CN103386640B - 大口径反射镜加工机床精确对准方法 - Google Patents

Abstract

大口径反射镜加工机床精确对准方法，属于光学加工与检测技术领域，为解决现有技术对准精度低的问题，该方法是，将两套成像采集系统分别固连在机床加工磨头和检测探头上的实时成像采集系统；成像采集系统畸变标定；拍摄粘贴在待加工镜体非工作区的大、小点对靶标，对比当前位置和初始参考位置靶标图像大、小点坐标变化，计算两位置的相对旋转角和平移量，重复这些步骤，遍历镜体后获得镜体的面形检测分布，指导机床的精确对准，机床加工磨头和检测探头与待加工镜体之间的高对准精度为加工磨头的遍历轨迹与依照检测面形规划的加工轨迹的高度一致性提供了保证，可以得到加工精度更高的面形。

Description

大口径反射镜加工机床精确对准方法

技术领域

本发明涉及大口径反射镜加工机床的对准方法，属于光学加工与检测技术领域。

背景技术

大口径光学系统具有空间角度分辨力高，能量收集能力强的特点，被广泛用于宇宙深空探测及高精度对地成像等领域中。在大口径光学系统中，大口径的非球面主镜是其中的核心部件，主镜的口径和焦距决定了系统的尺寸和重量，主镜的面形精度则是系统采集高清晰图像的最重要前提之一。

目前的光学反射镜加工技术主要包括采用小磨头的计算机表面成型技术，磁流变技术及离子束技术，以及适用于大口径加工的应力盘技术和应力抛光技术等。在大口径反射镜制备过程中，任何一种加工技术都是与检测过程交替进行的，加工路径和驻留时间的规划以面形检测结果为基础。反射镜的最终加工精度依赖于镜面的检测精度，以及加工磨头的对准精度。如果磨头与反射镜之间存在较大的对准误差，那么实际加工路径与规划路径亦存在偏差，其结果可能会造成对原有面形的破坏，使加工过程出现反复，难以收敛。尤其对于口径大于1m量级的大型反射镜，面形精度要求高于λ/50甚至λ/100，每个加工周期需花费数十小时，由于加工路径与规划路径的不一致性导致的多次反复将占用大量的人力和设备资源，而且难以达到预定的面形精度。另外，由于对准误差引起的加工过程反复迭代还会在镜面上产生较大的中高频误差，进而影响光学系统的成像质量。

光学加工中常用的机械对准方法由于实体测量基准的欠缺，精度一般不高于10μm，不适宜高精度光学加工中的使用需求。

发明内容

本发明为了解决现有技术光学加工中大口径反射镜加工机床机械对准方法精度低的问题，提供了一种针对大口径反射镜加工机床的精确对准方法，该方法借助与机床加工磨头和检测探头固连的实时图像采集系统拍摄待加工镜体上的特征靶标，上位机根据拍摄图像计算加工磨头与镜体之间，以及检测探头与镜体之间的相对旋转角和平移量，指导数控机床的两维对准。

为解决上述问题，本发明的技术方案为，大口径反射镜加工机床精确对准方法，包括以下步骤，

步骤一：选择两套均匀照明光源、小畸变定焦镜头及小像元尺寸、高信噪比成像传感器组成两套成像采集系统，分别安装在反射镜加工机床的加工磨头和检测探头的合适位置，保证系统对焦清晰，像面全视场照度均匀；

步骤二：在待加工镜体非工作区任意位置粘贴网格靶标，将加工磨头移动至该靶标上方，以机械对准方法保证靶标充满成像系统全视场，采集靶标图像，计算像面上每个网格焦点的坐标，再根据网格焦点坐标及已知网格的实际物理尺寸，计算成像采集系统各视场的畸变系数，进而计算系统全视场畸变校正矩阵；按照上述方法，将检测探头移动至该靶标上方，采集靶标图像，以同样的方法计算检测探头成像采集系统各视场的畸变系数和全视场畸变校正矩阵；至此，成像采集系统畸变标定完成；

步骤三：在待加工镜体非工作区任意位置粘贴大、小点对目标组靶标，将检测探头移动至该靶标上方，以机械对准方法保证靶标在成像采集系统中心视场附近，采集靶标图像A，以此记录待加工镜体、加工磨头及检测探头坐标系的初始原点位置；以步骤二中成像采集系统全视场畸变校正矩阵处理图像A，然后计算初始原点位置图像中大、小两点的质心坐标(X_A1,Y_A1)和(X_A2,Y_A2)，再计算像面上两点之间的相对距离d_A：

