CN100370306C - 高精度光束同轴度调整方法 - Google Patents

Abstract

高精度光束同轴度调整方法，本发明涉及收发共用同一天线的光学系统的发射光路与接收光路的同轴度调整方法。它克服了现有方法难以满足高精度应用的需求以及不能用于大孔径天线光学系统的缺陷。本方法首先由被测光学系统的发射光路1发射激光束，激光束经分光镜2、光学天线3在长焦平行光管4的焦点处聚焦成一点像，用CCD探测器6对点像的光斑位置进行测定，由图像采集卡和计算机对点像的图像和位置数据进行接收、记录和计算；关闭1，将遮光板8小孔的中心调整到步骤一的点像光斑位置；在4的焦点位置处安装照明光源9，9通过小孔、4和2向被测光学系统的接收光路10发射光束；以步骤三中透射过分光镜2的光束为基准轴调整10。

Description

高精度光束同轴度调整方法

技术领域

本发明涉及收发共用同一天线的光学系统的发射光路与接收光路同轴度的调整方法。

背景技术

在研制收发共用同一天线的光学系统时，发射光路与接收光路的同轴度是被严格要求的重要参数之一。现有的同轴度调整方法，是由发射光路经天线输出光场，利用角棱镜将其沿原路反射回接收天线进入接收光路，以此入射光为基准轴，对接收光路进行调整，以保证发射、接收光路的同轴性。由于角棱镜加工精度的限制，发射光场并不严格按原路返回，使得发射、接收光路同轴度的精度仅能达到数十μrad，不能满足高精度应用需求。另一方面由于大孔径角棱镜较难加工，因此此方法在大孔径天线光学系统中难以得到应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度光束同轴度调整方法，以克服现有的光束同轴度调整方法精度低、难以满足高精度应用的需求以及不能用于大孔径天线光学系统的缺陷。本发明的方法通过如下步骤实现：一、首先由被测光学系统的发射光路1发射激光束，激光束经分光镜2的反射和光学天线3的扩束后入射长焦平行光管4，在长焦平行光管4的焦点处聚焦成一点像，利用半透明屏幕5在长焦平行光管4的焦平面处对点像进行接收，用带有显微镜头6-1的CCD探测器6对点像的光斑位置进行测定，由图像采集卡11和计算机7对点像的图像和位置数据进行接收、记录和计算；二、关闭发射光路1，将显微镜头6-1前的半透明屏幕5换成开有小孔8-1的遮光板8，在CCD探测器6的监控下，将小孔8-1的中心调整到步骤一的点像光斑位置；三、移除CCD探测器6，在长焦平行光管4的焦点位置处安装照明光源9，照明光源9通过小孔8-1、长焦平行光管4、光学天线3和分光镜2向被测光学系统的接收光路10发射光束；四、以步骤三中透射过分光镜2的光束为基准轴调整接收光路10，从而使接收光路10与透射过分光镜2的光束同轴。

本发明由于小孔的位置与发射光路发射的激光光束成像点位置相同，因此照明光源照射到接收光路中去的入射光与被测光学系统的发射光轴同轴。利用此入射光为基准调整被测光学系统的接收光路即可保证其发射与接收系统的同轴性。本发明利用长焦距平行光管、高精度CCD探测器、计算机图像处理系统，将基准轴与发射光路的同轴度提高到0.1μrad的数量级，满足高精度调整要求。本发明中没用到角棱镜，，不会受大孔径角棱镜较难加工的限制，可将此方法广泛应用于具有大孔径光学天线的光收发系统中。

附图说明

图1是本发明步骤一的示意图，图2是本发明步骤二的示意图，图3是本发明步骤三和四的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3具体说明本实施方式。本实施方式通过以下步骤实现：一、首先由被测光学系统的发射光路1发射激光束，激光束经由分光镜2的反射和光学天线3的扩束后入射长焦平行光管4，在长焦平行光管4的焦点处聚焦成一点像，利用半透明屏幕5(普通的毛玻璃即可)在长焦平行光管4的焦平面处对点像进行接收，用带有显微镜头6-1的CCD探测器6对点像的光斑位置进行测定，由图像采集卡11和计算机7对点像的图像和位置数据进行接收、记录和计算；二、关闭发射光路1，将显微镜头6-1前的半透明屏幕5换成开有小孔8-1的遮光板8，在CCD探测器6的监控下，将小孔8-1的中心调整到步骤一的点像光斑位置；三、移除CCD探测器6，在长焦平行光管4的焦点位置处安装照明光源9，照明光源9通过小孔8-1、长焦平行光管4、光学天线3和分光镜2向被测光学系统的接收光路10发射光束；四、以步骤三中透射过分光镜2的光束为基准轴调整接收光路10，从而使接收光路10与透射过分光镜2的光束同轴。

