專利名稱：一種大規(guī)模面陣拼接焦平面的高精度微調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大規(guī)模非連續(xù)性面陣拼接焦平面的高精度微調(diào)方法的研究，包括機(jī)械 的微調(diào)結(jié)構(gòu)、大規(guī)模非連續(xù)焦平面的平面度檢測(cè)方法及系統(tǒng)控制的工作方式。
背景技術(shù)：
目前，在空間遙感領(lǐng)域，地球同步軌道實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)和高空間分辨率對(duì)探測(cè)器焦平 面陣列的規(guī)模提出了更高的要求，例如靜止軌道實(shí)現(xiàn)1000Km*1000Km區(qū)域的覆蓋，40m的 星下點(diǎn)分辨率，面陣探測(cè)器的規(guī)模需要達(dá)到25000像元拉5000像元。以現(xiàn)有的微晶材料規(guī) 模和探測(cè)器制造能力，無(wú)論是可見(jiàn)還是紅外探測(cè)器，都無(wú)法集成如此大規(guī)模的焦平面陣列。 因此利用小面陣焦平面拼接，成為解決靜止軌道大視場(chǎng)、高空間分辨率空間遙感相機(jī)的方 法之一，其核心技術(shù)在于非連續(xù)性拼接焦平面的高精度微調(diào)方法。常用的探測(cè)器拼接方法有裸片拼接和機(jī)械拼接，裸片拼接由于其成本和單元探測(cè) 器不可替換的問(wèn)題，現(xiàn)在大規(guī)模面陣拼接主要采用機(jī)械拼接，特別是國(guó)外的一些大陣列天 文望遠(yuǎn)鏡，如LSST、JWST等。本發(fā)明將對(duì)機(jī)械拼接的微調(diào)方法展開(kāi)研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用精密壓電陶瓷電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成的機(jī)械微調(diào)機(jī)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量相對(duì)距離對(duì)平 面進(jìn)行數(shù)字?jǐn)M和重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模非連續(xù)性拼接焦平面的高精度微調(diào)。解決傳統(tǒng)平面檢測(cè) 技術(shù)中四分之一波長(zhǎng)相位模糊的問(wèn)題，以及依賴于調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)的機(jī)械微調(diào)方式。本發(fā)明的微調(diào)機(jī)構(gòu)如圖1所示，單個(gè)探測(cè)器焦平面采用三個(gè)點(diǎn)支撐，每個(gè)點(diǎn)支撐 采用精密壓電陶瓷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)探測(cè)器焦平面的位置調(diào)整。所述的平面度檢測(cè)方法如圖3所示，整個(gè)測(cè)量平臺(tái)上包括光學(xué)平臺(tái)、激光測(cè)距儀、 高精度的參考平面及需要調(diào)節(jié)的非連續(xù)面陣焦平面。焦平面的檢測(cè)通過(guò)激光測(cè)距的方法， 測(cè)量各個(gè)探測(cè)器焦平面到高精度參考平面的相對(duì)位置；利用這些相對(duì)位置進(jìn)行數(shù)字平面擬 合重構(gòu)，其重構(gòu)模型如圖4所示。本發(fā)明的方法步驟如下1)采用精密參考面進(jìn)行相對(duì)位置測(cè)量的方法，對(duì)非連續(xù)性焦平面進(jìn)行位置采樣， 以克服傳統(tǒng)平面檢測(cè)中四分之一波長(zhǎng)相位模糊的問(wèn)題；2)利用得到相對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字平面擬合，得到探測(cè)器焦平面的重構(gòu)平面位 置，克服焦平面本身的非平整性帶來(lái)的拼接困難，使最終得到焦平面像元能夠分布在理想 位置的精度范圍內(nèi)。3)計(jì)算擬合平面和預(yù)設(shè)平面中點(diǎn)支撐位置的相對(duì)誤差，并驅(qū)動(dòng)微調(diào)機(jī)構(gòu)的精密壓 電陶瓷電機(jī)使得焦平面達(dá)到預(yù)設(shè)位置。4)對(duì)整個(gè)焦平面進(jìn)行檢測(cè)和微調(diào)，重復(fù)1)到幻的步驟使得整個(gè)焦平面的平面度 達(dá)到精度要求。


圖1微調(diào)機(jī)構(gòu)示意圖。圖2探測(cè)器排列方式。圖3檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖4平面擬和重構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式主要的機(jī)械拼接微調(diào)機(jī)構(gòu)有墊片微調(diào)和精密螺絲微調(diào)，在平面度檢測(cè)反饋過(guò)程中 進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)；在這個(gè)過(guò)程中需要良好的裝調(diào)經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的測(cè)量調(diào)整。本發(fā)明給出一種采 用兩個(gè)探測(cè)器并行排列的微調(diào)方法，其結(jié)構(gòu)如圖2所示；探測(cè)器采用兩片IBIS14000，探測(cè) 器間距35. 68mm。探測(cè)器表面的平面度為50um，通過(guò)本發(fā)明采用的方法，可以實(shí)現(xiàn)將兩個(gè)焦 平面的中心平面位置達(dá)到士 IOum的平面度要求。