$d_A=\sqrt{{(X_{A1}-X_{A2})}^2+{(Y_{A1}-Y_{A2})}^2}$

已知两点实际物理距离D，计算检测探头成像采集系统放大倍率β_T：

${\mathrm{\β}}_T=\frac{d_A}{D}$

步骤四：检测探头扫描整个镜体，完成镜体面形检测；以此检测结果进行加工路径和驻留时间规划，制作数控机床加工文件；

步骤五：移开检测探头，将加工磨头移动至大、小点对目标组靶标上方，以机械定位方式完成粗对准，保证该靶标在成像系统中心视场附近，采集靶标图像B；同样在进行畸变校正后计算该图像中大、小两点的质心坐标(X_B1,Y_B1)和(X_B2,Y_B2)；计算像面上两点之间的相对距离d_B；计算加工磨头成像采集系统放大倍率β_M：

${\mathrm{\β}}_M=\frac{d_B}{D}$

若β_M≠β_T，则微调加工磨头成像采集系统的高度直至两者相等；放大倍率调整完毕后，重新采集此时的靶标图像C并进行畸变校正；

步骤六：以初始原点位置图像A的大、小两点坐标计算通过此两点的直线解析表达式：

y＝k₁x+b₁

同样计算图像C中通过大、小两点的直线解析表达式：

y＝k₂x+b₂

式中b₁和b₂是直线是图像Y轴交点，k₁和k₂是直线斜率，即

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_1\\ k_2=\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_2\end{array}\right.$

α₁和α₂是直线与图像X轴的夹角，定义逆时针旋转为正方向，因此两幅图像的相对旋转角θ是：

θ＝α₂-α₁＝arctg(k₂)-arctg(k₁)

旋转角θ的定义域为[0,2π]，而α₁和α₂的定义域是[-π/2,π/2]；

步骤七：以初始原点位置图像A的大、小两点坐标计算通过此两点的线段中点坐标(X_MA,Y_MA)；同样计算图像C中通过大、小两点的线段中点坐标(X_MC,Y_MC)，那么两幅图像的相对两维平移量为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_X=X_{\mathrm{MC}}-X_{\mathrm{MA}}\\ d_Y=Y_{\mathrm{MC}}-Y_{\mathrm{MA}}\end{array}\right.$

步骤八：根据旋转角θ调整加工转台，根据平移量d_X，d_Y调整加工磨头在待加工镜体上方的位置，完成精确对准；导入步骤四中生成的加工文件，加工磨头开始遍历整个镜体；

步骤九：每次完成一个加工周期，需要进行检测时，则将步骤五至步骤八中的加工磨头替换为检测探头，参考图像仍是初始原点位置图像A，重复这些步骤，遍历镜体后获得镜体的面形检测分布，规划下一周期的加工路径和驻留时间，制作加工文件；每次根据检测结果进行下一周期加工时，则重复步骤五至步骤八。

本发明的有益效果是：

1)本发明中图像处理算法计算质心坐标精度优于0.1像元，以5μm像元尺寸成像传感器，1/5倍放大倍率镜头为例，机床加工磨头和检测探头与待加工镜体的相对偏移计算精度可达0.1μm，相较于普通机械定位方式10μm量级的对准精度有明显提升。

2)机床加工磨头和检测探头与待加工镜体之间的高对准精度为加工磨头的遍历轨迹与依照检测面形规划的加工轨迹的高度一致性提供了保证，可以得到加工精度更高的面形。

3)加工收敛效率提高，减少了加工周期的反复迭代，节省了加工时间，优化了人力与设备资源配置。

4)降低了加工反复过程中带来的镜面中高频误差，一定程度上减轻了广角散射对成像系统质量的影响。

附图说明

图1是本发明用于畸变标定的网格靶标示意图。

图2是本发明用于精确对准的大小点对靶标示意图。

图3是本发明用于计算初始参考图像A中大、小点坐标和线段中点坐标示意图。

图4是本发明用于计算加工磨头(检测探头)采集图像C与初始参考图像A之间相对旋转角和平移量示意图，其中图像A倾角α₁∈[-π/2,π/2],图像C倾角α₂∈[-π/2,π/2],两者相对旋转角θ＝α₂-α₁。

