CN112596257B - 离轴反射式光学镜头的光轴校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离轴反射式光学镜头的光轴校准方法，将校准激光发射器放置于平行光路中，利用激光出射细光束的准直特点，可以分别校准测试系统光轴、被测系统的光轴，实现测试光轴的粗略对准；再结合旁轴近似等像高原则，最终实现离轴反射式光学系统MTF测试时光轴的精确校准。与现有技术相比，本发明所提供的技术方法及装置具有以下优点：此光轴校准方法能够快速、准确调整离轴反射式光学系统的测试状态，是准确测试其MTF的必须手段。

Description

离轴反射式光学镜头的光轴校准方法

技术领域

本发明属于光电测试仪器装调技术领域，尤其涉及一种离轴反射式光学镜头的光轴校准方法。

背景技术

近年来，随着我国航天事业、机载舰载武器装备的发展，对离轴反射式光学系统的性能要求日益增加，提出了对离轴反射式光学系统MTF的高精度检验需求。如何准确、高效的校准离轴反射式光学系统的光轴，确定最佳焦面位置，并保证其测试精度，就成为离轴反射式光学系统MTF测试校准检验的重要流程。

离轴反射式光学系统的设计在保证长焦距、大通光口径、高分辨率的优点同时，可以做到光路折转、系统体积小、中心无遮拦、重量轻的优势，使得空间对地观测系统可以从折射式到反射式、从同轴光学系统到离轴光学系统的发展阶段。折射式光学系统由于受光学材料的限制，很难做到大口径和轻量化设计，反射式光学系统受材料限制较小，便于轻量化设计，完全没有色差，系统透过率高。离轴反射式光学系统中心无遮拦，可优化的变量多，既可以提高光学系统视场大小，还可以极大改善系统成像质量。

光学调制传递函数MTF(Module Transfer Function)是国际公认的光学系统成像性能核心评价指标。MTF的高低直接关系到光学系统成像质量的优劣。它能把衍射、像差及杂散光等影响成像质量的各种因素综合在一起反映，客观的评定光学系统像质。它既适用于光学系统的设计阶段，也适用于光学仪器的装调、检验阶段，且具有普遍适用性。

由于离轴反射式光学系统的主镜旋转对称光轴缺失，入射光束进行二次及多次折转，导致焦面处主光轴与检测系统主光轴发生偏离。针对此类光学系统MTF测试过程中的光轴校准问题，提出一种有效的校准方法。

发明内容

本发明为了解决离轴反射式光学系统的主镜旋转对称光轴缺失，无法与MTF测试系统光轴进行校准的问题，本发明提供了一种离轴反射式光学系统MTF测试校准的调整方法及装置。本发明提供一种离轴反射式光学系统光轴校准的调整方法，其方法是：将校准激光发射器系统放置于平行光路中，利用激光出射细光束的准直特点，可以分别校准测试系统光轴、被测离轴反射式光学系统的光轴，实现测试光轴的粗略对准；再结合旁轴近似等像高原则，最终实现离轴反射式光学系统MTF测试时光轴的精确校准。

为了实现上述目的，本发明设计了一种校准激光发射器系统及其调整机构，目的是实现测试系统光轴与被测离轴反射式光学系统光轴的粗略对准。具体包括：

一种离轴反射式光学镜头的光轴校准方法，包括如下步骤：

S1装调离轴反射式光路的测试系统和待测系统；

S2粗调所述测试系统和待测系统，使目标发生器出射的光束依次经过第一离轴抛物面主镜、激光发射器、第二离轴抛物面主镜、折返镜、二次聚焦系统聚焦，再由二次聚焦系统后端设置的平面反射镜使聚焦的光束按原路返回至所述目标发生器的出射面；

S3根据被测系统的焦距大小，调节统目标发生器出射孔的大小；

S4调整测试系统的探测器，使所述探测器目镜内的十字叉丝与被测系统所成像点重合，使光束聚焦被测系统传递函数最大值处，将此位置记为零点；

S5旋转设置在所述第一离轴抛物面主镜和探测器中间的转台，所述转台上用于放置待观察物品，将转台旋转+θ角度，平移转台X轴使得已偏离的像点调回到十字叉丝位置，记录数据平移距离x₁；

