星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法技术

本发明专利技术涉及一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法。将待对准的光栅分别安装在前、后光栅阵列平面上，光栅的对准分为两步进行：首先将前后光栅安装在阵列平面上，在近距离下，利用坐标测量仪采集光栅几个特定区域的狭缝图像并将狭缝对准，记录每一个光栅与阵列平面上的基准平台的位置关系；其次，将前、后光栅阵列平面安装在承力框架的两端，对准阵列平面上的基准平台，以此来表征安装在其上的各个光栅的对准；最后，将两步对准产生的误差映射到每个具体位置的光栅，在实现双光栅的远距离对准的同时也标定出了每一组前后光栅的对准精度。

【技术实现步骤摘要】
星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法
本专利技术涉及光学对准
，具体涉及一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法。
技术介绍
星载双光栅调制型成像仪器主要用于太阳耀斑探测，对于帮助解释太阳爆发活动的能量释放机制具有重要意义。该设备是基于傅里叶变换的调制成像技术对太阳耀斑进行观测，原理是通过前后布置的双光栅阵列组成光学准直器，将太阳耀斑的不同空间尺度的图像进行合成成像。双光栅准直器是将多种周期的光栅以不同的角度摆放在两个平面内，并排列为m×n的阵列形式，两平面内的相同位置配置相同周期和角度的光栅。为了保证成像分辨率，成像时前、后光栅阵列平面沿光轴拉开较远距离放置(米量级)；为了成像质量，需要保证前后光栅阵列平面内对应位置的光栅狭缝高精度对准(微米量级)。根据成像原理，准直器光栅的对准精度直接影响到成像精度。目前的远距离光学对准方法有基于Talbot理论的对准方法、基于干涉仪的对准方法、基于机器视觉的对准方法。基于Talbot理论的对准方法需要保证对前、后光栅阵列面的间距满足Talbot距离才能够实现像的复制，从而实现对准，因此不具备普适性；基于干涉仪的对准方法精度高，但是其工作距离受限，无法适应本设备在远距离对准的需求；基于机器视觉的对准方法对准精度较低，很难在米级的间距下，实现前、后光栅狭缝以微米量级对准。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中现有的对准方法无法满足星载双光栅调制型成像仪器的前、后光栅间距为米量级时，前、后光栅的对准精度要求为微米量级的问题，本专利技术提出了一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法。本专利技术的基本思路是：将待对准的光栅分别安装在前后光栅阵列平面上，光栅的对准分为两步进行：首先将前后光栅安装在阵列平面上，在近距离下，利用坐标测量仪采集光栅几个特定区域的狭缝图像并将狭缝对准，记录每一个光栅与阵列平面上的基准平台的位置关系；其次，将前、后光栅阵列平面安装在承力框架的两端，对准阵列平面上的基准平台，以此来表征安装在其上的各个光栅的对准；最后，将两步对准产生的误差映射到每个具体位置的光栅，在实现双光栅的远距离对准的同时也标定出了每一组前后光栅的对准精度。本专利技术的具体技术方案是：本专利技术提供了一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法，具体实现步骤如下：步骤1：近距离对准；步骤1.1：将前、后光栅阵列平面上、下叠放为一个组合体，粗调两者相对位置，使前光栅阵列平面和后光栅阵列平面，以及前光栅阵列平面的基准平台和后光栅阵列平面的基准平台都基本对齐；在此基础上，将前、后光栅阵列平面的所有基准平台进行组合加工，从而为前、后光栅阵列中所有光栅建立共有的基准；所述基准平台为前、后光栅阵列平面自身所携带；每个光栅阵列平面均有四个基准平台，且两个位于光栅阵列平面的第一外表面，另外两个位于光栅阵列平面的第二外表面；所述第一外表面和第二外表面相互垂直；步骤1.2：将组合体水平放置于坐标测量仪的工作平台上，调整坐标测量仪的光轴与组合体保持垂直，然后测量组合体四个角以及中心点位置的X轴坐标值，再通过向组合体底部四个角与所述工作平台之间增加调整垫块进行调整，确保最终测量的上述五个点的X轴坐标值偏差小于0.02mm；X轴方向为垂直于坐标测量仪的工作平台的法线方向；步骤1.3：将所有后光栅均安装在后光栅阵列平面上；通过坐标测量仪测量出第一外表面或第二外表面上两个基准平台的坐标值，记为和计算出基准平台连线的方向向量步骤1.4：通过坐标测量仪测量出任意一个后光栅A中心狭缝中四个顶角的坐标和并计算该光栅中心狭缝的方向向量为：或步骤1.5：计算与光栅中心狭缝方向垂直的向量为：并计算该向量与基准平台连线方向向量的夹角βpitch，具体公式为：其中，相对于逆时针旋转时夹角为正值，顺时针旋转时夹角为负值。