CN111323210B - 一种光学镜头光轴热稳定性的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种光学镜头光轴热稳定性的测试装置及方法，装置包括光学平台、星模拟器、成像组合体、控温及夹持装置、探测电路、采图计算设备；所述成像组合体包括光学镜头及探测器组件；星模拟器、成像组合体、控温及夹持装置在测试中均安置于光学平台上；星模拟器发出的光线在成像组合体中的探测器组件上成像；控温及夹持装置用于夹持成像组合体，通过控温及夹持装置内置的电加热片或油路管道设施实现控制成像组合体温度的变化；成像组合体中的光学镜头作为试验中的被测单元，对目标源光线汇聚并在探测器组件上成像；探测电路与成像组合体中的探测器组件相连，用于图像的形成控制与输出；采图计算设备与探测电路相连，用于图像的采集、记录和分析计算。

Description

一种光学镜头光轴热稳定性的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光学镜头光轴热稳定性的测试装置及方法，属于空间星敏感器测试领域。

背景技术

空间星敏感器的热漂移是其低频误差的主要来源，增强星敏感器的热稳定性能，对其精度的提升意义重大。而星敏感器整机的热稳定性可进一步分解到成像链路上的主要光机结构上，如光学镜头、探测器组件、机械结构等。其中光学镜头的热稳定性能尤为重要，而其准确测量是光学镜头改善设计、增强热稳定性的前提。

光学镜头光轴热稳定性，是指光学镜头光轴指向抵抗温度变化影响的能力，通常以一定温度变化范围内的光轴指向偏移角度(称热漂移)来衡量，单位为：角秒每度。数值越低表示热稳定性越高。光轴热稳定性是光学镜头自身的固有特性，由光学镜头的设计、加工、装配等决定。

光学镜头光轴热稳定性的测试方法一般是用光学镜头与探测器组件(光电探测器及其安装法兰)构成的组合体(下文称“成像组合体”)对星模拟器发出的平行光束成像，光学镜头处施加温度控制，温度变化下星点在探测器像面上位置(坐标)发生变化，星点位置变化可以换算为光轴的角度变化。

但常规测试方法是针对镜头与探测器组件构成的组合体进行整体测量的，温度变化下星点在探测器像面上位置变动，一方面可以由光学镜头的光轴指向变化引起，另一方面，光电探测器同样也会随温度变化导致热变形，进而导致成像星点位置的变化。因此，常规方法测量结果包含了探测器像面热变形对星点成像位置变化的影响，代表的是组合体整体的热稳定性水平，并非光学镜头本身特性，测量误差较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种光学镜头光轴热稳定性的测试装置及方法，可通过先后两次试验，即十字交叉试验，可准确拆分出光学镜头光轴自身热漂移，并可定量计算探测器组件热变形对星点成像位置产生的影响。

本发明的技术方案是：一种光学镜头光轴热稳定性的测试装置，包括光学平台、星模拟器、成像组合体、控温及夹持装置、探测电路、采图计算设备；所述成像组合体包括光学镜头及探测器组件；

所述光学平台作为试验的基础支撑设备提供稳定测试环境；星模拟器、成像组合体、控温及夹持装置在测试中均安置于光学平台上，星模拟器与光学镜头在轴线方向对齐且要求星模拟器出光能完全覆盖光学镜头的入瞳；星模拟器模拟无穷远处星点，作为测试中的探测目标；星模拟器发出的光线在成像组合体中的探测器组件上成像；控温及夹持装置用于夹持成像组合体，通过控温及夹持装置内置的电加热片或油路管道设施实现控制成像组合体温度的变化；成像组合体中的光学镜头作为试验中的被测单元，对目标源光线汇聚并在探测器组件上成像；探测电路与成像组合体中的探测器组件相连，用于图像的形成控制与输出；采图计算设备与探测电路相连，用于图像的采集、记录和分析计算；

试验时，成像组合体对星模拟器发出的平行光束成像，通过控温及夹持装置，给光学镜头施加不同的温度控制并保持稳定，采集和记录不同温度水平下星点在探测器像面上的位置变化，通过计算光轴热漂移评估光学镜头的热稳定性。

