CN102096274A - 一种大规模面阵拼接焦平面的高精度微调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用机械微调方式进行大规模面阵探测器拼接焦平面的高精度调整方法；本发明采用激光测距进行非连续平面的检测，通过数字平面拟合的方法实现大规模非连续性焦平面的平面重构，然后计算其微调量进行微调。采用本发明所提供的方式，可以实现任意规模的面阵探测器平面的高精度微调。

Description

一种大规模面阵拼接焦平面的高精度微调方法

技术领域

本发明涉及大规模非连续性面阵拼接焦平面的高精度微调方法的研究，包括机械的微调结构、大规模非连续焦平面的平面度检测方法及系统控制的工作方式。

背景技术

目前，在空间遥感领域，地球同步轨道实现大视场和高空间分辨率对探测器焦平面阵列的规模提出了更高的要求，例如：静止轨道实现1000Km*1000Km区域的覆盖，40m的星下点分辨率，面阵探测器的规模需要达到25000像元*25000像元。以现有的微晶材料规模和探测器制造能力，无论是可见还是红外探测器，都无法集成如此大规模的焦平面阵列。因此利用小面阵焦平面拼接，成为解决静止轨道大视场、高空间分辨率空间遥感相机的方法之一，其核心技术在于非连续性拼接焦平面的高精度微调方法。

常用的探测器拼接方法有裸片拼接和机械拼接，裸片拼接由于其成本和单元探测器不可替换的问题，现在大规模面阵拼接主要采用机械拼接，特别是国外的一些大阵列天文望远镜，如LSST、JWST等。本发明将对机械拼接的微调方法展开研究。

发明内容：

本发明采用精密压电陶瓷电机驱动组成的机械微调机构，通过测量相对距离对平面进行数字拟和重构，实现大规模非连续性拼接焦平面的高精度微调。解决传统平面检测技术中四分之一波长相位模糊的问题，以及依赖于调节经验的机械微调方式。

本发明的微调机构如图1所示，单个探测器焦平面采用三个点支撑，每个点支撑采用精密压电陶瓷电机驱动，实现对单个探测器焦平面的位置调整。

所述的平面度检测方法如图3所示，整个测量平台上包括光学平台、激光测距仪、高精度的参考平面及需要调节的非连续面阵焦平面。焦平面的检测通过激光测距的方法，测量各个探测器焦平面到高精度参考平面的相对位置；利用这些相对位置进行数字平面拟合重构，其重构模型如图4所示。

本发明的方法步骤如下：

1)采用精密参考面进行相对位置测量的方法，对非连续性焦平面进行位置采样，以克服传统平面检测中四分之一波长相位模糊的问题；

2)利用得到相对位置数据进行数字平面拟合，得到探测器焦平面的重构平面位置，克服焦平面本身的非平整性带来的拼接困难，使最终得到焦平面像元能够分布在理想位置的精度范围内。

3)计算拟合平面和预设平面中点支撑位置的相对误差，并驱动微调机构的精密压电陶瓷电机使得焦平面达到预设位置。

4)对整个焦平面进行检测和微调，重复1)到3)的步骤使得整个焦平面的平面度达到精度要求。

附图说明：

图1微调机构示意图。

图2探测器排列方式。

图3检测系统结构。

图4平面拟和重构示意图。

具体实施方式：

主要的机械拼接微调机构有垫片微调和精密螺丝微调，在平面度检测反馈过程中进行手动微调；在这个过程中需要良好的装调经验和反复的测量调整。本发明给出一种采用两个探测器并行排列的微调方法，其结构如图2所示；探测器采用两片IBIS14000，探测器间距35.68mm。探测器表面的平面度为50um，通过本发明采用的方法，可以实现将两个焦平面的中心平面位置达到±10um的平面度要求。

1微调机构设计

单个探测器焦平面采用三个球头螺钉进行点支撑，可以实现单个探测器的位置调整。每个点支撑使用精密压电陶瓷电机驱动微调(如采用P工公司的N310压电螺纹马达，在闭环状态下其步进精度可以达到5nm)，其结构如图1所示。

2平面度检测方法

我们采用激光测距仪进行测距，测量各个探测器焦平面到高精度参考平面(RMS达到三十分之一波长精度)的相对位置，其测量精度可以达到um级别。

除了可以克服1/4波长的相位模糊问题；这个方法只需要保证激光测距仪垂直于参考平面即可，对激光测距仪在测量移动过程中本身的位置误差没有要求；其测量平台结构如图3所示。

3平面拟和及误差计算

对于平面度检测中得到的数据，数字平面拟合算法采用最小二乘法平面拟合技术，得到焦平面的中心位置，曲面拟和如图4所示。将预设平面和实际焦平面的位置进行比较计算即可以得到三个支撑点的误差距离。

4系统工作方式

系统工作方式首先是安装好微调机构和平面度检测平台，需要保证的是参考面和激光测距仪是垂直的，参考面在调整后固定不再移动，其结构如图3所示。

调节激光测距仪激光器下面的调节机构对探测器进行扫描，采样10*10个点的相对位置，那么可以得到10*10的矩阵，利用这个矩阵进行平面拟和得到焦平面的中心位置；

计算三个支撑点到预设平面的距离Δd1、Δd2、Δd3；将激光测距仪对准支撑点位置进行跟踪测量，分别驱动压电陶瓷马达移动Δd1、Δd2、Δd3距离；

利用激光测距仪对整个平面重新采样，然后进行平面拟和和误差计算，使单个探测器平面的位置与预设平面的位置的误差满足设计的要求；

对第二个探测器进行同样的操作，既可以得到满足精度要求的非连续性焦平面阵列。对于更多面阵探测器拼接焦平面的微调，本发明采用的方法同样可以完成。

Claims (1)

1.一种利用机械微调机构对非连续性焦平面进行高精度调整的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用精密参考面进行相对位置测量的方法，对非连续性焦平面进行位置采样，以克服传统平面检测中四分之一波长相位模糊的问题；

2)利用得到相对位置数据进行数字平面拟合，得到探测器焦平面的重构平面位置，克服焦平面本身的非平整性带来的拼接困难，使最终得到焦平面像元能够分布在理想位置的精度范围内；

3)计算拟合平面和预设平面中点支撑位置的相对误差，并驱动微调机构的精密压电陶瓷电机使得焦平面达到预设位置；

4)对整个焦平面进行检测和微调，重复1)到3)的步骤使得整个焦平面的平面度达到精度要求。

Images