图5是本发明用于计算加工磨头(检测探头)采集图像C与初始参考图像A之间相对旋转角和平移量示意图，其中图像A倾角α₁∈[-π/2,π/2],图像C倾角α₂∈[π/2,3π/2],两者相对旋转角θ＝α₂-α₁)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为本发明用于畸变标定的网格靶标示意图。利用图像计算出的当前位置和参考位置的相对偏移量是以像元为单位的，需要转换到物空间中以mm为单位的物理坐标以指导加工机床的移动，因此，一方面需要对成像系统进行放大倍率标定，另一方面也需要将由成像镜头畸变造成的不同视场物像对应关系的变化予以校正。本发明利用标准网格靶标进行畸变标定：已知网格靶标在物空间的实际物理尺寸，在像面上计算出每个网格交点的坐标即可获知成像采集系统各视场的畸变系数，然后计算出系统全视场畸变校正矩阵。

如图2所示，为本发明用于精确对准的大小点对靶标示意图。以大、小两点坐标即可确定一条直线，以直线斜率可计算出定义域为[-π/2,π/2]的直线与X轴的倾角α；以大点(或小点)为端点确定射线方向，可判断倾角α是否需要转换到[π/2,3π/2]区域内；根据当前位置图像和参考位置图像两条射线夹角也就能计算出两个位置的相对旋转角；根据通过两点的线段中点坐标的变化即可计算出两个位置的相对平移量。

如图3所示，为本发明计算初始参考图像A中大、小点坐标和线段中点坐标示意图。在全视场均匀照明条件下，对大小点对靶标图像进行二值化处理，背景为1，点对区域为0；使用质心法分别计算大、小两点质心坐标；计算通过两点的直线解析表达式，计算该直线与图像X轴夹角；计算质心附近点域大小，即可分别标记出大、小点，确定射线方向；计算通过两点的线段中点坐标。

如图4所示，为本发明用于计算加工磨头(检测探头)采集图像C与初始参考图像A之间相对旋转角和平移量示意图。其中图像A中直线倾角α₁∈[-π/2,π/2],线段中点坐标为(X_MA,Y_MA)；图像C中直线倾角α₂∈[-π/2,π/2],线段中点坐标为(X_MC,Y_MC)；其中α₂＞α₁，X_MA＞X_MC，Y_MA＜Y_MC；两者相对旋转角θ＝α₂-α₁＞0，加工转台需顺时针旋转θ进行对准；两者相对两维平移量d_X＝X_MC-X_MA＜0，d_Y＝Y_MC-Y_MA＞0，加工磨头(检测磨头)需往右、上方向分别移动|d_X|和|d_Y|。

如图5所示，为本发明用于计算加工磨头(检测探头)采集图像C与初始参考图像A之间相对旋转角和平移量示意图。其中图像A中直线倾角α₁∈[-π/2,π/2],线段中点坐标为(X_MA,Y_MA)；图像C中直线倾角α₂∈[π/2,3π/2],线段中点坐标为(X_MC,Y_MC)；其中α₂＞α₁，X_MA＜X_MC，Y_MA＞Y_MC；两者相对旋转角θ＝α₂-α₁＞0，加工转台需顺时针旋转θ进行对准；两者相对两维平移量d_X＝X_MC-X_MA＞0，d_Y＝Y_MC-Y_MA＜0，加工磨头(检测磨头)需往左、下方向分别移动|d_X|和|d_Y|。

本发明大口径反射镜加工机床精确对准方法，包括以下步骤，

步骤一：选择两套均匀照明光源，小畸变定焦镜头，小像元尺寸、高信噪比成像传感器组成成像采集系统，安装在反射镜加工机床加工磨头和检测探头的合适位置，保证系统对焦清晰，像面全视场照度均匀。

步骤二：在待加工镜体非工作区任意位置粘贴如图1所示的网格靶标，将加工磨头移动至该靶标上方，以机械对准方法保证靶标充满成像系统全视场，采集靶标图像；计算像面上每个网格焦点的坐标；已知网格的实际物理尺寸，计算成像采集系统各视场的畸变系数；计算系统全视场畸变校正矩阵。类似的，将检测探头移动至该靶标上方，采集靶标图像；以同样的方法计算检测探头成像系统各视场的畸变系数和全视场畸变校正矩阵。至此，成像采集系统畸变标定完成，该过程仅需在首次使用此系统时进行，在后期的每次使用无需重复该过程。

