CN117606388A - 基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，包括安装于被测拼接系统中待测拼接位置的拼接式空心后向反射器，拼接式空心后向反射器包括若干个后向反射器单元，在距离被测拼接系统预定距离或者预定角度范围设置有不影响系统使用的光源和回射光斑成像检测系统，光源的光照射到后向反射器单元，其反射光照射至回射光斑成像检测系统，通过对返回光斑进行光斑图像位移处理和测量，根据位移和角度正比关系，获得待拼接单元间的拼接角及其变化。本发明能直接实现广泛应用下的各种拼接系统的相邻拼接单元的角度误差测量，具有原理清晰明确、结构紧凑、工艺原理简单、安装精度要求低等优点。

Description

基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器

技术领域

本发明涉及一种基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，用于各类拼接系统内相邻拼接部件间的角度的高精度测量，尤其是适合于需要实现拼接的地面空间天文望远镜主镜/主反射面之间拼接角度误差的高精度检测(包括共焦拼接镜面主动光学系统和主动反射面系统等)的多个场景。

背景技术

高精度传感器技术是科学技术高度发展的必然选择。国际上重大科学工程中因为追求更大口径、更高性能等需求而采用创新拼接的方式，迫切需要高精度的拼接的测角传感器。比如：1)大型射电望远镜主反射面，通常采用大规模的子面板PANEL进行拼接，2)大型光学/红外天文望远镜，通常采用大规模的子镜SUB-MIRROR进行拼接，3)一些大型空间组装的系统，在发射前折叠发射后展开再拼接，诸如此类，这些为了实现高精度的拼接，达到类似采用单块整块主反射面或者主镜或者整体系统的效果，需要对大规模的拼接部件进行实时的高精度的相对姿态(尤其是相邻拼接角度)的高精度测量尤为迫切，作为反馈驱动主动调整结构，实现完美的拼接系统的拼接角度误差的测量和控制，最终实现和维持高精度的系统性能。举例，主动反射面技术中，采用相邻子面板共用支撑点，相邻面板之间主要误差为二面角误差；在主动光学技术中，相邻子镜间的角度误差是子镜共焦全部内容和子镜共相的两大关键内容之一(共相误差主要包括角度误差Tip/Tilt和相邻子镜高低差Piston)。

常见可用于高精度拼接角度误差测量的传感器很少，主要分为接触式和非接触式，直接检测式和间接检测式等等；接触式主要包括在背面或者侧面的一定距离上安装多个电容、电感、电涡流等高精度位移传感器，将高精度测角转换成高精度的测距；而非接触式主要有光纤位移传感器和其它基于光学系统的瞳孔检测和像面检测方法，同样是将高精度测角转换成高精度的测距；直接检测是指直接获得待测角的表达，而间接检测则需要检测角度或者其它物理量通过公式或者方法间接获得角度。间接测角在高精度测角系统应用中更为常见，当前通过测量位移的间接测角受到电学传感器的误差、时漂和温漂影响极大，精度受限。在波前测量领域中的波前传感器能够实现高精度的拼接角度测量，但是需要额外占用系统中最好性能位置的视场位置，使用最为宝贵的系统光路；因为使用光学原理，在非光学应用领域的大型射电望远镜拼接主反射面和空间拼接折叠展开系统中无法应用。

基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器及其工作方法(CN201911064429.6)，能够基于等厚干涉的原理，高精度测量光学子镜间高低差，但是每个边缘传感器，包含多块光学元件和CCD，每个CCD需要供电和数据传输和并行处理，比起最简单的光斑位置算法，该方法特有的等厚圆形条纹处理算法复杂，线缆繁多，造价昂贵；另外也不适用于光学系统之外其它系统的拼接角度误差的测量。

