CN112558318B - 大口径光学元件辅助装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大口径光学元件辅助装调方法，通过对比各种波前传感方式，选择曲率传感，一种非干涉非迭代的波前检测手段进行波前矫正和反馈；结合机械臂的多自由度，可迭代的空间运动功能。利用像差空间与机械臂关节空间的映射关系，结合灵敏度矩阵解算出机械臂的移动量，从而实现对大口径光学元件的大动态范围、高精度的测速度的装调。

Description

大口径光学元件辅助装调方法

技术领域

本发明涉及一种大口径光学元件装调领域，特别涉及一种大口径光学元件辅助装调方法。

背景技术

机器人学的蓬勃发展，极大的丰富了大口径望远镜的加工与装配手段。不论在地面实验室，还是在太空中，机器人都承担了越来越多的装调检测任务。一般来说，透镜装调方式多采用推出、推入等简单的往复运动，装调的自由度少，虽然这种方式稳定易控制，但尺寸较大、通用性差且无法面向多种复杂的运动场景，无法应用于实际偏差大于初始状态的系统设计，具有局限性。

曲率传感器由Roddier在1988年所提出，不同于基于波前斜率的波前传感技术，曲率传感是波前的二阶导数，其与相位分布的联系满足泊松方程。其基本原理是光瞳处波前局部的曲率变化，所对应的焦内像与焦外像的光强分布会发生对应的变化，根据近场电磁波的传输方程，可以解算出波前信息，但采用双向采集的方法会降低系统装调的效率。

发明内容

本发明为了解决现有装调方式无法实现波长级别的测量，本发明从旋量理论出发，利用机械臂的空间运动功能，将待检测波前移动到所需要的位置。利用位于焦面成像元件，结合曲率传感可以判断系统光学元件位置精度是否符合要求，提供一种大口径光学元件辅助装调方法。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种大口径光学元件辅助装调方法，其特征在于，包括：

将机械臂夹持的光学元件置入子系统的入射光轴，选取合适位置，保证主镜光斑落在探测器的可探测到范围内；

利用位于子系统焦点处的探测器上单侧离焦星点像的变化，确定探测器与子系统同轴；

利用曲率传感获得单侧离焦星点像的波前信息，结合灵敏度矩阵建立像差空间与机械臂关节空间的映射关系AΔD＝ΔZ(1)，并以此解算获得的机械臂的移动量ΔD，对机械臂进行调整；其中，A为灵敏度矩阵、ΔZ为单侧离焦星点像图各项指标系统变化量；

具体解算过程如下：

其中u₁…u_N为各关节的转动量、P为单侧离焦星点像的周长、W为单侧离焦星点像的二阶矩、e为单侧离焦星点像信息熵、c为沿两个方向的光强相关度；

对A进行奇异值分解，A＝UΣV^T，

其中，∑＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_l)为A的奇异值，U、V为分解得到的两个酉矩阵；

优选地，利用曲率传感获得所述像差空间的所述单侧离焦星点像的波前信息。

优选地，利用单侧离焦星点像周长P表征离焦程度，其求解表达式为：

其中，N_x为水平轮廓的像元数，N_y为竖直轮廓的像元数，N_xy为斜方向的像元数，周长P为这些像元数的加权总和。

优选地，利用椭圆的长轴l方向表征单侧离焦星点像像散的方向，用椭圆长轴l与短轴w的比获得单侧离焦星点像像散的大小E，其求解表达式为：

E＝l/w (3)。

优选地，利用单侧离焦星点像的光强沿两个方向的相关度c表征其的偏心程度，其求解表达式为：

c＝cov(D,D^T) (4)

其中，D为单侧离焦星点像矩阵。

优选地，利用信息熵e来表征像的无序化程度，设单侧离焦星点像灰度值v_i有n种取值(i＝1,2…n)，对应出现的概率为P₁，P₂…P_n，根据熵的定义得出其求解表达式为：