一种光学镜头光轴热稳定性测试方法，步骤如下：

步骤一：将成像组合体安装于控温及夹持装置上，对星模拟器发出的平行光束成像；通过控温及夹持装置中的电加热器或油路管道设施的温度变化，通过热传导作用控制镜头安装面处温度变化，分别记录温度T₁和T₂的温度稳定状态下，像面星点坐标位置，并计算温度变化ΔT＝T₂-T₁后星点坐标变化量(u₁,v₁)；所述T₁和T₂为被测光学镜头工作温度区间内两温度值，根据测试目确定；

步骤二：将成像组合体中的探测器组件逆时针旋转90度重新安装；试验过程同步骤一，计算温度变化ΔT＝T₂-T₁后星点坐标变化量(u₂,v₂)；所述逆时针指在从镜头向探测器方向看的状态下；

步骤三：温度变化ΔT后，由镜头光轴偏移引起的像面星点坐标变化为(u_L,v_L)，探测器组件受热变形导致的像面星点坐标变化记为(u_P,v_P)，下标L表示镜头Lens，P表示像面Phase；则通过前后两次试验，得到关系式：

其中

其中，

为测量结果，

为待求量，

为转换矩阵；

求解上式，得

即

则光学镜头在温度T₁到T₂区间内的光轴热稳定性，以单位温度下镜头光轴绕机械坐标系两轴的旋转角度的形式表示为：

其中，FOV为以度为单位的镜头全视场角，N_Upixel和N_Vpixel分别为探测器U、V两个方向的像素数目；至此，光学镜头自身光轴的热稳定性测试完毕。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)现有技术仅能测量星敏感器整机的***级热稳定性能，而本发明通过十字交叉试验，可准确测量光学镜头自身光轴热稳定性，能够对星敏感器整机热稳定的性能指标进行定量溯源分解；

(2)现有技术未见明确方法可测量探测器受热变形等因素引起的星敏感器成像星点位置漂移，而本发明所采用的装置和方法可准确测量探测器受热变形导致的成像星点漂移；

(3)现有技术未见明确方法可用于光学镜头批量化的热稳定测试，而通过本发明定量测得一套探测器组件受热变形导致的成像星点漂移量后，可用于多套甚至批量化的光学镜头的热稳定性测试，测试流程易于标准化。

(4)本发明的测试方法可进一步推广至星敏感器整机的热稳定性测试中，用于拆分星敏感器自身热漂移和试验平台的热变形影响，即排除试验平台带来的测试误差，而现有技术未见明确方法可解决该问题。

附图说明

图1为本发明试验装置布局示意图；

图2为成像组合体装配关系示意图；

图3为第一次试验组合体装配关系示意图；

图4为第二次试验组合体装配关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种光学镜头光轴热稳定性的测试装置，包括光学平台、星模拟器、成像组合体、控温及夹持装置、探测电路、采图计算设备；所述成像组合体包括光学镜头及探测器组件；

所述光学平台作为试验的基础支撑设备提供稳定测试环境；星模拟器、成像组合体、控温及夹持装置在测试中均安置于光学平台上，星模拟器与光学镜头在轴线方向对齐且要求星模拟器出光能完全覆盖光学镜头的入瞳；星模拟器模拟无穷远处星点，作为测试中的探测目标；星模拟器发出的光线在成像组合体中的探测器组件上成像；控温及夹持装置用于夹持成像组合体，通过控温及夹持装置内置的电加热片或油路管道设施实现控制成像组合体温度的变化；成像组合体中的光学镜头作为试验中的被测单元，对目标源光线汇聚并在探测器组件上成像；探测电路与成像组合体中的探测器组件相连，用于图像的形成控制与输出；采图计算设备与探测电路相连，用于图像的采集、记录和分析计算；

试验时，成像组合体对星模拟器发出的平行光束成像，通过控温及夹持装置，给光学镜头施加不同的温度控制并保持稳定，采集和记录不同温度水平下星点在探测器像面上的位置变化，通过计算光轴热漂移评估光学镜头的热稳定性。

(1)如图2及图3所示，选择合适厚度的调焦环，并将调焦环、探测器组件安装到光学镜头后端，使探测器光敏面位于光学镜头的焦面位置。使用力矩扳手按相关规范将螺钉紧固。成像组合体通过镜头机械安装孔安装于控温及夹持装置上，并对星模拟器发出的平行光束成像。

