專利名稱：一種紅外低溫相機(jī)的視軸引出方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種紅外低溫相機(jī)的視軸引出方法。
背景技術(shù)：
紅外低溫相機(jī)鏡頭通常是在常溫下進(jìn)行系統(tǒng)裝調(diào)和測(cè)試，鏡頭傳函、焦距及視場(chǎng)均滿足要求后再安裝紅外探測(cè)器。紅外低溫相機(jī)整機(jī)傳函測(cè)試則需提供超高真空、低溫輻射環(huán)境，即在低溫真空實(shí)驗(yàn)罐內(nèi)模擬深空以及地球臨邊背景下來完成。對(duì)紅外低溫相機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)傳函測(cè)試需要借助于低溫平行光管來完成，將模擬靶標(biāo)置于低溫平行光管焦平處，使模擬靶標(biāo)和背景的輻射經(jīng)低溫平行光管準(zhǔn)直后進(jìn)入紅外低溫 相機(jī)，通過設(shè)置合適的黑體工作溫度，來模擬中長(zhǎng)波譜段和長(zhǎng)波譜段實(shí)際接收的目標(biāo)和背景的輻射能量。紅外低溫相機(jī)探測(cè)器及其結(jié)構(gòu)都需要工作在60K環(huán)境下，微杜瓦封裝結(jié)構(gòu)的信號(hào)引線形式不再適用，探測(cè)器采用了氣密無杜瓦封裝結(jié)構(gòu)，必須在真空環(huán)境下才能對(duì)其制冷，不能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下用制冷機(jī)對(duì)探測(cè)器焦面直接制冷，因此紅外低溫相機(jī)探測(cè)器在常溫下不能正常工作，不能在常溫下直接通過觀測(cè)探測(cè)器采集到的圖像將紅外低溫相機(jī)視軸調(diào)整到低溫平行光管視軸方向。低溫平行光管有效視場(chǎng)角較小(8')，并且離軸拋物鏡和相機(jī)均無調(diào)整機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)一旦進(jìn)行就無法對(duì)離軸拋物鏡以及相機(jī)單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，只能對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行一定范圍的調(diào)整。低溫平行光管的有效視場(chǎng)之外像質(zhì)較差，一旦測(cè)試時(shí)用的不是低溫平行光管的有效視場(chǎng)，就會(huì)引入額外的系統(tǒng)像差。為了保證系統(tǒng)傳函測(cè)試時(shí)使用的是低溫平行光管的中心視場(chǎng)，必須將相機(jī)的視軸調(diào)整至與低溫平行光管視軸一致，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是提供一種紅外低溫相機(jī)的視軸引出方法，解決紅外低溫相機(jī)因探測(cè)器不能在常溫下正常工作而使視軸無法用傳統(tǒng)方法引出的問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種紅外低溫相機(jī)的視軸引出方法，包括下列步驟(I)在常溫下用干涉儀測(cè)試紅外低溫相機(jī)各個(gè)視場(chǎng)的像質(zhì)，確定出相機(jī)的中心視場(chǎng)，把中心視場(chǎng)的方向定義為紅外低溫相機(jī)的視軸方向；保持紅外低溫相機(jī)和干涉儀的位置不動(dòng)，將第一外基準(zhǔn)立方棱鏡安裝在相機(jī)上；用第一經(jīng)緯儀自準(zhǔn)干涉儀出射平行光的方向，第二經(jīng)緯儀、第三經(jīng)緯儀自準(zhǔn)第一外基準(zhǔn)立方棱鏡，之后通過第二經(jīng)緯儀、第三經(jīng)緯儀和第一經(jīng)緯儀之間的兩兩對(duì)