优选地，利用单侧离焦星点像的二阶矩W表征图像灰度值的纹理特征，其求解表达式为：

其中，f(x)为图像灰度值；

E(x)为横坐标的中心值；

x为横坐标；

a、b为探测器板面的极限值。

优选地，在探测器前加入不同波长滤光片，以适应各波段光学件的装调需求。

本发明能够取得以下技术效果：

1、实现无人、远程操作，适应各种极端安装、装调环境；

2、多自由度可精细调整，实现波长级别的精度调整；

3、适应高可变的装调任务，通用性好。

附图说明

图1是本发明实施例的一种大口径光学元件辅助装调方法的流程图；

图2是本发明实施例的装调布置示意图；

图3是本发明实施例的星点像的像散大小及方向示意图。

其中的附图标记包括：

1探测器、2机械臂、3待装调子系统主镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

在本发明采用单侧的离焦星点像可以避免采用双向采集焦内像与焦外像引起的系统装调效率低的问题；

采用曲率传感这种非干涉、非迭代的波前检测手段对于实际应用中机械臂的抖动控制的实时性有很好的助力作用；另其精度优于机械臂的定位精度，故利用曲率传感可以实现对位置信息进行更高精度的测量，可以获得突破机械臂精度的光学元件位置信息；

利用机械臂的单自由度模式，以迭代的方式分别对单个自由度进行微动，从而实现多自由度的精细调整。

图1示出了本发明提供的一种大口径光学元件辅助装调方法的调节流程，结合图2，通过具体实施例来进行详细说明。

在本发明的一个优选实施例中，将机械臂2夹持的光学元件置入子系统的入射光轴，选取合适位置，使位于子系统焦点处的探测器1可以探测到入射到机械臂2夹持的光学元件后的全部单侧离焦星点像；通过改变探测器1在光轴上的前后位置，观察探测器1上的像点是否只有大小的变化以确定探测器1与待装调子系统主镜3的光轴是否同轴，而此时机械臂1夹持的光学元件与子系统的光轴大致同轴，机械臂2带动光学元件在此光轴基础上移动时，会产生固定类型的像差，利用曲率传感获得单侧离焦星点像的波前信息，结合灵敏度矩阵建立像差空间与机械臂关节空间的映射关系AΔD＝ΔZ(1)，并以此解算获得的机械臂2的移动量ΔD，对机械臂2进行调整。

在本发明的另一个实施例中，利用远处的激光器发出的星点光，为子系统提供单点光源，此时经过子系统后产生的球差可以忽略；

在本发明的一个优选实施例中，对灵敏度矩阵A进行奇异值分解，

A＝UΣV^T，其中，∑＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_l)为A的奇异值，可分解得到U、V两个酉矩阵以及机械臂的移动量：

从而可以得到

中各关节的转动量u₁…u_N。

在本发明的一个优选实施例中，机械臂2的移动主要通过离焦调整模块、像倾斜调整模块以及偏心调整模块的迭代完成，其中：

a.离焦调整模块主要通过单侧离焦星点像周长P表征离焦程度，其求解表达式为：

其中，N_x为水平轮廓的像元数，N_y为竖直轮廓的像元数，N_xy为斜方向的像元数，周长P为这些像元数的加权总和；

b.像倾斜调整模块主要通椭圆长轴l上的像元数与短轴w上的像元数(如图3所示)的比获得单侧离焦星点像像散的大小E，其求解表达式为：

E＝l/w (3)

用椭圆的长轴l方向表征单侧离焦星点像像散的方向；

在对像倾斜调整模块进行调整时，其它参数会略微产生变化，但由于几个模块以的迭代调整方式，则可以进一步降低调整像倾斜调整模块时对其它参数变化带来的影响。

c.偏心调整模块主要通过单侧离焦星点像的光强沿两个方向的相关度c表征像的偏心程度，其求解表达式为：

c＝cov(D,D^T) (4)

其中，D为单侧离焦星点像矩阵；

当机械臂2根据以上三个参数对夹持的光学元件进行调整，使其位于子系统中较理想的位置时，再依此三个参数指标对相应模块进行调整，则单侧离焦星点像的变化不明显，此时采用更高阶的表征方式，使单侧离焦星点像的特性突显。

