一種紅外低溫相機的視軸引出方法技術

本發明專利技術提供了一種紅外低溫相機的視軸引出方法，利用經緯儀分別將相機視軸和低溫平行光管視軸引出到第一外基準立方棱鏡和第二外基準立方棱鏡，通過兩立方鏡坐標系的方向余弦矩陣關系，將紅外低溫相機的視軸引出到低溫平行光管的視軸方向。本發明專利技術實現了紅外低溫相機的視軸引出，解決了紅外低溫相機因探測器不能在常溫下正常工作而無法采用傳統方法進行視軸引出的問題。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于光學領域，涉及。
技術介紹
紅外低溫相機鏡頭通常是在常溫下進行系統裝調和測試，鏡頭傳函、焦距及視場均滿足要求后再安裝紅外探測器。紅外低溫相機整機傳函測試則需提供超高真空、低溫輻射環境，即在低溫真空實驗罐內模擬深空以及地球臨邊背景下來完成。對紅外低溫相機進行系統傳函測試需要借助于低溫平行光管來完成，將模擬靶標置于低溫平行光管焦平處，使模擬靶標和背景的輻射經低溫平行光管準直后進入紅外低溫 相機，通過設置合適的黑體工作溫度，來模擬中長波譜段和長波譜段實際接收的目標和背景的輻射能量。紅外低溫相機探測器及其結構都需要工作在60K環境下，微杜瓦封裝結構的信號引線形式不再適用，探測器采用了氣密無杜瓦封裝結構，必須在真空環境下才能對其制冷，不能在實驗室環境下用制冷機對探測器焦面直接制冷，因此紅外低溫相機探測器在常溫下不能正常工作，不能在常溫下直接通過觀測探測器采集到的圖像將紅外低溫相機視軸調整到低溫平行光管視軸方向。低溫平行光管有效視場角較小(8')，并且離軸拋物鏡和相機均無調整機構，實驗一旦進行就無法對離軸拋物鏡以及相機單獨進行調整，只能對靶標進行一定范圍的調整。低溫平行光管的有效視場之外像質較差，一旦測試時用的不是低溫平行光管的有效視場，就會引入額外的系統像差。為了保證系統傳函測試時使用的是低溫平行光管的中心視場，必須將相機的視軸調整至與低溫平行光管視軸一致，以確保實驗數據的可靠性。
技術實現思路
本專利技術的技術解決問題是提供，解決紅外低溫相機因探測器不能在常溫下正常工作而使視軸無法用傳統方法引出的問題。本專利技術的技術解決方案是，包括下列步驟(I)在常溫下用干涉儀測試紅外低溫相機各個視場的像質，確定出相機的中心視場，把中心視場的方向定義為紅外低溫相機的視軸方向；保持紅外低溫相機和干涉儀的位置不動，將第一外基準立方棱鏡安裝在相機上；用第一經緯儀自準干涉儀出射平行光的方向，第二經緯儀、第三經緯儀自準第一外基準立方棱鏡，之后通過第二經緯儀、第三經緯儀和第一經緯儀之間的兩兩對瞄，得到紅外低溫相機視軸在第一外基準立方棱鏡坐標系Σ !下的單位矢量= Oc1，乃，Z1)；(2)將離軸拋物鏡放置到隔振氣浮平臺上，使干涉儀出射的平行光，經離軸拋物鏡后成像于離軸拋物鏡焦面處；利用自準直原理，在離軸拋物鏡焦面位置放置標準球面鏡，使從干涉儀出射的平行光線經過標準球面鏡后能夠原路返回至干涉儀；(3)干涉儀測量離軸拋物鏡像質，調整離軸拋物鏡的俯仰和旋轉，并相應調整標準球面鏡的平移、俯仰和旋轉，直至離軸拋物鏡波像差最小；定義此時干涉儀出射平行光的方向為離軸拋物鏡方向；(4)用第四經緯儀自準干涉儀出射平行光的方向，將第二外基準立方棱鏡安裝在離軸拋物鏡背后，用第五經緯儀、第六經緯儀自準第二外基準立方棱鏡，之后通過第六經緯儀、第五經緯儀和第四經緯儀之間兩兩對瞄，得到離軸拋物鏡視軸在第二外基準立方棱鏡坐標系Σ 