CN113465739A - 一种像切分器检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种像切分器检测装置，包括：准直光源，设置为提供一准直光；分光器件，设置为接收来自所述准直光源的准直光，并透射所述准直光；待测像切分器，设置为接收经过所述分光器件透射的准直光，且经过所述分光器件透射的准直光经所述待测像切分器各子镜反射后，再次入射到所述分光器件上，并经所述分光器件二次反射；焦点接收器，设置为接收经所述分光器件二次反射的准直光，并提供所述待测像切分器各通道的焦点信息。本发明还涉及一种像切分器检测方法。本发明具有结构紧凑、光路易搭建的特点，能够节约成本。另外，本发明对倾斜角度误差更为敏感，能够实现倾斜角度的高精度检测。

Description

一种像切分器检测装置及方法
技术领域
本发明涉及积分视场光谱仪中的积分视场单元，更具体地涉及一种像切分器检测装置及方法。
背景技术
积分视场光谱仪(简称IFS)是对面源天文目标进行光谱观测的仪器，IFS由积分视场单元(简称IFU)和光谱仪共同组成。其中，积分视场单元(IFU)的工作原理为：在输入端将二维视场内的展源目标连续切割成若干单元，并且在输出端按照一定顺序重排后送入光谱仪，通过色散系统后同时获得展源目标的三维数据信息(包括两维位置信息和一维光谱信息)。
IFU的核心器件为像切分器，采用改进型像切分器的IFU作为实现方法之一，其工作原理如图1所示。目标1发出的光线经望远镜和前置光学系统，在其焦面2形成观测目标的图像。位于焦面上的像切分器3将图像进行切分，切分后的图像被反射到不同的方向。每个方向的后面是其对应的瞳镜4，瞳镜4将光线反射到不同方向，从而将切分图像5重新排列为一排，形成“虚拟狭缝”6送入后端光谱仪7进行色散，最终得到目标的光谱信息。
改进型像切分器通常由多个通道紧密堆叠在一起且彼此错开一定角度的窄薄型反光面组成，其工作面为反射球面。由于多通道彼此交错，从而可以将切分后的像面反射到不同方向。改进型像切分器一般采用球面离轴，来实现不同通道的不同指向(对于球面来说，离轴量和倾斜量可以相互转化)。另外，由于天文观测希望对目标有比较高的空间分辨率，因而在望远镜焦距一定的情况下，需要像切分器的厚度非常小。并且，为满足观测所需要的视场，需要像切分器具备几十到上百个通道。这就给改进型像切分器的检测带来了一定难度。
现有的像切分器检测方法可归纳为三种：第一种方法为在系统光路中进行检测，或者专门搭建模拟的系统光路进行检测。但由于系统设计各不相同，这种检测方法不具有通用性，使得时间和经济成本较高。第二种方法为基于内调焦望远镜的经典检测方式，但因为窄薄型反光面的反射面积占比小，会导致反射的对准信号微弱，从而导致检测难以实施或不能实施。第三种方法为采用接触式或非接触式的表面轮廓仪进行检测，但改进式像切分器的工作面为曲面，有矢高误差等因素的影响，而这种检测方法对各通道的角度误差不敏感或检测时需要精确标定测量位置，使得测量方式繁琐费时，容易引入外部误差，从而导致精度不高。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种像切分器检测装置及方法，适用于所有多通道，特别是反光面窄薄的像切分器，具有一定的通用性，能够节约成本，同时能够提高检测精度。
本发明提供一种像切分器检测装置，包括：准直光源，设置为提供一准直光；分光器件，设置为接收来自所述准直光源的准直光，并透射所述准直光；待测像切分器，设置为接收经过所述分光器件透射的准直光，且经过所述分光器件透射的准直光经所述待测像切分器各子镜反射后，再次入射到所述分光器件上，并经所述分光器件二次反射；焦点接收器，设置为接收经所述分光器件二次反射的准直光，并提供所述待测像切分器各通道的焦点信息以根据各通道的焦点的位置信息来获取待测像切分器各通道的配准关系。
进一步地，所述准直光源的口径大于等于所述待测像切分器的通光口径。
进一步地，所述准直光源为平行光管、平面激光干涉仪或内调焦望远镜的形成无穷远目标的光学目标模拟装置。
