专利名称：五维光学调整架坐标解耦合方法
技术领域：
本发明涉及一种光学调整架坐标解耦合方法，具体地说，是指对五维 光学调整架的各维调整量进行分解变换，消除五维光学调整架各维调整量 之间坐标耦合，使光学系统装调过程中各维调整量调整更加准确的方法。
背景技术：
光学实验中光学元器件的调整，实际上就是对其六个自由度中的几个 自由度进行调整。不同的光学调整架基本设计理念都是为了实现对一个或 多个自由度进行调整并保证精度。实验中，常用的是对光学元器件五个自 由度进行调整的五维调整架。
对于五维光学调整架，由于受系统安装空间的限制、系统装调状态的 要求、机械结构设计难度以及加工工艺的限制，调整架的三维平移调整自 由度之间无法做到两两正交；二维旋转自由度的回转中心和光学元器件的 光学中心无法做到重合；因此在要求五个自由度调整时，各维调整量之间 存在坐标耦合，即调整其中的一维，会引起其它另一维甚至几维的变动。
一般在光学系统装调实验中，由于无法对各位置调整量之间的坐标耦 合关系进行量化和补偿校正，因此，通常忽略坐标耦合情况。但是，忽略 坐标耦合关系会造成实际机械调整量和光学调整量的期望值之间存在差 异，因而，也影响光学系统装调过程的收敛速度，使系统装调过程变慢甚 至发散。
对五维光学调整架的各维调整量进行分解变换，消除五维光学调整架 各维调整量之间的坐标耦合，可以使实际光学调整量和调整量的期望值更
加吻合，从而，使光学系统装调过程中各维调整量调整更加准确。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于空间坐标系坐标分解变换的五维光 学调整架坐标解耦合方法。 本发明的技术方案如下
根据本发明的一种五维光学调整架坐标解耦合方法，包括步骤将五 维光学调整架的三维平移调整自由度分解变换到直角坐标系下坐标轴方向 上的三维光学平移调整量的步骤；将二维旋转调整量分解为在直角坐标系 下坐标轴方向上的平移量和绕坐标轴的旋转量的分解处理步骤；以及建立 直角坐标系下光学系统期望的各维调整量和调整架各维调整自由度之间的 映射关系的步骤。
所说的将五维光学调整架的三维平移调整自由度分解变换到直角坐标 系下坐标轴方向上的三维光学平移调整量，是利用解直角三角形进行的；
所说的将二维旋转调整量分解为在直角坐标系下坐标轴方向上的平移 量和绕坐标轴的旋转量，是利用微小角度近似线性化处理来实现的；
进一步，所说的微小角度近似线性化处理是对于微小的角度调整量 (^<3°): L利用^的弧度值代替sin的和t肌的；2.将顶角为^的等腰三角形 近似为直角三角形；
所说的建立直角坐标系下光学系统期望的各维调整量和调整架各维调 整自由度之间的映射关系是综合将三维平移调整自由度分解变换到直角 坐标系下坐标轴方向上的三维光学平移调整量；将二维旋转调整量分解为 在直角坐标系下坐标轴方向上的平移量和绕坐标轴的旋转量的分解处理， 通过解方程组和坐标逆变换来实现。
本发明的优点是
1. 将五维光学调整架的三维平移调整自由度分解变换到直角坐标系下 坐标轴方向上的三维光学平移调整量，从而消除了当五维光学调整架的三
维平移自由度相互不正交引起的三维平移调整自由度之间的坐标耦合；
2. 利用微小角度近似线性化处理将二维旋转调整量分解为在直角坐标 系下坐标轴方向上的平移量和绕坐标轴的旋转量的分解处理，从而消除了 当五维光学调整架二维旋转自由度的回转中心和光学元器件的光学中心不 重合引起的旋转调整自由度和平移调整自由度之间的坐标耦合；
3. 综合平移调整自由度之间的坐标解耦合和旋转调整自由度与平移调 整自由度之间的坐标解耦合，通过解方程组和坐标逆变换建立直角坐标系 下光学系统期望的五维调整量和调整架五维调整自由度之间的映射关系， 从而实现五维光学调整架的五维调整量坐标解耦合。
图1为本发明五维光学调整架坐标解耦合方法示意图； 图2为一实施例中的某五维光学调整架结构尺寸示意图； 图3为本发明中的平移自由度分解变换示意图； 图4为本发明中的旋转自由度分解变换示意图。
具体实施例方式
下面结合图1 图4对本发明的五维光学调整架坐标解耦合方法的具体
实施方式作详细说明
.如图l所示本发明的五维光学调整架坐标解耦合方法，其步骤包括 将五维光学调整架的三维平移调整自由度分解变换到直角坐标系下坐标轴 方向上的三维光学平移调整量步骤l;将二维旋转调整量分解为在直角坐标 系下坐标轴方向上的平移量和绕坐标轴的旋转量的分解处理步骤2;以及建 立直角坐标系下光学系统期望的各维调整量和调整架各维调整自由度之间
的映射关系步骤3。
如图2所示对于一个离轴三反射光学系统装调所用的某精密五维光 学调整架，三维平移自由度x轴和z轴相互正交，y轴和水平面不正交， 二者的夹角为85度；二维旋转自由度的回转中心和光学元器件的光学中心 不重合，绕X轴旋转调整量"的回转中心和光学元器件的光学中心之间的
