CN102759796A - 计算全息多点瞬时定位多自由度成像光学***光校技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算全息多点瞬时定位多自由度成像光学***光校技术，它依据待装校成像光学***各光学元件和机械基准的定位需要，设计全息图像，使光束经计算全息图像衍射成像，形成‘标记’像的集合，该‘标记’像对应待装校成像光学***的光学元件和机械组部件的基准，‘标记’像空间相对位置对应待装校成像光学***的光学元件和机械组部件的基准的空间相对位置，该‘标记’像的集合构成待装校光学***的‘立体图’。成像光学***装校过程中，将待装校成像光学***的各光学元件和机械组部的基准与对应的‘标记’像对准，从而完成成像光学***的粗调，使待装校成像光学***进入干涉图阶段，之后，利用计算机辅助像差解耦技术完成精调。

Description

计算全息多点瞬时定位多自由度成像光学***光校技术

技术领域

本发明涉及光学***光校技术，特别涉及一种计算全息多点瞬时定位多自由度成像光学***光校技术。 

技术背景

对于传统具有旋转对称中心轴的成像光学***，其采用具有旋转对称中心轴的光学元件，比如球面镜、高次非球面镜，其支撑结构同样具有旋转对称中心轴。该类成像光学***的装调则利用这种旋转对称特性进行装校，其装校技术相对成熟，装配工具完善，比如经纬仪、偏心仪、标准量棒等。 

随着离轴三反射式消像散光学结构及多自由度自由曲面设计、加工与检验技术发展，多自由度光学单镜渐渐的融入了人们的生产生活，比如汽车车灯，复印机、打印机以及彩色CRT等。 

离轴三反射式消像散光学结构采用的光学单镜多为离轴高次非球面，旋转对称轴位于镜体之外，离轴高次非球面单镜自身形状不规则。多自由度光学自由曲面因无旋转对称轴，形状不规则而得名。这些现状不规则的多自由度光学曲面，相对球面和高次非球面具有更多自由度，其改善光学像质能量更强，具有减小光学仪器尺寸和重量等优点，因此，广泛得到讨论。 

多自由度光学***因具有多自由度，借助传统成像光学***所用的装校方法难以完成多自由度成像光学***装校。 

目前，国内多家单位研制离轴三反射式成像光学***，但因采用的单镜为高次非球面的离轴使用，因此，采用的装校方法沿用传统成像光学***的装校 方法。与此同时，国内对多自由度自由曲面成像光学***的讨论停留在设计阶段，多自由度自由曲面成像光学***的装校技术仍未没突破。 

国际上，美国NASA为Kitt Peak国家观测天文台研制的IRMOS成像光谱仪，以及James Clark Maxwell Telescope的SCUBA-2多目标望远镜采用了多自由度光学自由曲面单镜。这两台相机的公差相对较松，平移公差为0.125mm，倾斜公差为0.016度，其装校完全依赖加工精度保证，因此，支撑框架采用一体加工，基准面的加工在1.2m×2.4m的范围内平面度为0.025mm，从而保证了装校的定位精度，相机能量集中度半高宽为55um。 

综上所述，多自由度光学自由曲面在像差改善、提高成像光学***性能方面具有明显优势，已得到广泛讨论，但是多自由度自由曲面成像光学***的装校方法仍在探索阶段，光学自由曲面的优势发挥受到限制。 

发明内容

本技术发明是针对多自由度高精度光学仪器装校难题而提出，解决部分光学结构形式的装校难题，推进多自由度高精度光学自由曲面在成像光学***中的应用。 

本装校技术是采用光束经计算全息图像衍射成像，形成与待装校光学***中各光学元件和机械组部件基准相对应的‘标记’像的集合，光学***装校过程中，将待装校成像光学***的各光学元件和机械组部的基准与对应的‘标记’像对准，从而完成成像光学***的粗调，使待装校成像光学***进入干涉图阶段，之后，利用计算机辅助像差解耦技术完成精调。 