进一步地，所述分光器件为分光棱镜、分色片或分光薄膜的光学分光器件。
进一步地，所述焦点接收器为CCD或CMOS相机，或者为测量显微镜、内调焦望远镜或纸屏单独或任意组合而成的焦点位置记录测量装置。
本发明还提供一种像切分器检测方法，包括：步骤S1，选定准直光源，并将所述准直光源置于操作台上；步骤S2，打开所述准直光源以发出准直光，将待测像切分器置于准直光路中，并对所述待测像切分器进行调整，以使所述准直光沿所述待测像切分器各通道的母镜光轴方向入射；步骤S3，在所述准直光源和所述待测像切分器之间的光路上放置分光器件，对所述分光器件进行调整，以使所述准直光与所述分光器件成45°角；步骤S4，将焦点接收器置于所述分光器件的正下方，并对所述焦点接收器进行调整，以使所述待测像切分器各通道的焦斑在所述焦点接收器中成像；步骤S5，采集所述待测像切分器各通道的焦斑图像，选取其中一个通道作为参考通道，将参考通道形成的焦斑作为参考点，根据焦斑图像，计算其余焦斑与所述参考点的位置偏差，以及其余通道与所述参考通道的角度偏差。
进一步地，所述步骤S2中调整所述待测像切分器的方法为：将所述待测像切分器置于第一调整架上，调整所述第一调整架以使待测像切分器的底面与准直光路垂直。
进一步地，所述步骤S3中调整所述分光器件的方法为：将所述分光器件置于第二调整架上，调整所述第二调整架，以使入射至所述分光器件的准直光的入射角为45°。
进一步地，所述步骤S4中调整所述焦点接收器的方法为：将所述焦点接收器置于平移台上，调整所述焦点接收器的位置以使所有焦斑落在其靶面上。
进一步地，所述步骤S5包括：步骤S51，对于每个焦斑图像，提取焦斑各处的灰度值，通过数据拟合法获取焦斑的中心像素坐标；步骤S52，根据焦斑的中心像素坐标，计算其余焦斑相对于所述参考点的相对位置偏移量；步骤S53，根据其余焦斑相对于所述参考点的相对位置偏移量，计算其余焦斑在焦面上的中心位置偏差；步骤S54，根据其余焦斑在焦面上的中心位置偏差，计算其余通道相对于所述参考通道的角度偏差。
本发明的像切分器检测装置特别适用于多通道、高分辨率的窄薄型像切分器的检测，具有结构紧凑、光路易搭建的特点，能够节约成本。另外，本发明对倾斜角度误差更为敏感，能够实现倾斜角度的高精度检测，可以应用于像切分器装配过程中的监测，或装配完成后不同通道间的相互位置误差检测。
附图说明
图1为采用改进型像切分器的积分视场单元的工作原理图。
图2是按照本发明的像切分器检测装置的结构示意图。
图3是具有三个通道的像切分器的示意图。
图4是图3的像切分器形成的焦斑的位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
本发明提供的像切分器检测装置及方法，其实现原理为：根据像切分器中各通道彼此交错一定角度或彼此错开一定距离的特点，将一束准直光照射到像切分器中不同的通道上，则像切分器中的不同通道将对准直光进行切分，并将切分后的准直光反射到不同方向或位置。由于改进型像切分器的工作面为球面，反射的准直光将在焦面形成焦斑，焦斑的相互位置关系即反映了像切分器中各个通道子镜间相互的角度倾斜量。
基于上述原理，本发明提供的一种像切分器检测装置，如图2所示，包括准直光源8、分光器件9、待测像切分器10以及焦点接收器12。其中，准直光源8提供一准直光；分光器件9接收来自准直光源8的准直光，并透射该准直光；待测像切分器10接收经过分光器件9透射的准直光，经过分光器件9透射的准直光经待测像切分器10各子镜反射，经待测像切分器10各子镜反射的准直光再次入射到分光器件9上，并经分光器件9二次反射，二次反射的准直光在各自的焦面11上会聚；焦点接收器12接收在焦面11上会聚的准直光，通过分析焦点接收器12上每个通道的焦点的位置信息，即可获取待测像切分器10各通道的配准关系。
上述准直光源8由光源和准直镜头组成，包括但不限于平行光管、平面激光干涉仪、内调焦望远镜等可以形成无穷远目标的光学目标模拟装置。在本实施例中，准直光源8的口径大于等于待测像切分器10的通光口径。
