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紅外熱像光學鏡組軸偏測量儀

發布時間:2017-11-22

1引言

多鏡片構成的紅外成像鏡組由于各鏡片光軸與系統光軸的偏差的存在,將直接影響系統的分辨率、最小可分辨溫差(MTD)、作用距離等關鍵參數[2]。現有的關于紅外光學系統參數的綜合測試系統,例如光學調制傳遞函數(MTF)測試儀可以評價出光學系統的好壞,但是變壞的系統究其原因是由何種因素引起的,MIF測試本身給不出具體的數據。相反,軸偏測試卻可以指出鏡組中的各鏡面相對于系統光軸偏移數值的大小和方向。無疑,軸偏的存在是MTF變差的重要原因之一[2],因而軸偏測量一直是高精、遠距離攝影光學鏡頭必不可少的一環。多年來,國內外用于紅外成像鏡組控制軸偏的裝校系統,無一例外都是用可見光測量反射旋轉像,進行單片或單面對心測量及調整。由于用的是可見光,既不能保證裝校中每個鏡片下表面的對中,也不可能測出鏡筒已經裝好的各鏡面的軸偏值[3]。

本系統采用CO2激光透射(波長10.6μm)用于8―14μm波段紅外鏡組軸偏測量。變像顯示采用TGS熱釋電熱像儀。對8-14μm波段紅外熱像鏡組的軸偏測試裝置進行了原則設計,設計了系統的總體結構,數據采集及處理。

2測量原理

測定整組物鏡各鏡面的偏心,大多數是采用自準反射旋轉法[1]。這種測量方法是被測光學鏡組放置在儀器的基準軸工作臺上,并使被測鏡組的光軸與基準軸軸線基本重合,把指標十字像投影到待測的第i面曲率中心附近的位置上。然后考察指標自準像在儀器分劃板上的偏移情況,由指標自準像的偏移而得出各面球心的偏量。當基準軸工作臺連同被測光學系統旋轉時,如果第i面及i面之前的各面中有存在偏心的球面,那么就會觀測到指標自準像的劃圓,劃圓的大小和方向與第i面及i面之前各面組合偏心向量的大小和方向密切相關。通過測量指標自準反射像劃圓的大小和方向計算出鏡組各面軸偏的大小和方位。

3紅外成像鏡組軸偏測量系統

3.1系統總體結構

紅外成像鏡組軸偏測量系統主要包括以下幾個部分:①CO2激光器②光學系統③機械裝置④熱像儀⑤CCD攝像儀⑥監視器及計算機處理系統。系統的光路及構造示意圖如圖1。

光路中除13、14為可見光鏡片外,其余透鏡和反射鏡均為紅外透鏡或紅外反射鏡,所用的紅外鏡片均為鍺鏡。CO2激光由1發出,經反射2,衰減片3,由4擴束為發散光束,經反射鏡5進入測量鏡筒。聚焦鏡6將發射光束聚焦并照亮指標板7,指標板是一塊正面吸收、漫反射,背面全反射,中間開有十字線孔的金屬板,其放置與光路成10°傾斜,為的是使由透射光路出去的指標像由被測鏡面反射回來時能經顯微鏡8,反射鏡9,被熱像儀10接收。16、17構成可調焦望遠鏡的物鏡,17為固定組,16為可伸縮調焦組,焦點位置由連動的調焦標尺12標出(同時還可標出放大倍率)。為了讀值精確,設置了可見光源11照亮調焦標尺,經兩倍顯微鏡13,反射鏡14到達CCD攝像儀15讀取標尺值。由內調焦鏡組出射的指標,調焦在被測鏡組的某一被測面上時,在該面上指標清晰明亮,經該面反射回內調焦望遠鏡系統時,反射光束帶著該被測面球心與系統光軸的偏離信息,通過物鏡17,16,指標板7,顯微鏡8,反射鏡9,進入熱像儀。由于被測系統19是可繞系統基準軸旋轉的,當轉動被測系統時,熱像儀中的指標像因為帶有軸偏量信息而在視場中畫弧(多數情況下只能看到圓的一部分)。指標像匯聚在哪個面上,這是要在測量前由系統設計者給出的。系統的總體指標:

1)系統適用于:①紅外成像光學鏡組軸偏測量,提供各鏡面的軸偏量(角度及線度值),②適用于紅外成像鏡組的在線調校。

2)適用波長:8――14μm(或3―5μm波段)。

3)測量用光:CO2激光,波長10.6μm(或He-Ne激光,波長3.39μm)。

4)測量頭物鏡工作范圍: - 340mm~-∞,+400mm~+∞。

5)系統垂直軸徑向跳動≤1μm,軸向晃動≤1″。

6)立柱導軌不直度≤0.05mm。

7)被測光學鏡組最大直徑350mm,最大高度450mm。

8)測量軸偏精度:角度≤2′,線度≤0.02mm。

3.2CO2激光內調焦望遠鏡

一般小型CO2激光器功率也在瓦級(常用的50cm,1-3W),經過幾次透、反射達到紅外讀出敏感面上(TGS熱釋電熱像儀)的輻照度遠大于光敏面的敏感度(約10-8W/cm2)。光路聚散材料與紅外探測光路中應用的材料相同。考慮到自由載流子吸收小一些,較合適的應選Ge而不是Si。與可見光相比紅外波長要大50倍,因而由衍射決定的最小尺寸比可見光大得多。因此,指標不能做得太小,選取指標大小為長1.5mm,線寬0.05mm的十字線指標。

3.3采用熱像儀指示像讀出

調整CO2激光內調焦望遠鏡的調焦筒,使指標聚焦在待測面上,就可以在熱像儀的監視器上捕捉到指標的自準反射像及工作臺旋轉時自準反射像所畫的圓弧。把監視器上捕捉到的像通過視頻傳輸送給計算機,這樣在計算機屏幕上也獲得了與熱像儀監視器同樣的圓弧。熱像儀采用熱釋電熱像儀(TGS),分辨率為200線。

3.4軸偏計算軟件

3.4.1圓形預處理

用計算機在熱像儀上捕捉到一幀靜態的指標自準像的圓弧,由于指標較寬及可能的衍射現象,指標自準反射像所畫的圓弧會粗糙,所以必須對圓弧進行合理的擬合和修正。圓弧曲線的擬合、修正是用編制的圓形預處理軟件完成的。

3.4.2數據處理

對經過預處理的圓弧采集三點坐標,就會方便地計算出圓弧的直徑及圓心坐標,從而計算出鏡組待測面的軸偏量。全部計算過程用編制的計算程序進行計算,最后給出軸偏量及軸偏角,繪出垂直于基準軸的X――Y平面軸偏矢量圖。

摘自:中國計量計量測控網


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