瞄，得到紅外低溫相機(jī)視軸在第一外基準(zhǔn)立方棱鏡坐標(biāo)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(tái)上，使干涉儀出射的平行光，經(jīng)離軸拋物鏡后成像于離軸拋物鏡焦面處；利用自準(zhǔn)直原理，在離軸拋物鏡焦面位置放置標(biāo)準(zhǔn)球面鏡，使從干涉儀出射的平行光線經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)球面鏡后能夠原路返回至干涉儀；(3)干涉儀測(cè)量離軸拋物鏡像質(zhì)，調(diào)整離軸拋物鏡的俯仰和旋轉(zhuǎn)，并相應(yīng)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的平移、俯仰和旋轉(zhuǎn)，直至離軸拋物鏡波像差最?。欢x此時(shí)干涉儀出射平行光的方向?yàn)殡x軸拋物鏡方向；(4)用第四經(jīng)緯儀自準(zhǔn)干涉儀出射平行光的方向，將第二外基準(zhǔn)立方棱鏡安裝在離軸拋物鏡背后，用第五經(jīng)緯儀、第六經(jīng)緯儀自準(zhǔn)第二外基準(zhǔn)立方棱鏡，之后通過第六經(jīng)緯儀、第五經(jīng)緯儀和第四經(jīng)緯儀之間兩兩對(duì)瞄，得到離軸拋物鏡視軸在第二外基準(zhǔn)立方棱鏡坐標(biāo)系Σ 2下的單位矢量Y = ( ，y2，z2);(5)以干涉儀為基準(zhǔn)得到兩立方鏡坐標(biāo)系的夾角余弦矩陣M = Pf * ，其中上標(biāo)T
表示轉(zhuǎn)置；(6)將離軸拋物鏡和紅外低溫相機(jī)固定安裝到測(cè)試臺(tái)上，用第七經(jīng)緯儀、第八經(jīng)緯儀自準(zhǔn)第一外基準(zhǔn)立方棱鏡，第七經(jīng)緯儀和第八經(jīng)緯儀對(duì)瞄，得到第一外基準(zhǔn)立方棱鏡三個(gè)坐標(biāo)軸在第七經(jīng)緯儀坐標(biāo)系Σ C1下的單位向量兄、 和Z ;第九經(jīng)緯儀和第十經(jīng)緯儀自準(zhǔn)第二外基準(zhǔn)立方棱鏡，第九經(jīng)緯儀和第十經(jīng)緯儀對(duì)瞄，第十經(jīng)緯儀再與第七經(jīng)緯儀對(duì)瞄，得到 第二外基準(zhǔn)立方棱鏡三個(gè)坐標(biāo)軸在第七經(jīng)緯儀坐標(biāo)系Σ ^下的單位向量$、$和€，以第七經(jīng)緯儀為基準(zhǔn)的兩個(gè)立方鏡坐標(biāo)系的夾角余弦矩陣N ；(7)分別調(diào)整紅外低溫相機(jī)和離軸拋物鏡的俯仰和旋轉(zhuǎn)，直至矩陣N與矩陣M —致；定義離軸拋物鏡的視軸方向?yàn)榈蜏仄叫泄夤艿囊曒S方向；此時(shí)紅外低溫相機(jī)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(biāo)放置在離軸拋物鏡的焦面處。所有所述的經(jīng)緯儀的測(cè)量精度優(yōu)于I"。所述的測(cè)試臺(tái)能夠分別對(duì)離軸拋物鏡和紅外低溫相機(jī)進(jìn)行俯仰和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)精度優(yōu)于30"。所述模擬靶標(biāo)安裝在具有三維平移功能的調(diào)整機(jī)構(gòu)上，且該平移調(diào)整機(jī)構(gòu)的精度優(yōu)于 O. Olmnin所述的第一外基準(zhǔn)立方棱鏡兩個(gè)相鄰面的夾角應(yīng)為90° ±5"，所述的第二外基準(zhǔn)立方棱鏡兩個(gè)相鄰面的夾角應(yīng)為90° ±5"。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本方法中紅外低溫相機(jī)、低溫平行光管以及模擬靶標(biāo)三者是空間分離的，利用經(jīng)緯儀分別將相機(jī)視軸和低溫平行光管視軸引出到第一外基準(zhǔn)立方棱鏡和第二外基準(zhǔn)立方棱鏡，并通過兩立方鏡坐標(biāo)系的方向余弦矩陣關(guān)系，將紅外低溫相機(jī)的視軸引出到低溫平行光管的視軸方向，解決了傳統(tǒng)方法中紅外低溫相機(jī)因探測(cè)器在常溫下無法正常工作而無法進(jìn)行視軸引出的問題。