2下的單位矢量Y = ( ，y2，z2);(5)以干涉儀為基準得到兩立方鏡坐標系的夾角余弦矩陣M = Pf * ，其中上標T表示轉置；(6)將離軸拋物鏡和紅外低溫相機固定安裝到測試臺上，用第七經緯儀、第八經緯儀自準第一外基準立方棱鏡，第七經緯儀和第八經緯儀對瞄，得到第一外基準立方棱鏡三個坐標軸在第七經緯儀坐標系Σ C1下的單位向量兄、 和Z ;第九經緯儀和第十經緯儀自準第二外基準立方棱鏡，第九經緯儀和第十經緯儀對瞄，第十經緯儀再與第七經緯儀對瞄，得到 第二外基準立方棱鏡三個坐標軸在第七經緯儀坐標系Σ ^下的單位向量$、$和€，以第七經緯儀為基準的兩個立方鏡坐標系的夾角余弦矩陣N ；(7)分別調整紅外低溫相機和離軸拋物鏡的俯仰和旋轉，直至矩陣N與矩陣M —致；定義離軸拋物鏡的視軸方向為低溫平行光管的視軸方向；此時紅外低溫相機視軸方向與低溫平行光管視軸方向一致；(8)用五棱鏡法將模擬靶標放置在離軸拋物鏡的焦面處。所有所述的經緯儀的測量精度優于I。所述的測試臺能夠分別對離軸拋物鏡和紅外低溫相機進行俯仰和旋轉調節，且調節精度優于30。所述模擬靶標安裝在具有三維平移功能的調整機構上，且該平移調整機構的精度優于 O. Olmnin所述的第一外基準立方棱鏡兩個相鄰面的夾角應為90° ±5，所述的第二外基準立方棱鏡兩個相鄰面的夾角應為90° ±5。本專利技術與現有技術相比的優點在于本方法中紅外低溫相機、低溫平行光管以及模擬靶標三者是空間分離的，利用經緯儀分別將相機視軸和低溫平行光管視軸引出到第一外基準立方棱鏡和第二外基準立方棱鏡，并通過兩立方鏡坐標系的方向余弦矩陣關系，將紅外低溫相機的視軸引出到低溫平行光管的視軸方向，解決了傳統方法中紅外低溫相機因探測器在常溫下無法正常工作而無法進行視軸引出的問題。附圖說明圖1為本專利技術將紅外低溫相機視軸引出到低溫平行光管的原理圖；圖2為本專利技術將低溫相機視軸引出到第一外基準立方棱鏡的示意圖；圖3為本專利技術將低溫平行光管引出到第二外基準立方棱鏡的示意圖；圖4為測量坐標系Σ 0;圖5為視軸和外基準立方棱鏡A關系的測量示意圖；圖6為外基準立方棱鏡B和外基準立方棱鏡C關系的測量示意圖。具體實施例方式如圖1至圖6所示，首先對所需經緯儀知識進行下介紹。a.建立經緯儀測量坐標系以經緯儀的(0°，90° )，(270° ,90° )方向分別為+Y和+Z軸建立右手正交坐標系，稱為測量坐標系，記為Σ O0坐標系的X軸正方向豎直向上，此時Y軸正方向為經緯儀的零位。假設經緯儀自準空間某方向P，對應的水平角和豎直角讀數分別為H和V，如圖4所示，P點的空間向量分量在測量坐標系Σ ^中表示為X = cosVy = sinVcosHz = -sinVsinH (I)b.視軸與立方鏡坐標系的關系如圖5所示，圖中橫線為自準操作，點劃線為對瞄操作；為了確定相機或平行光管的視軸方向，需要將其過渡到外基準立方棱鏡A。如果要測量視軸與外基準立方棱鏡A的關系，需用三臺經緯儀。