基于四边形子面板四点支撑的射电望远镜共相检测方法(CN200910212710)和一种射电望远镜天线面形绝对定标装置和方法(CN201410316070.8)，是能够针对射电望远镜面板之间测角，但该方法中的激光光源很复杂，随着系统变化会有重力变形和热变形，系统误差和基准误差很大，且误差趋势变化复杂，无法进行长期的测量维持，线缆繁多；也完全不适用于光学系统中拼接角度误差测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，通过在拼接系统的拼缝上安装二分或三分的拼接式空心后向反射器，利用发射不影响系统工作的人造光源(有序扫描)和回射光斑位置测量的成像系统，通过数字图像高精度处理能直接高精度获取拼接系统的拼接角度误差。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，包括安装于被测拼接系统中待测拼接位置的拼接式空心后向反射器，所述拼接式空心后向反射器包括若干个后向反射器单元，所述后向反射器单元的数量与待测拼接位置所涉及的待拼接单元的数量相同，在距离被测拼接系统预定距离或者预定角度范围设置有不影响系统使用的光源和回射光斑成像检测系统，所述光源的光照射到所述后向反射器单元，其反射光照射至回射光斑成像检测系统，通过对返回光斑进行光斑图像位移处理和测量，根据位移和角度正比关系，获得待拼接单元间的拼接角及其变化。

进一步的，所述拼接式空心后向反射器包括二分立的拼接式空心后向反射器，所述二分立的拼接式空心后向反射器包括2个二分立的拼接式空心后向反射器单元，分别安装于拼缝两侧的待拼接单元上。

进一步的，所述二分立的拼接式空心后向反射器基于三个相互正交的平面镜单元切分成为两个部分，其中一部分包含两块正交的反射镜，另一部分包含一块反射镜。

进一步的，所述拼接式空心后向反射器包括三分立的拼接式空心后向反射器，所述三分立的拼接式空心后向反射器包括3个三分立的拼接式空心后向反射器单元，分别安装于拼接点三侧的待拼接单元上。

进一步的，所述三分立的拼接式空心后向反射器基于三个相互正交的平面镜单元切分成为三个部分，每个部分均只包含一块反射镜。

进一步的，所述反射镜为镀有高反膜的平面镜。

进一步的，所述光源发出的光有序扫描被测拼接系统上的每条拼缝以及每个拼接点的拼接式空心后向反射器，返回的光束在回射光斑成像检测系统上形成光斑，最后光斑位置经图像处理获得拼接角度误差。

进一步的，通过增加光源或者采用扩散点光源以发出并行照射光束。

进一步的，对各组后向反射器单元，通过瞳孔定位出不同形状或者进行孔径编码，增加不同光束的系统偏置角。

进一步的，当拼接式空心后向反射器的加工和安装误差可以忽略，或者不可以忽略但可以测量和标定时，可测量出被测拼接系统的相邻拼接角度的绝对误差；当拼接式空心后向反射器的加工和安装误差不可以忽略时，可测量出被测拼接系统的相邻拼接角度的相对误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种基于后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，能直接实现广泛应用下的各种拼接系统的相邻拼接单元的角度误差测量，具有原理清晰明确、结构紧凑、工艺原理简单、安装精度要求低、造价便宜、易批量生产、安装调试测试方便等优点。本发明适用于各种拼接光学或非光学系统的拼接角度误差检测。

附图说明

图1是在拼接系统拼缝两侧安装的二分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器阵列(三套)；

图2是安装在拼接系统缝隙两侧的二分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器；

图3是安装在拼接系统缝隙两侧的二分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器的一侧部分(两块正交平面反射镜组合)；

图4是安装在拼接系统缝隙两侧的二分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器的另一侧部分(第三块平面反射镜)；

图5是安装三套二分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器于三条拼缝中间的拼接系统的光束顺序扫描照射和回射光斑成像检测系统；

图6是在安装三套二分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器于三条拼缝中间的拼接系统上，并继续安装四套三分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器于拼接角点；

