CN106705870A - 基于超表面光学成像的高精度测量装置 - Google Patents

基于超表面光学成像的高精度测量装置 Download PDF

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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/14—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures

Abstract

本发明提供了一种基于超表面光学成像的高精度测量装置，其包括用于产生平行光，为后续成像提供光源的平行光源、用于对所述平行光源发出的平行光产生不同的偏折效果的第一超表面光学镜片、用于接收所述第一超表面光学镜片的不同区域透射的光，并进行二次折射，形成两个光斑的第二超表面光学镜片、用于对形成的两个光斑进行成像，并分别提取两个光斑的位置信息及大小信息的成像探测器。本发明可对各结构基准之间的相对位置进行高精度测量，以便后续的精确调节与控制，从而确保载荷主镜及后续光学镜片之间的相对位置符合设计要求，保证载荷及航天器的在轨功能。

Description

基于超表面光学成像的高精度测量装置
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体地，涉及一种基于超表面光学成像的高精度测量装置。
背景技术
在航天领域，为实现更高分辨率，光学遥感航天器的载荷口径越来越大，航天器包络也越来越大。为同时满足载荷大口径(约Φ10m)需求和现有运载的包络约束(约为Φ4.5m)，采用发射阶段载荷收拢和在轨条件下载荷展开的总体设计方式。
为保证载荷及航天器的在轨功能，需精确调控载荷主镜及其他光学镜片之间的相对位置，各镜片都有相应的结构基准，为此需要对各结构基准之间的相对位置进行高精度测量，以便后续调节与控制。
本发明中所涉及的基于超表面光学成像的高精度测距技术，可实现各结构基准相对位置的高精度测量。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于超表面光学成像的高精度测量装置，其利用超表面光学镜片的成像特性，将两个待测结构的相对位置偏差转化成两个光斑的相对变化量，从而解算出两个待测结构相对位置偏差，利用本发明，可对各结构基准之间的相对位置进行高精度测量，以便后续的精确调节与控制，从而确保载荷主镜及后续光学镜片之间的相对位置符合设计要求，保证载荷及航天器的在轨功能。
根据本发明的一个方面，提供一种基于超表面光学成像的高精度测量装置，其特征在于，其包括：
平行光源，用于产生平行光，为后续成像提供光源；
第一超表面光学镜片，位于所述平行光源的左侧，用于对所述平行光源发出的平行光产生不同的偏折效果；
第二超表面光学镜片，位于所述第一超表面光学镜片的左侧，用于接收所述第一超表面光学镜片的不同区域透射的光，并进行二次折射，形成两个光斑；
成像探测器，位于所述第二超表面光学镜片的左侧，用于对形成的两个光斑进行成像，并分别提取两个光斑的位置信息及大小信息。
优选地，所述第一超表面光学镜片、第二超表面光学镜片都基于超表面光学成像原理，表面微结构形式都包括纳米阵列结构、多台阶微纳结构、菲涅尔波带片结构、光子筛微小孔结构。
优选地，所述第一超表面光学镜片包括：
第一超表面光学镜片的微结构部分，位于第一超表面光学镜片的最外侧，用于对进入的平行光进行会聚；
第一超表面光学镜片的透光部分，位于第一超表面光学镜片的微结构部分的内侧，用于使进入的平行光直接穿过；
第一超表面光学镜片的不透光部分，位于第一超表面光学镜片的透光部分的内侧，用于阻挡平行光的进入。
优选地，所述第二超表面光学镜片包括：
第二超表面光学镜片的微结构部分，位于第二超表面光学镜片的最外侧，用于对进入的平行光进行会聚；
第二超表面光学镜片的透光部分，位于第二超表面光学镜片的微结构部分的内侧，用于使进入的光直接穿过。
优选地，所述第二超表面光学镜片的透光部分为通孔或透明材料。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明可对各结构基准之间的相对位置进行高精度测量，以便后续的精确调节与控制，从而确保载荷主镜及后续光学镜片之间的相对位置符合设计要求，保证载荷及航天器的在轨功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于超表面光学成像的高精度测量装置的结构示意图。
图2为本发明的第一超表面光学镜片的结构示意图。
图3为本发明的第二超表面光学镜片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图3所示，本发明基于超表面光学成像的高精度测量装置包括：
平行光源1，用于产生平行光，为后续成像提供光源；
第一超表面光学镜片2，位于所述平行光源1的左侧，用于对所述平行光源1发出的平行光产生不同的偏折效果；
第二超表面光学镜片3，位于所述第一超表面光学镜片2的左侧，用于接收所述第一超表面光学镜片2的不同区域透射的光，并进行二次折射，形成两个光斑；
