CN102768411B - 一种基于子孔径分割的光路耦合对准装置及对准方法 - Google Patents

Abstract

一种基于子孔径分割的两光学平台间光路耦合对准装置及对准方法，包括一个基于子孔径分割的传感器、一个驱动控制单元、两个快速倾斜镜。利用基于子孔径分割的传感器可以同时提供光瞳对正信息和光轴对准信息的特点，作为光路的探测机构，获得光路的光瞳对正和光轴对准偏差，通过相应的闭环控制算法，控制一对快速高精度倾斜反射镜对光学系统的光轴和光瞳进行实时校正，最终实现两光学平台间光轴和光瞳的快速高精度对准。

Description

一种基于子孔径分割的光路耦合对准装置及对准方法

技术领域

本发明涉及两个及两个以上光学平台间一种光路耦合对准方法，尤其涉及一种新型的基于子孔径分割的光路耦合对准装置及对准方法。

背景技术

在光学技术的很多应用领域中，经常遇到一个光路耦合对准技术问题。如在大型激光发射系统中,为了制造、装配和调试的方便，激光器系统、光束传输变换系统、光束发射和接收系统等分别置于两个或多个独立光学平台上。即使事先用直尺、铅锤、水平仪等进行事先较准，由于环境温度变化和重力作用，一定时间后两个光学平台间不可避免存在相对位置误差。由于光波长在微米量级，对光束对准的误差要求较高。为此通常需要一套专门的光轴对正和光瞳对准装置，用于保证两个光学平台间的光轴、光瞳对准。这套装置有时也被形象地称作“光学绞链”。光束穿过多个平台时，光束传输相关的两两平台间需要进行光轴、光瞳对准。不同的应用要求需要不同类型的光轴、光瞳对准方法和装置。

目前已公开的申请号为200910078257.8的专利申请中提到一种光路耦合对准方法，使用两个传感器分别探测光瞳和光轴偏移，使用相应的光瞳对正快速控制反射镜和光轴对准快速控制反射镜，实现光路的对准。该方法的缺点是采用两个传感器，占用空间大，结构复杂，成本高，控制复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于子孔径分割的光路耦合对准装置及方法，在实现快速校正，对准精度高的同时，具有占用空间小，结构简单，成本低的优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：如图1所示，基于子孔径分割的光路耦合对准装置，包括第一倾斜镜1和第二倾斜镜2、由缩束系统301和302、微透镜阵列303和CCD探测器304组成的基于子孔径分割的传感器3、控制驱动单元4、分光镜5。利用该装置将第一平台8上的第一光学系统6和第二平台9上的第二光学系统7的光瞳对正和光轴对准。其中光源在第一平台8的第一光学系统6上。

所述的传感器可以是哈特曼传感器或其他基于子孔径分割的传感器。

本发明所述的基于子孔径分割的光路耦合对准方法通过以下步骤实现：

（1）定标阶段

在静态条件下手动调整光路，使得第一光学系统6的光束光瞳对正、光轴对准近似理想的进入第二光学系统7，基于子孔径分割的传感器3对光束进行分割聚焦到CCD上，获得标定状态下光斑阵列数据，计算标定的总体光斑质心(X_c,Y_c)作为光轴对正偏差计算的标定值，各子孔径光斑质心(x_ck,y_ck)作为光轴对准偏差计算的标定值；

所述基于子孔径分割的传感器上第k个子孔径光斑质心的计算公式为：

$x_{\mathrm{ck}}=\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}},$ $y_{\mathrm{ck}}=\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{y}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}}$

其中x_ij,y_ij是第k个子孔径内各象素点的x和y方向的坐标值，I_ij为对应象素点的光强。所述的传感器上光斑的总体质心计算公式为：

$X_c=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ck}}{I}_k}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k},$ $Y_c=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{ck}}{I}_k}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k},$

