CN104165598B - 大口径反射镜干涉仪立式检测反射光斑自动定位方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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

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1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。

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)。

不过，在传统卧式检测时，干涉仪1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—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

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。

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：

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；

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。

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(X_A1,Y_A1)和(X_A2,Y_A2)，计算通过此两点的直线解析表达式：

y＝k₁x+b₁ (1)

而理想位置两点的直线解析表达式为：

y＝k₂x+b₂ (2)

式中b₁和b₂是直线是图像Y轴交点，k₁和k₂是直线斜率，即

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_1\\ k_2=\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

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；因此当前位置和理想位置的相对旋转角dθ_A是：

dθ_A＝α₂-α₁＝arctg(k₂)-arctg(k₁) (4)

由两点坐标还可以计算通过此两点的线段中点坐标(X_MA1,Y_MA1)以及理想位置两点的线段中点坐标(X_MA2,Y_MA2)，那么当前位置和理想位置的相对两维平移量为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{AX}}=X_{\mathrm{MA}2}-X_{\mathrm{MA}1}\\ d_{\mathrm{AY}}=Y_{\mathrm{MA}2}-Y_{\mathrm{MA}1}\end{array}\right.---\left(5\right)$

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_A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。

本发明的有益效果：

1)本发明解决了大口径反射镜干涉仪立式检测时操作者不便于在反射镜上方空间寻找反射光斑的难题，以图像采集设备拍摄靶标图像的方法确定当前反射镜位置与理想位置的偏差，自适应调整反射镜位置和姿态，使反射光斑正确返回检测光路。

2)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，分辨率4k*4k成像传感器，1/20倍放大倍率镜头为例，反射镜位置平移量偏差估计精度可达Δd＝Δp/β＝0.1pixel×5μm/pixel×20＝10μm，旋转角偏差估计为若反射镜距离光学补偿器10m，则镜体5”角度误差仅引起约500μm的光斑位置偏差。对于一般光学补偿器10mm量级的口径来说，满足光斑对准需求。而且整个调整过程无需人工干预，速度快，有效提高了检测效率。

附图说明

图1是反射镜卧式检测示意图。

图2是本发明反射镜立式检测示意图。

图3是本发明反射镜侧壁两个LED点源靶标a、b的分布示意图。

图4是本发明用于图像采集的设备A、B、C的分布示意图。

图5是本发明图像采集设备A以俯视方向拍摄图像计算旋转量的示意图。

图6是本发明图像采集设备A以俯视方向拍摄图像计算平移量的示意图。

图7是本发明图像采集设备B以主(前)视方向拍摄图像计算旋转量的示意图。

图8是本发明图像采集设备C以左视方向拍摄图像计算旋转量的示意图。

具体实施方式

图3是本发明中固定在反射镜侧壁的红色LED点源靶标a和绿色LED点源靶标b分布示意图，两者在半径方向上的夹角小于90°，具体夹角需要依据反射镜体半径、图像采集设备镜头的焦距、视场和到图像采集设备的物距，以及成像传感器靶面尺寸来综合确定。

图4是本发明用于图像采集的设备分布示意图，三套图像采集设备A、B、C分别从俯视、主视、左视方向拍摄反射镜侧壁LED特征靶标。图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。在确定安装位置后，A、B、C三套系统均需进行放大倍率标定和畸变标定。

图5是本发明图像采集设备A以俯视方向拍摄图像计算旋转量的示意图。采集图经过畸变校正后，使用质心法计算红、绿两个LED靶标的位置，两点坐标可确定一条直线，与理想位置直线的夹角即为待调整旋转角。

图6是本发明图像采集设备A以俯视方向拍摄图像计算平移量的示意图。同样以红、绿两个LED靶标的位置坐标确定一条线段，求出该线段中点相对于理想位置线段中点的两维偏移量dx、dy，再根据放大倍率标定系数转换到物空间即可得待调整平移量。(若B、C方位存在旋转量偏差，则两靶标位置不可能同时与理想位置重合，因此取两者中点坐标作为平移量参考。)

图7是本发明图像采集设备B以主(前)视方向拍摄图像计算旋转量的示意图。与A系统类似，采集图经畸变校正后，使用质心法计算红、绿两个LED靶标的位置，以两点坐标确定一条直线，与理想位置直线的夹角即为待调整旋转角。

图8是本发明图像采集设备C以左视方向拍摄图像计算旋转量的示意图。与A系统类似，采集图经畸变校正后，使用质心法计算红、绿两个LED靶标的位置，以两点坐标确定一条直线，与理想位置直线的夹角即为待调整旋转角。

