CN106017864A - 摆镜特性参数测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆镜特性参数测试装置及测试方法。装置包括光源组件、显影屏、光斑中心获取系统和放置在光源组件出射光路上的摆镜；在光源组件的出射端口处安装有光阑，光阑具有多个大小不同的圆形通光孔；显影屏位于摆镜的反射光路上，能接收摆镜在各位置的反射光，摆镜的反射光在显影屏上形成光斑；光斑中心获取系统用于记录显影屏上的光斑图像及其中心坐标。方法包括步骤：1)对光源组件、显影屏和光斑中心获取系统的位置关系进行标定；2)打开光源组件，其发出的平行光经摆镜反射后在显影屏上形成光斑；3)获取显影屏上的光斑图像及其中心坐标；4)对步骤3)中所得数据处理，得到摆镜特性参数。本发明测角范围大、测量效率高。

Description

摆镜特性参数测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种摆镜特性参数测试装置及测试方法，适用于一般摆镜，尤其适用于高频摆镜特性参数测试。所述摆镜特性参数包括扫描分辨率、扫描角速度、扫描均匀性、扫描角度重复性、扫描线性段时间、有效扫描视场、扫描频率等。

背景技术

卫星、侦查测绘飞机、无人机等搭载的光学成像载荷常会受到相对像移的影响而导致所获取图像的像质模糊，摆镜是相机中用于补偿像移的关键部件，能够克服相对像移的影响，提高成像品质。受光学系统载体与地面目标相对运动速度的限制，摆镜的运动周期可能达到毫秒级。因此，摆镜的特性参数，尤其是高频摆镜的特性参数，直接影响到任务的成败。此外，在激光加工领域，摆镜被用于控制激光光束，实现对工件不同位置的加工，摆镜特性参数直接决定着所加工工件的加工质量，且为了提高加工效率，摆镜的频率也较高。

目前，常用的摆镜特性参数的测量方法有：圆光栅测角法、激光干涉测角法、内反射高精度差动小摆角测角法和自准直测角法等。圆光栅测角法通过摩尔条纹测量摆镜转过的角度，其测量速度快、精度高、抗环境干扰能力强，但该方法需要在摆镜上安装圆光栅结构，无法实现非接触测量，使用范围受到了极大的限制；激光干涉测角法利用摆镜转角引起的测量光束、参考光束的光程差来测量摆镜的转角，其测量精度较高，但是需要在摆镜上安装辅助装置，这会影响到摆镜的动态性能；内反射高精度差动小摆角测角法将两个反射镜摆放在分光镜的透射和反射方向上，利用两个反射镜反射率的变化来测量入射角度的大小，该方法可实现非接触测量和高速测量，但是由于反射率与入射角的线性关系只在临界角附近成立，限制了量程，在使用中需要用其它测角设备进行粗测，测量效率低，且在测量二维角度时光路结构复杂。自准直测角法利用光学系统物象关系特性测量入射光的角度，可以测量二维角度，且为非接触测量，但是其测角范围很小、频响低，在摆镜测试中应用较为困难。

专利【CN 101609250 B】中提出一种结合圆光栅测角系统和小角度高精度测角系统的摆镜特性参数测试装置，其能够对摆镜特性参数进行动态非接触高精度测量，但是，该方法需要利用跟踪装置实时跟踪摆镜，对跟踪装置的跟踪稳定性及精度有很高的要求，且对于高频摆镜特性参数的测量存在困难。

专利【CN 103884491 A】中提出了一种包括无穷远目标发生系统、二维动态角测量系统、同步采集系统三部分的摆镜二维动态角测量装置，其具有高速度、大范围和非接触的优点，但是由于摆镜入射光线经反射后，在空间上具有较大的角度，因此，该装置需要用到大尺寸的分光镜，而大尺寸分光镜的加工技术难度大、成本高。

发明内容

基于以上背景，本发明提供了一种摆镜特性参数测试装置及测试方法，能实现高频摆镜特性参数的非接触测量，并且测角范围大、测量效率高、成本低。

本发明的基本原理是：

首先结合光源组件所发出的平行光束建立三维直角坐标系；光束发射系统发射口径一定的平行光束，所述平行光束经摆镜反射后在显影屏上形成光斑；光斑中心获取系统提取该光斑的中心在三维直角坐标系中的坐标；结合摆镜入射光束的矢量坐标方向，反演出摆镜反射面在不同时刻的法矢量方向；通过法矢量的时变特性曲线，计算摆镜的特性参数。