水平距离为542.8毫米、竖直距离为352.8毫米，绕y轴旋转调整量"回转 中心和光学元器件的光学中心之间的水平距离为823毫米；下面结合步骤 1、 2和步骤3对该五维光学调整架进行坐标解耦合分析
如图3所示三维平移调整自由度x， y， z分解变换到直角坐标系下
坐标轴方向上的三维光学平移调整量八y和z'分别为
X' = X ， (1)
y＝yxsin(85。) ， (2)
z' = z + yxcos(85" 。 (3)
如图4-(a)所示二维旋转调整量分解为在直角坐标系下坐标轴方向上
的平移量和绕坐标轴的旋转量，对于绕x轴旋转调整量"，分解为直角坐
标系下^轴方向平移量y、 z'轴方向平移量？和绕^轴的旋转量"'分别为
a' = a , (4)
<formula>formula see original document page 6</formula>
<formula>formula see original document page 6</formula><formula>formula see original document page 6</formula>， (5)
<formula>formula see original document page 6</formula> (6)
如图4-(b)所示对于绕y轴旋转调整量"，分解为直角坐标系下x'轴 方向平移量^'和绕/轴的旋转量,分别为
<formula>formula see original document page 6</formula> , (7)<formula>formula see original document page 7</formula>
将上述公式(1)、 (2)、 (3)、 (4)、 (5)、 (6)、 (7)和(8)联立，求
解出直角坐标系下光学系统五维调整量和调整架五维调整自由度之间的映
射关系，根据映射关系，将直角坐标系下光学系统所要实现的五维光学调 整量x^'，"'，,变换为调整架五维调整自由度x， y， z，"，"的调整量，
即实现五维光学调整架五维调整量的坐标解耦合，从而提高光学调整的精
度；求解结果如下
<formula>formula see original document page 7</formula>
权利要求
1、一种五维光学调整架坐标解耦合方法，包括步骤S1.将五维光学调整架的三维平移调整自由度分解变换到直角坐标系下坐标轴方向上的三维光学平移调整量；S2.将二维旋转调整量分解为在直角坐标系下坐标轴方向上平移量和绕坐标轴的旋转量之分解处理；S3.建立直角坐标系下光学期望的各维调整量和调整架各维调整自由度之间的映射关系。
2、 根据权利要求1所述的五维光学调整架坐标解耦合方法，其特征在于 所述的将五维光学调整架的三维平移调整自由度分解变换到直角坐标系下坐 标轴上的三维光学调整量是以解直角三角形的方法来进行的。
3、 根据权利要求1所述的五维光学调整架坐标解耦合方法，其特征在于 所说的将二维旋转调整量分解为在直角坐标系下坐标轴方向上的平移量和旋 转量是利用微小角度作近似线性处理。
4、 根据权利要求3所述的五维光学调整架坐标解耦合方法，其特征在于 所说的微小角度的近似线性处理是对于微小的角度调整量，利用0的弧度值 代替sin(。和tan (^);以及将顶角为^的等腰三角形近似为直角三角形。5、
根据权利要求1所述的五维光学调整架坐标解耦合方法，其特征在于 所说的建立直角坐标系下的光学系统期望的各维调整量和调整架各维调整自 由度之间的映射关系，是综合将三维平移调整自由度分解变换到直角坐标系 下坐标轴方向上的平移量和绕坐标轴的旋转量的分解处理，至通过解方程组 和进行坐标逆度变换来实现。
全文摘要
一种五维光学调整架坐标解耦合方法，包括步骤将五维光学调整架的三维平移调整自由度分解变换到直角坐标系下坐标轴方向上的三维光学平移调整量；将二维旋转调整量分解为在直角坐标系下坐标轴方向上的平移量和绕坐标轴的旋转量的分解处理；以及建立直角坐标系下光学系统期望的各维调整量和调整架各维调整自由度之间的映射关系；用以实现对五维光学调整架各维调整量的坐标解耦合。本发明对五维光学调整架的各维调整量进行分解变换，消除了五维光学调整架各维调整量之间的坐标耦合，使实际光学调整量和调整量的期望值更加吻合，从而，使光学系统装调过程中各维调整量调整更加准确。
文档编号G02B27/62GK101114057SQ200710044178
公开日2008年1月30日 申请日期2007年7月25日 优先权日2007年7月25日
发明者孙丽葳, 孙胜利, 张朋军, 敬 王, 勇 罗, 肖金才, 胡亭亮 申请人:中国科学院上海技术物理研究所