对任意光学镜头的穿心。

旋转光学镜头法中，光学镜头与探测器连接在一起，将其整体夹在机床回转轴卡头上，相机加电后，整机在机床上回转，观察光管发出的十字丝经光学镜头所成的像转动情况，通过调整光管方位或者相机俯仰、方位，最终使相机观察到的十字像不在随相机的旋转而旋转，此时光管光轴与光学镜头光轴重合，十字像中心即为像面中心，然后将探测器与光学镜头分离，将探测器中心与光管十字丝的像中心调整重合。

旋转光学镜头法仅适合焦距较长的小光学镜头的穿心，需将光学镜头与探测器装夹在机床上，带电操作危险性比较大。一方面，为了看清光管十字丝的像，光管焦距和口径需与光学镜头相配合；另一方面，确定像面中心后，需在机床上调整探测器位置，不仅风险大，而且也不易操作。

发明内容

本发明的目的是针对现有光学镜头穿心装置及方法操作繁琐、适用面窄，以及存在安全隐患等问题，而提供一种高精度光学镜头快速穿心装置及方法。该***及方法特别适用于光学镜头焦距从几毫米到几十毫米的短焦距、大视场光学镜头的穿心，具有操作简单、高效、实用、精度高，不需要平行光管，无需反射镜和基准面，对光学镜头大小、结构形式等无选择性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种高精度光学镜头快速穿心装置，其特殊之处在于，包括水平设置的光学导轨、第一目标支架、第二目标支架、光学镜头、探测器及与探测器相连的监视器；所述第一目标支架与第二目标支架通过滑块设置在光学导轨上且均位于光学镜头的一侧，第二目标支架位于第一目标支架和光学镜头之间；探测器设置在光学镜头的另一侧；所述第一目标支架上设置标记A，第二目标支架上设置标记C，标记A的中心与标记C的中心位于同一水平直线上；第二目标支架下部与滑块铰接；所述光学镜头通过组合移动台安装在光学导轨上，可三维移动和转动；所述探测器通过移动装置安装在光学镜头上，可沿垂直光学镜头的光轴方向相对于光学镜头平移。

进一步地，上述监视器为显示区域自生成电十字丝监视器。

进一步地，上述标记A和标记C均为十字丝图形。

另外，本发明还提供一种高精度光学镜头快速穿心方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)搭建上述高精度光学镜头快速穿心装置；调整光学镜头高度，使其光轴的高度与标记A、标记C所在直线的高度相同；

2)分别调整第一目标支架、第二目标支架与光学镜头之间的物距，使标记A、标记C均位于光学镜头的景深范围内，使其在探测器像面清晰成像；

3)记录像点a、像点c在探测器的像面位置，将光学镜头和探测器作为整体调整其左右位置，使像点c和像点a在监视器像面显示的图像中位于同一条铅垂线上；

4)记录像点a、像点c在探测器中的位置，将光学镜头和探测器作为整体调整其俯仰角度和相对于标记A、标记C的高度，使标记A的像点a和标记C的像点c在监视器显示的图像中重合；

5)保持光学镜头位置不变，沿垂直光学镜头的光轴方向平移探测器，使其中心与标记C的像点c重合。

进一步地，步骤2)的具体步骤如下：

2.1)调整第二目标支架与光学镜头之间的物距，使标记C位于光学镜头的景深范围内；

2.2)转动第二目标支架，调整第一目标支架与光学镜头之间的物距，使标记A位于光学镜头的景深范围内；

进一步地，步骤3)的具体步骤如下：

3.1)记录标记C在在探测器像面的像点c位置，然后转动第二目标支架，记录标记A在探测器像面的像点a位置；

3.2)将光学镜头和探测器作为整体左右平移，同时调整其光轴使之与标记A、标记C的连线重合；

3.3)重复步骤3.1)和步骤3.2)，直至像点c和像点a位于监视器像面的同一条铅垂线上。

进一步地，步骤4)的具体步骤如下：

4.1)记录标记C在在探测器像面的像点c位置，然后转动第二目标支架，记录标记A在探测器像面的像点a位置；

4.2)将光学镜头和探测器作为整体调整其俯仰角度和相对于标记A、标记C的高度；

4.3)重复步骤4.1)和步骤4.2)，直至标记A的像点a和标记C的像点c在监视器像面上重合；标记C的像点c即为光学镜头光学像面中心。

为了进一步提高穿心精度，步骤5)之后，在光学镜头景深范围内，移动第一目标支架和第二目标，以增加第一目标支架和第二目标之间的距离，重复步骤1)至步骤5)，直至精度不再提高。