本发明的技术方案是：

摆镜特性参数测试装置，包括光源组件和设置在光源组件出射光路上的摆镜；在光源组件的出射端口处安装有光阑；其特殊之处在于：所述光阑包括多个大小不同的通光孔，所述通光孔均为圆孔；所述测试装置还包括显影屏和光斑中心获取系统；所述显影屏位于摆镜的反射光路上，能接收摆镜在各个位置处的反射光，摆镜的反射光在显影屏上形成光斑；所述光斑中心获取系统用于记录所述显影屏上的光斑图像，并获取光斑图像的中心坐标。

上述通光孔有两个，记为第一通光孔和第二通光孔。

上述第一通光孔的直径至少是第二通光孔直径的两倍，便于光斑中心获取系统辨识相应的目标点。

基于上述测试装置测试摆镜特性参数的方法，首先定义三维直角坐标系，坐标系的原点O位于所述第一通光孔和第二通光孔中心连线的中点处，Z轴方向与所述光源组件的出射光束的方向相同，Y轴垂直于所述显示屏所在平面；其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)对光源组件、显影屏和光斑中心获取系统的位置关系进行标定；

2)打开光源组件，其发出的平行光经摆镜反射后在显影屏上形成光斑；

3)打开光斑中心获取系统，记录显影屏上的光斑图像及其中心坐标；

4)对所获取的光斑图像进行数据处理，得到摆镜的特性参数。

上述步骤1)具体为：

1.1)在光源组件的出射光路上设置五棱镜，利用五棱镜将光源组件发出的平行光束折转90°；

1.2)对光斑中心获取系统的内方位元素进行定标；

1.3)用光斑中心获取系统直接采集五棱镜出射的平行光线，调节光斑中心获取系统的位置，直至其所获取的平行光线的星点像坐标处于内方位元素标定像素处；

1.4)将显影屏移入五棱镜和光斑中心获取系统之间的光路，调整显影屏的位置使五棱镜的出射光束处于显影屏的中心位置处；

1.5)在显影屏表面处贴一双面反射镜，调整显影屏的位置，直至双面反射镜的反射光束完全进入光源组件中；

1.6)将双面反射镜移走，将五棱镜用待测摆镜替代。

上述步骤4)具体为：

4.1)计算摆镜反射面的单位法矢量：

光源组件经第一通光孔出射的平行光束的中心光线的参数方程为光源组件经第二通光孔出射的平行光束的中心光线的参数方程为式中a为第一通光孔和第二通光孔的圆心距；

所述中心光线与摆镜反射面的交点坐标分别记为M₁(0,-a/2,z₇)和M₂(0,a/2,z₈)；

所述中心光线经摆镜反射后，与显影屏的交点坐标分别记为N₁(x₅,L,z₅)和N₂(x₆,L,z₆)，其中x₅、z₅、x₆和z₆的值通过光斑中心获取系统获得；

所述摆镜反射面的平面方程为Ax+By+Cz＝D(3)，式中，参数A、B、C矢量(A,B,C)即为摆镜反射面的单位法矢量；

所述显影屏的平面方程为y＝L(4)，式中L为显影屏到Z轴的距离，为经过所述步骤1)标定的已知值；

结合所述公式(1)～(4)，以及坐标N₁(x₅,L,z₅)和N₂(x₆,L,z₆)进行推导，求解非线性方程组F(A,B,C,D,z₇,z₈,k₁,k₂)＝0(6)，式中k₁和k₂为推导所引入的参数；

从公式(6)的解向量中获取参数A、B、C的值，即得到摆镜反射面在不同时刻的单位法矢量

4.2)将摆镜反射面在不同时刻的单位法矢量按如下方式整合，得到不同时刻t_i摆镜反射面单位法矢量相对于初始时刻t₀摆镜反射面单位法矢量的夹角

${\mathrm{\θ}}_{t_i}=\arccos \left(\frac{(n_{t_0},n_{t_i})}{\left|n_{t_0}\right|\×\left|n_{t_i}\right|}\right)---\left(7\right)$

式中：为t₀时刻摆镜反射面的单位法矢量；为t_i时刻摆镜反射面的单位法矢量；

根据即可获得摆镜不同时刻t_i相对于初始时刻t₀所摆动的角度，从而得到摆镜运动的时变特性曲线，实现摆镜特性参数的非接触动态测试。

上述步骤4.1)中的非线性方程可采用拟Newton法或者Broyden法求解。

本发明的优点是：

(1)本发明利用光斑中心获取系统获取平行光束经摆镜反射后在显影屏上所形成光斑的中心的精确位置，推导出摆镜反射面法线在不同时刻的三维指向，将不同时刻的三维指向整合，实现高频摆镜特性参数的非接触测量，测角范围大、测量效率高、成本低。

(2)本发明能实现摆镜特性参数的动态非接触测量，测角范围大；整套测试装置无运动部件，无需对摆镜进行实时跟踪，能对高频摆镜特性参数进行测试；采用特殊设计的光阑，实现了同时获取多个光斑中心的功能，测量效率高；

