基於超表面光學成像的高精度測量裝置的製作方法

2024-01-25 21:05:15

本發明屬於測量技術領域，具體地，涉及一種基於超表面光學成像的高精度測量裝置。

背景技術：

在航天領域，為實現更高解析度，光學遙感太空飛行器的載荷口徑越來越大，太空飛行器包絡也越來越大。為同時滿足載荷大口徑(約Φ10m)需求和現有運載的包絡約束(約為Φ4.5m)，採用發射階段載荷收攏和在軌條件下載荷展開的總體設計方式。

為保證載荷及太空飛行器的在軌功能，需精確調控載荷主鏡及其他光學鏡片之間的相對位置，各鏡片都有相應的結構基準，為此需要對各結構基準之間的相對位置進行高精度測量，以便後續調節與控制。

本發明中所涉及的基於超表面光學成像的高精度測距技術，可實現各結構基準相對位置的高精度測量。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基於超表面光學成像的高精度測量裝置，其利用超表面光學鏡片的成像特性，將兩個待測結構的相對位置偏差轉化成兩個光斑的相對變化量，從而解算出兩個待測結構相對位置偏差，利用本發明，可對各結構基準之間的相對位置進行高精度測量，以便後續的精確調節與控制，從而確保載荷主鏡及後續光學鏡片之間的相對位置符合設計要求，保證載荷及太空飛行器的在軌功能。

根據本發明的一個方面，提供一種基於超表面光學成像的高精度測量裝置，其特徵在於，其包括：

平行光源，用於產生平行光，為後續成像提供光源；

第一超表面光學鏡片，位於所述平行光源的左側，用於對所述平行光源發出的平行光產生不同的偏折效果；

第二超表面光學鏡片，位於所述第一超表面光學鏡片的左側，用於接收所述第一超表面光學鏡片的不同區域透射的光，並進行二次折射，形成兩個光斑；

成像探測器，位於所述第二超表面光學鏡片的左側，用於對形成的兩個光斑進行成像，並分別提取兩個光斑的位置信息及大小信息。

優選地，所述第一超表面光學鏡片、第二超表面光學鏡片都基於超表面光學成像原理，表面微結構形式都包括納米陣列結構、多臺階微納結構、菲涅爾波帶片結構、光子篩微小孔結構。

優選地，所述第一超表面光學鏡片包括：

第一超表面光學鏡片的微結構部分，位於第一超表面光學鏡片的最外側，用於對進入的平行光進行會聚；

第一超表面光學鏡片的透光部分，位於第一超表面光學鏡片的微結構部分的內側，用於使進入的平行光直接穿過；

第一超表面光學鏡片的不透光部分，位於第一超表面光學鏡片的透光部分的內側，用於阻擋平行光的進入。

優選地，所述第二超表面光學鏡片包括：

第二超表面光學鏡片的微結構部分，位於第二超表面光學鏡片的最外側，用於對進入的平行光進行會聚；

第二超表面光學鏡片的透光部分，位於第二超表面光學鏡片的微結構部分的內側，用於使進入的光直接穿過。

優選地，所述第二超表面光學鏡片的透光部分為通孔或透明材料。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：本發明可對各結構基準之間的相對位置進行高精度測量，以便後續的精確調節與控制，從而確保載荷主鏡及後續光學鏡片之間的相對位置符合設計要求，保證載荷及太空飛行器的在軌功能。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明基於超表面光學成像的高精度測量裝置的結構示意圖。