其中I_k为第k个子孔径的光强和，N是子孔径个数。

（2）闭环控制阶段

所述的闭环控制回路包括第一倾斜镜1和第二倾斜（2、基于子孔径分割的传感器3、驱动控制单元4。

所述的闭环控制方法主要包括以下几个步骤：

步骤1：第一光学系统6启动，发出光束，第一倾斜镜1和第二倾斜镜2、传感器3、驱动控制单元4工作初始化。

步骤2：基于子孔径分割的传感器3将光束聚焦，计算在靶面上光斑的总体质心(X′_c,Y′_c)和各子孔径质心(x_ck′,y_ck′)，计算方法与标定阶段相同。

步骤3：驱动控制单元4计算实时的总体光斑质心偏差d_x、d_y和各子孔径光斑质心平均偏差s_x、s_y，获得当前光瞳对正位置偏差和光轴对准位置偏差量。

光束在X、Y方向上的的总体光斑质心的偏移量d_x、d_y计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_x=X_c^{\′}-X_c\\ d_y=Y_c^{\′}-Y_c\end{array}\right.$

光束在X、Y方向上的倾斜偏差s_x、s_y计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_x=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({x_{\mathrm{ck}}}^{\′}-x_{\mathrm{ck}})\\ s_y=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({y_{\mathrm{ck}}}^{\′}-y_{\mathrm{ck}})\end{array}\right.$

步骤4：通过闭环控制算法计算分别加载到两个倾斜镜上的电压值，并通过驱动控制单元4分别驱动第一倾斜镜1和第二倾斜镜2，对光路进行校正。

根据计算的偏差量，利用比例积分控制算法，所述的施加到第一倾斜镜1上的电压u_1x,u_1y和施加到第二倾斜镜2上的电压u_2x,u_2y分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{1x}={u_{1x}}^{\′}+K_1\×d_x\\ u_{1y}={u_{1y}}^{\′}+K_1\×d_y\\ u_{2x}={u_{2x}}^{\′}-K_1\×d_x+K_2\×s_x\\ u_{2y}={u_{2y}}^{\′}-K_1\×d_y+K_2\×s_y\end{array}\right.$

其中K₁和K₂是PI（比例积分）控制系数，u_1x′,u_1y′,u_2x′,u_2y′是上一步控制电压值（首次循环控制电压为0）。

步骤5：重复上述三个步骤，实现光路实时校正。

本发明与现有技术相比具有的优点在于：

（1）本发明结合在常用的哈特曼波前传感器孔径分光的特点，运用单个基于子孔径分割的传感器控制达到光轴对正和光瞳对准的目的，占用空间小，结构简单，成本低，提升了哈特曼波前传感器功能；

（2）本发明自动化程度高，对环境温度变化或振动等干扰可以实时快速校正，对准精度高；

（3）经过采用大视场的传感器光学涉及以及采用大角度调整范围的倾斜镜，可以适用光瞳偏差和光轴偏差较大的场合；

（4）本发明用途广泛，可用于两个平台间同时存在静态或动态角度、光瞳偏差，并且有光轴、光瞳快速精确对准要求的场合。如车载平台间、飞行器平台间、空间飞行器平台间光路精确快速对准。

附图说明

图1为本发明基于子孔径分割的光路耦合对准装置原理框图；

图2为本发明实施例偏移情况光斑示意图；

图3为本发明实施例对准情况光斑示意图；

图4为本发明实施例对准情况光瞳对正，光轴对准情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本发明实施例的基于子孔径分割的光路耦合对准装置目的是将第一平台8上的光源与第二平台9上的基于子孔径分割的传感器3对准。对准装置包括：第一倾斜镜1、第二倾斜镜2、一个基于子孔径分割的传感器3、驱动控制单元4、分光镜5、第一平台8、第二平台9、第一光学系统6和第二光学系统7；第一倾斜镜1和第一光学系统6位于第一平台8上；第二倾斜镜2、一个基于子孔径分割的传感器3、驱动控制单元4、分光镜5和第二光学系统7位于第二平台9上；光源在第一平台8上的第一光学系统6上。