(3)通过调整显影屏与摆镜之间的间距，可以有效抑制光源漂移、光斑中心获取算法误差等因素引起的测试误差，实现高频摆镜特性参数的高精度测量。

附图说明

图1是本发明的测试装置的示意图；

图2是本发明的光阑的结构示意图；

图3是本发明对各部件位置关系进行标定的方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

如图1所示，本发明所提供的摆镜特性参数测试装置，包括光源组件1和摆镜2、显影屏3以及光斑中心获取系统4。

在光源组件1的出射端口处安装有光阑；光阑上开设有多个大小不同的通光孔，所有通光孔均为圆孔(圆孔的中心易提取，且由圆孔射出的平行光束经摆镜反射后，在显影屏上显示的光斑图像仍对称，光斑中心易提取，测试误差小)。这里通光孔的数量及其分布会影响从每个通光孔出射的平行光束的中心光线的直线方程以及所述中心光线与摆镜2反射面的交点坐标。本实施例光阑的通光孔共有两个，分别记为第一通光孔5和第二通光孔6；并且为了便于光斑中心获取系统辨识相应的目标点，第一通光孔5的直径至少是第二通光孔6的直径的两倍。

摆镜2设置在光源组件1的出射光路上。

显影屏3设置在摆镜2的反射光路上，并且能接收摆镜2在各个位置处的反射光；摆镜2的反射光在显影屏3上形成光斑。

本发明还提供了一种测试摆镜特性参数的方法，首先定义三维直角坐标系，坐标系的原点O位于所述第一通光孔5和第二通光孔6中心连线的中点处，Z轴方向与光源组件1的出射光束的方向相同，Y轴垂直于显影屏3所在平面(如图1所示)；本发明的测试方法包括以下步骤：

1)对光源组件1、显影屏3和光斑中心获取系统4的位置关系进行标定：

1.1)在光源组件1的出射光路上设置五棱镜7，利用五棱镜7将光源组件1发出的平行光束折转90°；

1.2)对光斑中心获取系统4的内方位元素进行定标；

1.3)用光斑中心获取系统4直接采集五棱镜7出射的平行光线，调节光斑中心获取系统4的位置，直至其所获取的平行光线的星点像坐标处于内方位元素标定像素处；

1.4)将显影屏3移入五棱镜7和光斑中心获取系统4之间的光路，调整显影屏3的位置使五棱镜7的出射光束处于显影屏3的中心位置处；

1.5)在显影屏3表面处贴一双面反射镜，调整显影屏3的位置，直至双面反射镜的反射光束完全进入光源组件1中；

1.6)将双面反射镜移走，将五棱镜7用待测摆镜2替代。

2)打开光源组件1，其发出的平行光经摆镜2反射后在显影屏3上形成光斑；

3)打开光斑中心获取系统4，记录显影屏3上的光斑图像及其中心坐标；

4)对所获取的光斑图像进行数据处理，得到摆镜2的特性参数：

4.1)计算摆镜反射面的单位法矢量：

光源组件1经第一通光孔5出射的平行光束的中心光线的参数方程为光源组件1经第二通光孔6出射的平行光束的中心光线的参数方程为式中a为第一通光孔5和第二通光孔6的圆心距；

所述中心光线与摆镜反射面的交点坐标分别记为M₁(0,-a/2,z₇)和M₂(0,a/2,z₈)；

所述中心光线经摆镜2反射后，与显影屏3的交点坐标分别记为N₁(x₅,L,z₅)和N₂(x₆,L,z₆)，其中x₅、z₅、x₆和z₆的值通过光斑中心获取系统4获得；

所述摆镜反射面的平面方程为Ax+By+Cz＝D(3)，式中，参数A、B、C矢量(A,B,C)即为摆镜反射面的单位法矢量；

所述显影屏3的平面方程为y＝L(4)，式中L为显影屏3到Z轴的距离，为经过所述步骤1)标定的已知值；

结合所述公式(1)～(4)，以及坐标N₁(x₅,L,z₅)和N₂(x₆,L,z₆)进行推导，可以得出：

$\begin{array}{c}\frac{a}{2}B-{\mathrm{Cz}}_7+D=0\\ \frac{a}{2}B+{\mathrm{Cz}}_8-D=0\\ x_5+k_{1}A=0\\ k_{1}B+\frac{a}{2}+L=0\\ {k_1}^2{C}^2-{x_5}^2+2k_1{\mathrm{Cz}}_5-2k_1{\mathrm{Cz}}_7-{\left(\frac{a}{2}+L\right)}^2=0\\ x_6+k_{2}A=0\\ k_{2}B+L-\frac{a}{2}=0\\ {k_2}^2{C}^2-{x_6}^2-2k_2{\mathrm{Cz}}_6+2k_2{\mathrm{Cz}}_8-{\left(L-\frac{a}{2}\right)}^2=0\end{array}---\left(5\right)$