本实施方式中长焦平行光管4选用焦距12m、口径400mm并带有配套照明光源的长焦平行光管。CCD探测器6选用台湾敏通公司生产的MTV-1801面阵式CCD摄像机，其主要参数如下：光谱响应范围400nm～1100nm；像元数795(H)×596(V)；像元尺寸10μrad；行频15625Hz；场频50Hz；分辨率600TVL；探测灵敏度0.02lx；信噪比大于46dB；工作温度-10℃～50℃；电源DC12V(2W)。对应±1mrad的光束偏转范围，取CCD的有效像元数目为500(H)×500(V)，利用此CCD光斑间距探测精度可达1μm。显微镜头6-1选用日本CBC公司的COMPUTAR MLM-3XMP型显微镜头，其主要参数如下：放大倍率0.3～1.0，工作距离90mm，焦距90mm，D/f＝1∶4.5。图像采集卡11采用基于1394协议的视频图像采集卡，将图像信息输入计算机7。遮光板8上的小孔8-1直径为0.1mm，采用针孔滤波器作为小孔光阑，将小孔光阑至于平行光管焦平面处，在CCD探测器位置不变的情况下监测小孔中心位置，同时进行调整，使其中心与被测系统发射光路点像光斑位置重合。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处是：在步骤一中计算机7通过阈值判断法读取入射到CCD探测器6的点像光斑灰度值，并由式(1)、(2)计算光斑中心坐标。

$X_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)u(g_i-B)x_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)u(g_i-B)}---\left(1\right)$

$Y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)u(g_i-B)y_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)u(g_i-B)}---\left(2\right)$

其中，n为采样窗口中像素的个数，g_i为像素的灰度值，B为采样阈值，u(x)为单位阶跃函数，(x_i，y_i)为像素的坐标。如此设置，能够量化点像的光斑位置坐标，提高遮光板8的小孔8-1与点像光斑位置的重合精度。其它的步骤与实施方式一相同。

Claims (2)

1.高精度光束同轴度调整方法，其特征在于通过如下步骤实现：一、首先由被测光学系统的发射光路(1)发射激光束，激光束经分光镜(2)的反射和光学天线(3)的扩束后入射长焦平行光管(4)，在长焦平行光管(4)的焦点处聚焦成一点像，利用半透明屏幕(5)在长焦平行光管(4)的焦平面处对点像进行接收，用带有显微镜头(6-1)的CCD探测器(6)对点像的光斑位置进行测定，由图像采集卡(11)和计算机(7)对点像的图像和位置数据进行接收、记录和计算；二、关闭发射光路(1)，将显微镜头(6-1)前的半透明屏幕(5)换成开有小孔(8-1)的遮光板(8)，在CCD探测器(6)的监控下，将小孔(8-1)的中心调整到步骤一的点像光斑位置；三、移除CCD探测器(6)，在长焦平行光管(4)的焦点位置处安装照明光源(9)，照明光源(9)通过小孔(8-1)、长焦平行光管(4)、光学天线(3)和分光镜(2)向被测光学系统的接收光路(10)发射光束；四、以步骤三中透射过分光镜(2)的光束为基准轴调整接收光路(10)，从而使接收光路(10)与透射过分光镜(2)的光束同轴。

2.根据权利要求1所述的高精度光束同轴度调整方法，其特征在于在步骤一中计算机(7)通过阈值判断法读取入射到CCD探测器(6)的点像光斑灰度值，并由式(1)、(2)计算光斑中心坐标：

$X_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)u(g_i-B)x_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)u(g_i-B)}---\left(1\right)$

$Y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)u(g_i-B)y_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(g_i-B)u(g_i-B)}---\left(2\right)$

其中，n为采样窗口中像素的个数，g_i为像素的灰度值，B为采样阈值，u(x)为单位阶跃函数，(x_i，y_i)为像素的坐标。

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