具体的光路耦合对准方法主要包括定标和闭环控制环节。

（1）定标阶段

发射光束经第一倾斜镜1和第二平台9上的第二倾斜镜2、分光镜5传输，光瞳光轴完全对正进入基于子孔径分割的传感器3内，关于光瞳对正，光轴对准的定义如图4所示，（a）为光瞳未对正，光轴对准情况，（b）为光瞳对正，光轴未对准情况，（c）为光瞳对正，光轴对准情况。通过基于子孔径分割的传感器3进行图像采集和分析，获得标定的总体光斑质心(X_c,Y_c)和各子孔径光斑质心(x_ck，y_ck)，作为光瞳光轴偏差计算的标定量。

（2）闭环控制阶段

所述的闭环控制流程主要包括以下几个步骤：

步骤1：第一光学系统6开启，基于子孔径分割的传感器3、第一倾斜镜1和第二倾斜镜2加电，驱动控制单元4计算工作初始化。

步骤2：基于子孔径分割的传感器3将有光瞳、光轴误差的光束聚焦，计算在靶面上光斑的总体质心(X_x′,Y_c′)和各子孔径质心(x_ck′,y_ck′)，计算方法与标定阶段相同，计算公式参见发明内容部分。

步骤3：驱动控制单元4实时计算的总体光斑质心偏差和各子孔径光斑质心平均偏差，获得当前光瞳位置偏差和光轴偏差量。

步骤4：通过闭环控制算法（如比例积分控制算法）分别计算加载到第一倾斜镜1和第二倾斜镜2上的电压值，并通过驱动第一倾斜镜1和第二倾斜镜2，对光路进行校正。

步骤5：重复上述三个步骤，实现光路实时校正。光路的光瞳对正和光轴对准均存在偏差时在基于子孔径分割的传感器3上的光斑示意图如图2所示，整体光斑不全说明光瞳未对正，子光斑偏差说明光轴对准有误差，当光束光瞳对正和光轴对准校正后的光斑示意图如图3所示，整体光斑齐全，各个子光斑偏差均值为零。

Claims (6)

1.一种基于子孔径分割的光路耦合对准装置，其特征在于包括：第一倾斜镜（1）、第二倾斜镜（2）、一个基于子孔径分割的传感器（3）、驱动控制单元（4）、分光镜（5）、第一平台（8）、第二平台（9）、第一光学系统（6）和第二光学系统（7）；所述第一倾斜镜（1）和第一光学系统（6）位于第一平台（8）上；所述第二倾斜镜（2）、一个基于子孔径分割的传感器（3）、驱动控制单元（4）、分光镜（5）和第二光学系统（7）位于第二平台（9）上；光源在第一平台（8）上的第一光学系统（6）上；从第一光学系统（6）发射的光束分别经过第一倾斜镜（1）、第二倾斜镜（2）、分光镜（5）的传输进入基于子孔径分割的传感器（3）内，由基于子孔径分割的传感器（3）进行图像采集和分析，获得当前光瞳对正位置偏差和光轴对准偏差量，然后通过驱动控制单元（4）通过闭环控制算法分别计算加载到第一倾斜镜（1）和第二倾斜镜（2）上的电压值，并驱动第一倾斜镜（1）和第二倾斜镜（2），实现对光路实时校正，从而将第一平台（8）上的第一光学系统（6）和第二平台（9）上的第二光学系统（7）的光瞳和光轴实时对准；同时分光镜（5）分出的光束进入第二光学系统（7）内，用于评价光束光瞳对正和光轴对准效果。

2.根据权利要求1所述的基于子孔径分割的光路耦合对准装置，其特征在于：所述基于子孔径分割的传感器（3）由缩束系统（301，302）、微透镜阵列（303）和CCD探测器（304）组成,光束经过缩束系统（301，302）缩束后经微透镜阵列（303）分束聚焦后成像到CCD探测器（304）的面靶。

