CN110702378B - 一种光轴指向检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光轴指向检测装置及检测方法。该装置包括图形发射模块、成像探测模块以及光路调节模块；图形发射模块，用于发射具有预设图形特征的检测光束；成像探测模块，用于对检测光束进行接收及检测；光路调节模块包括待测变焦单元、光束折转单元以及可调反射单元。本发明实施例提供的光轴指向检测装置，可以分别检测出由于待测变焦单元的变焦以及可调反射单元的检测误差共同造成的光轴指向的检测变化，以及可调反射单元单独引起的光轴指向的检测变化，进而确定由于待测变焦单元变焦引起的光轴指向变化，利用光束折转单元可以提高光轴指向检测的精度。

Description

一种光轴指向检测装置及检测方法

技术领域

本发明实施例涉及光轴检测技术领域，尤其涉及一种光轴指向检测装置及检测方法。

背景技术

作为一种典型光学***，变焦光学***在相机、手机、摄像头以及卫星等成像检测领域应用日益广泛。变焦光学***的应用已经逐渐从最初的横向成像逐渐转变为纵向对准检测。

在实际应用中，变焦光学***在变焦过程中，焦点的轨迹并非直线，也就是说，变焦光学***光轴指向会随调焦变化。在共轴检测的应用场景中，光轴指向的变化会引入零位偏差，导致变焦光学***在应用中的精度受到严重影响。

发明内容

本发明提供一种光轴指向检测装置及检测方法，以实现在变焦过程中对变焦光学***的光轴的实时检测。

第一方面，本发明实施例提供了光轴指向检测装置，用于检测待测变焦单元的离轴量，包括图形发射模块、成像探测模块以及光路调节模块；

所述图形发射模块、所述光路调节模块以及所述成像探测模块沿检测光束传输方向依次设置；

所述图形发射模块，用于发射具有预设图形特征的检测光束；

所述成像探测模块，用于对检测光束进行接收及检测；

所述光路调节模块包括所述待测变焦单元、光束折转单元以及可调反射单元；所述待测变焦单元用于对入射到其内部的光线进行变焦处理；所述可调反射单元用于对经所述待测变焦单元处理后的检测光束的传播路径进行调整，使其经过或者不经过所述光束折转单元，以使所述成像探测模块可接收到经不同传播路径传输而来的检测光束。

进一步地，所述光路调节模块还包括自准直仪单元；

所述自准直仪单元，用于检测所述可调反射单元的俯仰角和倾斜角。

进一步地，所述图形发射模块包括照明单元和标记板；

所述标记板上设置有镂空的预设图形；

所述照明单元产生的光束通过所述标记板后形成具有所述预设图形特征的所述检测光束。

进一步地，所述待测变焦单元包括定焦子单元和变焦子单元；

所述定焦子单元和所述变焦子单元相对设置；

所述成像探测模块和所述标记板均位于所述定焦子单元的同一侧的焦面上。

进一步地，所述成像探测模块与所述图形发射模块集成为一体。

进一步地，所述可调反射单元包括反射器和位置调整器；

所述反射器固定于所述位置调整器上，所述位置调整器位于所述变焦子单元的光轴的轴线上；

可沿所述待测变焦单元的光轴的延伸方向移动，用于调整所述反射器与所述待测变焦单元的相对位置，进而实现检测光束传输路径的调整。

进一步地，所述光束折转单元包括自准直反射成像子单元。

进一步地，所述光束折转单元位于所述定焦子单元的一侧的焦面上；

所述光束折转单元与所述标记探测器满足物像关系。

第二方面，本发明实施例还提供了一种适用于上述第一方面任一项所述的光轴指向检测装置的光轴指向检测方法，所述待测变焦单元包括定焦子单元和变焦子单元；所述图形发射模块包括标记板；所述可调反射单元包括反射器；所述成像探测模块包括标记探测器；

所述光轴指向检测方法包括：

将所述标记板和所述标记探测器置于所述定焦子单元的焦面上；

将所述变焦子单元调至基准焦距F0，检测所述变焦子单元的焦面与所述反射器之间的光距离L0；

保持所述变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]；

保持所述变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0；

将所述变焦子单元调至焦距Fi，检测所述变焦子单元的焦面与所述反射器之间的光距离Li；其中i≠0；

保持所述变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]；

保持所述变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测所述反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi；

根据[H0，V0]、α0、β0、[Hi，Vi]、αi以及βi，计算得到与基准焦距F0相比，所述变焦子单元在焦距为Fi时光轴指向的离轴量。

进一步地，所述将所述变焦子单元调至基准焦距F0，检测所述变焦子单元的焦面与所述反射器之间的光距离L0包括：

将所述标记板和所述标记探测器置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将光束折转单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上；

沿第一方向将所述反射器从远离所述待测变焦单元的方向移向靠近所述待测变焦单元的方向，直至所述标记探测器上第一次出现清晰成像，此时用于清晰成像的检测光束的传播路径不经过所述光束折转单元；记录此时所述可调反射单元当前的位置Pr，其中，所述第一方向与所述待测变焦单元的光轴的延伸方向平行；