1微調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)單個(gè)探測(cè)器焦平面采用三個(gè)球頭螺釘進(jìn)行點(diǎn)支撐，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)探測(cè)器的位置調(diào) 整。每個(gè)點(diǎn)支撐使用精密壓電陶瓷電機(jī)驅(qū)動(dòng)微調(diào)(如采用P工公司的N310壓電螺紋馬達(dá)， 在閉環(huán)狀態(tài)下其步進(jìn)精度可以達(dá)到5nm)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。2平面度檢測(cè)方法我們采用激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)距，測(cè)量各個(gè)探測(cè)器焦平面到高精度參考平面(RMS 達(dá)到三十分之一波長(zhǎng)精度)的相對(duì)位置，其測(cè)量精度可以達(dá)到um級(jí)別。除了可以克服1/4波長(zhǎng)的相位模糊問(wèn)題；這個(gè)方法只需要保證激光測(cè)距儀垂直于 參考平面即可，對(duì)激光測(cè)距儀在測(cè)量移動(dòng)過(guò)程中本身的位置誤差沒(méi)有要求；其測(cè)量平臺(tái)結(jié) 構(gòu)如圖3所示。3平面擬和及誤差計(jì)算對(duì)于平面度檢測(cè)中得到的數(shù)據(jù)，數(shù)字平面擬合算法采用最小二乘法平面擬合技 術(shù)，得到焦平面的中心位置，曲面擬和如圖4所示。將預(yù)設(shè)平面和實(shí)際焦平面的位置進(jìn)行比 較計(jì)算即可以得到三個(gè)支撐點(diǎn)的誤差距離。4系統(tǒng)工作方式系統(tǒng)工作方式首先是安裝好微調(diào)機(jī)構(gòu)和平面度檢測(cè)平臺(tái)，需要保證的是參考面和 激光測(cè)距儀是垂直的，參考面在調(diào)整后固定不再移動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。調(diào)節(jié)激光測(cè)距儀激光器下面的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行掃描，采樣10*10個(gè)點(diǎn)的相 對(duì)位置，那么可以得到10*10的矩陣，利用這個(gè)矩陣進(jìn)行平面擬和得到焦平面的中心位置；計(jì)算三個(gè)支撐點(diǎn)到預(yù)設(shè)平面的距離Adi、八d2、Δ d3;將激光測(cè)距儀對(duì)準(zhǔn)支撐點(diǎn) 位置進(jìn)行跟蹤測(cè)量，分別驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷馬達(dá)移動(dòng)Adi、Ad2、Ad3距離；利用激光測(cè)距儀對(duì)整個(gè)平面重新采樣，然后進(jìn)行平面擬和和誤差計(jì)算，使單個(gè)探 測(cè)器平面的位置與預(yù)設(shè)平面的位置的誤差滿足設(shè)計(jì)的要求；對(duì)第二個(gè)探測(cè)器進(jìn)行同樣的操作，既可以得到滿足精度要求的非連續(xù)性焦平面陣 列。對(duì)于更多面陣探測(cè)器拼接焦平面的微調(diào)，本發(fā)明采用的方法同樣可以完成。
權(quán)利要求
1. 一種利用機(jī)械微調(diào)機(jī)構(gòu)對(duì)非連續(xù)性焦平面進(jìn)行高精度調(diào)整的方法，其特征在于包括 以下步驟1)采用精密參考面進(jìn)行相對(duì)位置測(cè)量的方法，對(duì)非連續(xù)性焦平面進(jìn)行位置采樣，以克 服傳統(tǒng)平面檢測(cè)中四分之一波長(zhǎng)相位模糊的問(wèn)題；2)利用得到相對(duì)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字平面擬合，得到探測(cè)器焦平面的重構(gòu)平面位置，克 服焦平面本身的非平整性帶來(lái)的拼接困難，使最終得到焦平面像元能夠分布在理想位置的 精度范圍內(nèi)；3)計(jì)算擬合平面和預(yù)設(shè)平面中點(diǎn)支撐位置的相對(duì)誤差，并驅(qū)動(dòng)微調(diào)機(jī)構(gòu)的精密壓電陶 瓷電機(jī)使得焦平面達(dá)到預(yù)設(shè)位置；4)對(duì)整個(gè)焦平面進(jìn)行檢測(cè)和微調(diào)，重復(fù)1)到幻的步驟使得整個(gè)焦平面的平面度達(dá)到 精度要求。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用機(jī)械微調(diào)方式進(jìn)行大規(guī)模面陣探測(cè)器拼接焦平面的高精度調(diào)整方法；本發(fā)明采用激光測(cè)距進(jìn)行非連續(xù)平面的檢測(cè)，通過(guò)數(shù)字平面擬合的方法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模非連續(xù)性焦平面的平面重構(gòu)，然后計(jì)算其微調(diào)量進(jìn)行微調(diào)。采用本發(fā)明所提供的方式，可以實(shí)現(xiàn)任意規(guī)模的面陣探測(cè)器平面的高精度微調(diào)。
文檔編號(hào)G03B13/18GK102096274SQ20101056431
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者于清華, 孫勝利, 林劍春, 陳凡勝, 雍朝良, 龔學(xué)藝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所