S6再次旋转所述转台-θ角度，将已偏离的像点调回到十字叉丝位置，记录数据x₂；

S7计算旁轴畸变α，

其中，当α>1％时，调节被测系统的转台及测试系统中探测器的平移机构，微调整被测系统的光轴，再进行步骤S4和步骤S5的操作，直至α≤1％，结束精调。

优选的，所述测试系统包括目标发生器、探测器、第一离轴抛物面主镜、激光发射器；所述目标发生器发出的光线与水平面呈一定角度且为球面光，所述第一离轴抛物面主镜接收所述目标发生器发出的光线并将其转化为平行光束。

优选的，所述被测系统包括第二离轴抛物面主镜、折转镜、二次聚焦系统，还包括作为测试系统的辅助反射工具使用的平面反射镜；

所述第二离轴抛物面主镜将所述第一离轴抛物面主镜出射的平行光束向所述折返镜反射，所述第二离轴抛物面主镜出射的光束与水平面呈一定角度并倾斜向下，所述二次聚焦系统将所述折返镜出射聚焦在所述被测系统的焦面上。

优选的，所述步骤S2包括如下操作：

S201将所述校准激光发射器放置在第一离轴抛物面主镜向第二离轴抛物面主镜发射的平行光束中；

S202调整所述激光发射器的三维调整机构，使所述激光发射器出射光束经过所述第一离轴抛物面主镜与所述目标发生器的出射的光束路线重合；

S203将所述激光发射器旋转180°，使所述校准激光发射器出射的光束经第二离轴抛物面主镜传送折返镜，经折返镜由二次聚焦系统聚焦在待测系统的焦面上；

S204在所述二次聚焦系统机器后端方置平面反射镜，所述平面反射镜将聚焦后的光束按原路返回至所述校准激光发射器。

优选的，所述第一离轴抛物面主镜与第二离轴抛物面主镜反射面相对设置。

优选的，所述折返镜与竖直平面的夹角为锐角。

优选的，所述探测器设置在所述测试系统和所述待测系统组成的光路的最后方。

优选的，所述θ的取值范围为0.5°至1°。

有益效果：将校准激光发射器放置于平行光路中，利用激光出射细光束的准直特点，可以分别校准测试系统光轴、被测系统的光轴，实现测试光轴的粗略对准；再结合旁轴近似等像高原则，最终实现离轴反射式光学系统MTF测试时光轴的精确校准。与现有技术相比，本发明所提供的技术方法及装置具有以下优点：此光轴校准方法能够快速、准确调整离轴反射式光学系统的测试状态，是准确测试其MTF的必须手段。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构示意图；

图2为本发明一种实施例的测试系统；

图3为本发明一种实施例的被测系统。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要注意的是，本文使用术语第一、第二、第三等来描述各种部件或零件，但这些部件或零件不受这些术语的限制。这些术语仅用来区别一个部件或零件与另一部件或零件。术语诸如“第一”、“第二”和其他数值项在本文使用时不是暗示次序或顺序，除非由上下文清楚地指出。为了便于描述，本文使用空间相对术语，诸如“内部”、“外部”、“上端”、“下端”、“左侧”、“右侧”、“上部的”、“左”、“右”等，以描述本实施例中部件或零件的方位关系，但这些空间相对术语并不对技术特征在实际应用中的方位构成限制。

如图1-图3所示，一种离轴反射式光学镜头的光轴校准方法，包括如下步骤：

S1装调离轴反射式光路的测试系统和待测系统；

S2粗调所述测试系统和待测系统，使目标发生器1出射的光束依次经过第一离轴抛物面主镜2、激光发射器3、第二离轴抛物面主镜4、折返镜5、二次聚焦系统聚焦6，再由二次聚焦系统后端设置的平面反射镜7使聚焦的光束按原路返回至所述目标发生器1的出射面；