沿所述第一方向继续向靠近所述待测变焦单元的方向移动所述反射器，直至所述标记探测器上第二次出现清晰成像，此时用于清晰成像的检测光束的传播路径经过所述光束折转单元；记录此时所述可调反射单元当前的位置P0；则L0＝Pr-P0。

进一步地，所述将所述变焦子单元调至焦距Fi，检测所述变焦子单元的焦面与所述反射器之间的光距离Li包括：

调节所述可调反射单元使所述光束折转单元或所述标记探测器位于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，记录此时所述可调反射单元的位置Pi，则Li＝L0+(Pi-P0)。

进一步地，所述保持所述变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]包括：将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，记录所述标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]；

所述保持所述变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]包括：将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，记录所述标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]；或者，

所述保持所述变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]包括：将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，记录所述标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]；

所述保持所述变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]包括：将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，记录所述标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]。

进一步地，所述保持所述变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0包括：

将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上；将所述变焦子单元的焦距调至无穷远，记录此时所述标记探测器上所成像的位置坐标[AO，BO]；根据[AO，BO]得到所述反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0；

所述保持所述变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测所述反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi包括：

将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上；将所述变焦子单元的焦距调至无穷远，记录此时所述标记探测器上所成像的位置坐标[Ai，Bi]；根据[Ai，Bi]得到所述反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi。

进一步地，所述保持变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0包括：

将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将所述自准直仪单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧；利用所述自准直仪单元对所述反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0进行检测；

所述检测所述反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi包括：

将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将所述自准直仪单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧；利用所述自准直仪单元对所述反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi进行检测。

进一步地，将所述标记板和所述标记探测器置于所述定焦子单元的焦面上，包括：

将所述待测变焦单元的焦距调至无穷远，将所述标记板和所述标记探测器置于靠近所述定焦子单元的同一侧，并调节所述标记板和所述标记探测器的位置，直至所述可调反射单元沿所述第一方向平移时，所述标记探测器所检测到的像一直保持清晰。

进一步地，所述将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上包括：

将所述待测变焦单元的焦距调至无穷远，将所述自准直仪单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧，开启所述自准直仪单元，调节所述光束折转单元的位置，直至所述自准直仪单元上出现两个清晰的像。

本发明实施例提供的光轴指向检测装置，可以分别检测出由于待测变焦单元的变焦以及可调反射单元的检测误差共同造成的光轴指向的检测变化，以及可调反射单元单独引起的光轴指向的检测变化，进而确定由待测变焦单元的变焦引起的光轴指向的变化；并且，在检测由于待测变焦单元的变焦以及可调反射单元的检测误差共同造成的光轴指向检测变化时，利用光束折转单元可以提高光轴指向检测的精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光轴指向检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一光轴指向检测装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的图形发射模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的待测变焦单元的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的成像探测模块和图形发射模块的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的可调反射单元的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的自准直反射成像子单元的结构示意图；

图8是本实施例提供的检测光束经过自准直反射成像子单元前后的光路结构示意图；

图9是本发明实施例提供的又一光轴指向检测装置的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的又一光轴指向检测装置的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的又一光轴指向检测装置的结构示意图

图12是本发明本实施例提供的自准直变焦装置的结构示意图；

图13是本发明本实施例提供的光轴指向检测方法的流程图；

图14是本发明实施例提供的确定光距离L0的流程图。

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。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的光轴指向检测装置的结构示意图，该光轴指向检测装置用于检测待测变焦单元的离轴量，请参考图1，该装置包括图形发射模块10、成像探测模块20以及光路调节模块30；图形发射模块10、光路调节模块30以及成像探测模块20沿检测光束传输方向依次设置；图形发射模块10，用于发射具有预设图形特征的检测光束；成像探测模块20，用于对检测光束进行接收及检测；光路调节模块30包括待测变焦单元31、光束折转单元32以及可调反射单元33；待测变焦单元31用于对入射到其内部的光线进行变焦处理；可调反射单元33用于对经待测变焦单元31处理后的检测光束的传播路径进行调整，使其经过或者不经过光束折转单元32，以使成像探测模块20可接收到经不同传播路径传输而来的检测光束。

具体地，在检测待测变焦单元31的光轴指向时，图形发射模块10可以发射具有预设图形特征的检测光束，光束经过待测变焦单元31、以及光束折转单元32和可调反射单元33后，最终从光路调节模块30出射至成像探测模块20，并在成像探测模块20上清晰成像。根据检测光束在成像探测模块20上清晰成像的位置，就可以确定待测变焦单元31的光轴指向。

进一步地，待测变焦单元31的光轴指向变化是由待测变焦单元31在焦距调节时引起的。但在检测过程中，需要用到可调反射单元33调整检测光束的传播路径，可调反射单元33在调整检测光束的传播路径时，由于可调反射单元33的位置变化，也会引入一部分检测误差。因此，在检测光轴指向的过程中，当能够在成像检测模块20上清晰成像的检测光束经过光束折转单元32时，可以利用成像检测模块20检测出由于待测变焦单元31的变焦以及可调反射单元33的检测误差共同决定的光轴指向检测结果；当能够在成像检测模块20上清晰成像的检测光束不经过光束折转单元32时，可以检测出可调反射单元33的检测误差单独引起的光轴指向的检测结果。在分析去除可调反射单元33的检测误差单独引起的光轴指向的检测结果后，即可确定由于待测变焦单元31的变焦引起的光轴指向的变化。