技术方案 

每个光学元件或者机械零部件都可以视为一个刚体，其上三个点、一条空间曲线或者其他复杂空间图形均可以标示其空间位置。装校完毕的光学仪器同 样可以视为一个刚体，同时也是组成该光学仪器的光机零部件刚体的集合，因此，与光机零部件对应的点、空间曲线、或者其他复杂空间图形之间的空间位置相对固定。 

随着计算全息技术的发展，可以制作多种多样的计算全息图案。光经不同计算全息图案可产生形状各异的像。当形状各异的像与待装校光学***中光学元件和机械零部件的基准对应时，这些像则成为标示待装校光学***中光学元件和机械零部件的基准空间位置和形状的‘标记’像。‘标记’像的集合则成为待装校光学***的‘立体图’。 

基于上述分析，本装校技术方案主要包括装校光路的设计、搭建、光学***的粗调和精调。 

装校光路的设计分以下几步： 

1）借助待装校光学***的结构模装图，明确待装校光学***的结构特点，寻找一个角度，使得装校光路的光源可以同时看到待装校光学***中所有或部分待装校的光学元件及机械零部件局部或全部。 

2）在装校的光学元件及机械零部件上，装校光路的光源可见的部位设计基准，该基准可以是点、线、十字叉丝、环或多边形等空间复杂图形等，在加工检测过程中，将该基准刻或者标示在光学元件和机械零部件上，基准的加工制作或标示的精度由待装校光学***的粗调公差决定。 

3），依照2）中设计的基准，设计装校光路，装校光路包括光源和计算全息板，其中，计算全息板设计多个图案区域，每个图案区域具有不同的功能，分别对应待装校的光学元件及机械零部件的基准‘标记’像和光源定位，当光源入射到光源定位图案上，衍射沿原光路返回，与干涉仪中的参考光干涉，用以光源与计算全息板之间的定位，当光源入射到基准‘标记’像图案上，衍射 成像，且与2）中设计的基准对应，成为其空间的‘标记’像，用以定位待装校光学元件及机械零件。计算全息板图案的设计，根据光源类型、光源与全息板的相对位置、全息板与待校光学***的‘立体图’的相对位置、以及‘立体图’中的‘标记’像与光机结构基准的对应关系，优化设计计算全息图案。为了光源与计算全息板之间的定位，计算全息板上的光源定位图案，以光源入射至光源定位图案，衍射沿原光路返回，与干涉仪中的参考光干涉，产生0条纹干涉图案为设计标准。光源经计算全息板上的基准‘标记’像图案产生的‘标记’像。根据需要，‘标记’像可以是点、线、十字叉丝、环或多边形等空间复杂图形。‘标记’像与待装校光路中的光机基准一一对应，其对应关系包括空间位置和形状特征。‘标记’像的线形精度和位置精度由待装校光学***的粗调公差决定。 

装校光路的搭建方法为：装校光路的光源采用干涉仪光源，可以是平行光光源，也可以是球面光源。使干涉仪光源入射并覆盖计算全息板，调整干涉仪和计算全息板的位置，令入射至光源定位图案的光束衍射沿原光路返回，与干涉仪中的参考光干涉，当干涉图案0条纹，且入射到基准‘标记’像图案的光束衍射成‘标记’像时，装校光路调整完毕； 

光学***粗调为：待装校光路的搭建完毕后，将待装校光学的光学元件和机械零部件的基准与装校光路产生的‘标记’像对准，从而使待装校光学***产生干涉图； 

光学***精调为，当待装校光学***产生干涉图时，利用计算机辅助像差解耦技术，从干涉图中解调出待装校光学***失调量，并进行调节，从而使得待装校光学***到达预期像质，从而完成成像光学***的装校。 