定義經緯儀A為基準經緯儀，經緯儀A和經緯儀B分別自準外基準立方棱鏡A的兩鏡面法線，經緯儀C自準相機視軸方向，然后再通過經緯儀A、經緯儀B、經緯儀C之間的兩兩對瞄，來確定經緯儀B、經緯儀C相對與經緯儀A的角度轉換關系。經緯儀A、經緯儀B自準外基準立方棱鏡A的讀數分別為(O。，V1)、(H2，V2)，經緯儀C自準相機視軸的讀數為(H3，V3)。由于經緯儀A、經緯儀C及經緯儀B、經緯儀C分別進行了一次對瞄，利用(I)式將經緯儀B、經緯儀C的讀數轉換到基準經緯儀A中的讀數，假設為 αν，V )、OV，V )。以基準經緯儀A的(0°，90° )，(270° ,90° )方向分別為+Y和+Z軸建立右手正交測量坐標系Σ 00由(I)式求得外基準立方棱鏡A兩個鏡面法線的方向矢量在Σ ^下的單位矢量，分別定義為外基準立方棱鏡A坐標系Σ !的+y軸和+z軸，用;P和i表示，則外基準立方棱鏡A坐標系Σ !的+X軸可根據右手法則叉乘求得。外基準立方棱鏡A坐標系Σ !三個坐標軸的方向矢量在測量坐標系Σ ^下分別表示為X = (sin V1 sin v2 sin H2, - cos v, sin v2 cos H2, cos v2 sin V1 - cos v, sin v2 cos H2)少=(cosv;， sin本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種紅外低溫相機的視軸引出方法，其特征在于，包括下列步驟：(1)在常溫下用干涉儀(17)測試紅外低溫相機(14)各個視場的像質，確定出相機的中心視場，把中心視場的方向定義為紅外低溫相機(14)的視軸方向；保持紅外低溫相機(14)和干涉儀(17)的位置不動，將第一外基準立方棱鏡(7)安裝在相機上；用第一經緯儀(13)自準干涉儀(17)出射平行光的方向，第二經緯儀(15)、第三經緯儀(16)自準第一外基準立方棱鏡(7)，之后通過第二經緯儀(15)、第三經緯儀(16)和第一經緯儀(13)之間的兩兩對瞄，得到紅外低溫相機(14)視軸在第一外基準立方棱鏡(7)坐標系∑1下的單位矢量s→=(x1,y1,z1);(2)將離軸拋物鏡(3)放置到隔振氣浮平臺(12)上，使干涉儀(17)出射的平行光，經離軸拋物鏡(3)后成像于離軸拋物鏡(3)焦面處；利用自準直原理，在離軸拋物鏡(3)焦面位置放置標準球面鏡(22)，使從干涉儀(17)出射的平行光線經過標準球面鏡(22)后能夠原路返回至于涉儀(17)；(3)干涉儀(17)測量離軸拋物鏡(3)像質，調整離軸拋物鏡(3)的俯仰和旋轉，并相應調整標準球面鏡(22)的平移、俯仰和旋轉，直至離軸拋物鏡(3)波像差最小；定義此時干涉儀(17)出射平行光的方向為離軸拋物鏡(3)方向；(4)用第四經緯儀(19)自準干涉儀(17)出射平行光的方向，將第二外基準立方棱鏡(2)安裝在離軸拋物鏡(3)背后，用第五經緯儀(20)、第六經緯儀(21)自準第二外基準立方棱鏡(2)，之后通過第六經緯儀(21)、第五經緯儀(20)和第四經緯儀(19)之間兩兩對瞄，得到離軸拋物鏡(3)視軸在第二外基準立方棱鏡(2)坐標系∑2下的單位矢量(5)以干涉儀(17)為基準得到兩立方鏡坐標系的夾角余弦矩陣其中上標T表示轉置；(6)將離軸拋物鏡(3)和紅外低溫相機(14)固定安裝到測試臺(11)上，用第七經緯儀(6)、第八經緯儀(10