(2)进行第一次试验：控制镜头安装面处温度为T₁，并保持到温度稳定，记录像面星点坐标位置。控制镜头安装面处温度为T₂，并保持到温度稳定，记录像面星点坐标新位置。计算温度变化ΔT＝T₂-T₁后，星点坐标位置变化量(u₁,v₁)，根据试验原理，有

(3)如图4所示，将成像组合体中探测器组件逆时针旋转90度安装(从镜头向探测器方向看)，保持与第一次试验时相同力矩将安装螺钉紧固，其它试验装置位置不变，成像组合体对星模拟器发出的平行光束成像。

(4)进行第二次试验：控制镜头安装面处温度为T₁，并保持到温度稳定，记录像面星点坐标位置。控制镜头安装面处温度为T₂，并保持到温度稳定，记录像面星点坐标新位置。计算温度变化ΔT＝T₂-T₁后，星点坐标位置变化量(u₂,v₂)，根据试验原理，有

(5)综合上述(2)、(4)结果，可得

其中，

进一步求解，得

即，

(6)光学镜头在温度T₁到T₂区间内的光轴热稳定性，以单位温度下镜头光轴绕机械坐标系两轴的旋转角度的形式表示，求解得：

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种光学镜头光轴热稳定性测试方法，涉及的装置包括光学平台、星模拟器、成像组合体、控温及夹持装置、探测电路、采图计算设备；所述成像组合体包括光学镜头及探测器组件；

所述光学平台作为试验的基础支撑设备提供稳定测试环境；星模拟器、成像组合体、控温及夹持装置在测试中均安置于光学平台上，星模拟器与光学镜头在轴线方向对齐且要求星模拟器出光能完全覆盖光学镜头的入瞳；星模拟器模拟无穷远处星点，作为测试中的探测目标；星模拟器发出的光线在成像组合体中的探测器组件上成像；控温及夹持装置用于夹持成像组合体，通过控温及夹持装置内置的电加热片或油路管道设施实现控制成像组合体温度的变化；成像组合体中的光学镜头作为试验中的被测单元，对目标源光线汇聚并在探测器组件上成像；探测电路与成像组合体中的探测器组件相连，用于图像的形成控制与输出；采图计算设备与探测电路相连，用于图像的采集、记录和分析计算；

试验时，成像组合体对星模拟器发出的平行光束成像，通过控温及夹持装置，给光学镜头施加不同的温度控制并保持稳定，采集和记录不同温度水平下星点在探测器像面上的位置变化，通过计算光轴热漂移评估光学镜头的热稳定性；

其特征在于步骤如下：

步骤一：将成像组合体安装于控温及夹持装置上，对星模拟器发出的平行光束成像；通过控温及夹持装置中的电加热器或油路管道设施的温度变化，通过热传导作用控制镜头安装面处温度变化，分别记录温度T₁和T₂的温度稳定状态下，像面星点坐标位置，并计算温度变化ΔT＝T₂-T₁后星点坐标变化量(u₁，v₁)；所述T₁和T₂为被测光学镜头工作温度区间内两温度值，根据测试目的确定；

步骤二：将成像组合体中的探测器组件逆时针旋转90度重新安装；试验过程同步骤一，计算温度变化ΔT＝T₂-T₁后星点坐标变化量(u₂，v₂)；所述逆时针指在从镜头向探测器方向看的状态下；

步骤三：温度变化ΔT后，由镜头光轴偏移引起的像面星点坐标变化为(u_L，v_L)，探测器组件受热变形导致的像面星点坐标变化记为(u_P，v_P)，下标L表示镜头Lens，P表示像面Phase；则通过前后两次试验，得到关系式：

其中

其中，

为测量结果，

为待求量，

为转换矩阵；

求解上式，得

即

则光学镜头在温度T₁到T₂区间内的光轴热稳定性，以单位温度下镜头光轴绕机械坐标系两轴的旋转角度的形式表示为：

其中，FOV为以度为单位的镜头全视场角，N_Upixel和N_Vpixel分别为探测器U、V两个方向的像素数目；至此，光学镜头自身光轴的热稳定性测试完毕。

Images