本发明的穿心原理：

参见图3，点A、C位于同一条直线，第一目标支架AB和第二目标支架CD经光学镜头所成的像分别为ab和cd。点A、C均位于光轴时，它们的像点a、c也在光轴上。当光学镜头的光轴与AC连线平行且与AC共轴时，A、C两点所成的像点a、c在探测器像面上投影的质心重合，此时该质心位置即为光学镜头像面中心。假如探测器位于c点位置，光学像面中心即为像点c位置。

用于观察图像的监视器中心产生一个电十字丝，该十字丝中心位置对应探测器中心。调整探测器相对于光学镜头的距离，使探测器的像点c与电十字丝中心重合，即可实现光学镜头穿心。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明提供的高精度镜头穿心装置及方法很好的解决了镜头(尤其是短焦距镜头)与探测器的穿心难题。

2、本发明提供的高精度镜头穿心装置及方法不需要平行光管，无需反射镜和基准面，对镜头大小、结构形式等无选择性，可直接通过图像判读实现高精度的光学镜头穿心；穿心精度高，操作简单、高效、实用。

3、本发明提供的高精度镜头穿心装置及方法特别适用于镜头焦距从几毫米到几十毫米的短焦距、大视场镜头的穿心。

附图说明

图1是本发明光学镜头穿心装置的结构示意图；

图2是第二目标支架及其旋转示意图；

图3是本发明的光学镜头穿心原理示意图；

图4是第一目标支架与第二目标支架高度差引起的偏心误差示意图；

图5是由于中心判读引起的误差示意图；

图6是伪定心引起的误差示意图；

图7是放大率引起的误差示意图。

图中各标号的说明如下：

1—光学导轨，2—第一目标支架，3—第二目标支架，4—组合移动台，5—光学镜头，6—探测器，7—监视器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供一种高精度光学镜头快速穿心装置，包括水平设置的光学导轨1、第一目标支架2、第二目标支架3、光学镜头5、探测器6及与探测器6相连的监视器7；监视器7为显示区域自生成电十字丝监视器。

第一目标支架2与第二目标支架3通过滑块设置在光学导轨1上且均位于光学镜头5的一侧，第二目标支架3位于第一目标支架2和光学镜头5之间；探测器6设置在光学镜头5的另一侧；第一目标支架2上设置标记A，第二目标支架3上设置标记C，标记A和标记C均为十字丝图形；标记A的中心与标记C的中心位于同一水平直线上；第二目标支架3下部与滑块铰接，可相对于滑块转动(参见图2)；光学镜头5通过组合移动台4安装在光学导轨1上，可三维移动和转动；探测器通过螺栓安装在光学镜头的法兰上，通过法兰上的长孔实现沿垂直光学镜头5的光轴方向相对于光学镜头5平移。

