云试剂数字化科学粮草库 / 2018-06-29
1引言
多镜片构成的红外成像镜组由于各镜片光轴与系统光轴的偏差的存在,将直接影响系统的分辨率、最小可分辨温差(MTD)、作用距离等关键参数[2]。现有的关于红外光学系统参数的综合测试系统,例如光学调制传递函数(MTF)测试仪可以评价出光学系统的好坏,但是变坏的系统究其原因是由何种因素引起的,MIF测试本身给不出具体的数据。相反,轴偏测试却可以指出镜组中的各镜面相对于系统光轴偏移数值的大小和方向。无疑,轴偏的存在是MTF变差的重要原因之一[2],因而轴偏测量一直是高精、远距离摄影光学镜头必不可少的一环。多年来,国内外用于红外成像镜组控制轴偏的装校系统,无一例外都是用可见光测量反射旋转像,进行单片或单面对心测量及调整。由于用的是可见光,既不能保证装校中每个镜片下表面的对中,也不可能测出镜筒已经装好的各镜面的轴偏值[3]。
本系统采用CO2激光透射(波长10.6μm)用于8―14μm波段红外镜组轴偏测量。变像显示采用TGS热释电热像仪。对8-14μm波段红外热像镜组的轴偏测试装置进行了原则设计,设计了系统的总体结构,数据采集及处理。
2测量原理
测定整组物镜各镜面的偏心,大多数是采用自准反射旋转法[1]。这种测量方法是被测光学镜组放置在仪器的基准轴工作台上,并使被测镜组的光轴与基准轴轴线基本重合,把指标十字像投影到待测的第i面曲率中心附近的位置上。然后考察指标自准像在仪器分划板上的偏移情况,由指标自准像的偏移而得出各面球心的偏量。当基准轴工作台连同被测光学系统旋转时,如果第i面及i面之前的各面中有存在偏心的球面,那么就会观测到指标自准像的划圆,划圆的大小和方向与第i面及i面之前各面组合偏心向量的大小和方向密切相关。通过测量指标自准反射像划圆的大小和方向计算出镜组各面轴偏的大小和方位。
3红外成像镜组轴偏测量系统
3.1系统总体结构
红外成像镜组轴偏测量系统主要包括以下几个部分:①CO2激光器②光学系统③机械装置④热像仪⑤CCD摄像仪⑥监视器及计算机处理系统。系统的光路及构造示意图如图1。
光路中除13、14为可见光镜片外,其余透镜和反射镜均为红外透镜或红外反射镜,所用的红外镜片均为锗镜。CO2激光由1发出,经反射2,衰减片3,由4扩束为发散光束,经反射镜5进入测量镜筒。聚焦镜6将发射光束聚焦并照亮指标板7,指标板是一块正面吸收、漫反射,背面全反射,中间开有十字线孔的金属板,其放置与光路成10°倾斜,为的是使由透射光路出去的指标像由被测镜面反射回来时能经显微镜8,反射镜9,被热像仪10接收。16、17构成可调焦望远镜的物镜,17为固定组,16为可伸缩调焦组,焦点位置由连动的调焦标尺12标出(同时还可标出放大倍率)。为了读值精确,设置了可见光源11照亮调焦标尺,经两倍显微镜13,反射镜14到达CCD摄像仪15读取标尺值。由内调焦镜组出射的指标,调焦在被测镜组的某一被测面上时,在该面上指标清晰明亮,经该面反射回内调焦望远镜系统时,反射光束带着该被测面球心与系统光轴的偏离信息,通过物镜17,16,指标板7,显微镜8,反射镜9,进入热像仪。由于被测系统19是可绕系统基准轴旋转的,当转动被测系统时,热像仪中的指标像因为带有轴偏量信息而在视场中画弧(多数情况下只能看到圆的一部分)。指标像汇聚在哪个面上,这是要在测量前由系统设计者给出的。系统的总体指标:
1)系统适用于:①红外成像光学镜组轴偏测量,提供各镜面的轴偏量(角度及线度值),②适用于红外成像镜组的在线调校。
2)适用波长:8――14μm(或3―5μm波段)。
3)测量用光:CO2激光,波长10.6μm(或He-Ne激光,波长3.39μm)。
4)测量头物镜工作范围: - 340mm～-∞,+400mm～+∞。
5)系统垂直轴径向跳动≤1μm,轴向晃动≤1″。
6)立柱导轨不直度≤0.05mm。
7)被测光学镜组最大直径350mm,最大高度450mm。
8)测量轴偏精度:角度≤2′,线度≤0.02mm。
3.2CO2激光内调焦望远镜
一般小型CO2激光器功率也在瓦级(常用的50cm,1-3W),经过几次透、反射达到红外读出敏感面上(TGS热释电热像仪)的辐照度远大于光敏面的敏感度(约10-8W/cm2)。光路聚散材料与红外探测光路中应用的材料相同。考虑到自由载流子吸收小一些,较合适的应选Ge而不是Si。与可见光相比红外波长要大50倍,因而由衍射决定的最小尺寸比可见光大得多。因此,指标不能做得太小,选取指标大小为长1.5mm,线宽0.05mm的十字线指标。
3.3采用热像仪指示像读出
调整CO2激光内调焦望远镜的调焦筒,使指标聚焦在待测面上,就可以在热像仪的监视器上捕捉到指标的自准反射像及工作台旋转时自准反射像所画的圆弧。把监视器上捕捉到的像通过视频传输送给计算机,这样在计算机屏幕上也获得了与热像仪监视器同样的圆弧。热像仪采用热释电热像仪(TGS),分辨率为200线。
3.4轴偏计算软件
3.4.1圆形预处理
用计算机在热像仪上捕捉到一帧静态的指标自准像的圆弧,由于指标较宽及可能的衍射现象,指标自准反射像所画的圆弧会粗糙,所以必须对圆弧进行合理的拟合和修正。圆弧曲线的拟合、修正是用编制的圆形预处理软件完成的。
3.4.2数据处理
对经过预处理的圆弧采集三点坐标,就会方便地计算出圆弧的直径及圆心坐标,从而计算出镜组待测面的轴偏量。全部计算过程用编制的计算程序进行计算,最后给出轴偏量及轴偏角,绘出垂直于基准轴的X――Y平面轴偏矢量图。
摘自：中国计量计量测控网
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