图7是单独显示安装四套三分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器于拼接角点的拼接系统；

图8是安装在拼接角点上的三分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器；

图9是安装在拼接角点上的三分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器的2/3部分；

图10是安装在拼接角点上的三分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器的1/3部分；

图11是安装在拼接角点上的三分的拼接式后向反射式共焦边缘传感器的拼接系统的光束顺序扫描照射和回射光斑成像检测系统；

图中标记：1、拼接系统，2、二分的拼接式后向反射器，3、二分的拼接式后向反射器的一部分，4、二分的拼接式后向反射器的另一部分，5、光源，6、三分的拼接式后向反射器，7、三分的拼接式后向反射器的第一部分，8、三分的拼接式后向反射器的第二部分，9、三分的拼接式后向反射器的第三部分，10、回射光斑成像检测系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的工作原理是：本发明提出一种基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，本发明称之为后向反射式共焦边缘传感器。用分立式的拼接空心后向反射器(通常由三组互相垂直的镀高反膜平面镜组成，底部有底座，用来安装和连接固定)原理，分别放置于相邻待测的二块或三块拼接单元上，该拼接式的后向反射器，基于三个互相正交平面镜单元进行切分，可以分别实现二分(一部分有两块正交反射镜，另一部分只有一块反射镜)或者三分(每部分均只有一块反射镜)，分开后组合起来可以认为是一套标准理想的空心后向反射器，理论上能实现光束完美后向反射，分开后每部分可分别通过各自底座连接待测拼接系统部件，被测系统部件之间的相对拼接角度误差会通过“分立的拼接后向反射器”带来后向反射光束的角度误差，该误差通过足够远距离的光束传输成像放大使得会聚光斑发生位置变化，通过位置变化进而可以实现被测系统部件之间的绝对或相对拼接角度误差的高精度测量。

本发明一种基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，被测拼接系统1(包括若干个待拼接单元，本实施例以3个为例进行说明)安放在较坚固的支撑基础之上，在所述被测拼接系统的拼缝上，将二分的拼接式后向反射器2的两个后向反射器单元分别安装在拼缝两侧的待拼接单元上，在足够距离或者角度范围上放置一个不影响系统使用的光源5和回射光斑成像检测系统10，该光源的光能够照射到上述二分的拼接式后向反射器2的两个后向反射器单元上，光束返回照射到回射光斑成像检测系统10上，通过对返回光斑进行光斑图像位移处理和测量，根据位移和角度正比关系，即可获得待拼接单元间拼接角及其变化的测量；在此基础上可以进一步提高精度，在三块相邻的待拼接单元间安装三分的拼接式后向反射器，包括三个后向反射器单元(即三分的拼接式后向反射器的第一部分7、三分的拼接式后向反射器的第二部分8、三分的拼接式后向反射器的第三部分9)，光束返回照射到回射光斑成像检测系统10上，通过对返回光斑进行图像位移处理和测量，进一步可获得三块相邻的待拼接单元间拼接角及其变化。

具体的，二分的拼接式后向反射器2及其测量方案如图1-5所示。

如图1所示，本实施例的拼接系统1包括三个待拼接单元，拼接时形成三条接缝，每条接缝处安装一个二分的拼接式后向反射器2。

二分的拼接式后向反射器2的结构如图2所示，主要包括两个后向反射器单元，即如图3所示的二分的拼接式后向反射器的一部分3(本实施例优选包含两个平面反射镜)和如图4所示的二分的拼接式后向反射器的另一部分4(本实施例优选包含一个平面反射镜)。待拼接单元的接缝一侧通过底座安装固定二分的拼接式后向反射器的一部分3，待拼接单元的接缝另一侧通过另一底座安装固定二分的拼接式后向反射器的另一部分4。如图5所示，光源5发出一束光有序扫描拼接系统1上每条拼缝上的二分的拼接式后向反射器2，返回的光束在回射光斑成像检测系统10上形成光斑，最后光斑位置被计算机图像处理获得拼接角度误差。