)自準第一外基準立方棱鏡(7)，第七經緯儀(6)和第八經緯儀(10)對瞄，得到第一外基準立方棱鏡(7)三個坐標軸在第七經緯儀(6)坐標系∑0下的單位向量和第九經緯儀(1)和第十經緯儀(4)自準第二外基準立方棱鏡(2)，第九經緯儀(1)和第十經緯儀(4)對瞄，第十經緯儀(4)再與第七經緯儀(6)對瞄，得到第二外基準立方棱鏡(2)三個坐標軸在第七經緯儀(6)坐標系∑0下的單位向量和以第七經緯儀(6)為基準的兩個立方鏡坐標系的夾角余弦矩陣N；(7)分別調整紅外低溫相機(14)和離軸拋物鏡(3)的俯仰和旋轉，直至矩陣N與矩陣M一致；定義離軸拋物鏡(3)的視軸方向為低溫平行光管的視軸方向；此時紅外低溫相機(14)視軸方向與低溫平行光管視軸方向一致；(8)用五棱鏡法將模擬靶標(9)放置在離軸拋物鏡(3)的焦面處。FSA00000808750300012.tif,FSA00000808750300013.tif,FSA00000808750300021.tif,FSA00000808750300022.tif,FSA00000808750300023.tif,FSA00000808750300024.tif...

【技術特征摘要】
1.一種紅外低溫相機的視軸引出方法，其特征在于，包括下列步驟 (1)在常溫下用干涉儀(17)測試紅外低溫相機(14)各個視場的像質，確定出相機的中心視場，把中心視場的方向定義為紅外低溫相機(14)的視軸方向；保持紅外低溫相機(14)和干涉儀(17)的位置不動，將第一外基準立方棱鏡(7)安裝在相機上；用第一經緯儀(13)自準干涉儀(17)出射平行光的方向，第二經緯儀(15)、第三經緯儀(16)自準第一外基準立方棱鏡(7)，之后通過第二經緯儀(15)、第三經緯儀(16)和第一經緯儀(13)之間的兩兩對瞄，得到紅外低溫相機(14)視軸在第一外基準立方棱鏡(7)坐標系Σ i下的單位矢量S = Ol，乃，Z1); (2)將離軸拋物鏡(3)放置到隔振氣浮平臺(12)上，使干涉儀(17)出射的平行光，經離軸拋物鏡(3)后成像于離軸拋物鏡(3)焦面處；利用自準直原理，在離軸拋物鏡(3)焦面位置放置標準球面鏡(22)，使從干涉儀(17)出射的平行光線經過標準球面鏡(22)后能夠原路返回至于涉儀(17)； (3)干涉儀(17)測量離軸拋物鏡(3)像質，調整離軸拋物鏡(3)的俯仰和旋轉，并相應調整標準球面鏡(22)的平移、俯仰和旋轉，直至離軸拋物鏡(3)波像差最小；定義此時干涉儀(17)出射平行光的方向為離軸拋物鏡(3)方向； (4)用第四經緯儀(19)自準干涉儀(17)出射平行光的方向，將第二外基準立方棱鏡(2)安裝在離軸拋物鏡(3)背后，用第五經緯儀(20)、第六經緯儀(21)自準第二外基準立方棱鏡(2)，之后通過第六經緯儀(21)、第五經緯儀(20)和第四經緯儀(19)之間兩兩對瞄，得到離軸拋物鏡(3)視軸在第二外基準立方棱鏡(2)坐標系Σ 2下的單位矢量Y = O2，少2，z2)； (5)以干涉儀(...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邢輝，焦文春，李春雷，穆生博，
申請(專利權)人：北京空間機電研究所，
類型：發明
國別省市：