需要说明的是，从图形发射模块10发出的具有预设图形特征的检测光束，在进入光路调节模块30时，可以首先经过测变焦单元31，也可以首先经过光束折转单元32或可调反射单元33，本实施例对此不作具体限制。

光束折转单元32可以用于扩大从光束折转单元32出射的检测光束形成的光路偏离入射至光束折转单元32的检测光束形成的光路的程度。在实际应用中，如果检测光束经过光束折转单元32的基准位置，则检测光束在经过光束折转单元32后沿原路返回；如果检测光束不经过光束折转单元32的基准位置，则经过光束折转单元32后，检测光束的传播方向会发生变化，检测光束不能按原路返回。由于调节待测变焦单元31的焦距时，入射至光束折转单元32的检测光束往往不能经过基准位置，因此，在经过光束折转单元32后的检测光束不能原路返回，这导致从光束折转单元32出射的检测光束形成的光路更大程度地偏离检测光束入射至光束折转单元32的检测光束形成的光路的方向。因此，经过光束折转单元32后的检测光束，其偏离入射至光束折转单元32的光路的程度将被放大。由于在待测变焦单元的焦距变化时，光轴指向的变化通常较小，利用经过光束折转单元32后的检测光束，光轴指向的变化量被放大，因此，更容易检测出待测变焦单元31的光轴指向的变化，提高光轴指向的检测精度。

本实施例提供的光轴指向检测装置，可以分别检测出由于待测变焦单元的变焦以及可调反射单元的检测误差共同造成的光轴指向的检测变化，以及可调反射单元单独引起的光轴指向的检测变化，进而确定由待测变焦单元的变焦引起的光轴指向的变化；并且，在检测由于待测变焦单元的变焦以及可调反射单元的检测误差共同造成的光轴指向检测变化时，利用光束折转单元可以提高光轴指向检测的精度。

图2是本发明实施例提供的另一光轴指向检测装置的结构示意图。可选地，请参考图2，光路调节模块30还包括自准直仪单元34，自准直仪单元34用于检测可调反射单元33的俯仰角和倾斜角。具体地，如果待测变焦单元31不能调焦至无穷远，则还可以利用自准直仪单元34检测可调反射单元33单独引起的光轴指向的检测变化，然后结合由于待测变焦单元的变焦以及可调反射单元的检测误差共同造成的光轴指向的检测变化，即可确定由待测变焦单元的变焦引起的光轴指向的变化。

图3是本发明实施例提供的图形发射模块的结构示意图。可选地，请参考图1和图3，图形发射模块10包括照明单元11和标记板12；标记板12上设置有镂空的预设图形；照明单元11产生的光束通过标记板12后形成具有预设图特征的检测光束。可选地，标记板12上的预设图形可以为十字叉，含有十字叉的检测光束在经过光路调节模块30入射至成像探测模块20时，可以根据十字叉在成像探测模块20上的位置，确定光轴指向检测装置的多个***参数，例如，可以根据十字叉在成像检测模块20上成像的清晰程度确定待测变焦单元31的焦距，以及确定待测变焦单元31的两个不同的焦距之间的光轴指向的相对变化等。需要说明的是，标记板12上的预设图形还可以为其他形状，本实施例不作具体限制。

图4是本发明实施例提供的待测变焦单元的结构示意图。可选地，请参考图3和图4，待测变焦单元31包括定焦子单元311和变焦子单元312；定焦子单元311和变焦子单元312相对设置；成像探测模块20和标记板12均位于定焦子单元311的同一侧的焦面上。具体地，定焦子单元311和变焦子单元312集成在一起共同形成待测变焦单元31，从标记板12发出的检测光束可以先经过待测变焦单元31的定焦子单元311，然后从变焦子单元312出射；从变焦子单元312入射的检测光束，可以经定焦子单元311后出射至成像检测模块20。

图5是本发明实施例提供的成像探测模块和图形发射模块的结构示意图。可选地，请参考图1和图5，成像探测模块20与图形发射模块10集成为一体。具体地，由于成像探测模块20与图形发射模块10均位于定焦子单元311的焦面上，为了实现光轴指向检测装置的小型化，优化光轴指向检测装置的制备工艺，可以将成像探测模块20与图形发射模块10集成为一体。

可选地，当成像探测模块20与图形发射模块10集成为一体时，还可以包括第一分光器22。第一分光器22用于反射照明单元11产生的经过标记板12形成的检测光束，以使部分检测光束能够进入光路调节模块30；从光路调节模块30入射到成像探测模块20的检测光束，首先经过第一分光器22的透射，使部分检测光束到达成像探测模块20的检测面上。可选地，成像探测模块20可以包括标记探测器21，检测光束成像于标记探测器21上。可选地，第一分光器22可以为分光镜。

