CN117871058A - 一种用于测试多光轴平行性的检测设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测试多光轴平行性的检测设备与方法，该检测设备包括光轴测角模块、一维导轨、五棱镜、滚转角测试模块；其中，所述滚转角测试模块由滚转角测试模块A部分和滚转角测试模块B部分组成，滚转角测试模块A部分通过机械结构与五棱镜固连且二者共同沿一维导轨移动；滚转角测试模块B部分通过机械结构与光轴测角模块固连，两者在测试过程中固定；光轴测角模块的光轴与滚转角测试模块的光轴平行；光轴测角模块的光轴与五棱镜的其中一个直角面垂直；待测设备的多个光学支路中的至少两个支路光轴与五棱镜的另一个直角面垂直。该设备可用于对光电仪器设备和军用光学设备进行多光轴平行性检测，检测方法自身具有良好的环境适应性等优势。

Description

一种用于测试多光轴平行性的检测设备与方法

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，尤其涉及一种用于测试多光轴平行性的检测设备与方法。

背景技术

受各类应用需求牵引，光电仪器设备在发展过程中，其功能日益丰富，例如多通道成像，成像与激光打击一体化，激光发射与接收一体化，激光通信与遥感成像一体化等。这种多功能合并在一台光电仪器设备中的方式，使得它能更好地满足各类应用需求，与多***立设备相比，还具有成本低，尺寸小，功耗低，稳定性高，使用便捷等诸多方面优势。这类光电仪器的结构形式为多光路多光轴，不同的光学支路用于实现不同功能，共同组成复杂的光电仪器设备。对于该类多光路的复杂光电仪器设备，为使得各个光学支路可以协同工作，例如瞄准同一观测/打击区域，需要各个光学支路之间的指向一致性在允许的误差范围内。通常将每个光学支路的指向定义为其光轴，则多光轴平行性是该类复杂光电仪器设备的关键指标之一。例如，在高轨卫星激光通信中，其激光接收光路和激光发射光路之间的平行性应当由于1角秒，否则两路光路无法同时指向另一侧的激光通信终端，从而无法实现双工模式激光通信，甚至完全不能实现通信。该指标不合格意味着产品存在严重缺陷，因此，对该类光电仪器设备进行多光轴平行性测试是其质量保障的重要环节。

目前已经发展了多种针对复杂光电仪器设备的多光轴平行性检测方法。其中，对于各个光轴之间没有横向间距（或者横向间距很小）情况，例如通过二色镜合束和分束实现的多光轴***，其多个光学支路的光束在空间上基本重叠，可以通过自准直仪或者平行光管类的方法进行检测，该类检测设备可以同时接收到各个支路的光束，通过分色或者分时方式进行各个光束的角度探测，从而实现多光轴的平行性检测，其技术较为成熟，已经在工程上得到广泛应用。

然而，对某些光电仪器设备，存在各方面限制因素导致其各个光学支路之间不可避免地存在横向间距，各个光学支路之的距离较远。例如火炮***中，其***由可见光瞄准***，红外瞄准***，激光发射***，激光接收***和多个炮口组成，典型采用分立的多个光学***，互相之间存在几十厘米的横向间距。对该类***，各光学支路的间距较大，超出自准直仪或者平行光管这类检测设备的口径覆盖范围，需要有更先进的方式来完成这类***的多光轴平行性检测。

对于大间距的多光轴平行性检测，目前主要采用以下几类方法。（1）增大平行光管的口径：该方式能覆盖的口径范围有限，且成本随着口径增大而急剧上升，其检测设备笨重，且大口径平行光管一般仅能在光轴水平状态下工作，不适合检测光电仪器设备在其它指向情况下的多光轴平行性。（2）基于机电方式（如二维移动平台）在多个光学支路中移动自准直仪或者平行光管：该方式对其运动提出了极高的精度要求，成本高，测试耗时较长，且环境适应性较差，在测试过程中的环境不稳定因素（如温度引起结构变形，环境振动，气流变化等）也对该方式有显著影响；（3）基于多台经纬仪测试光轴，并通过经纬仪之间互瞄实现传递角度基准：该方式受限于经纬仪本身精度，且在测试过程中的环境不稳定因素的显著影响未得到克服；（4）利用五棱镜实现光束折转或者利用双五棱镜实现光束横向平移，将光束折转或平移到同一测角设备进行角度测试：五棱镜在折转或平移光束时，仅在一个方向可以保持其角度，另一个方向受到五棱镜绕光轴横滚转动方向误差的影响，因此，该方式对其机械精度依然有极高的要求，也因此也对环境较为敏感。