在本发明的一个优选实施例中，通过引入信息熵e和二阶矩W来对星像点作整体评价，具体如下：

d.利用信息熵e来表征像的无序化程度，设单侧离焦星点像灰度值v_i有n种取值(i＝1,2…n)，对应出现的概率为P₁，P₂，…P_n，根据熵的定义得出其求解表达式为：

e.利用单侧离焦星点像的二阶矩W表征图像灰度值的纹理特征，其求解表达式为：

其中，f(x)为图像灰度值；

E(x)为横坐标的中心值；

x为横坐标；

a、b为探测器板面的极限值。

当机械臂2上夹持的光学元件沿着进行调整后的光轴方向进行前后离焦运动时，探测器1上的单侧离焦星点像只产生大小变化，而无其他形态学上的变化，则认为此时光学元件沿光轴运动，即完成了对大口径光学元件的装调。

在本发明的另一个实施例中，在探测器前加入不同波长滤光片可以适应各波段光学件的装调需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种大口径光学元件辅助装调方法，其特征在于，包括：

将机械臂夹持的光学元件置入子系统的入射光轴，选取合适位置，保证主镜光斑落在探测器的可探测到范围内；

通过改变所述探测器在入射光轴上的前后位置，使所述探测器上的像点只有大小的变化，以确定所述探测器与待装调子系统主镜的光轴同轴；

利用曲率传感获得单侧离焦星点像的波前信息，结合灵敏度矩阵建立像差空间与机械臂关节空间的映射关系：AΔD＝ΔZ (1)，

并以此解算获得所述机械臂的移动量ΔD，对所述机械臂进行调整；其中，A为灵敏度矩阵、ΔZ为单侧离焦星点像图各项指标系统变化量；

具体解算过程如下：

其中u₁…u_N为所述机械臂中各关节的转动量、P为所述单侧离焦星点像的周长、W为所述单侧离焦星点像的二阶矩、e为所述单侧离焦星点像信息熵、c为所述单侧离焦星点像沿两个方向的光强相关度；

对A进行奇异值分解，A＝UΣV^T，

其中，∑＝diag(λ₁,λ₂,…,λ_l)为A的奇异值，U、V为分解得到的两个酉矩阵；

2.根据权利要求1所述的大口径光学元件辅助装调方法，其特征在于，利用曲率传感获得所述像差空间的所述单侧离焦星点像的波前信息。

3.根据权利要求1所述的大口径光学元件辅助装调方法，其特征在于，利用所述单侧离焦星点像周长P表征离焦程度，其求解表达式为：

其中，N_x为水平轮廓的像元数，N_y为竖直轮廓的像元数，N_xy为斜方向的像元数，周长P为这些像元数的加权总和。

4.根据权利要求1所述的大口径光学元件辅助装调方法，其特征在于，利用椭圆的长轴l方向表征所述单侧离焦星点像像散的方向，用所述椭圆长轴l与短轴w的比获得所述单侧离焦星点像像散的大小E，其求解表达式为：

E＝l/w (3)。

5.根据权利要求1所述的大口径光学元件辅助装调方法，其特征在于，利用所述单侧离焦星点像的光强沿两个方向的相关度c表征其偏心程度，其求解表达式为：

c＝cov(D,D^T) (4)

其中，D为单侧离焦星点像矩阵。

6.根据权利要求1所述的大口径光学元件辅助装调方法，其特征在于，利用信息熵e来表征像的无序化程度，设所述单侧离焦星点像灰度值v_i有n种取值(i＝1,2.....n)，对应出现的概率为P₁，P₂，…P_n，根据熵的定义得出其求解表达式为：

7.根据权利要求1所述的大口径光学元件辅助装调方法，其特征在于，利用所述单侧离焦星点像的二阶矩W表征图像灰度值的纹理特征，其求解表达式为：

其中，f(x)为图像灰度值；

E(x)为横坐标的中心值；

x为横坐标；

a、b为探测器板面的极限值。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的大口径光学元件辅助装调方法，其特征在于，在所述探测器前加入不同波长滤光片，以适应各波段光学件的装调需求。

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