图6是本发明实施例提供的可调反射单元的结构示意图。可选地，请参考图1和图6，可调反射单元33包括反射器331和位置调整器332；反射器331固定于位置调整器332上，位置调整器332位于变焦子单元312的光轴的轴线上；可沿待测变焦单元31的光轴的延伸方向移动，用于调整反射器331与待测变焦单元31的相对位置，进而实现检测光束传输路径的调整。具体地，反射器331可以用于改变光束的传播方向，使光束的传播方向发生变化；示例性地，反射器331可以为平面镜。需要说明的是，由于变焦子单元312的焦距变化时，变焦子单元312的光轴也会发生变化，因此，本实施例所说的变焦子单元312的光轴，可以是变焦子单元312处于任意焦距时的光轴指向，或者是变焦子单元312的焦距为无穷远时的光轴指向，也可以是根据变焦子单元312处于不同焦距时的多个光轴指向所确定的方向，还可以是其他便于描述的指向，本实施例对此不作具体限制。

图7是本发明实施例提供的自准直反射成像子单元的结构示意图。可选地，请参考图7，光束折转单元可以包括具有自准直反射成像子单元321。示例性地，自准直反射成像子单元321可以具有反射球面，经过自准直反射成像子单元321的球心320的检测光束，经自准直反射成像子单元321反射后，检测光束沿原路返回。如果检测光束从自准直反射成像子单元321的自准直面322的第一点323射向自准直反射成像子单元321，在经过自准直反射成像子单元321的反射后，将从自准直反射成像子单元321的自准直面322上的第二点324出射，其中，第一点323和第二点324关于球心320对称。如果设第一点323与球心320之间的距离为h，则第一点323与第二点324之间的距离为2h。同理，如果检测光束从第二点324入射至光束折转单元32，则检测光束将从第一点323出射，不再赘述。需要说明的是，球心320即为光束折转单元的基准位置。需要说明的是，自准直反射成像子单元321的结构包括但不限于上述类型。

图8是本实施例提供的检测光束经过自准直反射成像子单元前后的光路结构示意图。可选地，请参考图7和图8，为便于描述，将到达自准直反射成像子单元321的自准直面322之前的检测光束称之为反射前光束401，将离开自准直面322之后的检测光束称之为反射后光束402。如果反射前光束401没有经过自准直反射成像子单元321的球心320，则经过自准直反射成像子单元321后，反射后光束402形成的光路偏离反射前光束401形成的光路的程度被扩大为原来的2倍，因此，当待测变焦单元31的焦距发生变化后，可以更加准确地检测出检测光束偏离待测变焦单元31光轴变化的程度。

图9是本发明实施例提供的又一光轴指向检测装置的结构示意图。可选地，请参考图9，本实施例提供的光轴指向检测装置还包括第二分光器35和第三分光器36。从待测变焦单元31出射的检测光束，经过第二分光器35的透射后，到达可调反射单元33。经过反射器331反射后的检测光束，可以不经过光束折转单元32，直接透过第二分光器35进入待测变焦单元31，并从待测变焦单元31入射至标记探测器21。经过反射器331反射后的检测光束，也可以经过光束折转单元32以及再次经过反射器331的反射后入射至标记探测器21。可选地，第二分光器35和第三分光器36均可以为分光镜。

图10是本发明实施例提供的又一光轴指向检测装置的结构示意图。可选地，请参考图9和图10，如果待测变焦单元31的变焦子单元可以调焦至无穷远，相当于将自准直仪单元34集成于待测变焦单元31上，此时，将待测变焦单元31调焦至无穷远，利用标记探测器21和待测变焦单元31就可以检测出由于可调反射单元33单独引起的光轴指向的检测变化。因此，当待测变焦单元31的变焦子单元可以调焦至无穷远时，还可以省去第三分光器36和自准直仪单元34。

图11是本发明实施例提供的又一光轴指向检测装置的结构示意图。可选地，请参考图11，光束折转单元32可以位于定焦子单元的一侧的焦面上；光束折转单元32与标记探测器21满足物像关系。具体地，光束折转单元32可以位于定焦子单元的一侧的焦面上是指，光束折转单元32的自准直面与待测变焦单元31的定焦一侧的焦面重合。当光束折转单元32位于待测变焦单元31的定焦一侧的焦面上时，经标记板12形成的检测光束，在经过待测变焦单元31到达光束折转单元32的自准直面时可以清晰成像。光束折转单元32与标记探测器21满足物像关系是指，光束能够同时在光束折转单元32以及标记探测器21上清晰成像，或者，光束能够既不能在光束折转单元32上清晰成像，也不能在标记探测器21上清晰成像。

图12是本发明实施例提供的自准直变焦装置的结构示意图。可选地，请参考图10和11，本实施例提供的自准直变焦装置还包括自准直变焦模块400，其中自准直变焦模块400可以包括图9中的照明单元11、标记板12、标记探测器21、第一分光器22以及待测变焦单元31；其中，待测变焦单元31的变焦子单元可以调焦至无穷远。通过将上述多个光学元件集成在一起，可以提高自准直变焦装置的变焦准确度。可选地，自准直变焦装置可以为内调焦望远镜。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种光轴指向检测方法。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的光轴指向检测方法。图13是本发明本实施例提供的光轴指向检测方法的流程图，该检测方法可以采用上述任一实施例提供的光轴指向检测装置来执行。具体地，待测变焦单元包括定焦子单元和变焦子单元；可调反射单元包括反射器；成像探测模块包括标记探测器。图形发射模块包括标记板；该光轴指向检测方法可以包括：