圖1為本發(fā)明將紅外低溫相機(jī)視軸引出到低溫平行光管的原理圖；圖2為本發(fā)明將低溫相機(jī)視軸引出到第一外基準(zhǔn)立方棱鏡的示意圖；圖3為本發(fā)明將低溫平行光管引出到第二外基準(zhǔn)立方棱鏡的示意圖；圖4為測(cè)量坐標(biāo)系Σ 0;圖5為視軸和外基準(zhǔn)立方棱鏡A關(guān)系的測(cè)量示意圖；圖6為外基準(zhǔn)立方棱鏡B和外基準(zhǔn)立方棱鏡C關(guān)系的測(cè)量示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1至圖6所示，首先對(duì)所需經(jīng)緯儀知識(shí)進(jìn)行下介紹。a.建立經(jīng)緯儀測(cè)量坐標(biāo)系以經(jīng)緯儀的(0°，90° )，(270° ,90° )方向分別為+Y和+Z軸建立右手正交坐標(biāo)系，稱為測(cè)量坐標(biāo)系，記為Σ O0坐標(biāo)系的X軸正方向豎直向上，此時(shí)Y軸正方向?yàn)榻?jīng)緯儀的零位。假設(shè)經(jīng)緯儀自準(zhǔn)空間某方向P，對(duì)應(yīng)的水平角和豎直角讀數(shù)分別為H和V，如圖4所示，P點(diǎn)的空間向量分量在測(cè)量坐標(biāo)系Σ ^中表示為X = cosVy = sinVcosHz = -sinVsinH (I)b.視軸與立方鏡坐標(biāo)系的關(guān)系如圖5所示，圖中橫線為自準(zhǔn)操作，點(diǎn)劃線為對(duì)瞄操作；為了確定相機(jī)或平行光管的視軸方向，需要將其過渡到外基準(zhǔn)立方棱鏡A。如果要測(cè)量視軸與外基準(zhǔn)立方棱鏡A的關(guān)系，需用三臺(tái)經(jīng)緯儀。定義經(jīng)緯儀A為基準(zhǔn)經(jīng)緯儀，經(jīng)緯儀A和經(jīng)緯儀B分別自準(zhǔn)外基準(zhǔn)立方棱鏡A的兩鏡面法線，經(jīng)緯儀C自準(zhǔn)相機(jī)視軸方向，然后再通過經(jīng)緯儀A、經(jīng)緯儀B、經(jīng)緯儀C之間的兩兩對(duì)瞄，來確定經(jīng)緯儀B、經(jīng)緯儀C相對(duì)與經(jīng)緯儀A的角度轉(zhuǎn)換關(guān)系。經(jīng)緯儀A、經(jīng)緯儀B自準(zhǔn)外基準(zhǔn)立方棱鏡A的讀數(shù)分別為(O。，V1)、(H2，V2)，經(jīng)緯儀C自準(zhǔn)相機(jī)視軸的讀數(shù)為(H3，V3)。由于經(jīng)緯儀A、經(jīng)緯儀C及經(jīng)緯儀B、經(jīng)緯儀C分別進(jìn)行了一次對(duì)瞄，利用(I)式將經(jīng)緯儀B、經(jīng)緯儀C的讀數(shù)轉(zhuǎn)換到基準(zhǔn)經(jīng)緯儀A中的讀數(shù)，假設(shè)為 αν，V )、OV，V )。以基準(zhǔn)經(jīng)緯儀A的(0°，90° )，(270° ,90° )方向分別為+Y和+Z軸建立右手正交測(cè)量坐標(biāo)系Σ 00由(I)式求得外基準(zhǔn)立方棱鏡A兩個(gè)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(zhǔn)立方棱鏡A坐標(biāo)系Σ !的+y軸和+z軸，用;P和i表示，則外基準(zhǔn)立方棱鏡A坐標(biāo)系Σ !的+X軸可根據(jù)右手法則叉乘求得。外基準(zhǔn)立方棱鏡A坐標(biāo)系Σ !三個(gè)坐標(biāo)軸的方向矢量在測(cè)量坐標(biāo)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 V2 cos H2，-sin V2 SinH2)(2)z = (cos V1， sin v,， 0)