综上，对于大间距的多光轴平行性检测，目前依然缺少高精度的解决方案。复杂光电仪器设备的多光轴平行性检测问题，对于其功能和性能的保障具有重要意义，尤其是一些在野外使用需要具有良好环境适应性的光电仪器设备与军用光学设备，需要具有以下特性的多光轴检测设备与方法：高精度；能检测非水平状态下的光轴平行性；成本可接受；检测时间较短；检测方法自身具有良好的环境适应性。

发明内容

针对多光束光学***中不同光学支路之间的多光轴平行性测试问题，本发明以公开号为CN116772750A的发明“基于干涉测量的滚转角测试装置及测试方法”为基础，结合五棱镜光束偏折技术，提出了一种高精度多光轴平行性检测设备与方法。该设备可用于对光电仪器设备和军用光学设备进行多光轴平行性检测，其各光学支路之间的间距最大可达数米，其精度可以达到优于1角秒水平，且其成本适中，检测时间较短，检测方法自身具有良好的环境适应性等优势。该检测设备与方法可将光轴基准或者平面基准以高精度横向平移，可以用于一些其它领域，例如对平面实现高精度检测，对大间距的机械基准平面之间的平行性进行检测等。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种用于测试多光轴平行性的检测设备，包括光轴测角模块、一维导轨、五棱镜、滚转角测试模块；其中，所述滚转角测试模块由滚转角测试模块A部分和滚转角测试模块B部分组成，滚转角测试模块A部分通过机械结构与五棱镜固连且二者共同沿一维导轨移动；滚转角测试模块B部分通过机械结构与光轴测角模块固连，两者在测试过程中固定；光轴测角模块的光轴与滚转角测试模块的光轴平行；光轴测角模块的光轴与五棱镜的其中一个直角面垂直；待测设备的多个光学支路中的至少两个支路光轴与五棱镜的另一个直角面垂直。

进一步地，所述五棱镜采用空心反射形式，包括两个相互夹角等于22.5度的反射平面。

进一步地，所述光轴测角模块采用反射式，包括一片离轴抛物面以及折转平面反射镜。

进一步地，所述光轴测角模块包括光源和合束器，光源发出的光以及测试光束经过合束器能够发出一束标准的准直光束。

进一步地，在光轴测角模块的出光口处，设置有角反射器，角反射器工作面朝向光轴测角模块。

进一步地，所述滚转角测试模块A部分包括棱镜A；所述滚转角测试模块B包括一台干涉仪、棱镜B；干涉仪出射的平行光束经棱镜B折射后，出射光线垂直入射至棱镜A的斜面，经棱镜A的斜面反射后光线原路返回干涉仪进行滚转角测试。

本发明还提供一种用于测试多光轴平行性的检测方法，该方法基于上述的用于测试多光轴平行性的检测设备，该方法包括如下步骤：

S1.选择待测光学***中的两个待测光学支路，调整该测试设备与待测光学***之间的相对空间位置关系，使得五棱镜沿着一维导轨的运动轨迹能够覆盖待测的两个光学支路的部分口径；

S2.使五棱镜沿着一维导轨移动至其中一个待测光学支路光轴一的出光光束范围内；

S3.五棱镜与待测光轴一对准情况下，同时记录光轴测角模块的角度读数, 和滚转角测试模块B部分的读数/>；

S4.使五棱镜沿着一维导轨移动至另一个待测光学支路光轴二的出光光束范围内；

S5.五棱镜与光轴二对准情况下，同时记录光轴测角模块的角度读数,和滚转角测试模块B部分的读数/>；

S6.基于上述测试结果，计算得到待测光学支路光轴二相对于待测光学支路光轴一的角度偏差为两个光学支路之间的光轴平行性误差，计算公式如下：

，

以上计算公式中，采用了小角度近似，在典型的1度角度范围内，因近似导致的相对误差优于千分之一；在1角分范围内，因近似导致的相对误差优于万分之一。

针对多光束光学***中不同光学支路之间的多光轴平行性测试问题，本发明以本申请人在先的研究结果，公开号为CN116772750A的发明“基于干涉测量的滚转角测试装置及测试方法”为基础，结合五棱镜光束偏折技术，提出了一种高精度的多光轴平行性检测设备与方法。该设备可用于对光电仪器设备和军用光学设备进行多光轴平行性检测。其有益效果包括以下方面：

1．检测精度高，滚转角测试模块和光轴测角模块均可以达到0.1角秒精度，经过补偿后，本发明可以达到亚角秒精度，其实际检测精度往往受限于待测设备自身的光束质量以及***像差；