3.一种基于子孔径分割的光路耦合对准方法，其特征在于实现步骤如下：

第一步，定标阶段，在静态条件下，调整第一倾斜镜（1）和第二倾斜镜（2），使得第一光学系统（6）的光束光瞳对正，光束对准在完全对正情况下进入第二光学系统（7）中，作为理想标定状态，此时通过分光镜（5）透射的光束进入基于子孔径分割的传感器（3）中，光束经过缩束系统（301，302）缩束后经微透镜阵列（303）分束聚焦后成像到CCD探测器（304）的靶面，通过图像采集和计算得到标定时的子光斑阵列总体质心(X_c,Y_c)作为光瞳对正偏差计算的标定量，各子孔径光斑质心(x_ck,y_ck)作为光轴对准偏差计算的标定量，其中k=1…NN是微透镜阵列（303）分割子孔径的个数；

第二步，闭环控制阶段，首先将第一光学系统（6）发出的光束适当的调偏，模拟光束对正、光瞳对准有误差情况，经过全光路传输后，利用基于子孔径分割的传感器（3）获得有光束、光束对正、光瞳对准有误差情况下的子光斑整列总体质心(X′_cY′_c)以及各子孔径光斑的质心(x′_1k，y′_2k):

第三步，将第二步骤获得各质心量与第一步获得的标定量相比较，计算得到光束在X、Y方向上的光瞳对正的偏移量d_x、d_y和光束在X、Y方向上的光轴对准偏差S_x、S_y;公式如

$\left\{\begin{array}{c}{d}_x=X_c^{\′}-X_c\\ d_y=Y_c^{\′}-Y_c\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{s}_x=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({x_{\mathrm{ck}}}^{\′}-x_{\mathrm{ck}})\\ s_y=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({y_{\mathrm{ck}}}^{\′}-y_{\mathrm{ck}})\end{array}\right.;$

第四步，根据获得的光瞳对正偏差d_x、d_y通过驱动控制单元（4）驱动第一倾斜镜（1）对光瞳进行循环校正控制，根据光轴对准偏差s_x、s_y通过驱动控制单元（4）驱动第二倾斜镜（2）对光轴进行校正，闭环控制算法公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{1x}={u_{1x}}^{\′}+K_1\×d_x\\ u_{1y}={u_{1y}}^{\′}+K_1\×d_y\\ u_{2x}={u_{2x}}^{\′}-K_1\×d_x+K_2\×s_x\\ u_{2y}={u_{2y}}^{\′}-K_1\×d_y+K_2\×s_y\end{array}\right.$

其中K₁和K₂是比例积分控制系数，u_1x′,u_1y′,u_2x′,u_2y′是上一步控制电压值，首次循环控制电压为0；u_1x,u_1y为施加到第一倾斜镜（1）上的电压，u_2x,u_2y为施加到第二倾斜镜（2）上的电压。

4.根据权利要求3所述的基于子孔径分割的光路耦合对准方法，其特征在于：所述基于子孔径分割的传感器（3）上第k个子孔径光斑质心的计算公式为：

$x_{\mathrm{ck}}=\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}},y_{\mathrm{ck}}=\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{y}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}}$

其中x_ij,y_ij是第k个子孔径内各象素点的x和y方向的坐标值，I_ij为对应象素点的光强。

5.根据权利要求3所述的基于子孔径分割的光路耦合对准方法，其特征在于：所述基于子孔径分割的传感器（3）上光斑的总体质心计算公式为：

$X_c=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ck}}{I}_k}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k},Y_c=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{ck}}{I}_k}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_k},$

其中I_k为第k个子孔径的光强和，N是子孔径个数。

6.根据权利要求3所述的基于子孔径分割的光路耦合对准方法，其特征在于：所述闭环控制算法为比例积分控制算法。

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