该装校技术具有定位精度高、光学元件位置误差判读直观、装配周期短的 优点。 

附图说明

图1：一个光学单镜及其上的基准线。 

图2：一个用三个标记定位的光学单镜，其中，图中标记1、标记2和标记3为十字叉丝，分别与图1中的基准1、基准2和基准3对应。 

图3：一个光学***及用于标示整个光学***光学元件位置的‘标记’集合，其中，光学单镜1和光学单镜3分别用两组三个十字叉丝标示，光学单镜2用一个空间环标记，标记1、标记2、标记3、标记4、标记5、标记6和标记环构成光学***空间‘立体图’。 

图4：计算全息板，分成八个区域，不同区域图案对应不同衍射‘标记’像和光源定位功能。 

图5：计算全息衍射装校光路示意图，一个点光源经计算全息板衍射成形多个‘标记’像的集合，从而勾勒出光学***的‘立体图’，同时，部分光束遇光源定位图案，衍射沿原路返回，与参考光干涉，从而用于光源与计算全息板之间的位置定位。 

图6：将光学元件装配至‘标记’像集合勾勒出的光学***‘立体图’位置，‘标记’像与其对应的光学元件基准对准。 

图7：装校光学***精调光路，装校光学***的***像差借助于干涉仪和自准光路获取。 

具体实施方式

以一个离轴三反射式光学***的装校方法说明本技术发明。 

离轴三反射式光学***中的每块光学单镜和装校完毕的光学仪器可以视为刚体。每块光学单镜和支撑机械零部件在研制过程中，均可以利用激光在其上 刻蚀高精度的线或者其他复杂空间图形的标识。 

离轴三反射式光学***中的‘光学单镜1’自身形状不规则如图1所示。加工过程中，可以利用激光在其上刻蚀高精度的线，‘光学单镜1’的刻线选为光学元件的四个侧平面的中线。装校光路成的‘标记’像如图2中的用十字线标示的‘标记1’、‘标记2’和‘标记3’，分别与‘光学单镜1’中的刻线‘基准1’、‘基准2’和‘基准3’对应，用于标示‘光学单镜1’的位置。同样，可以根据光学元件的外形特征，采用‘空间环’或者‘空间三角形’等空间复杂图形来标示光学元件的空间位置。 

此离轴三反射式光学***如图3所示，其中‘光学单镜2’背部为一平面，侧面为一个圆柱面，很容易与机械结构构建空间位置关系，因此本待装校光学***选择‘光学单镜1’为安装基准。‘光学单镜2’很容易与机械结构构建空间位置关系，因此，本装校光路无需设计与机械结构的相关的‘标示’像。 

如图3所示，‘光学单镜1’和‘光学单镜3’分别用十字线标示的‘标记1’‘标记2’、‘标记3’、‘标记4’、‘标记5’和‘标记6’标示，‘光学单镜2’用空间环‘标记环’标示。‘标记1’‘标记2’、‘标记3’、‘标记4’、‘标记5’、‘标记6’和‘标记环’相对位置与待装校光学***模型中光学元件基准线和基准环空间位置对应，即勾勒出光学***的‘立体图’。 

‘标记1’‘标记2’、‘标记3’、‘标记4’、‘标记5’、‘标记6’和‘标记环’及相应的空间位置通过设计搭建计算全息衍射装校光路来实现。计算全息板如图4所示，其不同区域具有不同的功能图案，当光源光束照射到计算全息板的产生‘标记’像的区域分别产生‘标记1’‘标记2’、‘标记3’、‘标记4’、‘标记5’、‘标记6’和‘标记环’，干涉仪光源照射到光源定位位置，光束衍射沿原路返回与干涉仪干涉，从而确定光源与计算全息板的相对位置。 

