一种光学系统焦距测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光学系统焦距测量系统及方法，包括激光点照明定位模块、分光镜、点探测定位模块、标准平面镜、测角设备，激光点照明定位模块，在被测光学系统的焦点上发射激光光源，激光透过分光镜进入被测光学系统，继而形成平行光出射，平行光经标准平面镜反射回到被测光学系统汇聚形成准直光，准直光经分光镜反射形成反射自准直焦点，测角设备测量标准平面镜与被测光学系统光轴的夹角，探测定位模块对反射自准直焦点进行定位；测量标准平面镜与测光学系统光轴的夹角变化Δθ对应的反射自准直焦点的位置变化Δy，根据像高与焦距关系，计算得到被测光学系统的焦距。该方法焦点定位准确，适用于空间光学遥感器的大口径长焦距光学镜头的装调、检测。

A Focal Length Measurement System and Method for Optical System

The invention discloses an optical system focal length measurement system and method, including laser point illumination positioning module, spectroscope, point detection positioning module, standard plane mirror, angle measuring device, laser point illumination positioning module, which emits laser light source on the focal point of the optical system under test, and laser enters the optical system under test through the spectroscope, and then forms parallel light outgoing and parallel light passing through the cursor. The quasi-planar mirror reflects back to the optical system under test to form a collimated light, and the collimated light reflects through the spectroscope to form a reflective self-collimating focus. The angle measuring device measures the angle between the standard plane mirror and the optical axis of the optical system under test, and the detection and positioning module locates the reflective self-collimating focus. The reflection self-collimating focus corresponding to the angle change of the optical axis between the standard plane mirror and the optical system under test is measured. According to the relationship between image height and focal length, the focal length of the optical system under test is calculated. This method can accurately locate the focus, and is suitable for the adjustment and detection of large aperture and long focal length optical lens of space optical remote sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种光学系统焦距测量系统及方法
本专利技术涉及一种光学系统焦距测量系统及方法，特别是结合激光共焦技术、自准直技术以及精密测角原理实现的方法。在光学系统特别是大口径长焦距透镜、镜头等光学系统的制造和检测中有重要应用。
技术介绍
