一種畸變測試儀

《一種畸變測試儀》是中國科學院西安光學精密機械研究所於2008年9月19日申請的發明專利，該專利的申請號為2008101510345，公布號為CN101676704，公布日為2010年3月24日，發明人是趙建科、張周鋒、周艷、王鋒、王虎、昌明，該專利涉及光學系統領域。

《一種畸變測試儀》包括轉台，該測試儀還包括光源以及顯微成像系統；光源以及顯微成像系統處於同一光軸上並置於轉台兩側。該發明提供了一種測量精度高、效率高、結構穩定且功能可以擴展的畸變測試儀。

2014年11月6日，《一種畸變測試儀》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種畸變測試儀》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種畸變測試儀
• 公布號：CN101676704
• 公布日：2010年3月24日
• 申請號：2008101510345
• 申請日：2008年9月19日
• 申請人：中國科學院西安光學精密機械研究所
• 地址：陝西省西安市高新區新型工業園信息大道17號
• 發明人：趙建科、張周鋒、周艷、王鋒、王虎、昌明
• 分類號：G01M11/02（2006.01）I；G01B11/02（2006.01）I
• 代理機構：西安智邦專利商標代理有限公司
• 類別：發明專利
• 代理人：商宇科

專利背景

任何光學系統都難以做到完善成像的要求，只是像差的大小不同而已。光學系統存在畸變將直接影響成像目標的幾何位置精度。因此，對於精密測量相機，如航空測量相機、彈道測量相機、CCD數位相機等，畸變的大小對相機測量精度具有決定性的因素。為了得到準確的幾何位置圖像，相機在進行光學設計時不僅要儘可能對畸變進行校正，而且要對實際光學系統需要進行精密的畸變數測定，以便提供在使用中的修正值。

2008年9月前，中國國內檢測畸變的方法都採用《GJB501B-2004》中規定的方法（目標圖案板測量畸變），即在被測光學系統像面處安裝標準格線板，並將光學系統固定在精密轉台迴轉中心，在被測光學系統物方用望遠鏡觀察格線板經鏡頭所成的像，並用轉台記錄每個像高對應的角度。根據望遠鏡測出的像高及轉台記錄的角度值，計算被測光學系統畸變。測試裝置如圖1所示。該方法存在以下缺點：

1、測量精度低。在該方法中採用標準格線板，其格線板的裝調誤差以及本身刻線誤差降低了測量精度；同時由於人眼直接進行觀察，個體之間的差異導致瞄準誤差；再加之精密轉台角度誤差等因素的存在使得畸變的測量精度只能到±3微米。

2、安裝調試工作複雜，結構不穩定，測試效率低。測試前，首先要將格線板的中心與被測物鏡的光軸重合，裝調工作費時費力，需要測試人員至少3到5名配合工作才能完成整個裝調工作，且裝調好後穩定性差，重複測量精度低。

3、對被測系統工作波段要求較高。由於該方法主要靠人眼進行瞄準測量，只適用於對可見光波段光學系統進行測試。

4、測試數據記錄費時費力。此方法所有數據均靠人為手工記錄，最後再將數據輸入計算機進行處理，這種記錄及處理數據的方法難免出現一些不必要的粗大誤差。

發明內容

專利目的

為了解決背景技術中存在的上述技術問題，《一種畸變測試儀》提供了一種測量精度高、效率高、結構穩定且功能可以擴展的畸變測試儀。

技術方案

《一種畸變測試儀》包括轉台，其特殊之處在於：該測試儀還包括光源以及顯微成像系統；所述光源以及顯微成像系統處於同一光軸上並置於轉台兩側。

上述測試儀還包括平行光管；所述平行光管置於光源和轉台之間並與光源及顯微成像系統置於同一光軸上。

上述測試儀還包括測長裝置；所述顯微成像系統固定於測長裝置之上。

上述測長裝置包括雷射干涉儀、反射鏡和兩維導軌；所述反射鏡固定於兩維導軌的橫嚮導軌側面；所述反射鏡法線垂直於光軸；所述雷射干涉儀出射光束垂直反射鏡；所述雷射干涉儀與兩維導軌固定於測長裝置之上。

上述轉台是高精度數顯轉台。

上述高精度數顯轉台是採用27位軸角編碼器且解析度可以達到0.01″的高精度數顯轉台。

上述顯微成像系統是CCD顯微測量系統。

上述CCD顯微測量系統是解析度可以達到0.1微米的高解析度顯微測量系統。

上述光源是雷射光源或者點光源。

改善效果

1、測量精度高。《一種畸變測試儀》採用的精密轉台，該精密轉台精度高、性能穩定，可實現精確定位，轉台總精度優於0.7″；同時在測長裝置中所採用的雷射干涉儀利用雷射器作為測試光束，實現尺寸的精密測量，精度可以達到10納米；加上對CCD採集的圖像進行直方圖均衡，數字濾波，邊緣增強，最佳閾值選擇等算法使圖像去除噪聲，使目標更清晰。同時採用亞像元細分技術，視窗圖像相應放大顯示，可得到1/10像元的解析度，採用質心算法對目標進行判讀。結合CCD顯微測量系統的放大率，圖像判讀精度可以達到0.02微米，該發明的絕對畸變測量精度可以達到0.2微米，測量精度高。

2、安裝調試工作自動化重度高，測量效率高。該發明中所用到的精密轉台的轉動可以通過計算機進行控制，控制精度高，運動平穩；且該發明用CCD顯微測量系統代替了人眼，提高了測量精度及測量效率，使測量時間從原來的2小時提高到0.5個小時，測試人員從原來的三到五名減少到兩人即可完成。

