大口径反射镜干涉仪立式检测反射光斑自动定位方法
【专利摘要】大口径反射镜干涉仪立式检测反射光斑的自动定位方法，属于大口径反射镜高精度加工与检测【技术领域】，该方法借助于大口径反射镜检测平台反射镜光轴方向和垂直光轴平面的两个半径垂直方向上三套实时图像采集系统，同时拍摄固定在待加工反射镜体侧壁固定红色LED特征靶标a和绿色LED特征靶标b，对比靶标图像坐标变化，计算当前位置与理想位置的相对旋转角和平移量，自适应指导反射镜转台和平移导轨调整位置和姿态，从而使反射光斑正确返回检测光路，解决了人工空间寻找反射光斑的难题，也提高了光学检测效率。
【专利说明】大口径反射镜干涉仪立式检测反射光斑自动定位方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及大口径反射镜干涉仪立式检测反射光斑自动定位方法，属于大口径反射镜高精度加工与检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在大口径非球面反射镜研制过程中，反射镜加工和检测过程是交互、迭代进行的，反射镜加工路径及驻留时间的规划以高精度检测结果为基础，检测结果的精度决定了最终加工所能达到的精度，因此快速、准确的光学检测是大口径反射镜制备的重要基础。目前，反射镜面形的最终检测都是使用干涉检测的方法，经典卧式检测光路如图1所示:干涉仪I出射光线一部分被标准镜2反射形成参考波面，另一部分经过光学补偿器3入射到待测反射镜4上，反射光线携带着待测反射镜面形信息再次经过光学补偿器3返回到干涉仪1，与标准参考光形成干涉，根据干涉条纹的分布即可计算出反射镜的面形信息。但是当反射镜的口径逐渐增大时，一方面，反射镜加工时是呈水平方向放置，而检测时呈竖直方向放置，镜体本身自重分布的变化很容易引起面形变化，影响检测结果的准确性；另一方面，气流在不同水平高度上分层流动，这也会给高精度面形检测带来不确定的附加项，因此大口径反射镜检测更趋向于使用立式检测方法。
[0003]图2为本发明中反射镜立式检测示意图，采用该方式反射镜检测状态与加工状态相同，也与大型地基反射镜使用状态更接近，可以有效保证加工、检测过程与最终使用时面形的一致性。而且进行立式检测时，反射镜处于水平位置，水平分层的平稳气流对镜面全口径施以相同的作用，可从检测结果中去除(但无论立式还是卧式检测均无法去除水平层内局部小气团的干扰作用)。
[0004]不过，在传统卧式检测时，干涉仪I及光学补偿器3与反射镜4的粗对准是由检测人员在补偿器3和反射镜4之间的水平光路中使用肉眼寻找反射光斑5来完成的；而在立式检测时，干涉仪一光学补偿器光路与反射镜4在未对准的情况下，由反射镜4返回的光斑位于反射镜4上方空间，检测人员很难在补偿器3和反射镜4之间的竖直空间光路中寻找反射光斑。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决大口径反射镜干涉仪立式检测时操作者在反射镜上方空间寻找反射光斑困难，反射镜检测效率低的问题，提供了一种针对大口径反射镜干涉仪立式检测的反射光斑自动定位方法，该方法借助三套分别安装在反射镜光轴方向及垂直光轴平面的两个垂直方向上的实时图像采集系统拍摄固定在待加工镜体侧壁的LED特征靶标，上位机根据拍摄图像分别计算LED特征靶标与三个方位理想位置的相对旋转角和平移量，指导反射镜转台和平移导轨调整位置和姿态，使干涉仪光斑正确返回检测光路。
[0006]大口径反射镜干涉仪立式检测反射光斑自动定位方法，包括以下步骤:
[0007]步骤一，在待测反射镜侧壁安装微型红色LED点源a、绿色LED点源b作为特征靶标，两个LED在半径方向上的夹角小于90° ;选择三套小畸变定焦镜头，小像元尺寸、高信噪比成像传感器组成的成像采集系统，镜头视场和成像传感器靶面要求覆盖待测反射镜侧壁的两个LED特征靶标；镜头焦距的选择需和系统工作距离相匹配，保证一个像元的像空间位置精度经镜头放大后满足物空间反射镜位置精度要求；三套图像采集设备分布为，A位于反射镜光轴方向上，以俯视角度拍摄，B和C位于反射镜光轴垂直平面上,两者在反射镜半径方向上互相垂直，分别以主视角度和左视角度拍摄靶标图像；两个LED特征靶标具体夹角将与A、B、C三方位图像采集系统匹配调整；
[0008]步骤二，在确保三套图像采集系统均能完整拍摄到两个LED特征靶标的情况下，固定其位置，分别进行每套图像采集系统的放大倍率标定，计算出物空间实际物理距离与像空间像元大小的对应关系；分别进行每套图像采集系统的畸变标定，计算出各视场的畸变系数和系统全视场畸变校正矩阵；