具体的，三分的拼接式后向反射器6及其测量方案如图7-11所示。

如图7所示，本实施例的拼接系统1包括三个待拼接单元，拼接时形成四个拼接点，每个拼接点均安装一个三分的拼接式后向反射器6。

三分的拼接式后向反射器6的结构如图8所示，主要包括三个后向反射器单元，即如图9所示的三分的拼接式后向反射器的第一部分7(本实施例优选包含一个平面反射镜)、三分的拼接式后向反射器的第二部分8(本实施例优选包含一个平面反射镜)和如图10所示的三分的拼接式后向反射器的第三部分9(本实施例优选包含一个平面反射镜)，三个后向反射器单元分别通过各自的底座安装固连在拼接系统的角点附近的三条拼缝附近的每个待测角的相邻待拼接单元上。

二分的拼接式后向反射器2和三分的拼接式后向反射器6可独立安装，本实施例优选将两种反射器结合进行测量。如图6所示，本实施例在上述二分的拼接式后向反射器2基础上，进一步在拼接系统1的拼接部件间的拼接角点上安装三分的拼接式后向反射器6。如图11所示，光源5发出一束光有序扫描拼接系统1上每条拼缝和角点上的拼接式后向反射器，返回的光束在回射光斑成像检测系统10上形成光斑，最后光斑位置被计算机图像处理获得拼接角度误差。

本发明适合广泛应用下的拼接系统角度测量，随着拼接系统规模上升，可以摆放成阵列，实现大规模的拼接系统的拼接角度监测；也能适用不同的拼接系统的拼缝形状(不限于六角形拼接，三角形、四边形、圆弧扇形等拼接场景均可适用)。上述采用二分的拼接式后向反射器2的实施方式是通用型，上述采用二分的拼接式后向反射器2和三分的拼接式后向反射器6相结合的实施方式是在通用型的基础上采用冗余设计的精度提升方法。

本发明还可以通过优化系统空心后向反射器的口径、拼接加工精度、光源和成像系统与后向反射器的距离、光源波段/波长和探测器像元大小等来进一步提高检测精度。

本发明不仅可以采用准直光束扫描，也可以通过增加光源或者采用扩散点光源以发出并行照射光束，优化系统空心后向反射器的口径瞳孔形状和光束横截面形状，进行孔径编码，增加不同光束的系统偏置角，从而在回射光斑成像系统上进行并识别和并行处理，提高检测速度和效率。

本发明为了保证距离以及测角精度，光束需要经过一段足够长的距离，需要采取针对性的采集和平滑算法以提高测量精度。

本发明光束发射除了使用与拼接系统工作不一致不协调的电磁波段外，如果不想错开很大的波段距离，则光束发射采用接近系统工作的窄带激光，回射光斑检测可以增加对应的窄带滤光片以开展工作。

本发明拼接式空心后向反射器加工和安装误差可以忽略的时候，可以测量出被测拼接系统的相邻拼接角度的绝对误差；而上述误差较大的时候，可以测量被测系统的相邻拼接角度的相对误差，同时进一步可以通过其它测量方法来测量和标定上述加工和安装误差，从而也能获得相邻拼接角度的绝对误差的测量和维持。

当后向反射器本身存在角度加工误差后，可以将系统转换成目标是针对相对角度变化测量的共焦测角光学边缘传感器，即可满足拼接系统维持阶段的测量工作要求；而在对系统进行初始角度误差标定(测量出系统初始角度误差)后，共焦测角光学边缘传感器也可以实现绝对角度测量。

本发明中，需要针对系统需求选择不同的“不影响系统使用”的光源和光斑成像接受系统；可以根据需要选择成像探测系统的像素尺寸和探测器分辨率，也可以根据需要选择决定成像接受系统位姿的足够的视角和距离，根据测量光路上大气湍流的影响和测量需求采用合适的采集和平滑算法，以提高角度测量精度。为了减少扫描时间，可以对各组后向反射单元进行瞳孔定位出不同形状或者编码，实现并行光斑位置实时快速监测。