圖2為本發明的第一超表面光學鏡片的結構示意圖。

圖3為本發明的第二超表面光學鏡片的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。

如圖1至圖3所示，本發明基於超表面光學成像的高精度測量裝置包括：

平行光源1，用於產生平行光，為後續成像提供光源；

第一超表面光學鏡片2，位於所述平行光源1的左側，用於對所述平行光源1發出的平行光產生不同的偏折效果；

第二超表面光學鏡片3，位於所述第一超表面光學鏡片2的左側，用於接收所述第一超表面光學鏡片2的不同區域透射的光，並進行二次折射，形成兩個光斑；

成像探測器4，位於所述第二超表面光學鏡片3的左側，用於對形成的兩個光斑進行成像，並分別提取兩個光斑的位置信息及大小信息。

所述第一超表面光學鏡片2、第二超表面光學鏡片3都基於超表面光學成像原理，表面微結構形式都包括納米陣列結構、多臺階微納結構、菲涅爾波帶片結構、光子篩微小孔結構，這樣具有聚光功能從而具備成像的能力。

所述第一超表面光學鏡片2包括：

第一超表面光學鏡片的微結構部分21，位於第一超表面光學鏡片2的最外側，用於對進入的平行光進行會聚；

第一超表面光學鏡片的透光部分22，位於第一超表面光學鏡片的微結構部分21的內側，用於使進入的平行光直接穿過；

第一超表面光學鏡片的不透光部分23，位於第一超表面光學鏡片的透光部分22的內側，用於阻擋平行光的進入。

所述第二超表面光學鏡片3包括：

第二超表面光學鏡片的微結構部分31，位於第二超表面光學鏡片3的最外側，用於對進入的平行光進行會聚；

第二超表面光學鏡片的透光部分32，位於第二超表面光學鏡片的微結構部分31的內側，用於使進入的光直接穿過。

所述第二超表面光學鏡片的透光部分32為通孔或透明材料，這樣成本低。

第一超表面光學鏡片、第二超表面光學鏡片都通過在基底材料表面進行微結構加工，使得刻有微結構的區域具有聚光功能，從而具備成像能力。第一超表面光學鏡片、第二超表面光學鏡片分別安裝於間距待測的兩個結構上，當兩個待測結構嚴格對準時，成像探測器上獲取的兩個光斑將嚴格重合，當兩個待測結構相對位置存在偏差時，兩個光斑的大小及相對位置便會產生變化；通過成像探測器獲得光斑的相對變化量，進行解算後得到兩個待測結構相對位置偏差；

第一超表面光學鏡片的微結構部分對入射的平行光進行會聚，進入到第二超表面光學鏡片的透光部分，形成的光斑位於成像探測器上；第一超表面光學鏡片的透光部分對入射的平行光不產生影響，該區域對應的入射光進入到第二超表面光學鏡片的微結構部分，經第二超表面光學鏡片的微結構部分會聚，形成的光斑位於成像探測器上；

當兩個待測結構無相對位置偏差時，成像探測器上獲取的兩個光斑的中心重合，且位於成像探測器的中央部位；

當兩個待測結構存在傾斜時，兩個光斑均會偏離成像探測器的中心位置；

當兩個待測結構存在偏心時，由第一超表面光學鏡片的透光部分和第二超表面光學鏡片的微結構部分形成的光斑仍將保持在成像探測器的中心位置；由第一超表面光學鏡片的微結構部分和第二超表面光學鏡片的透光部分形成的光斑將偏離成像探測器的中心位置，且偏離方向與待測結構偏心方向相同；

當兩個待測結構存在軸向偏差時，由第一超表面光學鏡片的透光部分和第二超表面光學鏡片的微結構部分形成的光斑仍將保持在成像探測器的中心位置，且光斑大小不變；由第一超表面光學鏡片的微結構部分和第二超表面光學鏡片的透光部分形成的光斑同樣保持在成像探測器的中心位置，但光斑大小將發生變化。

綜上所述，本發明利用超表面光學鏡片的成像特性，將兩個待測結構的相對位置偏差轉化成兩個光斑的相對變化量，從而解算出兩個待測結構相對位置偏差，利用本發明，可對各結構基準之間的相對位置進行高精度測量，以便後續的精確調節與控制，從而確保載荷主鏡及後續光學鏡片之間的相對位置符合設計要求，保證載荷及太空飛行器的在軌功能。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。