3、結構穩定，重複測量精度高。該發明採用平行光管提供點目標，而且轉台運動平穩，CCD顯微測量系統安裝穩定，使得重複測量精度明顯提高。

4、被測光學系統工作波段不再受限。該發明中的CCD顯微測量系統，光學系統採用平場復消色差設計，解析度高、像質優而且具備較高的有效放大率，光譜回響可以覆蓋從可見光到近紅外，避免了對被測光學系統工作波段的限制。

5、數據處理方便快捷。該發明可通過相關的調試及圖像判讀以及測試分析軟體，對測試過程中產生的有效數據都保存於計算機中。圖像判讀軟體不僅可以實時給出目標的坐標位置，而且在軟體中加入了圖像存儲功能，已被事後進行測試數據的分析。畸變數據處理及分析軟體可以直接讀取計算機中保存的數據進行分析計算，不必像傳統的方法那樣靠人工進行數據的記錄，再導入計算機進行分析計算。

6、實時性好、擴展功能強。該發明結構簡單，方便多人同時觀測全部測試過程，同時不僅可以對光學系統的畸變進行高精度測試，而且可以對被測系統的焦距，成像質量等進行實時測量。

附圖說明

圖1為傳統畸變測量裝置示意圖；

圖2為該發明所提供的較佳實施例的結構示意圖。

權利要求

1、《一種畸變測試儀》包括轉台，其特徵在於：該測試儀還包括光源以及顯微成像系統；所述光源以及顯微成像系統處於同一光軸上並置於轉台兩側；所述測試儀還包括平行光管；所述平行光管置於光源和轉台之間並與光源及顯微成像系統置於同一光軸上；所述測試儀還包括測長裝置；所述顯微成像系統固定於測長裝置上；所述測長裝置包括雷射干涉儀、反射鏡和兩維導軌；所述反射鏡固定於兩維導軌的橫嚮導軌側面；所述反射鏡法線垂直與光軸；所述雷射干涉儀出射光束垂直反射鏡；所述雷射干涉儀與兩維導軌固定於測長裝置之上。

2、根據權利要求1所述的畸變測試儀，其特徵在於：所述轉台是高精度數顯轉台。

3、根據權利要求2所述的畸變測試儀，其特徵在於：所述高精度數顯轉台是採用27位軸角編碼器且解析度可以達到0.01″的高精度數顯轉台。

4、根據權利要求3所述的畸變測試儀，其特徵在於：所述顯微成像系統是CCD顯微測量系統。

5、根據權利要求4所述的畸變測試儀，其特徵在於：所述CCD顯微測量系統是解析度可以達到0.1微米的高解析度顯微測量系統。

6、根據權利要求5所述的畸變測試儀，其特徵在於：所述光源是雷射光源或者點光源。

實施方式

參見圖2，該發明提供了一種畸變測試儀，包括轉台3，該測試儀還包括光源1、平行光管2、以及顯微成像系統8；光源1、平行光管2以及顯微成像系統8依次置於同一光軸9上。

該高精度畸變測試儀還包括測長裝置10，顯微成像系統8固定於測長裝置10上。該測長裝置10包括雷射干涉儀7、反射鏡5和兩維精密導軌6；所述反射鏡5固定於兩維導軌6的橫嚮導軌側面；所述反射鏡5法線垂直於光軸9；所述雷射干涉儀7出射光束垂直反射鏡5；所述雷射干涉儀7與兩維導軌6固定於測長裝置10之上。兩維精密導軌6還可以是其它2008年9月前已有技術中存在的可以對長度進行測試的儀器。兩維精密導軌6由橫嚮導軌與縱嚮導軌組成，橫嚮導軌指的是導軌移動方向與光軸方向垂直的導軌，縱嚮導軌指的是導軌移動方向與光軸平行的導軌。

測長裝置10在工作時，雷射干涉儀7瞄準反射鏡，對雷射干涉儀7進行清零以確定長度測量的起點位置，由於反射鏡位於移動兩維精密導軌6橫嚮導軌的側面，當移動兩維精密導軌6的橫嚮導軌時可以帶動反射鏡移動，雷射干涉儀7就可以精確的測量出反射鏡移動的距離，從而確定長度值。

轉台2是高精度數顯轉台，是採用27位軸角編碼器且解析度可以達到0.01″的高精度數顯轉台；也可以是其它2008年9月前已有技術中的轉台。

顯微成像系統8是高解析度的CCD顯微測量系統，也可以是其它光電成像系統所代替。高解析度的CCD顯微測量系統是解析度可以達到0.1微米的高解析度顯微測量系統。

光源1可以是雷射光源、點光源或者任何一種光源，只要求能夠照亮平行光管2像面處的目標即可。

在平行光管2焦面處安裝星點目標，並用均勻光源1將其照亮，平行光管2能夠對被測光學系統4提供無窮遠的目標，在使用過程中，將被測光學系統4固定在精密轉台3之上，調整兩維精密導軌6，使高解析度的CCD顯微測量系統的位置位於被測光學系統4的最佳焦面處，再調整被測光學系統4的安裝位置使其入瞳位於高精度數顯轉台迴轉中心，以保證被測光學系統4全部視場光束不被遮攔，並使光源1、平行光管2、被測光學系統4以及高精度CCD顯微測量系統處於同一光軸9上。轉動精密轉台得到標準角度，並移動兩維精密導軌6，使高解析度的CCD顯微測量系統採集圖像，通過圖像處理軟體判讀星點像的位置，同時用計算機採集雷射干涉儀7的數據及精密轉台的角度值，根據畸變數據處理公式計算被測光學系統4不同視場的畸變值。

榮譽表彰

2014年11月6日，《一種畸變測試儀》獲得第十六屆中國專利優秀獎。