步骤1.6：计算后光栅A中心狭缝的几何中心坐标并以此作为光栅的基准位置：或进而获得该后光栅A相距步骤1.3中任意一个基准平台的向量或步骤1.7：在后光栅A上选择i个特定区域，i≥3，通过坐标测量仪拍摄任意一个特定区域获得亮暗相间的条纹图像，在条纹图像中选取一条亮条纹的两个亮暗交界线拟合出该亮条纹的中心线，定义该中心线为狭缝中心线，采用同样的方法再采集其他特定区域的狭缝中心线，从而获得后光栅A上i条狭缝中心线，记为LAi；其中，i个特定区域需满足至少有三个特定区域采集到后光栅A中的中心狭缝的中心线上，且三个特定区域中有两个特定区域位于该中心狭缝的两端；步骤1.8：在前光栅阵列平面上，且与后光栅A对应的位置安装一个前光栅B，采用步骤1.7的方法获取前光栅B上与后光栅A位置一致的i个特定区域内的i条狭缝中心线，记为LBi；坐标测量仪拍摄前光栅B的每个特定区域时，与拍摄后光栅A的每个特定区域时坐标测量仪的坐标值保持一致；通过坐标测量仪读取后光栅A和前光栅B上每个相对应特定区域的狭缝中心线LAi和LBi的距离，得到i组平移偏差值；通过求取i组平移偏差值的平均值来描述近距离对准时前光栅B和后光栅A的平移偏差，具体表达式为：其中，di为狭缝中心线LBi与狭缝中心线LAi的平移偏差值；定义后光栅A的狭缝中心线相对于前光栅B的狭缝中心线的偏移方向与向量相同时，偏差值di为正，反之与向量相反时，定义为负；步骤1.9：求取近距离对准时前光栅B和后光栅A的相对旋转偏差，具体表达式为：αpitch＝atan[(diR-diL)/Lpitch]；其中，diR和diL为前光栅B位于中心狭缝两端的两个特定区域的狭缝中心线与后光栅A位于中心狭缝两端的两个特定区域的狭缝中心线之间的平移偏差；定义后光栅A的狭缝相对于前光栅B的狭缝逆时针旋转时，偏差角αpitch为正，反之则为负；位于中心狭缝两端的两个特定区域之间的距离为Lpitch；步骤1.10：根据步骤1.8和步骤1.9的结果对前光栅B进行调整，实现两个光栅的近距离对准；步骤1.11：重复步骤1.7-1.10完成所有前光栅的安装，并完成前、后光栅阵列近距离的对准；步骤2：装配星载双光栅调制型成像仪器将承力框架放置于工作平台上，将近距离对准后的前、后光栅阵列从组合状态进行拆分，再将两者分别安装在承力框架前后两端的平面上，并使前光栅阵列平面的基准平台与后光栅阵列平面的基准平台依旧对齐；步骤3：远距离对准步骤3.1：建立成像仪器的参考坐标系；定义参考坐标系的Z轴为工作平台表面的法线，定义前光栅阵列或后光栅阵列的法线为X轴；Y轴为同时垂直于Z轴和X轴；步骤3.2：获得前光栅阵列平面和后光栅阵列平面在YOZ面内的相对旋转角；利用激光跟踪仪的接触式测量靶标测量后光栅阵列平面上第一外表面或第二外表面上两个基准平台的坐标值，记为(y1,z1)，(y2,z2)，以及前光栅阵列平面上第一外表面或第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法，其特征在于，具体实现步骤如下：/n步骤1：近距离对准；/n步骤1.1：将前、后光栅阵列平面上、下叠放为一个组合体，粗调两者相对位置，使前光栅阵列平面和后光栅阵列平面，以及前光栅阵列平面的基准平台和后光栅阵列平面的基准平台都基本对齐；在此基础上，将前、后光栅阵列平面的所有基准平台进行组合加工，从而为前、后光栅阵列中所有光栅建立共有的基准；/n所述基准平台为前、后光栅阵列平面自身所携带；每个光栅阵列平面均有四个基准平台，且两个位于光栅阵列平面的第一外表面，另外两个位于光栅阵列平面的第二外表面；所述第一外表面和第二外表面相互垂直；/n步骤1.2：将组合体水平放置于坐标测量仪的工作平台上，调整坐标测量仪的光轴与组合体保持垂直，然后测量组合体四个角以及中心点位置的X轴坐标值，再通过向组合体底部四个角与所述工作平台之间增加调整垫块进行调整，确保最终测量的上述五个点的X轴坐标值偏差小于0.02mm；X轴方向为垂直于坐标测量仪的工作平台的法线方向；/n步骤1.3：将所有后光栅均安装在后光栅阵列平面上；通过坐标测量仪测量出第一外表面或第二外表面上两个基准平台的坐标值，记为...

【技术特征摘要】
1.一种星载双光栅调制型成像仪器的光栅阵列的远距离对准方法，其特征在于，具体实现步骤如下：
步骤1：近距离对准；
步骤1.1：将前、后光栅阵列平面上、下叠放为一个组合体，粗调两者相对位置，使前光栅阵列平面和后光栅阵列平面，以及前光栅阵列平面的基准平台和后光栅阵列平面的基准平台都基本对齐；在此基础上，将前、后光栅阵列平面的所有基准平台进行组合加工，从而为前、后光栅阵列中所有光栅建立共有的基准；
所述基准平台为前、后光栅阵列平面自身所携带；每个光栅阵列平面均有四个基准平台，且两个位于光栅阵列平面的第一外表面，另外两个位于光栅阵列平面的第二外表面；所述第一外表面和第二外表面相互垂直；
步骤1.2：将组合体水平放置于坐标测量仪的工作平台上，调整坐标测量仪的光轴与组合体保持垂直，然后测量组合体四个角以及中心点位置的X轴坐标值，再通过向组合体底部四个角与所述工作平台之间增加调整垫块进行调整，确保最终测量的上述五个点的X轴坐标值偏差小于0.02mm；X轴方向为垂直于坐标测量仪的工作平台的法线方向；
步骤1.3：将所有后光栅均安装在后光栅阵列平面上；通过坐标测量仪测量出第一外表面或第二外表面上两个基准平台的坐标值，记为和计算出基准平台连线的方向向量
步骤1.4：通过坐标测量仪测量出任意一个后光栅A中心狭缝中四个顶角的坐标和并计算该光栅中心狭缝的方向向量为：或
步骤1.5：计算与光栅中心狭缝方向垂直的向量为：并计算该向量与基准平台连线方向向量的夹角βpitch，具体公式为：



其中，相对于逆时针旋转时夹角为正值，顺时针旋转时夹角为负值；
步骤1.6：计算后光栅A中心狭缝的几何中心坐标并以此作为光栅的基准位置：

或
进而获得该后光栅A相距步骤1.3中任意一个基准平台的向量

或
步骤1.7：在后光栅A上选择i个特定区域，i≥3，通过坐标测量仪拍摄任意一个特定区域获得亮暗相间的条纹图像，在条纹图像中选取一条亮条纹的两个亮暗交界线拟合出该亮条纹的中心线，定义该中心线为狭缝中心线，采用同样的方法再采集其他特定区域的狭缝中心线，从而获得后光栅A上i条狭缝中心线，记为LAi；
其中，i个特定区域需满足至少有三个特定区域采集到后光栅A中的中心狭缝的中心线上，且三个特定区域中有两个特定区域位于该中心狭缝的两端；
步骤1.8：在前光栅阵列平面上，且与后光栅A对应的位置安装一个前光栅B，采用步骤1.7的方法获取前光栅B上与后光栅A位置一致的i个特定区域内的i条狭缝中心线，记为LBi；
坐标测量仪拍摄前光栅B的每个特定区域时，与拍摄后光栅A的每个特定区域时坐标测量仪的坐标值保持一致；
通过坐标测量仪读取后光栅A和前光栅B上每个相对应特定区域的狭缝中心线LAi和LBi的距离，得到i组平移偏差值；通过求取i组平移偏差值的平均值来描述近距离对准时前光栅B和后光栅A的平移偏差，具体表达式为：



其中，di为狭缝中心线LBi与狭缝中心线LAi的平移偏差值；定义后光栅A的狭缝中心线相对于前光栅B的狭缝中心线的偏移方向与向量相同时，偏差值di为正，反之与向量相反时，定义为负；
步骤1.9：求取近距离对准时前光栅B和后光栅A的相对旋转偏差，具体表达式为：
αpitch＝atan[(diR-diL)/Lpitch]；
其中，diR和diL为前光栅B位于中心狭缝两端的两个特定区域的狭缝中心线与后光栅A位于中心狭缝两端的两个特定区域的狭缝中心线之间的平移偏差；定义后光栅A的狭缝相对于前光栅B的狭缝逆时针旋转时，偏差角αpitch为正，反之则为负；
位于中心狭缝两端的两个特定区域之间的距离为Lpitch；
步骤1.10：根据步骤1.8和步骤1.9的结果对前光栅B进行调整，实现两个光栅的近距离对准；
步骤1.11：重复步骤1.7-1.10完成所有前光栅的安装，并完成前、后光栅阵列近距离的对准；
步骤2：装配星载双光栅调制型成像仪器
将承力框架放置于工作平台上，将近距离对准后的前、后光栅阵列从组合状态进行拆分，再将两者分别安装在承力框架前后两端的平面上，并使前光栅阵列平面的基准平台与后光栅阵列平面的基准平台依旧对齐；
步骤3：远距离对准
步骤3.1：建立成像仪器的参考坐标系；
定义参考坐标系的Z轴为工作平台表面的法线，定义前光栅阵列或后光栅阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：于基睿，徐广州，马小龙，卢笛，贺应红，赵意意，吕娟，杨建峰，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61