2．各分支光路的光轴之间的间距范围大，其最大间距受限于五棱镜扫描导轨行程，由于本发明中对五棱镜扫描的导轨精度要求较低，可实现长行程，因此其可测的光轴间距典型可达到3米；

3．成本适中，本发明中避免了使用高精度机电运动，相比与依靠机械精度提高检测精度的方式，本发明大幅度降低了成本；

4．本发明的检测可自动化完成，单次测试的检测时间较短；

5．本发明具有良好的环境适应性，在测试过程中的环境不稳定因素（如温度引起结构变形，环境振动，气流变化等）导致的角度变化，均可以适当方式进行监测并在测试结果中予以补偿，因此本发明可以适应于各类环境较为恶劣的外场测试应用。

6．本发明对各类多光轴光电仪器设备和军用光学***，具有良好的泛用星，其检测应用不限于可见光***，通过采用反射式五棱镜和反射式光轴测角模块，该检测设备可以测试包括红外、紫外、多波段混合光学***；其所测试的光轴，不限于光学检测设备的发射轴，也可以测试其光学支路的接收轴；

7．本发明可以拓展到光学领域之外的一些精密测角应用领域，例如可以基于自准直模式实现对存在横向间距的多个基准平面进行平行性检测，应用到精密机械加工中的检测中。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例中所描述的双五棱镜工作方式示意图；

图3为本发明实施例中所描述的含有参考光束的多光轴平行性检测设备；

图4为本发明实施例中所描述的可测试接收光轴的多光轴平行性检测设备；

图5为本发明实施例中所描述的测试设备的收发同轴标定图；

图6为本发明实施例中所描述的应用与测试基准平面的平行性的工作状态示意图；

图中各个部件说明：1、光轴测角模块；102、光源；103、合束器；2、一维导轨；3、五棱镜；401、滚转角测试模块A部分；402、滚转角测试模块B部分；501、待测光轴一；502、待测光轴二；6、复合棱镜；7、准直光源；8、改进的复合棱镜；9、待测基准平面；10、角反射器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如附图1所示，本实施例的一种用于测试多光轴平行性的检测设备，包括光轴测角模块1、一维导轨2、五棱镜3、滚转角测试模块；其中，所述滚转角测试模块由滚转角测试模块A部分401和滚转角测试模块B部分402组成，滚转角测试模块A部分401通过机械结构与五棱镜3固连且二者共同沿一维导轨2移动；滚转角测试模块B部分402通过机械结构与光轴测角模块1固连，两者在测试过程中固定；光轴测角模块1的光轴与滚转角测试模块的光轴平行；光轴测角模块1的光轴与五棱镜3的其中一个直角面垂直；待测设备的多个光学支路中的至少两个支路光轴（待测光轴一501和待测光轴二502）与五棱镜3的另一个直角面垂直。

其中，由滚转角测试模块A部分401和滚转角测试模块B部分402组成的滚转角测试模块，其组成与方法详见本发明人已经公开的发明“基于干涉测量的滚转角测试装置及测试方法”（公开号CN116772750A）。该发明中，利用两块干涉区域之间的条纹角度差异乘以与棱镜楔角相关的比例因子得到横滚角度，此外利用两块干涉区域之间的平均条纹倾角的两个分量，可以得到滚转角测试模块A部分401相对于滚转角测试模块B部分402的另两个角度自由度/>。其中下标为x， y， z的角度值，分别表示本发明中设定坐标系中绕x轴，绕y轴和绕z轴的旋转，下同。以上三个角度读数/>完整地描述了滚转角测试模块A部分401相对于滚转角测试模块B部分402的角度姿态。

采用上述方案，本实施例的一种用于测试多光轴平行性的检测设备，其用于测试多光轴平行性的检测方法包括如下步骤：

S1.选择待测光学***中的两个待测光学支路，调整该测试设备与待测光学***之间的相对空间位置关系，使得五棱镜沿着一维导轨的运动轨迹能够覆盖待测的两个光学支路的部分口径；

S2.使五棱镜沿着一维导轨移动至其中一个待测光学支路光轴一的出光光束范围内；

S3.五棱镜与待测光轴一对准情况下，同时记录光轴测角模块的角度读数, 和滚转角测试模块B部分的读数/>；

S4.使五棱镜沿着一维导轨移动至另一个待测光学支路光轴二的出光光束范围内；

S5.五棱镜与光轴二对准情况下，同时记录光轴测角模块的角度读数,和滚转角测试模块B部分的读数/>；

S6.基于上述测试结果，计算得到待测光学支路光轴二相对于待测光学支路光轴一的角度偏差为两个光学支路之间的光轴平行性误差，计算公式如下：

以上计算公式中，采用了小角度近似，在典型的1度角度范围内，因近似导致的相对误差优于千分之一；在1角分范围内，因近似导致的相对误差优于万分之一。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，对于紫外或者红外等波段，或者光学***的多个支路中包含了不止一个波段，其光轴测角模块1可以采用反射式，典型由一片离轴抛物面以及必要的折转平面反射镜组成；其五棱镜可以采用空心反射形式，由两个相互夹角等于或者近似于22.5度的反射平面组成。