[0009]步骤三，开启三套图像采集系统，调整合适的曝光时间，使系统可以拍摄到发光的LED特征靶标而其他物体均为暗背景；采集俯视系统A的图像进行姿态分析；根据计算所得旋转角调整加工转台，根据两维平移量调整反射镜平移导轨，完成粗对准；
[0010]步骤四，粗对准完成后同时采集主视系统B和左视系统C的图像进行姿态分析，计算旋转角及两维平移量，分析方法同步骤三；取剩余偏差较大的方位进行调整；
[0011 ] 步骤五，重新采集A、B、C三个系统的图像，重复步骤三中的姿态分析，仍然取剩余偏差最大的方位进行调整，循环直至三个方位的剩余偏差均满足对准要求，反射光斑返回检测光路。
[0012]步骤三中所述A系统俯视图姿态分析方法:首先对图像进行畸变校正，然后以质心法分别确定两个LED特征靶标靶标在图像中的位置坐标(XA1，YA1)和(XA2，YA2)，计算通过此两点的直线解析表达式:
[0013]y = Ic1X+!^ (I)
[0014]而理想位置两点的直线解析表达式为:
[0015]y = k2x+b2 (2)
[0016]式中Id1和b2是直线是图像Y轴交点，Ii1和k2是直线斜率，即
【权利要求】
1.大口径反射镜干涉仪立式检测反射光斑自动定位方法，其特征是，包括以下步骤: 步骤一，在待测反射镜侧壁安装微型红色LED点源a和绿色LED点源b作为特征靶标，两个LED在半径方向上的夹角小于90° ;选择三套小畸变定焦镜头，小像元尺寸、高信噪比成像传感器组成的成像采集系统，镜头视场和成像传感器靶面要求覆盖待测反射镜侧壁的两个LED特征靶标；镜头焦距的选择需和系统工作距离相匹配，保证一个像元的像空间位置精度经镜头放大后满足物空间反射镜位置精度要求；三套图像采集设备分布为，A位于反射镜光轴方向上，以俯视角度拍摄，B和C位于反射镜光轴垂直平面上，两者在反射镜半径方向上互相垂直，分别以主视角度和左视角度拍摄靶标图像；两个LED特征靶标具体夹角将与A、B、C三方位图像采集系统匹配调整； 步骤二，在确保三套图像采集系统均能完整拍摄到两个LED特征靶标的情况下，固定其位置，分别进行每套图像采集系统的放大倍率标定，计算出物空间实际物理距离与像空间像元大小的对应关系；分别进行每套图像采集系统的畸变标定，计算出各视场的畸变系数和系统全视场畸变校正矩阵； 步骤三，开启三套图像采集系统，调整合适的曝光时间，使系统可以拍摄到发光的LED特征靶标而其他物体均为暗背景；采集俯视系统A的图像进行姿态分析；根据计算所得旋转角调整加工转台，根据两维平移量调整反射镜平移导轨，完成粗对准； 步骤四，粗对准完成后同时采集主视系统B和左视系统C的图像进行姿态分析，计算旋转角及两维平移量，分析方法同步骤三；取剩余偏差较大的方位进行调整； 步骤五，重新采集A、B、C三个系统的图像，重复步骤三中的姿态分析，仍然取剩余偏差最大的方位进行调整，循环直至三个方位的剩余偏差均满足对准要求，反射光斑返回检测光路。
2.根据权利要求1所述的大口径反射镜干涉仪立式检测反射光斑自动定位方法，其特征在于，步骤三中所述A系统俯视图姿态分析方法为:首先对图像进行畸变校正，然后以质心法分别确定两个LED特征靶标靶标在图像中的位置坐标(XA1，YA1)和(XA2，YA2)，计算通过此两点的直线解析表达式:
y = kj+bi (I) 而理想位置两点的直线解析表达式为: y = k2x+b2 (2) 式中h和b2是直线是图像Y轴交点，Ic1和k2是直线斜率，即
\和Q2是直线与图像X轴的夹角，定义逆时针旋转为正方向；因此当前位置和理想位置的相对旋转角d θ A是:
d Θ a = O2-Q1 = arctg (k2) -arctg (k^ (4) 由两点坐标还可以计算通过此两点的线段中点坐标(XM1，YM1)以及理想位置两点的线段中点坐标(XM2，Yma2)，那么当前位置和理想位置的相对两维平移量为:
此处计算出了像空间的平移量，单位为像元，根据A系统放大倍率系数β Λ将其转换到靶标物理空间即可确定物空间的实际平移调整量。
【文档编号】G01B11/24GK104165598SQ201410380390
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月5日 优先权日:2014年8月5日
【发明者】陶小平, 罗霄, 薛桂林, 郑立功, 张学军 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所