S3根据被测系统的焦距大小，调节统目标发生器1出射孔的大小；

S4调整测试系统的探测器，使所述探测器目镜内的十字叉丝与被测系统所成像点重合，使光束聚焦被测系统传递函数最大值处，将此位置记为零点；

S5旋转设置在所述第一离轴抛物面主镜2和探测器中间的转台，其中，转台与探测器处于在同一导轨；

所述转台上用于放置待观察物品，将转台旋转+θ角度，平移转台X轴使得已偏离的像点调回到十字叉丝位置，记录数据平移距离x₁；

S6再次旋转所述转台-θ角度，将已偏离的像点调回到十字叉丝位置，记录数据x₂；

S7计算旁轴畸变α：

其中，当α>1％时，调节被测系统的转台及测试系统中探测器的平移机构，微调整被测系统的光轴，再进行步骤S4和步骤S5的操作，直至α≤1％，结束精调。

本发明的主要是通过机械轴粗调，再根据“旁轴畸变近似为0”的理论进行精调，找到真正的光轴。

本发明主要包括粗调设备环节和精调设备环节，其中，本发明中的光学系统具体结构为：测试系统中的目标发生器1出射主光线，经测试系统的第一离轴抛物面主镜2反射后，成为平行光束，将激光发射器3放置于平行光路中，调整激光发射器3系统三维调整机构，使激光发射器3出射的校准激光光束与测试系统目中的标发生器的出射点重合，即测试系统出射主光线与校准激光发射器3系统出射激光束重合，也就确定了测试系统光轴。

然后，校准被测离轴系统的光轴，将激光发射器3旋转180°，使其出射的校准激光光束入射到被测系统的第二离轴抛物面主镜4的镜面上，然后反射到被测系统的折返镜5上，最后由二次聚焦系统在被测离轴系统焦面上聚焦。此时，在被测系统成像方最后一个机械端面处，放置一平面反射镜7，目的是将出射的校准激光光束原路返回到校准激光发射器3系统出射面；由于要保证校准激光发射器3系统位置不变，调整被测系统的三维调整机构，使得经平面反射镜7反射的校准激光光束能够与其出射方向完全重合，即被测系统的光轴与测试系统光轴粗略对准。

经过粗调之后，本系统要进行精调，来提高本装置的测量精度，具体包括：

首先，根据被测系统的焦距大小，调节测试系统目标发生器1出射光线束的孔位大小；

然后，调整测试系统的探测器，使探测器目镜内的十字叉丝与被测系统所成像点重合，且该成像点为聚焦的最佳像面位置，也就是，光束聚焦时，被测系统传递函数最大值处的位置，然后将此位置记为零点；

接下来，旋转被测系统的三维调整机构，也就是转台，将其旋转+θ角度，+θ为顺时针旋转，并且平移支撑系统的X轴，将已偏离的像点调回到十字叉丝位置，记录数据x₁；旋转被测离轴反射式光学系统支撑系统的转台-θ，-θ为逆时针角度，然后将已偏离的像点调回到十字叉丝位置，记录数据x₂；

最后，按照公式|x₁-x₂|/|x₁+x₂|进行计算，得到比值α，当小于α>1％时，调节被测系统的旋转支撑、及测试系统探测器的平移机构，小角度微调整被测系统的光轴，否则重复相关步骤，直至α≤1％，结束精调。

优选的一种实施例，所述测试系统包括目标发生器发明1、探测器、第一离轴抛物面主镜发明2、激光发射器发明3；所述目标发生器发明1发出的光线与水平面呈一定角度且为球面光，所述第一离轴抛物面主镜发明2接收所述目标发生器发明1发出的光线并将其转化为平行光束。

优选的一种实施例，所述被测系统包括第二离轴抛物面主镜4、折转镜、二次聚焦系统，还包括作为测试系统的辅助反射工具使用的平面反射镜；所述第二离轴抛物面主镜4将所述第一离轴抛物面主镜2出射的平行光束向所述折返镜5反射，所述第二离轴抛物面主镜4出射的光束与水平面呈一定角度并倾斜向下，所述二次聚焦系统将所述折返镜5出射聚焦在所述被测系统的焦面上。