焦距是光学系统极为重要的光学参数。在光学系统特别是长焦距大口径光学系统中，对焦距的准确测量尤为关键。典型长焦距大口径光学系统有空间光学系统、激光核聚变光学系统。在空间光学系统中，镜头焦距的准确测量关系到图像地面分辨率的准确性，关系到光学镜头与焦面器件的准确装配。在激光核聚变光学系统中，透镜焦距的准确测量则关系到强激光的准直、聚焦和光束质量等关键特性。目前在空间光学系统中多采用基于五棱镜定焦的精密测角法，即用五棱镜法对玻罗板定焦，定焦精度低，采用经纬仪人眼瞄准对数，测角精度低，因而相对测量精度仅有±1％。在激光核聚变光学系统中的透镜测焦距测量方面，美国国家点火装置采用激光干涉组合焦距测量方法实现了对7m焦距±0.01％的相测量精度，该方法受限于干涉仪和参考透镜口径；国内神光III采用多种方法：激光共焦组合焦距测量方法实现了对5m焦距±0.013％的相测量精度，但该方法受限于共焦传感器口径和参考透镜口径；改进精密测角法采用波前传感器对激光光源进行精密定位，实现了对7m焦距±0.2％的相测量精度，该方法受限于波前传感器口径；泰伯莫尔法实现了对7m焦距±0.02％的相对测量精度，该方法受限于激光准直口径和Ronchi光栅口径。上述方法中，基于五棱镜定焦的精密测角法精度低、其他方法测量口径难以突破，无法满足10m以上更长焦距米级口径光学系统的焦距精确测量测量。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种光学系统焦距测量方法，解决光学系统焦距测量时焦点定位精度低的问题。本专利技术的技术解决方案是：一种光学系统焦距测量系统，其特征在于包括激光点照明定位模块、分光镜、点探测定位模块、标准平面镜、测角设备，其中：激光点照明定位模块，在被测光学系统的焦点上发射激光激光光源，激光透过分光镜进入被测光学系统，继而形成平行光出射，平行光经标准平面镜反射回到被测光学系统汇聚形成准直光，准直光经分光镜反射形成反射自准直焦点，测角设备测量标准平面镜与被测光学系统光轴的夹角，探测定位模块对反射自准直焦点进行定位；通过调整测量标准平面镜相对于光轴的夹角，测量标准平面镜与测光学系统光轴的夹角变化Δθ对应的反射自准直焦点的位置变化Δy，根据像高与焦距关系，计算得到被测光学系统的焦距。所述激光点照明定位模块包括激光光源、照明分光镜、照明物镜、点照明针孔、照明探测器，其中，激光光源位于照明物镜的像方焦点上，点照明针孔位于照明物镜的物方焦点上，照明分光镜用于将激光光源和照明物镜之间，照明探测器位于由照明分光镜反射形成的照明物镜像方焦点上。所述照明物镜的F数小于等于被测光学系统的F数。所述点探测定位模块包括定位探测器、探测物镜、点探测针孔，其中，定位探测器位于探测物镜的像方焦点上，点探测针孔位于探测物镜的物方焦点上。所述探测物镜的F数小于等于被测光学系统的F数。本专利技术的另一个技术解决方案是：一种光学系统焦距测量方法，该方法包括如下步骤：s1、调整激光点照明定位模块的位置，在被测光学系统的焦点上发射激光激光光源，使得激光透过分光镜进入被测光学系统，继而形成平行光出射；s2、在被测光学系统物方垂直于被测光学系统光轴的位置放置标准平面镜，使平行光经标准平面镜反射回到被测光学系统汇聚形成准直光，准直光经分光镜反射形成反射自准直焦点；s3、采用探测定位模块对反射自准直焦点进行定位，测量标准平面镜与被测光学系统光轴的夹角；s4、调整测量标准平面镜的姿态，改变测量标准平面镜与测光学系统光轴的夹角，之后，再次测量标准平面镜与被测光学系统光轴的夹角；s5、采用探测定位模块对反射自准直焦点再次定位，计算标准平面镜与测光学系统光轴的夹角变化Δθ对应的反射自准直焦点的位置变化Δy；s6、重复步骤s4～步骤s5，得到一组标准平面镜与测光学系统光轴的夹角变化Δθi对应的反射自准直焦点的位置变化Δyi，i＝1～N依据像高与焦距关系，采用最小二乘方法，计算得到被测光学系统的焦距。所述激光点照明定位模块包括激光光源、照明分光镜、照明物镜、点照明针孔、照明探测器，其中，激光光源位于照明物镜的像方焦点上，点照明针孔位于照明物镜的物方焦点上，照明分光镜用于将激光光源和照明物镜之间，照明探测器位于由照明分光镜反射形成的照明物镜像方焦点上。所述步骤s1的具体方法为：(1.1)、调整激光点照明定位模块的位置使点照明针孔在被测光学系统的设计焦点上；(1.2)、打开激光点照明定位模块发射照明激光光源，使得照明激光光源经过分光镜进入被测光学系统，继而形成平行光出射，然后经标准平面镜反射回被测光学系统汇聚，汇聚后的激光经分光镜透射后形成自准直焦点；(1.3)、调整激光点照明定位模块的位置，直到照明探测器上形成自准直焦点的探测光斑，这样就将激光点照明定位模块的点照明针孔初步定位在被测光学系统的实际焦点上。(1.4)、进一步整激光点照明定位模块的位置，使光斑的光强达到最大值，从而使将激光点照明定位模块的点照明针孔精确定位在被测光学系统的实际焦点上。所述点探测定位模块包括定位探测器、探测物镜、点探测针孔，其中，定位探测器位于探测物镜的像方焦点上，点探测针孔位于探测物镜的物方焦点上。采用探测定位模块对反射自准直焦点进行定位的方法为：(3.1)、调整点探测定位模块的位置，使点探测针孔在被测光学系统的设计反射自准直焦点上；(3.2)、打开激光点照明定位模块发射照明激光光源，使得照明激光光源经过分光镜进入被测光学系统，继而形成平行光出射，然后经标准平面镜反射回被测光学系统汇聚，汇聚后的激光经分光镜反射后形成反射自准直焦点；(3.3)、调整点探测定位模块的位置，激光通过点探测针孔，探测物镜汇聚，在定位探测器上形成探测光斑，这样就将点探测定位模块的点探测针孔初步定位在被测光学系统的实际反射自准直焦点上。(3.4)、进一步调整点探测定位模块的位置，使探测光斑的光强达到最大值，从而使将点探测定位模块的点探测针孔精确定位在被测光学系统的实际反射自准直焦点上。