数字化光轴的高精度复现装置

本发明涉及光机组件的装调和大型光机装置的集成，更为具体的说，涉及一种数字化光轴的高精度复现装置。

背景技术：

光轴是各类光机组件装调和装置集成的基准。光机装置集成的传统方式是以光束的实际传输方向为光轴从前到后逐级装调各类光学元器件的“串行”方式。这种逐级装调的串行方式存在集成效率低、误差不可控和后期维护难度大的问题。为此，人们提出“以装代调”的装置集成策略，即“离线精密装校，在线精确复位”的集成策略，这能够大大提高装置的集成效率和装调精度。并且，由于采用模块化的光机组件，当出现故障时可以快速定位和替换故障模块，大大缩短装置的平均修复时间(mttr)。

“以装代调”的集成策略需要在数字化的坐标网络体系进行装置各类光机组件的装调，数字化光轴的复现是装调链路中一个核心环节。因此，数字化光轴的高精度复现成为亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种数字化光轴的高精度复现装置，用基准点标定机构如激光跟踪仪标定好3个数字化光轴基准点的三维空间坐标后，将基准点上的激光跟踪仪靶标更换为小孔板和对准板，再让模拟光源同时穿过小孔板和对准板的中心形成实体光轴，最后进行误差测量。本发明提供的技术方案，通过高精度切换基准点标定机构与利用超短脉冲激光精密加工的小孔板和对准板，保证穿过小孔板和对准板中心位置的模拟光实体光轴与数字化光轴的误差小于20μrad，并且装置易于操作、重复性好、稳定性高。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种数字化光轴的高精度复现装置，包括：

基准点标定机构，所述基准点标定机构用于标定3个数字化光轴基准点的三维空间坐标；

激光器，所述激光器用于产生模拟光束，将光轴实体化；

小孔板，所述小孔板用于限制模拟光束的指向使其穿过数字化光轴所对应的第一个实体空间基准点，并将模拟光束的光斑形状转换成尺寸合适的规则光斑；

第一对准板，所述第一对准板用于限制模拟光束的指向使其穿过数字化光轴所对应的第二个实体空间基准点；

第二对准板，所述第二对准板用于判断复现光轴的误差；

高精度坐标约束机构，所述高精度坐标约束机构用于约束基准点的三维坐标，夹持和高精度切换基准点标定机构、小孔板、第一对准板和第二对准板；

以及，光场成像分析装置，所述光场成像分析装置用于对第一、第二对准板所在处的光场成像，判断模拟光束是否同时穿过小孔板和第一对准板的中心坐标，并测量实体化光轴的复现误差。

可选的，所述小孔板、第一对准板和第二对准板为透光区域具有特殊图案的带孔屏。

可选的，所述特殊图案是通过超短脉冲激光精密加工的且尺寸精度优于5微米。

可选的，所述小孔板为通光孔呈质心位于几何中心的规则形状的小孔光阑。

可选的，所述规则形状为圆形、方形或正六边形等。

可选的，所述小孔光阑为硬边光阑或软边光阑；

可选的，所述硬边光阑的通光孔尺寸与模拟光束传输距离相匹配，满足菲涅耳数远大于1，即通光孔外接圆半径其中λ为模拟光波长，l为小孔板与第二对准板的间距。

可选的，所述软边光阑为通光孔边缘具有锯齿结构的消衍射光阑；

其中，所述锯齿结构的齿形为方形、三角形、正弦形或高斯形等。

可选的，所述第一对准板和第二对准板为带有针孔且透光区域的质心与针孔中心重合的“十字”叉丝或同心环等。

可选的，所述高精度坐标约束机构可约束基准点标定机构、小孔板、第一对准板和第二对准板的中心位置，且基准点标定机构、小孔板、对准板相互切换后中心坐标的位置精度优于10微米。

本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

1)通过超短脉冲精密激光加工具有特殊图案的小孔板、对准板，实现了小孔板和对准板的尺寸精度优于5微米。

2)通过精加工的高精度坐标约束机构，实现了基准点标定机构、小孔板和对准板的高精度切换，中心坐标的位置精度优于10微米。

3)通光成像分析装置对同时穿过小孔板和第一对准板后的第一对准板所在位置处的光场进行成像分析，调节模拟光束的指向使光场质心位于第一对准板的中心小孔处，实现了模拟光束与数字化光轴基准点的重合，重合精度优于10微米。