成像探测器4，位于所述第二超表面光学镜片3的左侧，用于对形成的两个光斑进行成像，并分别提取两个光斑的位置信息及大小信息。
所述第一超表面光学镜片2、第二超表面光学镜片3都基于超表面光学成像原理，表面微结构形式都包括纳米阵列结构、多台阶微纳结构、菲涅尔波带片结构、光子筛微小孔结构，这样具有聚光功能从而具备成像的能力。
所述第一超表面光学镜片2包括：
第一超表面光学镜片的微结构部分21，位于第一超表面光学镜片2的最外侧，用于对进入的平行光进行会聚；
第一超表面光学镜片的透光部分22，位于第一超表面光学镜片的微结构部分21的内侧，用于使进入的平行光直接穿过；
第一超表面光学镜片的不透光部分23，位于第一超表面光学镜片的透光部分22的内侧，用于阻挡平行光的进入。
所述第二超表面光学镜片3包括：
第二超表面光学镜片的微结构部分31，位于第二超表面光学镜片3的最外侧，用于对进入的平行光进行会聚；
第二超表面光学镜片的透光部分32，位于第二超表面光学镜片的微结构部分31的内侧，用于使进入的光直接穿过。
所述第二超表面光学镜片的透光部分32为通孔或透明材料，这样成本低。
第一超表面光学镜片、第二超表面光学镜片都通过在基底材料表面进行微结构加工，使得刻有微结构的区域具有聚光功能，从而具备成像能力。第一超表面光学镜片、第二超表面光学镜片分别安装于间距待测的两个结构上，当两个待测结构严格对准时，成像探测器上获取的两个光斑将严格重合，当两个待测结构相对位置存在偏差时，两个光斑的大小及相对位置便会产生变化；通过成像探测器获得光斑的相对变化量，进行解算后得到两个待测结构相对位置偏差；
第一超表面光学镜片的微结构部分对入射的平行光进行会聚，进入到第二超表面光学镜片的透光部分，形成的光斑位于成像探测器上；第一超表面光学镜片的透光部分对入射的平行光不产生影响，该区域对应的入射光进入到第二超表面光学镜片的微结构部分，经第二超表面光学镜片的微结构部分会聚，形成的光斑位于成像探测器上；
当两个待测结构无相对位置偏差时，成像探测器上获取的两个光斑的中心重合，且位于成像探测器的中央部位；
当两个待测结构存在倾斜时，两个光斑均会偏离成像探测器的中心位置；
当两个待测结构存在偏心时，由第一超表面光学镜片的透光部分和第二超表面光学镜片的微结构部分形成的光斑仍将保持在成像探测器的中心位置；由第一超表面光学镜片的微结构部分和第二超表面光学镜片的透光部分形成的光斑将偏离成像探测器的中心位置，且偏离方向与待测结构偏心方向相同；
当两个待测结构存在轴向偏差时，由第一超表面光学镜片的透光部分和第二超表面光学镜片的微结构部分形成的光斑仍将保持在成像探测器的中心位置，且光斑大小不变；由第一超表面光学镜片的微结构部分和第二超表面光学镜片的透光部分形成的光斑同样保持在成像探测器的中心位置，但光斑大小将发生变化。
综上所述，本发明利用超表面光学镜片的成像特性，将两个待测结构的相对位置偏差转化成两个光斑的相对变化量，从而解算出两个待测结构相对位置偏差，利用本发明，可对各结构基准之间的相对位置进行高精度测量，以便后续的精确调节与控制，从而确保载荷主镜及后续光学镜片之间的相对位置符合设计要求，保证载荷及航天器的在轨功能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基于超表面光学成像的高精度测量装置，其特征在于，其包括：
平行光源，用于产生平行光，为后续成像提供光源；
第一超表面光学镜片，位于所述平行光源的左侧，用于对所述平行光源发出的平行光产生不同的偏折效果；
第二超表面光学镜片，位于所述第一超表面光学镜片的左侧，用于接收所述第一超表面光学镜片的不同区域透射的光，并进行二次折射，形成两个光斑；
成像探测器，位于所述第二超表面光学镜片的左侧，用于对形成的两个光斑进行成像，并分别提取两个光斑的位置信息及大小信息。
2.根据权利要求1所述的基于超表面光学成像的高精度测量装置，其特征在于，所述第一超表面光学镜片、第二超表面光学镜片都基于超表面光学成像原理，表面微结构形式都包括纳米阵列结构、多台阶微纳结构、菲涅尔波带片结构、光子筛微小孔结构。
3.根据权利要求1所述的基于超表面光学成像的高精度测量装置，其特征在于，所述第一超表面光学镜片包括：
第一超表面光学镜片的微结构部分，位于第一超表面光学镜片的最外侧，用于对进入的平行光进行会聚；
第一超表面光学镜片的透光部分，位于第一超表面光学镜片的微结构部分的内侧，用于使进入的平行光直接穿过；
第一超表面光学镜片的不透光部分，位于第一超表面光学镜片的透光部分的内侧，用于阻挡平行光的进入。
4.根据权利要求1所述的基于超表面光学成像的高精度测量装置，其特征在于，所述第二超表面光学镜片包括：
第二超表面光学镜片的微结构部分，位于第二超表面光学镜片的最外侧，用于对进入的平行光进行会聚；
第二超表面光学镜片的透光部分，位于第二超表面光学镜片的微结构部分的内侧，用于使进入的光直接穿过。
5.根据权利要求4所述的基于超表面光学成像的高精度测量装置，其特征在于，所述第二超表面光学镜片的透光部分为通孔或透明材料。
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