步骤三：在待加工镜体非工作区任意位置粘贴如图2所示的大小点对目标组靶标，将检测探头移动至该靶标上方，以机械对准方法保证靶标在成像系统中心视场附近，采集靶标图像A，以此记录待加工镜体、加工磨头及检测探头坐标系的初始原点位置。以步骤二中成像系统全视场畸变校正矩阵处理图像A，然后如图3所示，计算初始原点位置图像中大、小两点的质心坐标(X_A1,Y_A1)和(X_A2,Y_A2)(图像坐标系以左上为原点，水平方向为X轴，向右为正，竖直方向为Y轴，向下为正)；计算像面上两点之间的相对距离d_A：

$d_A=\sqrt{{(X_{A1}-X_{A2})}^2+{(Y_{A1}-Y_{A2})}^2}$

已知两点实际物理距离D，计算检测探头成像采集系统放大倍率β_T：

${\mathrm{\β}}_T=\frac{d_A}{D}$

步骤四：检测探头扫描整个镜体，完成镜体面形检测；以此检测结果进行加工路径和驻留时间规划，制作数控机床加工文件。

步骤五：移开检测探头，将加工磨头移动至图2所示靶标上方，以机械定位方式完成粗对准，保证靶标在成像系统中心视场附近，采集靶标图像B；同样在进行畸变校正后计算该图像中大、小两点的质心坐标(X_B1,Y_B1)和(X_B2,Y_B2)；计算像面上两点之间的相对距离d_B；计算加工磨头成像采集系统放大倍率β_M：

${\mathrm{\β}}_M=\frac{d_B}{D}$

若β_M≠β_T，则微调加工磨头成像采集系统的高度直至两者相等。放大倍率调整完毕后，重新采集此时的靶标图像C并进行畸变校正。

步骤六：以初始原点位置图像A的大、小两点坐标计算通过此两点的直线解析表达式：

y＝k₁x+b₁

同样计算图像C中通过大、小两点的直线解析表达式：

y＝k₂x+b₂

式中b₁和b₂是直线是图像Y轴交点，k₁和k₂是直线斜率，即

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_1\\ k_2=\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_2\end{array}\right.$

α₁和α₂是直线与图像X轴的夹角，定义逆时针旋转为正方向。因此两幅图像的相对旋转角θ是：

θ＝α₂-α₁＝arctg(k₂)-arctg(k₁)

在此需注意的是，旋转角θ的定义域为[0,2π]，而α₁和α₂的定义域是[-π/2,π/2]。不过由于使用的靶标是一大一小两点，可用算法作出以大点(或小点)为端点的射线，以射线方向即可判断出α₁、α₂是否超出的[-π/2,π/2]定义域；若超出该范围，则α＝α+π，即可转换至[π/2,3π/2]区间内。如图4和图5分别是α₂∈[-π/2,π/2]和α₂∈[π/2,3π/2]时的计算示意图。由此计算出的旋转角θ若小于0，则θ＝θ+2π，即可转换至定义域[0,2π]内。

步骤七：以初始原点位置图像A的大、小两点坐标计算通过此两点的线段中点坐标(X_MA,Y_MA)；同样计算图像C中通过大、小两点的线段中点坐标(X_MC,Y_MC)，那么两幅图像的相对两维平移量为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_X=X_{\mathrm{MC}}-X_{\mathrm{MA}}\\ d_Y=Y_{\mathrm{MC}}-Y_{\mathrm{MA}}\end{array}\right.$

步骤八：根据旋转角θ调整加工转台，根据平移量d_X，d_Y调整加工磨头在待加工镜体上方的位置，完成精确对准。导入步骤四中生成的加工文件，加工磨头开始遍历整个镜体。

步骤九：每次完成一个加工周期，需要进行检测时，则将步骤五至步骤八中的加工磨头替换为检测探头，参考图像仍是初始原点位置图像A，重复这些步骤，遍历后获得镜体的面形检测分布，规划下一周期的加工路径和驻留时间，制作加工文件。每次根据检测结果进行下一周期加工时，则重复步骤五至步骤八。

Claims (1)