步骤51、将标记板和标记探测器置于定焦子单元的焦面上。

具体地，为保证从标记板入射至待测变焦单元的检测光束能够形成平行光，以及从待测变焦单元入射至标记探测器的检测光束能够在成像检测模块上形清晰成像，可以将标记板和标记探测器置于待测变焦单元的定焦子单元的焦面上。

步骤52、将变焦子单元调至基准焦距F0，检测变焦子单元的焦面与反射器之间的光距离L0。

可选地，基准焦距F0可以为待测变焦单元的任意一个焦距。在检测光轴指向变化的过程中，可以以待测变焦单元的焦距为基准焦距F0时的光轴指向基准，通过获取待测变焦单元在任意焦距时的光轴相对基准焦距F0时的方向，即可确定任意焦距时待测变焦单元的光轴指向。

步骤53、保持变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]。

具体地，位置坐标[H0，V0]由待测变焦单元的光轴指向的变化以及反射器的俯仰和旋转的程度共同决定。并且，用于检测位置坐标[H0，V0]的检测光束需要经过光束折转单元，光束折转单元可以用于扩大从光束折转单元出射的检测光束形成的光路偏离入射至光束折转单元的检测光束形成的光路的程度，可以提高光轴指向的检测精度。

步骤54、保持变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0。

具体地，俯仰角α0和倾斜角β0只与反射器偏离光轴的垂轴方向的程度有关，与待测变焦单元无关。由于俯仰角α0和倾斜角β0只与反射器偏离垂直于光轴的垂轴方向的俯仰程度和倾斜程度有关，与待测变焦单元的当前焦距无关，因此，根据俯仰角α0和倾斜角β0以及L0可以确定由于反射器对光轴指向检测结果的造成的影响。

步骤55、将变焦子单元调至焦距Fi，检测变焦子单元的焦面与反射器之间的光距离Li；其中i≠0。

具体地，与步骤52类似，通过获取变焦子单元的焦距为Fi时变焦子单元的焦面与反射器之间的光距离Li，利用Li与L0之间的关系，可以确定当变焦子单元的焦距分别为Fi和F0时，可调反射单元的相对位置关系，进而确定反射。

步骤56、保持变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]。

需要说明的是，位置坐标[Hi，Vi]由待测变焦单元的光轴指向的变化以及反射器的俯仰和旋转的程度共同决定。

步骤57、保持变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi。

具体地，与步骤54类似，俯仰角αi和倾斜角βi只与反射器偏离光轴的垂轴方向的程度有关，与待测变焦单元无关。根据俯仰角αi和倾斜角βi以及L0可以确定由于反射器对光轴指向检测结果的造成的影响。

步骤58、根据[H0，V0]、α0、β0、[Hi，Vi]、αi以及βi，计算得到与基准焦距F0相比，所述变焦子单元在焦距为Fi时光轴指向的离轴量。

具体地，将待测变焦单元在基准焦距F0测得的各参量作为基准参量，在去除反射器的俯仰和倾斜的影响以后，通过比较位置坐标[Hi，Vi]与成像坐标[H0，V0]中，由于待测变焦单元的光轴指向变化引起的坐标变化值，即可确定焦距为Fi时的光轴指向偏离焦距为F0时的光轴指向的程度。因此，相比在基准焦距F0时，待测变焦单元在焦距为Fi时相对在基准焦距F0时的离轴量可以表示为：[((Hi-H0)±2(αi*Li-α0*L0))/2，((Vi-V0)±2(αi*Li-α0*L0))/2]。需要说明的是，上述公式中的“±”号与坐标的选取有关。示例性地，i的取值为正整数，焦距F0小于Fi，且随着i的取值的增大，焦距Fi的取值也随之依次增大，在这种情况下，上述公式中的“±”号可以写成“+”。在实际应用中，可以根据具体坐标选择相应的坐标以及“+”或“-”。

本实施例提供的光轴指向检测方法，可以分别检测出由于待测变焦单元的变焦以及可调反射单元的检测误差共同造成的光轴指向检测变化，以及可调反射单元单独引起的光轴指向的检测变化，进而确定由待测变焦单元的变焦引起的光轴指向的变化；并且，在检测由于待测变焦单元的变焦以及可调反射单元的检测误差共同造成的光轴指向检测变化时，利用光束折转单元可以提高光轴指向检测的精度。

图14是本发明实施例提供的确定光距离L0的流程图。可选地，请参考图14，将变焦子单元调至基准焦距F0，检测变焦子单元的焦面与反射器之间的光距离L0包括：

步骤61、将标记板和标记探测器置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将光束折转单元置于待测变焦单元的变焦一侧的焦面上。

可选地，请参考图9或图10，当标记板12位于待测变焦单元31的定焦一侧的焦面上时，经过标记板12形成的检测光束才可以比较容易形成平行光；同理，当标记探测器21位于待测变焦单元31定焦一侧的焦面上时，从定焦子单元出射的检测光束容易在标记探测器21上形成清晰成像。

步骤62、沿第一方向将反射器从远离待测变焦单元的方向移向靠近待测变焦单元的方向，直至标记探测器上第一次出现清晰成像，此时用于清晰成像的检测光束的传播路径不经过光束折转单元；记录此时可调反射单元当前的位置Pr，其中，第一方向与待测变焦单元的光轴的延伸方向平行。