优选的一种实施例，所述步骤S2包括如下操作：

S201将所述校准激光发射器3放置在第一离轴抛物面主镜2向第二离轴抛物面主镜4发射的平行光束中；

S202调整所述激光发射器3的三维调整机构，使所述激光发射器3出射光束经过所述第一离轴抛物面主镜2与所述目标发生器1的出射的光束路线重合；

S203将所述激光发射器3旋转180°，使所述校准激光发射器3出射的光束经第二离轴抛物面主镜4传送折返镜5，经折返镜5由二次聚焦系统聚焦6在待测系统的焦面上；

S204在所述二次聚焦系统机器后端方置平面反射镜7，所述平面反射镜7将聚焦后的光束按原路返回至所述校准激光发射器3。

优选的一种实施例，所述第一离轴抛物面主镜2与第二离轴抛物面主镜4反射面相对设置。方便光束的接收和按原光路返回。

优选的一种实施例，所述折返镜5与竖直平面的夹角为锐角。

优选的一种实施例，所述探测器设置在所述测试系统和所述待测系统组成的光路的最后方。

优选的一种实施例，所述θ的取值范围为0.5°至1°。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种离轴反射式光学镜头的光轴校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1装调离轴反射式光路的测试系统和待测系统；

其中，所述测试系统包括目标发生器(1)、探测器、第一离轴抛物面主镜(2)、激光发射器(3)；所述目标发生器(1)发出的光线与水平面呈一定角度且为球面光，所述第一离轴抛物面主镜(2)接收所述目标发生器(1)发出的光线并将其转化为平行光束；

所述待测系统包括第二离轴抛物面主镜(4)、折返镜(5)、二次聚焦系统(6)，还包括作为测试系统的辅助反射工具使用的平面反射镜(7)；

所述第二离轴抛物面主镜(4)将所述第一离轴抛物面主镜(2)出射的平行光束向所述折返镜(5)反射，所述第二离轴抛物面主镜(4)出射的光束与水平面呈一定角度并倾斜向下，所述二次聚焦系统(6)将所述折返镜(5)出射的光束聚焦在所述待测系统的焦面上；

S2粗调所述测试系统和待测系统；

步骤S2具体包括如下步骤：

S201将所述激光发射器(3)放置在所述第一离轴抛物面主镜(2)向所述第二离轴抛物面主镜(4)发射的平行光束中；

S202调整所述激光发射器(3)的三维调整机构，使所述激光发射器(3)的出射光束经过所述第一离轴抛物面主镜(2)与所述目标发生器(1)的出射光束路线重合；

S203将所述激光发射器(3)旋转180°，使所述激光发射器(3)出射的光束经所述第二离轴抛物面主镜(4)传送至所述折返镜(5)，经所述折返镜(5)由所述二次聚焦系统(6)聚焦在所述待测系统的焦面上；

S204在所述二次聚焦系统(6)后端放置平面反射镜(7)，调整所述待测系统的位置，使所述平面反射镜(7)反射的聚焦后光束按原路返回至所述激光发射器(3)；

S3根据所述待测系统的焦距大小，调节所述目标发生器(1)出射孔的大小；

S4调整所述测试系统的探测器，使所述探测器目镜内的十字叉丝与所述待测系统的成像点重合，且该成像点为聚焦的最佳像面位置，将此位置记为零点；

S5旋转设置在所述第一离轴抛物面主镜(2)和探测器中间的转台，所述转台上用于放置待观察物品，将转台旋转+θ角度，平移转台X轴使得已偏离的像点调回到十字叉丝位置，记录数据平移距离x₁；

S6再次旋转所述转台-θ角度，将已偏离的像点调回到十字叉丝位置，记录数据x₂；

S7计算旁轴畸变α，

其中，当α>1％时，调节所述待测系统的转台及所述测试系统中探测器的平移机构，调整待测系统的光轴，再进行步骤S4和步骤S5的操作，直至α≤1％，结束精调。

2.根据权利要求1所述的离轴反射式光学镜头的光轴校准方法，其特征在于，所述第一离轴抛物面主镜(2)与第二离轴抛物面主镜(4)反射面相对设置。

3.根据权利要求1所述的离轴反射式光学镜头的光轴校准方法，其特征在于，所述折返镜(5)与竖直平面的夹角为锐角。

4.根据权利要求1所述的离轴反射式光学镜头的光轴校准方法，其特征在于，所述探测器设置在所述测试系统和所述待测系统组成的光路的最后方。

5.根据权利要求1所述的离轴反射式光学镜头的光轴校准方法，其特征在于，所述θ的取值范围为0.5°至1°。

Images