4)通光成像分析装置对穿过第二对准板后第二对准板所在位置处的光场进行成像分析，对比光场质心与第二对准板中心小孔的位置偏差，实现了数字化光轴复现误差的测量。

5)由于上述技术和结构的运用，确保了数字化光轴具有优于20μrad的复现精度，并且数字化光轴复现装置易操作、重复性好、稳定性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种数字化光轴的高精度复现装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种典型小孔板的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种典型对准板带针孔的“十字”叉丝的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种典型基准点定标机构激光跟踪仪标定数字化光轴基准点的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种第一对准板和第二对准板后的典型光场分布图。

图6为本发明实施例提供的一种误差分解图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所述，光轴是各类光机组件装调和装置集成的基准。装置“以装代调”的集成策略，即“离线精密装校，在线精确复位”，能够大大提高装置的集成效率和装调精度。并且，由于采用模块化的光机组件，当出现故障时可以快速定位和替换故障模块，大大缩短装置的平均修复时间(mttr)。“以装代调”的集成策略需要在数字化的坐标网络体系进行装置各类光机组件的装调，数字化光轴的复现是装调链路中一个核心环节。

基于此，本申请实施例提供了一种数字化光轴的高精度复现装置，用基准点标定机构如激光跟踪仪标定好3个数字化光轴基准点的三维空间坐标后，将基准点上的激光跟踪仪靶标更换为小孔板和对准板，再让模拟光源同时穿过小孔板和对准板的中心形成实体光轴，最后进行误差测量。本发明提供的技术方案，通过高精度切换激光跟踪仪靶标与利用超短脉冲激光精密加工的小孔板和对准板，保证穿过小孔板和对准板中心位置的模拟光实体光轴与数字化光轴的误差小于20μrad，并且装置易于操作、重复性好、稳定性高。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图6所示，对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本申请实施例提供的一种数字化光轴的高精度复现装置的结构示意图。由图可见，三个基准点a、b、c，激光器1，转接件2，高精度坐标约束机构3，小孔板4，第一对准板5，第二对准板6和光场成像分析装置7，其中小孔板4、第一对准板6和第二对准板6通过转接件2与高精度坐标约束机构3连接，小孔板4用于夹持小孔板、对准板的转接圈。

所述三个基准点是通过基准点标定机构如激光跟踪仪架设的，如图4所示，a、b、c三点的坐标参数(x，y，z)可以分别为(-7496.5169，0.0192，-0.081)、(-4968.479，-0.0148，-0.0436)、(-0.0238，-0.0129，-0.0441)，单位为毫米。其中ab间距为2528.04mm，bc间距为4968.45mm。三个高精度坐标约束机构3分别约束第一个基准点与小孔板的位置、第二个基准点与第一对准板的位置，以及第三个基准点与第二对准板的位置。

所述小孔板可以为圆形硬边光阑，其通光孔径满足菲涅耳数大于1，其通光孔径具体可以为4mm、5mm、6mm等。

所述第一对准板和第二对准板可以为带有针孔的“十字”叉丝。

进一步地，通过模拟光，穿基准点a和b将数字化坐标网络体系下的设计光轴实体化，并在基准点c处判断光轴的复现精度。如图5，基准点b处光场质心和理想中心(“十字”叉丝的针孔中心)重合，基准点c处光场质心和理想中心(“十字”叉丝的针孔中心)偏离。其中，水平方向偏移57.1微米，竖直方向47.6微米。因此，光轴水平方向的偏差为11.5μrad，竖直方向偏差为9.6μrad，综合偏差为15μrad。

进一步地，对数字化光轴的复现误差进行分解。考虑基准点a处小孔板和基准点b、c处典型对准板“十字”叉丝的位置精度，其中一个10μm是高精度坐标约束机构通过典型基准点标定机构激光跟踪仪的定位精度，另一个10μm是小孔板和典型对准板“十字”叉丝的定心精度。因此，复现的ab光轴精度测试结果为15.0±3.6μrad，其中包括ab光轴的理论精度9.9μrad(激光跟踪仪的精度误差)和ab的光路调试误差5.1±3.6μrad。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。