本发明还提供一种高精度光学镜头快速穿心方法，包括以下步骤：

1)搭建如上述高精度光学镜头快速穿心装置；调整光学镜头5高度，使其光轴的高度与标记A、标记C所在直线的高度相同；

2)使标记A、标记C均位于光学镜头5的景深范围内，使其在探测器6像面清晰成像，具体步骤如下：

2.1)调整第二目标支架3与光学镜头5之间的物距，使标记C位于光学镜头5的景深范围内；

2.2)转动第二目标支架3，调整第一目标支架2与光学镜头5之间的物距，使标记A位于光学镜头5的景深范围内；

3)使像点c和像点a在监视器7显示的图像中位于同一条铅垂线上，具体步骤如下：

3.1)记录标记C在在探测器6像面的像点c位置，然后转动第二目标支架3，记录标记A在探测器6像面的像点a位置；

3.2)将光学镜头5和探测器6整体左右平移，同时左右旋转光学镜头5和探测器6，调整其光轴使之与标记A、标记C的连线重合；

3.3)重复步骤3.1)和步骤3.2)；

4)使标记A的像点a和标记C的像点c在监视器7显示的图像中重合，具体步骤如下：

4.1)记录标记C在在探测器6像面的像点c位置，然后转动第二目标支架3，记录标记A在探测器6像面的像点a位置；

4.2)将光学镜头5和探测器6作为整体调整其俯仰角度和相对于标记A、标记C的上下高度；

4.3)重复步骤4.1)和步骤4.2)；

5)保持光学镜头5位置不变，沿垂直光学镜头的光轴方向平移探测器6，使其中心与标记C的像点c重合。

步骤5)之后，光学镜头穿心完成，可拍摄像点照片，读取照片中监视器十字丝坐标与像点a或像点c坐标，通过比较的偏差值获得光学镜头穿心精度。

穿心误差分析：

本发明提供的穿心装置及方法，误差主要源于中心判别误差、第一目标支架与第二目标支架的高度误差、伪定心误差、探测器倾斜误差、放大率误差等。

下文出现的各符号定义如下：

L为第一目标支架与第二目标支架的距离；

L₁为第一目标支架到光学镜头的距离；

L₂为第二目标支架到光学镜头的距离；

h为第一目标支架与第二目标支架是十字标记中心的高度差，h’为其像点；

f’为光学镜头焦距；

a,b,c,d分别为A，B，C，D的像点；

Δ为ab的像面相对探测器位置的离焦量；

a’为a点在探测器上的投影位置。

1)第一目标支架与第二目标支架的高度差造成的误差δ₁

参见图4，标记第一目标支架上下两端点为A、B，标记第二目标支架上下两端点为C、D。为方便描述，将第一目标支架记为AB，第二目标支架记为CD。

探测器位置可位于AB、CD其中任一个像面，也可位于光学镜头的实际对焦像面，这样对于AB、CD像面相对探测器位置均产生离焦量Δ。

假如探测器位于CD的像面ca’处，AB的像面ab相对探测器存在轴向离焦量Δ，点a在探测器像面的投影为a’，该点与实际像面中心偏离量为h′

照相物镜，由于L₁>>f′，像面位于焦平面附近。此外，第一目标支架AB、第二目标支架CD位于光学***景深内，离焦量Δ应小于相机半焦深，即公式：

Δ≤±a×F

a为像元大小，F为光学***光圈

由上述分析可知：光学镜头穿心时，两目标物体与光学镜头之间的距离越大，穿心精度越高。

2)中心重合度判读误差δ₂

人眼或者图像判断物体或电十字丝中心与电十字丝中心重合程度的偏差。该重合度判读误差包括，两目标物体像点重合度的判别和像点与电十字丝中心重合程度的判别。如图5所示。

当C点位于像面中心时，A的像点a在探测器靶面投影为a’，其与点c偏差为h’，由公式计算可得：

h′＝β×f′

当h’小于判读误差δ₂时，仍然可能存在光轴倾斜角度β。

由上述分析可知：物体CD与光学镜头之间的间距越大，高度越低，穿心精度越高。

3)伪定心误差δ₃

当光轴倾角β与两目标物体AB、CD高度成比例时，存在伪定心情况。伪定心实际上是光学镜头光轴与物体顶点的高度差异以及两物体自身高度差共同作用产生的。伪定心如图6所示：

从上图可以看出，A、C的像a’(c)在像方处重合，若将电十字丝中心与a’(c)重合，伪中心a’(c)与像面实际中心d点偏差为h’。

由公式可知：

求得：

即：

一般照相物镜L₁>>f′，高度差Δh通过精密装置调整后差异很小，因此Δh′很小，基本可以忽略。

由上述分析可知：目标与光学镜头之间的距离L₁越大，两目标物体高度差Δh越小，Δh′越小，可基本消除伪定心，提高穿心精度。

4)探测器倾斜引起的像点高度偏移误差δ₄

探测器倾斜与光轴不垂直造成像点在探测器靶面上的投影高度产生变化而产生误差。

探测器倾斜过大时，图像将出现模糊，探测器倾斜引起的最大轴向位移量为半倍焦深Δ，则：

一般L₁>>h，光学***焦深也很小，δ₄可忽略不计。为了减小δ₄，应尽可能增大物距L₁。

5)物体放大率误差

光学镜头对不同物距的物体成像时，放大率不同造成像点高度的变化。

如图7所示，当c与a’被图像判别为重合时，此时像点距离实际的像面中心误差为h’。

放大率误差:

图像的中心判别误差取一个像元a，则当像点c与a’被图像判别为重合时，满足以下公式：

将上式代入放大率误差公式，得：

穿心时，两目标之间的距离较大时，

因此，为了减小放大率误差δ₅，应尽可能增大两目标之间的距离。

由上面误差分析可知，本方法主要误差来源于图像判读误差。一般的图像判别精度可达到1个像元，下式中a为探测器像元大小。

俯仰方向的中心误差：

方位方向的中心误差：

δ_方位＝a

像点与电十字丝中心判读误差：

δ_电十字＝a

穿心精度：

即，本***及方法的穿心精度约为图像中心判别精度的2倍。

综合以上分析，本发明提供的穿心装置及方法的误差主要源于图像中心判别误差、第一目标支架AB、第二目标支架CD高度误差、伪定心误差、探测器倾斜误差、放大率误差等，归根结底，穿心精度受限于图像中心判读误差，提高图像判别精度将会大幅提高穿心精度。中心判别误差包括：两目标物体像点重合度的判别和像点与电十字丝中心重合程度的判别。