本发明的具体实施例为：

(1)在大口径反射镜干涉仪立式检测平台上安装三套实时图像采集系统，在待测反射镜侧壁安装红色LED点源靶a和绿色LED点源靶b标各一个，其位置分布示意图如图3和图4所示。图像采集系统镜头要求畸变较小，视场完整覆盖两个靶标。

以检测一个口径2m，曲率半径10m的凹面反射镜为例，选择焦距为200mm的镜头固定在距离反射镜靶标约4m的位置，则图像采集系统放大倍率约为1/20。选择像元尺寸为5μm，分辨率4k*4k的成像传感器，靶面大小为20mm*20mm，可覆盖400mm*400mm的物方视场，则两个LED靶标在半径方向上的夹角应小于23°。

(2)固定好靶标和图像采集系统后，分别对每个系统进行放大倍率标定和畸变标定：计算出各图像采集系统物空间实际物理距离与像空间像元大小的对应关系，以及各视场的畸变系数和系统全视场畸变校正矩阵。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。

(3)开启三套图像采集系统，调整合适的曝光时间，使发光LED点源靶标在图像上不会饱和溢出而其他背景为暗。由于三个方位所拍摄的靶标位置、姿态有一定耦合，一般需多次迭代调整方能到达理想位置。而靶标的位置偏差在A系统俯视方位最为敏感，因此一般选择A系统俯视图进行粗对准。成像系统A从俯视方向拍摄靶标，对图像进行畸变校正，以质心法计算两个发光LED的坐标位置，以该两点坐标确定一条直线，计算与理想位置直线的夹角即为待调整旋转角。

旋转量计算偏差主要来自于靶标位置的坐标偏差，由于质心法计算坐标精度优于0.1像元，两靶标位置相距略小于4k像元，那么因坐标误差引起的角度量偏差约为不过俯视方向的旋转量偏差并不会影响光斑返回检测光路，因此在这里该方位的旋转量校正只是为其他维度的校正提供基础。

(4)同样以靶标两点坐标确定一条线段，计算线段中点坐标。与理想位置对比，计算坐标两维偏差量，经放大倍率转换后即可得平移导轨的待调整量。平移偏差量计算精度约为0.1像元，转换到物空间即约为10μm。经这两步调整后，反射镜体与干涉仪检测光路已实现了粗对准。

(5)成像系统B和C同时采集靶标图像，使用系统A旋转量计算同样的方法进行分析，得到这两个方位的待调整旋转角(这两个方位的平移量与旋转角有一定耦合，优先调整旋转角，再调整平移量)，首先调整角度偏差量最大的维度，再重新采集三个方位的图像进行位置偏差分析，再次调整偏差最大的维度进行调整，循环进行直至三个方位的都逼近理想位置。

值得注意的是，经过粗对准之后，系统B、C方位所确定的反射镜体旋转角偏差正是光斑能否返回干涉仪检测光路的关键所在。与系统A类似，由图像计算所得的角度量误差约为5”,而反射镜体5”角度偏差将造成10”角度的反射光线偏折偏差，对于曲率半径为10m的反射镜来说，将造成约Δd＝R·tg(Δθ')＝10m×tg(10″)＝0.485mm的反射光斑位置偏差，相对于普通10mm量级口径的光学补偿器来说，足以使光斑返回干涉仪检测光路。

Claims (1)

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图像采集系统，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；三套图像采集系统分布为，俯视系统A位于反射镜光轴方向上，以俯视角度拍摄，主视系统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俯视系统A、主视系统B、左视系统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，重新采集俯视系统A、主视系统B、左视系统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；

步骤三中所述俯视系统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(X_A1,Y_A1)和(X_A2,Y_A2)，计算通过此两点的直线解析表达式：

y＝k₁x+b₁ (1)

而理想位置两点的直线解析表达式为：

y＝k₂x+b₂ (2)

式中b₁和b₂是直线是图像Y轴交点，k₁和k₂是直线斜率，即

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1={\mathrm{tg\α}}_1\\ k_2={\mathrm{tg\α}}_2\end{array}\right.---\left(3\right)$

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；因此当前位置和理想位置的相对旋转角dθ_A是：

dθ_A＝α₂-α₁＝arctg(k₂)-arctg(k₁) (4)

由两点坐标还可以计算通过此两点的线段中点坐标(X_MA1,Y_MA1)以及理想位置两点的线段中点坐标(X_MA2,Y_MA2)，那么当前位置和理想位置的相对两维平移量为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{AX}=X_{MA2}-X_{MA1}\\ d_{AY}=Y_{MA2}-Y_{MA1}\end{array}\right.---\left(5\right)$

此处计算出了像空间的平移量，单位为像元，根据俯视系统A的系统放大倍率系数β_A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。