具体地，请参考图9或图10，标记探测器21上第一次清晰成像时，从反射器331出射的光束，在透过第二分光器35后达到待测变焦单元31，并经待测变焦单元31后清晰成像于标记探测器上，表明反射器331位于待测变焦单元31的变焦子单元的焦面上，此时用于清晰成像的检测光束的传播路径不经过光束折转单元32。

步骤63、沿第一方向继续向靠近待测变焦单元的方向移动所述反射器，直至标记探测器上第二次出现清晰成像，此时用于清晰成像的检测光束的传播路径经过光束折转单元；记录此时所述可调反射单元当前的位置P0；则L0＝Pr-P0。

可选地，请参考图9或图10，当标记探测器21上第二次清晰成像时，表明光束折转单元32位于待测变焦单元31的变焦子单元的焦面上。具体地，经光束折转单元32反射后的光束，经过第二分光器35以及反射器331的反射后，从第二分光器到达待测变焦单元31，并在标记探测器21上清晰成像。

可选地，将变焦子单元调至焦距Fi，检测变焦子单元的焦面与反射器之间的光距离Li包括：调节可调反射单元使光束折转单元或标记探测器位于待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，记录此时可调反射单元的位置Pi，则Li＝L0+(Pi-P0)。

可选地，请参考图9、图10或图11，为确定Li，需要首先确定可调反射单元33的位置Pi。需要说明的是，在确定Pi时，可以将光束折转单元32设置于待测变焦单元31的定焦一侧的焦面上，同时将标记探测器21置于待测变焦单元33的变焦一侧的焦面上；或者，也可以将光束折转单元32置于待测变焦单元31的变焦一侧的焦面上，同时将标记探测器21置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上。在光束折转单元32以及标记探测器21分别位于待测变焦单元31的两侧，并且满足互为物象的前提下，本实施例对光束折转单元32以及标记探测器21的位置不作具体限制。

可选地，保持变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]包括：保持变焦子单元的焦距为基准焦距F0，将光束折转单元置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将标记探测器置于待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，记录标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]。类似地，保持变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]包括：保持变焦子单元的焦距为焦距Fi，将光束折转单元置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将标记探测器置于待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，记录标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]。

可选地，请参考图11，在检测位置坐标[H0，V0]或[Hi，Vi]时，光束折转单元32和标记探测器21可以互为物像关系，并且，从光束折转单元32到达标记探测器21的能够成像的检测光束需要经过反射器331，因此，根据标记探测器21上所成像的位置坐标[H0，V0]或位置坐标[Hi，Vi]，即可获得由于待测变焦单元31的变焦以及可调反射单元33的检测误差共同造成的光轴指向的检测变化。

或者，保持变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]还可以包括：保持变焦子单元的基准焦距F0，将光束折转单元置于待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将标记探测器置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上；记录标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]。类似的，保持变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]还可以包括：保持变焦子单元的焦距Fi，将光束折转单元置于待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将标记探测器置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上；记录标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]。

可以理解的是，待测变焦单元往往包括多个不同的焦距，为方便起见，在i的取值不同时，可以固定光束折转单元以及标记探测器的位置；示例性地，在测量任意待测变焦单元的任意焦距时，均将光束折转单元置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将标记探测器置于待测变焦单元的变焦一侧的焦面上。

可选地，保持变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0包括：保持变焦子单元的焦距为基准焦距F0，将光束折转单元置于待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将标记探测器置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上；将变焦子单元的焦距调至无穷远，记录此时标记探测器上所成像的位置坐标[AO，BO]；根据[AO，BO]得到反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0。

可选地，请参考图10，当待测变焦单元31可以调焦至无穷远时，将变焦子单元的焦距调至无穷远，此时，从待测变焦单元31的变焦子单元一侧出射的光束可以为平行光，并且在经过第二分光器35的透射以及反射器331的反射后，光束可以经待测变焦单元31后在标记探测器21上成像，记录此时的成像的位置坐标[AO，BO]。由于此时待测变焦单元31并未对光束的传播方向产生影响，因此，位置坐标[AO，BO]只包含了由于反射器331的俯仰和倾斜，根据位置坐标[AO，BO]即可计算出反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0。其中，α0＝A0/2f，β0B0/2f；其中f为定焦子单元的焦距。

类似地，保持变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi包括：保持变焦子单元的焦距为焦距Fi，将光束折转单元置于待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将标记探测器置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上；将变焦子单元的焦距调至无穷远，记录此时标记探测器上所成像的位置坐标[Ai，Bi]；根据[Ai，Bi]得到所述反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi。可以理解的是，位置坐标[Ai，Bi]计算获得俯仰角αi和倾斜角βi的方法，与根据位置坐标[AO，BO]计算出反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0的方法类似，不再赘述。

可选地，保持变焦子单元的焦距为焦距F0，检测反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0还可以包括：保持变焦子单元的焦距为基准焦距F0，将光束折转单元置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将自准直仪单元置于待测变焦单元的变焦一侧；利用自准直仪单元对反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0进行检测。保持变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi包括：保持变焦子单元的焦距为焦距Fi，将光束折转单元置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将自准直仪单元置于待测变焦单元的变焦一侧；利用自准直仪单元对反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi进行检测。