本发明提供的光学镜头穿心装置及方法可以实现像元级别的穿心精度。

Claims (8)

1.一种高精度光学镜头快速穿心装置，其特征在于：包括水平设置的光学导轨(1)、第一目标支架(2)、第二目标支架(3)、光学镜头(5)、探测器(6)及与探测器(6)相连的监视器(7)；

所述第一目标支架(2)与第二目标支架(3)通过滑块设置在光学导轨(1)上且均位于光学镜头(5)的一侧，第二目标支架(3)位于第一目标支架(2)和光学镜头(5)之间；探测器(6)设置在光学镜头(5)的另一侧；

所述第一目标支架(2)上设置标记A，第二目标支架(3)上设置标记C，标记A的中心与标记C的中心位于同一水平直线上；第二目标支架(3)下部与滑块铰接；

所述光学镜头(5)通过组合移动台(4)安装在光学导轨(1)上，可三维移动和转动；

所述探测器(6)通过移动装置安装在光学镜头(5)上，可沿垂直光学镜头(5)的光轴方向相对于光学镜头(5)平移。

2.根据权利要求1所述的高精度光学镜头快速穿心装置，其特征在于：

所述监视器(7)为显示区域自生成电十字丝监视器。

3.根据权利要求1所述的高精度光学镜头快速穿心装置，其特征在于：

所述标记A和标记C均为十字丝图形。

4.一种高精度光学镜头快速穿心方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)搭建如权利要求1至3任一所述的高精度光学镜头快速穿心装置；调整光学镜头(5)高度，使其光轴的高度与标记A、标记C所在直线的高度相同；

2)分别调整第一目标支架(2)、第二目标支架(3)与光学镜头(5)之间的物距，使标记A、标记C均位于光学镜头(5)的景深范围内；

3)记录像点a、像点c在探测器的像面位置，将光学镜头(5)和探测器(6)作为整体调整其左右位置，使像点c和像点a在监视器(7)显示的图像中位于同一条铅垂线上；

4)记录像点a、像点c在探测器中的位置，将光学镜头(5)和探测器(6)作为整体调整其俯仰角度和相对于标记A、标记C的高度，使标记A的像点a和标记C的像点c在监视器(7)显示的图像中重合；

5)保持光学镜头(5)位置不变，沿垂直光学镜头(5)的光轴方向平移探测器(6)，使其中心与标记C的像点c重合。

5.根据权利要求4所述的高精度光学镜头快速穿心方法，其特征在于：

步骤2)的具体步骤如下：

2.1)调整第二目标支架(3)与光学镜头(5)之间的物距，使标记C位于光学镜头(5)的景深范围内；

2.2)转动第二目标支架(3)，调整第一目标支架(2)与光学镜头(5)之间的物距，使标记A位于光学镜头(5)的景深范围内。

6.根据权利要求5所述的高精度光学镜头快速穿心方法，其特征在于：

步骤3)的具体步骤如下：

3.1)记录标记C在在探测器(6)像面的像点c位置，然后转动第二目标支架(3)，记录标记A在探测器(6)像面的像点a位置；

3.2)将光学镜头(5)和探测器(6)整体左右平移，同时调整其光轴使之与标记A、标记C的连线重合；

3.3)重复步骤3.1)和步骤3.2)，直至像点c和像点a位于监视器像面的同一条铅垂线上。

7.根据权利要求6所述的高精度光学镜头快速穿心方法，其特征在于：

步骤4)的具体步骤如下：

4.1)记录标记C在在探测器(6)像面的像点c位置，然后转动第二目标支架(3)，记录标记A在探测器(6)像面的像点a位置；

4.2)将光学镜头(5)和探测器(6)作为整体调整其俯仰角度和相对于标记A、标记C的高度；

4.3)重复步骤4.1)和步骤4.2)，直至标记A的像点a和标记C的像点c在监视器像面上重合。

8.根据权利要求4所述的高精度光学镜头快速穿心方法，其特征在于：

步骤5)之后，在光学镜头景深范围内，移动第一目标支架(2)和第二目标，以增加第一目标支架(2)和第二目标之间的距离，重复步骤1)至步骤5)。