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)、本专利技术运用了激光共焦测量的技术手段，解决了现有大口径长焦光学镜头焦距测试过程中，引入的焦面或焦点的定位测量结果的重复性和准确性无法保证、可测口径受限等问题，具有较高的重复性、准确性和实用性；(2)、本专利技术采用光学自准直技术手段，实现对自准直焦点的高精度定位和测量，因而能够提高焦点位置变化Δy的测量准确度和精度，因而从根本上解决了现有精密测角法因定焦精度低带来的对Δy测量准确度和精度低的问题；(3)、本专利技术采用最小二乘法数据处理数据，能够消除因调整精度有限造成的标准平面反射镜与被测光学系统光轴的初始夹角偏差α的影响，因而能够提高焦距计算的可信度。(4)、本专利技术利用激光共焦自准直光学系统的横向和轴向光强响应的峰值出现在激光点照明定位模块的照明物镜焦点与被测光学系统的焦点精密重合时这一特点，将激光点照明定位模块出射的激光光源精密定焦在被测光学系统的像方轴上焦点上。(5)、本专利技术利用激光共焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学系统焦距测量系统，其特征在于包括激光点照明定位模块(1)、分光镜(2)、点探测定位模块(3)、标准平面镜(6)、测角设备(7)，其中：激光点照明定位模块(1)，在被测光学系统(5)的焦点上发射激光光源，激光透过分光镜(2)进入被测光学系统(5)，继而形成平行光出射，平行光经标准平面镜(6)反射回到被测光学系统(5)汇聚形成准直光，准直光经分光镜(2)反射形成反射自准直焦点，测角设备(7)测量标准平面镜(6)与被测光学系统(5)光轴的夹角，探测定位模块(3)对反射自准直焦点进行定位；通过调整测量标准平面镜(6)相对于光轴的夹角，测量标准平面镜(6)与测光学系统(5)光轴的夹角变化Δθ对应的反射自准直焦点的位置变化Δy，根据像高与焦距关系，计算得到被测光学系统(5)的焦距。

【技术特征摘要】
1.一种光学系统焦距测量系统，其特征在于包括激光点照明定位模块(1)、分光镜(2)、点探测定位模块(3)、标准平面镜(6)、测角设备(7)，其中：激光点照明定位模块(1)，在被测光学系统(5)的焦点上发射激光光源，激光透过分光镜(2)进入被测光学系统(5)，继而形成平行光出射，平行光经标准平面镜(6)反射回到被测光学系统(5)汇聚形成准直光，准直光经分光镜(2)反射形成反射自准直焦点，测角设备(7)测量标准平面镜(6)与被测光学系统(5)光轴的夹角，探测定位模块(3)对反射自准直焦点进行定位；通过调整测量标准平面镜(6)相对于光轴的夹角，测量标准平面镜(6)与测光学系统(5)光轴的夹角变化Δθ对应的反射自准直焦点的位置变化Δy，根据像高与焦距关系，计算得到被测光学系统(5)的焦距。2.根据权利要求1所述的一种光学系统焦距测量系统，其特征在于所述激光点照明定位模块(1)包括激光光源(101)、照明分光镜(102)、照明物镜(103)、点照明针孔(104)、照明探测器(105)，其中，激光光源(101)位于照明物镜(103)的像方焦点上，点照明针孔(104)位于照明物镜(103)的物方焦点上，照明分光镜(102)用于将激光光源(101)和照明物镜(103)之间，照明探测器(105)位于由照明分光镜(102)反射形成的照明物镜(103)像方焦点上。3.根据权利要求2所述的一种光学系统焦距测量系统，其特征在于所述照明物镜(103)的F数小于等于被测光学系统(5)的F数。4.根据权利要求1所述的一种光学系统焦距测量系统，其特征在于所述点探测定位模块(3)包括定位探测器(301)、探测物镜(303)、点探测针孔(302)，其中，定位探测器(301)位于探测物镜(303)的像方焦点上，点探测针孔(302)位于探测物镜(303)的物方焦点上。5.根据权利要求4所述的一种光学系统焦距测量系统，其特征在于所述探测物镜(303)的F数小于等于被测光学系统(5)的F数。6.基于权利要求1所述系统的一种光学系统焦距测量方法，其特征在于包括如下步骤：s1、调整激光点照明定位模块(1)的位置，在被测光学系统(5)的焦点上发射激光光源，使得激光透过分光镜(2)进入被测光学系统(5)，继而形成平行光出射；s2、在被测光学系统(5)物方垂直于被测光学系统(5)光轴的位置放置标准平面镜(6)，使平行光经标准平面镜(6)反射回到被测光学系统(5)汇聚形成准直光，准直光经分光镜(2)反射形成反射自准直焦点；s3、采用探测定位模块(3)对反射自准直焦点进行定位，测量标准平面镜6与被测光学系统(5)光轴的夹角；s4、调整测量标准平面镜(6)的姿态，改变测量标准平面镜(6)与测光学系统(5)光轴的夹角，之后，再次测量标准平面镜(6)与被测光学系统(5)光轴的夹角；s5、采用探测定位模块(3)对反射自准直焦点再次定位，计算标准平面镜(6)与测光学系统(5)光轴的夹角变化Δθ对应的反射自准直焦点的位置变化Δy；s6、重复步骤s4～步骤s5，得到一组标准平面镜(6)与测光学...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘大礼，贾馨，郝言慧，岳丽清，李文广，李立广，张志飞，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11