具体地，请参考图9，当待测变焦单元31不可以调焦至无穷远时，可以在待测变焦单元31的变焦子单元的一侧设置自准直仪单元34，利用自准直仪单元34可以检测出反射器331当前的俯仰角α0或αi，以及反射器331当前的倾斜角β0或βi。

进一步地，请参考图11，无论待测变焦单元31是否可以调焦至无穷远，均可以采用图11中的光轴指向检测装置检测由于待测变焦单元的光轴的变化引起的光轴指向的变化。

可选地，将标记板和标记探测器置于定焦子单元的焦面上包括：调整待测变焦单元的焦距至无穷远，将标记板和标记探测器置于靠近定焦子单元的同一侧，并调节标记板和标记探测器的位置，直至可调反射单元沿第一方向平移时，标记探测器所检测到的像一直保持清晰。

具体地，请参考图10，当待测变焦单元31可以调焦至无穷远时，将待测变焦单元的变焦子单元的焦距调至无穷远，从待测变焦单元的定焦子单元的焦面上出射的光束，经过所述待测变焦单元后变成平行光。可选地，此时的平行光的方向可以为第一方向。在变焦子单元的焦距为无穷远时，只有标记板位于待测变焦单元的定焦子单元的焦面上时，检测光束经过待测变焦单元后才可能形成平行光；同理，只有成像探测模块位于待测变焦单元的定焦子单元的焦面上时，经待测变焦单元至定焦子单元的焦面上的光束才可以清晰成像。

可选地，请参考图9，当待测变焦单元31不可以调焦至无穷远时，将标记板12和标记探测器21置于定焦子单元的焦面上还可以包括：将标记板12和标记探测器21置于靠近待测变焦单元31的定焦子单元的一侧；调整待测变焦单元31的焦距至最小焦距Fmin，调节可调反射单元33位置，直至标记探测器21上的成像最清晰，记录此时可调反射单元33的位置为Pmin；调整待测变焦单元31的焦距至最大焦距Fmax，调节可调反射单元33的位置，直至标记探测器上的成像最清晰，记录此时可调反射单元33的位置为Pmax；反复调节标记版12、标记探测器21以及可调反射单元33的位置，直至Fmax-Fmin＝Pmax–Pmin，此时，标记板12和标记探测器21位于待测变焦单元31的定焦子单元的焦面上。需要说明的是，将标记板和标记探测器置于待测变焦单元的定焦子单元的焦面上的方法包括但不限于上述类型。

可选地，将光束折转单元置于待测变焦单元的定焦一侧的焦面上包括：将待测变焦单元的焦距调至无穷远，将自准直仪单元置于待测变焦单元的变焦一侧，开启自准直仪单元，调节光束折转单元的位置，直至自准直仪单元上出现两个清晰的像。

具体地，请参考图11，当光束折转单元32位于待测变焦单元31的定焦一侧的焦面上时，从自准直仪单元34出射的光束，经待测变焦单元31后汇聚并成像于于光束折转单元32的自准直面上，经光束折转单元32反射后的光束最终回到自准直仪单元34上，并在自准直仪单元34上清晰成像。可以理解的是，自准直仪单元34也包括标记板，考虑到从光束折转单元32反射的光束的成像位置往往与自准直仪单元34的标记板不重合，因此，当光束折转单元32置于待测变焦单元31的定焦一侧的焦面上时，可以在自准直仪单元34上观察到两个清晰的像。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (16)

1.一种光轴指向检测装置，用于检测待测变焦单元的离轴量，其特征在于，包括图形发射模块、成像探测模块以及光路调节模块；

所述图形发射模块、所述光路调节模块以及所述成像探测模块沿检测光束传输方向依次设置；

所述图形发射模块，用于发射具有预设图形特征的检测光束；

所述成像探测模块，用于对检测光束进行接收及检测；

所述光路调节模块包括所述待测变焦单元、光束折转单元以及可调反射单元；所述待测变焦单元用于对入射到其内部的光线进行变焦处理；所述可调反射单元用于对经所述待测变焦单元处理后的检测光束的传播路径进行调整，使其经过或者不经过所述光束折转单元，以使所述成像探测模块可接收到经不同传播路径传输而来的检测光束。