连接底座要求的加工，要求整体加工后跟随切分，保证后向反射器的高精度。

综上所述，本发明提供了一种基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，其技术方案是，通过在拼接系统的拼缝上安装二分或三分的拼接式空心后向反射器，利用发射不影响系统工作的人造光源(有序扫描)和回射光斑位置测量的成像系统，通过数字图像高精度处理能直接高精度获取拼接系统的拼接角度误差。本发明具有原理清晰明了、结构紧凑、工艺简单等特点，可以采用在拼接系统外超大角度范围位置上安装人造光源，避免了在系统特定方向上使用和高精度复杂的测量角度的波前传感器，从而避免占用和浪费系统的有限的高成像质量视场，比起国内外现有全部常规光学望远镜用电学或光学边缘位移传感器而言，本方案价格低昂、性能稳定、不受环境因素影响、安装调试极为方便，安装精度要求极低。本发明适用于各种大小规模拼接系统的相邻部件之间角度拼接误差的高精度检测，尤其是适合大型天文望远镜的大规模拼接镜面主动光学/主动反射面等的实时拼接角度监测，有望应用于包括郭守敬望远镜LAMOST、中国天眼FAST、天马望远镜TIANMA等在内的众多国家重大科技基础设施的升级改造和新疆QTT等未来地面空间等大型天文望远镜的研制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，其特征在于，包括安装于被测拼接系统中待测拼接位置的拼接式空心后向反射器，所述拼接式空心后向反射器包括若干个后向反射器单元，所述后向反射器单元的数量与待测拼接位置所涉及的待拼接单元的数量相同，在距离被测拼接系统预定距离或者预定角度范围设置有不影响系统使用的光源和回射光斑成像检测系统，所述光源的光照射到所述后向反射器单元，其反射光照射至回射光斑成像检测系统，通过对返回光斑进行光斑图像位移处理和测量，根据位移和角度正比关系，获得待拼接单元间的拼接角及其变化。

2.根据权利要求1所述的基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，其特征在于，所述拼接式空心后向反射器包括二分立的拼接式空心后向反射器，所述二分立的拼接式空心后向反射器包括2个二分立的拼接式空心后向反射器单元，分别安装于拼缝两侧的待拼接单元上。

3.根据权利要求2所述的基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，其特征在于，所述二分立的拼接式空心后向反射器基于三个相互正交的平面镜单元切分成为两个部分，其中一部分包含两块正交的反射镜，另一部分包含一块反射镜。

4.根据权利要求1所述的基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，其特征在于，所述拼接式空心后向反射器包括三分立的拼接式空心后向反射器，所述三分立的拼接式空心后向反射器包括3个三分立的拼接式空心后向反射器单元，分别安装于拼接点三侧的待拼接单元上。

5.根据权利要求4所述的基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，其特征在于，所述三分立的拼接式空心后向反射器基于三个相互正交的平面镜单元切分成为三个部分，每个部分均只包含一块反射镜。

6.根据权利要求3或5所述的基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，其特征在于，所述反射镜为镀有高反膜的平面镜。

7.根据权利要求1所述的基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，其特征在于，所述光源发出的光有序扫描被测拼接系统上的每条拼缝以及每个拼接点的拼接式空心后向反射器，返回的光束在回射光斑成像检测系统上形成光斑，最后光斑位置经图像处理获得拼接角度误差。

8.根据权利要求1所述的基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，其特征在于，通过增加光源或者采用扩散点光源以发出并行照射光束。

9.根据权利要求1所述的基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，其特征在于，对各组后向反射器单元，通过瞳孔定位出不同形状或者进行孔径编码，增加不同光束的系统偏置角。

10.根据权利要求1所述的基于分立后向反射原理的拼接用共焦测角光学边缘传感器，其特征在于，当拼接式空心后向反射器的加工和安装误差可以忽略，或者不可以忽略但可以测量和标定时，可测量出被测拼接系统的相邻拼接角度的绝对误差；当拼接式空心后向反射器的加工和安装误差不可以忽略时，可测量出被测拼接系统的相邻拼接角度的相对误差。