实施例3

如图2所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中采用两个五棱镜工作测试两个光学支路，其中一个五棱镜固定在较远的光学支路的光路中，用于转折该光路的光束；对较近的另一光学支路，复合棱镜6沿着导轨运动，复合棱镜6由一个五棱镜和一个22.5度棱镜组合而成，组成复合棱镜6的五棱镜和22.5度棱镜的共同表面处使用部分反射膜，固定在较远的光学支路的光路中的五棱镜所折转的光束可以透过复合棱镜6，而复合棱镜6移动到待测的另一个光学支路出光处，也可以将其光束通过转折后，进行光轴角度测试。类似地，复合棱镜6也有对应的滚转角测试模块A部分401与其连接，实现对其滚转角度监测。测试方法上，对复合棱镜6的测角结果的基础上减去固定在较远的光学支路的光路中的五棱镜的测试结果后，再进行前文所述的标准测量计算。本扩展模式可以进一步提高该测试方法抗环境干扰能力，例如振动对测量的影响，气流变化以及相关机械结构随温度和随工作角度的受力差异变化而导致的影响。

实施例4

如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中为了进一步提高其测试稳定性，使用准直光源7与一维导轨2相连，并使其光轴方向与一维导轨2方向相同或接近。使用改进的复合棱镜8替代五棱镜，复合棱镜由五棱镜和22.5度棱镜组合而成且其共同表面处使用部分反射膜。该改进的复合棱镜8可以折转来自光学支路的光束，也可以透过来自准直光源7的参考光束。测试方法上，对改进的复合棱镜8折转光束的测角结果的分量，减去准直光源的测试结果的对应分量后，再进行前文所述的标准测量计算。

实施例5

如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本发明可扩展对光学支路的接收轴测试功能，对光轴测角模块进行扩展，增加光源102和合束器103，使其在测试入射光束角度的同时，还可以发出一束标准的准直光束，该准直光束可以通过五棱镜折转后，入射到待测的光学支路中。该标准准直光束入射待测光学支路后，如果待测光学支路含有接收部分（如面阵探测器，如四象限探测器），则利用其内部的探测器的光斑位置，基于其焦距，可以得到其探测器的中心点所对应的视轴与该准直光束之间的夹角，从而实现对该光学支路的接收轴的角度检测。通过切换光源102的工作波长，可以实现多种不同波长的标准准直光束输出，用于测试不同的光学支路。

实施例6

如图5所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，对于含有接收轴测试功能的多光轴平行性检测设备，为进一步提高精度，可在光轴测角模块1的出光口处，连接角反射器10，角反射器10工作面朝向光轴测角模块1。该角反射器10可以通过电动方式或者手动方式从光路中移除，标定完毕后，将之移除，再进行标准的多光轴平行性检测流程。

实施例7

如图6所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例可以扩展用于测试基准平面之间（或者一个大基准面的各个区域之间）的相对角度，应用于机械制造、仪器设备装配等过程中。在待测基准面上，使用两面平行度良好的光学平板901，紧贴待测的待测基准面9，使用五棱镜3沿一维导轨2移动至其投影范围内，依次对各待测基准面9进行测试，参照标准的多光轴平行性检测流程进行测试，测试结果除以2后，为实际的基准平面之间的角度差异。其检测精度主要受限于待测基准面自身的平面精度。对于平面精度良好且较为光滑的基准平面，也可以省略光学平板901，直接利用待测基准平面9的自身反射实现测试。

测试实例：

为测试某1m口径的激光通信地面终端的各个支路的光轴平行性，基于本发明方法研制的检测设备，其典型的实现方案如下：

光轴测角模块1，使用1000mm焦距80mm口径的平行光管为主体，使用边长为30mm的分束棱镜作为合束器103。用于测角的接收部分，采用使用ace 2 a2A4504-5gmBAS为面阵探测器，其分辨率为4096×4096，像素尺寸为2.74um；其发射准直光束部分，使用FC/PC接口，可以根据需要更换不同的光纤输出光源，作为该模块的光源102。

为了对含有收发功能的光轴测角模块1进行收发同轴标定，采用口径为50mm材料为融石英的角锥作为角反射器10，其精度为10角秒，在距离光管出光口50mm处，设计了角锥安装座，可以手动方式安装和拆除角锥。