2.根据权利要求1所述的光轴指向检测装置，其特征在于，所述光路调节模块还包括自准直仪单元；

所述自准直仪单元，用于检测所述可调反射单元的俯仰角和倾斜角。

3.根据权利要求1所述的光轴指向检测装置，其特征在于，所述图形发射模块包括照明单元和标记板；

所述标记板上设置有镂空的预设图形；

所述照明单元产生的光束通过所述标记板后形成具有所述预设图形特征的所述检测光束。

4.根据权利要求3所述的光轴指向检测装置，其特征在于，所述待测变焦单元包括定焦子单元和变焦子单元；

所述定焦子单元和所述变焦子单元相对设置；

所述成像探测模块和所述标记板均位于所述定焦子单元的同一侧的焦面上。

5.根据权利要求4所述的光轴指向检测装置，其特征在于，所述成像探测模块与所述图形发射模块集成为一体。

6.根据权利要求4所述的光轴指向检测装置，其特征在于，所述可调反射单元包括反射器和位置调整器；

所述反射器固定于所述位置调整器上，所述位置调整器位于所述变焦子单元的光轴的轴线上；

可沿所述待测变焦单元的光轴的延伸方向移动，用于调整所述反射器与所述待测变焦单元的相对位置，进而实现检测光束传输路径的调整。

7.根据权利要求1所述的光轴指向检测装置，其特征在于，所述光束折转单元包括自准直反射成像子单元。

8.根据权利要求4所述的光轴指向检测装置，其特征在于，所述光束折转单元位于所述定焦子单元的一侧的焦面上；

所述成像探测模块包括标记探测器，所述光束折转单元与所述标记探测器满足物像关系。

9.一种适用于权利要求1-8任一项所述的光轴指向检测装置的光轴指向检测方法，其特征在于，

所述待测变焦单元包括定焦子单元和变焦子单元；所述图形发射模块包括标记板；所述可调反射单元包括反射器；所述成像探测模块包括标记探测器；

所述光轴指向检测方法包括：

将所述标记板和所述标记探测器置于所述定焦子单元的焦面上；

将所述变焦子单元调至基准焦距F0，检测所述变焦子单元的焦面与所述反射器之间的光距离L0；

保持所述变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]；

保持所述变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0；

将所述变焦子单元调至焦距Fi，检测所述变焦子单元的焦面与所述反射器之间的光距离Li；其中i≠0；

保持所述变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]；

保持所述变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测所述反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi；

根据[H0，V0]、α0、β0、[Hi，Vi]、αi以及βi，计算得到与基准焦距F0相比，所述变焦子单元在焦距为Fi时光轴指向的离轴量。

10.根据权利要求9所述的光轴指向检测方法，其特征在于，所述将所述变焦子单元调至基准焦距F0，检测所述变焦子单元的焦面与所述反射器之间的光距离L0包括：

将所述标记板和所述标记探测器置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将光束折转单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上；

沿第一方向将所述反射器从远离所述待测变焦单元的方向移向靠近所述待测变焦单元的方向，直至所述标记探测器上第一次出现清晰成像，此时用于清晰成像的检测光束的传播路径不经过所述光束折转单元；记录此时所述可调反射单元当前的位置Pr，其中，所述第一方向与所述待测变焦单元的光轴的延伸方向平行；

沿所述第一方向继续向靠近所述待测变焦单元的方向移动所述反射器，直至所述标记探测器上第二次出现清晰成像，此时用于清晰成像的检测光束的传播路径经过所述光束折转单元；记录此时所述可调反射单元当前的位置P0；则L0＝Pr-P0。

11.根据权利要求10所述的光轴指向检测方法，其特征在于，所述将所述变焦子单元调至焦距Fi，检测所述变焦子单元的焦面与所述反射器之间的光距离Li包括：

调节所述可调反射单元使所述光束折转单元或所述标记探测器位于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，记录此时所述可调反射单元的位置Pi，则Li＝L0+(Pi-P0)。

12.根据权利要求9所述的光轴指向检测方法，其特征在于，

所述保持所述变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]包括：将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，记录所述标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]；

所述保持所述变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]包括：将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，记录所述标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]；或者，

所述保持所述变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]包括：将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，记录所述标记探测器上所成像的位置坐标[H0，V0]；

所述保持所述变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测所述标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]包括：将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，记录所述标记探测器上所成像的位置坐标[Hi，Vi]。

13.根据权利要求9所述的光轴指向检测方法，其特征在于，所述保持所述变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0包括：

将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上；将所述变焦子单元的焦距调至无穷远，记录此时所述标记探测器上所成像的位置坐标[AO，BO]；根据[AO，BO]得到所述反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0；

所述保持所述变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测所述反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi包括：

将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧的焦面上，将所述标记探测器置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上；将所述变焦子单元的焦距调至无穷远，记录此时所述标记探测器上所成像的位置坐标[Ai，Bi]；根据[Ai，Bi]得到所述反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi。

14.根据权利要求9所述的光轴指向检测方法，其特征在于，

所述保持所述变焦子单元的焦距为基准焦距F0，检测所述反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0包括：

将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将自准直仪单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧；利用所述自准直仪单元对所述反射器当前的俯仰角α0和倾斜角β0进行检测；

所述保持所述变焦子单元的焦距为焦距Fi，检测所述反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi包括：

将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上，将自准直仪单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧；利用所述自准直仪单元对所述反射器当前的俯仰角αi和倾斜角βi进行检测。

15.根据权利要求10所述的光轴指向检测方法，其特征在于，

将所述标记板和所述标记探测器置于所述定焦子单元的焦面上，包括：

将所述待测变焦单元的焦距调至无穷远，将所述标记板和所述标记探测器置于所述定焦子单元的同一侧，并调节所述标记板和所述标记探测器的位置，直至所述可调反射单元沿所述第一方向平移时，所述标记探测器所检测到的像一直保持清晰。

16.根据权利要求12或14所述的光轴指向检测方法，其特征在于，所述将所述光束折转单元置于所述待测变焦单元的定焦一侧的焦面上包括：

将所述待测变焦单元的焦距调至无穷远，将自准直仪单元置于所述待测变焦单元的变焦一侧，开启所述自准直仪单元，调节所述光束折转单元的位置，直至所述自准直仪单元上出现两个清晰的像。

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