上述分光器件9可以将入射光的部分能量进行反射，部分能量进行透射，包括但不限于分光棱镜、分色片、分光薄膜等光学分光器件。
上述焦点接收器12用于接收并记录待测像切分器10中每个通道形成的光斑的位置，包括CCD、CMOS等相机，也可以是测量显微镜、内调焦望远镜、纸屏等装置单独或组合而成的焦点位置记录测量装置。
本发明的检测装置具有结构紧凑、光路易搭建的特点，特别适用于多通道、高分辨率的超薄型像切分器各通道相对位置的精确检测。
以下通过一具体示例来对上述像切分器检测装置的检测方法进行说明。
选择具有三个通道的像切分器作为待测像切分器10，如图3所示，待测像切分器10具有通道101、102和103，每个通道的通光口径为0.3mm×10mm的矩形反射面，且每个通道的反射面均为球面，曲率半径相同，为R＝400mm，则每个通道的焦距f＝R/2＝200mm。
检测过程包括如下步骤：
步骤S1，选定准直光源8，并将准直光源8置于操作台上。在本实施例中，采用口径≥10mm的平行光管或干涉仪作为准直光源8。
步骤S2，打开准直光源8以使准直光源8发出准直光，将待测像切分器10置于准直光路中，并对待测像切分器10进行调整，以使准直光沿待测像切分器10的通道101、102和103的母镜光轴方向入射。
调整待测像切分器10的方法为：将待测像切分器10置于第一调整架上，通过调整第一调整架，使待测像切分器10的底面(与通道101、102和103相对的面)与准直光路垂直。在本实施例中，第一调整架为五维调整架。
步骤S3，在准直光源8和待测像切分器10之间的光路上放置分光器件9，对分光器件9进行调整，以使准直光源8发出的准直光与分光器件9成45°角。将分光器件9设置为与准直光束成45°角，可使得透射至待测像切分器10的光束与反射至焦点接收器12的光束成90°角，从而使得待测像切分器10和焦点接收器12在空间位置上互不干涉，可以更好地进行配置。
同样地，调整分光器件9的方法为：将分光器件9置于第二调整架上，通过调整第二调整架，以使入射至分光器件9的准直光的入射角为45°。另外，在本实施例中，分光器件9采用分光片或分光棱镜。
步骤S4，将焦点接收器12置于分光器件9的正下方，并对焦点接收器12进行调整，以使待测像切分器10的三个通道的焦斑在焦点接收器12中成像。
以CCD相机为例，调整焦点接收器12的方法为：将CCD相机置于平移台上，调整CCD相机的位置，使三个通道101、102和103的焦斑111、112和113落在其靶面上，再沿光轴方向前后调整CCD相机的位置，直到焦斑111、112和113均成像锐利清晰。
步骤S5，采集待测像切分器10的三个通道的焦斑图像，选取其中一个通道作为参考通道，将参考通道形成的焦斑作为参考点，根据焦斑图像，计算其余焦斑与参考点的位置偏差，以及其余通道与参考通道的角度偏差。具体包括：
步骤S51，对于每个焦斑图像，提取焦斑各处的灰度值，通过数据拟合得到灰度值的极值点，将该极值点作为焦斑中心，从而得到三个焦斑的中心像素坐标：P1(x1，y1)、P2(x2，y2)、P3(x3，y3)。
步骤S52，根据焦斑的中心像素坐标，计算其余焦斑相对于参考点的相对位置偏移量。若以焦斑111为参考点，则焦斑112相对于焦斑111在x方向的相对位置偏移量为ΔPx21＝(x2-x1)×pixel size，在y方向的相对位置偏移量为ΔPy21＝(y2-y1)×pixel size，其中pixel size为所用CCD相机的像元大小。
步骤S53，根据其余焦斑相对于参考点的相对位置偏移量，计算其余焦斑在焦面11上的中心位置偏差。例如，将ΔPx21、ΔPy21与理论位置偏移量ΔPx0、ΔPy0进行差值比较(ΔPx0、ΔPy0由光学设计软件优化的各通道离轴量得到，或通过光线追迹的方式计算)，得到ΔPx＝ΔPx21-ΔPx0，ΔPy＝ΔPy21-ΔPy0。
步骤S54，根据其余焦斑在焦面11上的中心位置偏差，计算其余通道相对于参考通道的角度偏差。例如，通道102相对于通道101的角度偏差为：Δθx＝ΔPx/f＝ΔPx/200，Δθy＝ΔPy/f＝ΔPy/200。