同樣根據(jù)(I)式求得相機(jī)視軸在測(cè)量坐標(biāo)系Σ。下方向矢量的單位矢量1:= (cos vj， sin vj cos H3， -sinv' sin/ij)(3)由于外基準(zhǔn)立方棱鏡A坐標(biāo)系Σ !的三個(gè)坐標(biāo)軸和視軸單位矢量 都是在測(cè)量坐標(biāo)系下求得的，因此分別與Σ !的三個(gè)坐標(biāo)軸點(diǎn)乘既可求得相機(jī)視軸在外基準(zhǔn)立方棱
鏡A坐標(biāo)系下的方向矢量,用&表不
ζ =6(4)將$歸一化，得到相機(jī)視軸在外基準(zhǔn)立方棱鏡A坐標(biāo)系Σ !下的單位矢量；s = (X1 , yl , Z1)
( 5 )
權(quán)利要求
1.一種紅外低溫相機(jī)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(cè)試紅外低溫相機(jī)(14)各個(gè)視場(chǎng)的像質(zhì)，確定出相機(jī)的中心視場(chǎng)，把中心視場(chǎng)的方向定義為紅外低溫相機(jī)(14)的視軸方向；保持紅外低溫相機(jī)(14)和干涉儀(17)的位置不動(dòng)，將第一外基準(zhǔn)立方棱鏡(7)安裝在相機(jī)上；用第一經(jīng)緯儀(13)自準(zhǔn)干涉儀(17)出射平行光的方向，第二經(jīng)緯儀(15)、第三經(jīng)緯儀(16)自準(zhǔn)第一外基準(zhǔn)立方棱鏡(7)，之后通過第二經(jīng)緯儀(15)、第三經(jīng)緯儀(16)和第一經(jīng)緯儀(13)之間的兩兩對(duì)瞄，得到紅外低溫相機(jī)(14)視軸在第一外基準(zhǔn)立方棱鏡(7)坐標(biāo)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(tái)(12)上，使干涉儀(17)出射的平行光，經(jīng)離軸拋物鏡(3)后成像于離軸拋物鏡(3)焦面處；利用自準(zhǔn)直原理，在離軸拋物鏡(3)焦面位置放置標(biāo)準(zhǔn)球面鏡(22)，使從干涉儀(17)出射的平行光線經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)球面鏡(22)后能夠原路返回至于涉儀(17)； (3)干涉儀(17)測(cè)量離軸拋物鏡(3)像質(zhì)，調(diào)整離軸拋物鏡(3)的俯仰和旋轉(zhuǎn)，并相應(yīng)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)球面鏡(22)的平移、俯仰和旋轉(zhuǎn)，直至離軸拋物鏡(3)波像差最小；定義此時(shí)干涉儀(17)出射平行光的方向?yàn)殡x軸拋物鏡(3)方向； (4)用第四經(jīng)緯儀(19)自準(zhǔn)干涉儀(17)出射平行光的方向，將第二外基準(zhǔn)立方棱鏡(2)安裝在離軸拋物鏡(3)背后，用第五經(jīng)緯儀(20)、第六經(jīng)緯儀(21)自準(zhǔn)第二外基準(zhǔn)立方棱鏡(2)，之后通過第六經(jīng)緯儀(21)、第五經(jīng)緯儀(20)和第四經(jīng)緯儀(19)之間兩兩對(duì)瞄，得到離軸拋物鏡(3)視軸在第二外基準(zhǔn)立方棱鏡(2)坐標(biāo)系Σ 2下的單位矢量Y = O2，少2，z2)； (5)以干涉儀(17)為基準(zhǔn)得到兩立方鏡坐標(biāo)系的夾角余弦矩陣Μ= ( ；Γ *7,其中上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置； (6)將離軸拋物鏡(3)和紅外低溫相機(jī)(14)固定安裝到測(cè)試臺(tái)(11)上，用第七經(jīng)緯儀(6)、第八經(jīng)緯儀(10)自準(zhǔn)第一外基準(zhǔn)立方棱鏡(7)，第七經(jīng)緯儀(6)和第八經(jīng)緯儀(10)對(duì)瞄，得到第一外基準(zhǔn)立方棱鏡(7)三個(gè)坐標(biāo)軸在第七經(jīng)緯儀(6)坐標(biāo)系下的單位向量耳、 和瓦;第九經(jīng)緯儀(I)和第十經(jīng)緯儀(4)自準(zhǔn)第二外基準(zhǔn)立方棱鏡(2)，第九經(jīng)緯儀(I)和第十經(jīng)緯儀(4)對(duì)瞄，第十經(jīng)緯儀(4)再與第七經(jīng)緯儀(6)對(duì)瞄，得到第二外基準(zhǔn)立方棱鏡⑵三個(gè)坐標(biāo)軸在第七經(jīng)緯儀(6)坐標(biāo)系下的單位向量和石，以第七經(jīng)緯儀(6)為基準(zhǔn)的兩個(gè)立方鏡坐標(biāo)系的夾角余弦矩陣N ； (7)分別調(diào)整紅外低溫相機(jī)(14)和離軸拋物鏡(3)的俯仰和旋轉(zhuǎn)，直至矩陣N與矩陣M—致；定義離軸拋物鏡(3)的視軸方向?yàn)榈蜏仄叫泄夤艿囊曒S方向；此時(shí)紅外低溫相機(jī)(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(biāo)(9)放置在離軸拋物鏡(3)的焦面處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外鏡頭的裝調(diào)方法，其特征在于所有所述的經(jīng)緯儀的測(cè)量精度優(yōu)于I"。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外鏡頭的裝調(diào)方法，其特征在于所述的測(cè)試臺(tái)(11)能夠分別對(duì)離軸拋物鏡(3)和紅外低溫相機(jī)(14)進(jìn)行俯仰和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)精度優(yōu)于30"。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外鏡頭的裝調(diào)方法，其特征在于所述模擬靶標(biāo)(9) 安裝在具有三維平移功能的調(diào)整機(jī)構(gòu)上，且該平移調(diào)整機(jī)構(gòu)的精度優(yōu)于O. 01mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外鏡頭的裝調(diào)方法，其特征在于所述的第一外基準(zhǔn)立方棱鏡(7)兩個(gè)相鄰面的夾角應(yīng)為90° ±5"，所述的第二外基準(zhǔn)立方棱鏡(2)兩個(gè)相鄰面的夾角應(yīng)為90° ±5"。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種紅外低溫相機(jī)的視軸引出方法，利用經(jīng)緯儀分別將相機(jī)視軸和低溫平行光管視軸引出到第一外基準(zhǔn)立方棱鏡和第二外基準(zhǔn)立方棱鏡，通過兩立方鏡坐標(biāo)系的方向余弦矩陣關(guān)系，將紅外低溫相機(jī)的視軸引出到低溫平行光管的視軸方向。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了紅外低溫相機(jī)的視軸引出，解決了紅外低溫相機(jī)因探測(cè)器不能在常溫下正常工作而無法采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行視軸引出的問題。
文檔編號(hào)G02B7/00GK103018876SQ20121047265
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者邢輝, 焦文春, 李春雷, 穆生博 申請(qǐng)人:北京空間機(jī)電研究所