一维导轨2选用国产导轨，长度为2.2米，带有伺服电机对其进行电动移动。设计并制造了对应的机械结构，将本检测设备的各个部分连接为一个整体。

五棱镜3，材料为融石英，有效口径为40mm，综合角度精度为5角秒。

滚转角测试模块中，滚转角测试模块A部分401，采用底角为0.8087度的棱镜，材料为H-K9L，口径为100mm；滚转角测试模块B部分402，采用底角为1.500度的棱镜，材料为H-K9L，口径为100mm，并采用Zygo 4英寸干涉仪用于测试分区域的波面角度，必要时使用折转平面反射镜对干涉检测光路进行折转。其计算滚转的实施方式，参阅本公司已授权的发明专利“基于干涉测量的滚转角测试装置及测试方法”，公开号为CN116772750A。

对该1m口径激光通信地面终端进行测试，其共含有6个发射天线和一个接收天线，每个天线均有多个光学支路。在***装调过程中，通过上述设备和方法，将各个发射天线依次与接收天线的光轴进行平行性测试，并以测试结果为指导，实现将其各个支路的光轴角度调节或者标定至1角秒精度范围内。

该设备被用于测试另一项目中的跨距为1.5m的两个平面基准面夹角时，使用了两块平行平板，材料为融石英，厚度为10mm，有效口径口径为80mm，双面平行度优于1角秒，两面均未镀膜。

Claims (7)

1.一种用于测试多光轴平行性的检测设备，其特征在于，该检测设备包括光轴测角模块、一维导轨、五棱镜、滚转角测试模块；其中，所述滚转角测试模块由滚转角测试模块A部分和滚转角测试模块B部分组成，滚转角测试模块A部分通过机械结构与五棱镜固连且二者共同沿一维导轨移动；滚转角测试模块B部分通过机械结构与光轴测角模块固连，两者在测试过程中固定；光轴测角模块的光轴与滚转角测试模块的光轴平行；光轴测角模块的光轴与五棱镜的其中一个直角面垂直；待测设备的多个光学支路中的至少两个支路光轴与五棱镜的另一个直角面垂直。

2.根据权利要求1所述的一种用于测试多光轴平行性的检测设备，其特征在于，所述五棱镜采用空心反射形式，包括两个相互夹角等于22.5度的反射平面。

3.根据权利要求1所述的一种用于测试多光轴平行性的检测设备，其特征在于，所述光轴测角模块采用反射式，包括一片离轴抛物面以及折转平面反射镜。

4.根据权利要求1所述的一种用于测试多光轴平行性的检测设备，其特征在于，所述光轴测角模块包括光源和合束器，光源发出的光以及测试光束经过合束器能够发出一束标准的准直光束。

5.根据权利要求1所述的一种用于测试多光轴平行性的检测设备，其特征在于，在光轴测角模块的出光口处，设置有角反射器，角反射器工作面朝向光轴测角模块。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种用于测试多光轴平行性的检测设备，其特征在于，所述滚转角测试模块A部分包括棱镜A；所述滚转角测试模块B包括一台干涉仪、棱镜B；干涉仪出射的平行光束经棱镜B折射后，出射光线垂直入射至棱镜A的斜面，经棱镜A的斜面反射后光线原路返回干涉仪进行滚转角测试。

7.一种用于测试多光轴平行性的检测方法，该方法基于权利要求1-6之一所述的用于测试多光轴平行性的检测设备，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1.选择待测光学***中的两个待测光学支路，调整该测试设备与待测光学***之间的相对空间位置关系，使得五棱镜沿着一维导轨的运动轨迹能够覆盖待测的两个光学支路的部分口径；

S2.使五棱镜沿着一维导轨移动至其中一个待测光学支路光轴一的出光光束范围内；

S3.五棱镜与待测光轴一对准情况下，同时记录光轴测角模块的角度读数,和滚转角测试模块B部分的读数/>；

S4.使五棱镜沿着一维导轨移动至另一个待测光学支路光轴二的出光光束范围内；

S5.五棱镜与光轴二对准情况下，同时记录光轴测角模块的角度读数, 和滚转角测试模块B部分的读数/>；

S6.基于上述测试结果，计算得到待测光学支路光轴二相对于待测光学支路光轴一的角度偏差为两个光学支路之间的光轴平行性误差，计算公式如下：

，

以上计算公式中，采用了小角度近似，在典型的1度角度范围内，因近似导致的相对误差优于千分之一；在1角分范围内，因近似导致的相对误差优于万分之一。