根据反射定律，若反射面的角度偏离α，则出射光相对入射光角度偏离2α。本发明利用像切分器各通道的反射光形成的焦斑位置来测量各通道的倾斜量，故对通道的角度误差有2倍的放大作用。因此，本发明对倾斜角度误差更敏感，能够实现倾斜角度的高精度检测，可以应用于像切分器装配过程中的监测，或装配完成后不同通道间的相互位置误差检测。另外，由于检测精度与待测通道焦距成正比，和焦斑中心定位精度成反比，因而检测时可通过增大焦距、采用小像素相机或亚像元精确定位方式，来进一步提高精度。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种像切分器检测装置，其特征在于，包括：
准直光源，设置为提供一准直光；
分光器件，设置为接收来自所述准直光源的准直光，并透射所述准直光；
待测像切分器，设置为接收经过所述分光器件透射的准直光，且经过所述分光器件透射的准直光经所述待测像切分器各子镜反射后，再次入射到所述分光器件上，并经所述分光器件二次反射；
焦点接收器，设置为接收经所述分光器件二次反射的准直光，并提供所述待测像切分器各通道的焦点信息以根据各通道的焦点的位置信息来获取待测像切分器各通道的配准关系。
2.根据权利要求1所述的像切分器检测装置，其特征在于，所述准直光源的口径大于等于所述待测像切分器的通光口径。
3.根据权利要求1所述的像切分器检测装置，其特征在于，所述准直光源为平行光管、平面激光干涉仪或内调焦望远镜的形成无穷远目标的光学目标模拟装置。
4.根据权利要求1所述的像切分器检测装置，其特征在于，所述分光器件为分光棱镜、分色片或分光薄膜的光学分光器件。
5.根据权利要求1所述的像切分器检测装置，其特征在于，所述焦点接收器为CCD或CMOS相机，或者为测量显微镜、内调焦望远镜或纸屏单独或任意组合而成的焦点位置记录测量装置。
6.一种像切分器检测方法，其特征在于，包括：
步骤S1，选定准直光源，并将所述准直光源置于操作台上；
步骤S2，打开所述准直光源以发出准直光，将待测像切分器置于准直光路中，并对所述待测像切分器进行调整，以使所述准直光沿所述待测像切分器各通道的母镜光轴方向入射；
步骤S3，在所述准直光源和所述待测像切分器之间的光路上放置分光器件，对所述分光器件进行调整，以使所述准直光与所述分光器件成45°角；
步骤S4，将焦点接收器置于所述分光器件的正下方，并对所述焦点接收器进行调整，以使所述待测像切分器各通道的焦斑在所述焦点接收器中成像；
步骤S5，采集所述待测像切分器各通道的焦斑图像，选取其中一个通道作为参考通道，将参考通道形成的焦斑作为参考点，根据焦斑图像，计算其余焦斑与所述参考点的位置偏差，以及其余通道与所述参考通道的角度偏差。
7.根据权利要求6所述的像切分器检测方法，其特征在于，所述步骤S2中调整所述待测像切分器的方法为：将所述待测像切分器置于第一调整架上，调整所述第一调整架以使待测像切分器的底面与准直光路垂直。
8.根据权利要求6所述的像切分器检测方法，其特征在于，所述步骤S3中调整所述分光器件的方法为：将所述分光器件置于第二调整架上，调整所述第二调整架，以使入射至所述分光器件的准直光的入射角为45°。
9.根据权利要求6所述的像切分器检测方法，其特征在于，所述步骤S4中调整所述焦点接收器的方法为：将所述焦点接收器置于平移台上，调整所述焦点接收器的位置以使所有焦斑落在其靶面上。
10.根据权利要求6所述的像切分器检测方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
步骤S51，对于每个焦斑图像，提取焦斑各处的灰度值，通过数据拟合法获取焦斑的中心像素坐标；
步骤S52，根据焦斑的中心像素坐标，计算其余焦斑相对于所述参考点的相对位置偏移量；
步骤S53，根据其余焦斑相对于所述参考点的相对位置偏移量，计算其余焦斑在焦面上的中心位置偏差；
步骤S54，根据其余焦斑在焦面上的中心位置偏差，计算其余通道相对于所述参考通道的角度偏差。
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