1.大口径反射镜加工机床精确对准方法，其特征是，包括以下步骤，

步骤一：选择两套均匀照明光源、小畸变定焦镜头及小像元尺寸、高信噪比成像传感器组成两套成像采集系统，分别安装在反射镜加工机床的加工磨头和检测探头的合适位置，保证系统对焦清晰，像面全视场照度均匀；

步骤二：在待加工镜体非工作区任意位置粘贴网格靶标，将加工磨头移动至该靶标上方，以机械对准方法保证靶标充满成像系统全视场，采集靶标图像，计算像面上每个网格焦点的坐标，再根据网格焦点坐标及已知网格的实际物理尺寸，计算成像采集系统各视场的畸变系数，进而计算系统全视场畸变校正矩阵；按照上述方法，将检测探头移动至该靶标上方，采集靶标图像，以同样的方法计算检测探头成像采集系统各视场的畸变系数和全视场畸变校正矩阵；至此，成像采集系统畸变标定完成；

步骤三：在待加工镜体非工作区任意位置粘贴大、小点对目标组靶标，将检测探头移动至该靶标上方，以机械对准方法保证靶标在成像采集系统中心视场附近，采集靶标图像A，以此记录待加工镜体、加工磨头及检测探头坐标系的初始原点位置；以步骤二中成像采集系统全视场畸变校正矩阵处理图像A，然后计算初始原点位置图像中大、小两点的质心坐标(X_A1,Y_A1)和(X_A2,Y_A2)，再计算像面上两点之间的相对距离d_A：

$d_A=\sqrt{{(X_{A1}-X_{A2})}^2+{(Y_{A1}-Y_{A2})}^2}$

已知两点实际物理距离D，计算检测探头成像采集系统放大倍率β_T：

${\mathrm{\β}}_T=\frac{d_A}{D};$

步骤四：检测探头扫描整个镜体，完成镜体面形检测；以此检测结果进行加工路径和驻留时间规划，制作数控机床加工文件；

步骤五：移开检测探头，将加工磨头移动至大、小点对目标组靶标上方，以机械定位方式完成粗对准，保证该靶标在成像系统中心视场附近，采集靶标图像B；同样在进行畸变校正后计算该图像中大、小两点的质心坐标(X_B1,Y_B1)和(X_B2,Y_B2)；计算像面上两点之间的相对距离d_B；计算加工磨头成像采集系统放大倍率β_M：

${\mathrm{\β}}_M=\frac{d_B}{D}$

若β_M≠β_T，则微调加工磨头成像采集系统的高度直至两者相等；放大倍率调整完毕后，重新采集此时的靶标图像C并进行畸变校正；

步骤六：以初始原点位置图像A的大、小两点坐标计算通过此两点的直线解析表达式：

y＝k₁x+b₁

同样计算图像C中通过大、小两点的直线解析表达式：

y＝k₂x+b₂

式中b₁和b₂是直线是图像Y轴交点，k₁和k₂是直线斜率，即

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_1\\ k_2=\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_2\end{array}\right.$

α₁和α₂是直线与图像X轴的夹角，定义逆时针旋转为正方向，因此两幅图像的相对旋转角θ是：

θ＝α₂-α₁＝arctg(k₂)-arctg(k₁)

旋转角θ的定义域为[0,2π]，而α₁和α₂的定义域是[-π/2,π/2]；

步骤七：以初始原点位置图像A的大、小两点坐标计算通过此两点的线段中点坐标(X_MA,Y_MA)；同样计算图像C中通过大、小两点的线段中点坐标(X_MC,Y_MC)，那么两幅图像的相对两维平移量为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_X=X_{\mathrm{MC}}-X_{\mathrm{MA}}\\ d_Y=Y_{\mathrm{MC}}-Y_{\mathrm{MA}}\end{array}\right.;$

步骤八：根据旋转角θ调整加工转台，根据平移量d_X，d_Y调整加工磨头在待加工镜体上方的位置，完成精确对准；导入步骤四中生成的加工文件，加工磨头开始遍历整个镜体；

步骤九：每次完成一个加工周期，需要进行检测时，则将步骤五至步骤八中的加工磨头替换为检测探头，参考图像仍是初始原点位置图像A，重复这些步骤，遍历镜体后获得镜体的面形检测分布，规划下一周期的加工路径和驻留时间，制作加工文件；每次根据检测结果进行下一周期加工时，则重复步骤五至步骤八。