搭建计算全息衍射装校光路如图5所示，球面光源光束经计算全息衍射成‘标记’像——‘标记1’‘标记2’、‘标记3’、‘标记4’、‘标记5’、‘标记6’和‘标记环’，构成光学***‘立体图’。之后，利用计算辅助装校设备，将待装校光学***各光学元件装配到‘标记1’‘标记2’、‘标记3’、‘标记4’、‘标记5’、‘标记6’和‘标记环’勾勒出的‘立体图’标示的位置，且令‘标记’像与其对应的光学元件基准线和基准环对准，如图6所示，使待装校光学***的干涉自准光路进入干涉图阶段，完成光学***的粗调，如图7所示。最后，利用像差解耦技术，将光学***像质装校到理想像质，完成光学***的装校。 

Claims (4)

1.一种计算全息多点瞬时定位多自由度成像光学***光校方法，包括装校光路的设计、搭建、光学***的粗调和精调，其特征在于：

所述的装校光路的设计分以下几步：

1）借助待装校光学***的结构模装图，明确待装校光学***的结构特点，寻找一个角度，使得装校光路的光源可以同时看到待装校光学***中所有或部分待装校的光学元件及机械零部件局部或全部；

2）在装校的光学元件及机械零部件上，装校光路的光源可见的部位设计基准，该基准可以是点、空间曲线或者其他复杂空间图形等，在加工检测过程中，将该基准刻或者标示在光学元件和机械零部件上，基准的加工制作或标示的精度由待装校光学***的粗调公差决定；

3）依照2）中设计的基准，设计装校光路，装校光路包括光源和计算全息板，其中，计算全息板设计多个图案区域，每个图案区域具有不同的功能，分别对应待装校的光学元件及机械零部件的基准‘标记’像和光源定位，当光源入射到光源定位图案上，衍射沿原光路返回，与干涉仪中的参考光干涉，用以光源与计算全息板之间的定位，当光源入射到基准‘标记’像图案上，衍射成像，且与2）中设计的基准对应，成为其空间的‘标记’像，用以定位待装校光学元件及机械零件；

所述装校光路的搭建方法为：装校光路的光源采用干涉仪光源，使干涉仪光源入射并覆盖计算全息板，调整干涉仪和计算全息板的位置，令入射至光源定位图案的光束衍射沿原光路返回，与干涉仪中的参考光干涉，当干涉图案0条纹，且入射到基准‘标记’像图案的光束衍射成‘标记’像时，装校光路调整完毕；

所述的光学***粗调为：待装校光路的搭建完毕后，将待装校光学的光学元件和机械零部件的基准与装校光路产生的‘标记’像对准，从而使待装校光学***产生干涉图；

所述的光学***精调为，当待装校光学***产生干涉图时，利用计算机辅助像差解耦技术，从干涉图中解调出待装校光学***失调量，并进行调节，从而使得待装校光学***到达预期像质，从而完成成像光学***的装校。

2.根据权利要求1所述的一种计算全息多点瞬时定位多自由度成像光学***光校方法，其特征在于:所述的计算全息板图案的设计方法如下：根据光源类型、光源与全息板的相对位置、全息板与待校光学***的‘立体图’的相对位置、以及‘立体图’中的‘标记’像与光机结构基准的对应关系，优化设计计算全息图案。为了光源与计算全息板之间的定位，计算全息板上的光源定位图案，以光源入射至光源定位图案，衍射沿原光路返回，与干涉仪中的参考光干涉，产生0条纹干涉图案为设计标准；光源经计算全息板上的基准‘标记’像图案，衍射产生的‘标记’像的线形精度和位置精度由待装校光学***的粗调公差决定。

3.根据权利要求1所述的一种计算全息多点瞬时定位多自由度成像光学***光校方法，其特征在于：所述的光学元件和机械零部件的基准与装校光路产生的‘标记’像对应，其对应关系包括空间位置和形状特征，光机基准和‘标记’像，根据需要，可以是点、线、十字叉丝、环或多边形空间图形。

4.根据权利要求1所述的一种计算全息多点瞬时定位多自由度成像光学***光校方法，其特征在于：装校光路采用的所述的干涉仪光源发出的光束是平面波光束或者是球面波光束。

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