式中，k₁和k₂为推导所引入的参数。

公式(5)等效于求解非线性方程组F(A,B,C,D,z₇,z₈,k₁,k₂)＝0(6)，其求解可采用拟Newton法或者Broyden法。从公式(6)的解向量中获取参数A、B、C的值，即得到摆镜反射面在不同时刻的单位法矢量

4.2)将摆镜反射面在不同时刻的法矢量按如下方式整合，得到摆镜反射面在不同时刻t_i法矢量相对于摆镜反射面在初始时刻t₀单位法矢量的夹角

${\mathrm{\θ}}_{t_i}=arccos\left(\frac{(n_{t_0},n_{t_i})}{\left|n_{t_0}\right|\×\left|n_{t_i}\right|}\right)---\left(7\right)$

式中：为t₀时刻摆镜反射面的单位法矢量；为t_i时刻摆镜反射面的单位法矢量；

根据即可获得摆镜不同时刻t_i相对于初始时刻t₀所摆动的角度，从而得到摆镜运动的时变特性曲线，实现摆镜特性参数的非接触动态测试。

Claims (7)

1.摆镜特性参数测试装置，包括光源组件和放置在光源组件出射光路上的摆镜；在光源组件的出射端口处安装有光阑；其特征在于：

所述光阑包括多个大小不同的通光孔，所述通光孔均为圆孔；

所述测试装置还包括显影屏和光斑中心获取系统；所述显影屏位于摆镜的反射光路上，能接收摆镜在各个位置处的反射光，摆镜的反射光在显影屏上形成光斑；所述光斑中心获取系统用于记录所述显影屏上的光斑图像，并获取光斑图像的中心坐标。

2.根据权利要求1摆镜特性参数测试装置，其特征在于：所述通光孔有两个，记为第一通光孔和第二通光孔。

3.根据权利要求2摆镜特性参数测试装置，其特征在于：所述第一通光孔的直径至少是第二通光孔直径的两倍。

4.采用权利要求2或3所述的测试装置测试摆镜特性参数的方法，首先定义三维直角坐标系，坐标系的原点O位于所述第一通光孔和第二通光孔中心连线的中点处，Z轴方向与所述光源组件的出射光束的方向平行，Y轴垂直于所述显示屏所在平面；其特征在于：包括以下步骤：

1)对光源组件、显影屏和光斑中心获取系统的位置关系进行标定；

2)打开光源组件，其发出的平行光经摆镜反射后在显影屏上形成光斑；

3)打开光斑中心获取系统，记录显影屏上的光斑图像及其中心坐标；

4)对所获取的光斑图像进行数据处理，得到摆镜的特性参数。

5.根据权利要求4测试摆镜特性参数的方法，其特征在于：所述步骤1)具体为：

1.1)在光源组件的出射光路上设置五棱镜，利用五棱镜将光源组件发出的平行光束折转90°；

1.2)对光斑中心获取系统的内方位元素进行定标；

1.3)用光斑中心获取系统直接采集五棱镜出射的平行光线，调节光斑中心获取系统的位置，直至其所获取的平行光线的星点像坐标处于内方位元素标定像素处；

1.4)将显影屏移入五棱镜和光斑中心获取系统之间的光路，调整显影屏的位置使五棱镜出射光束处于显影屏的中心位置处；

1.5)在显影屏表面处贴一双面反射镜，调整显影屏的位置，直至双面反射镜的反射光束完全进入光源组件中；

1.6)将双面反射镜移走，将五棱镜用待测摆镜替代。

6.根据权利要求4或5测试摆镜特性参数的方法，其特征在于：所述步骤4)具体为：

4.1)计算摆镜反射面的单位法矢量：

光源组件经第一通光孔出射的平行光束的中心光线的参数方程为光源组件经第二通光孔出射的平行光束的中心光线的参数方程为式中a为第一通光孔和第二通光孔的圆心距；

所述中心光线与摆镜反射面的交点坐标分别记为M₁(0,-a/2,z₇)和M₂(0,a/2,z₈)；

所述中心光线经摆镜反射后，与显影屏的交点坐标分别记为N₁(x₅,L,z₅)和N₂(x₆,L,z₆)，其中x₅、z₅、x₆和z₆的值通过光斑中心获取系统获得；

所述摆镜反射面的平面方程为Ax+By+Cz＝D(3)，式中，矢量(A,B,C)即为摆镜反射面的单位法矢量；

所述显影屏的平面方程为y＝L(4)，式中L为显影屏到Z轴的距离，为经过所述步骤1)标定的已知值；

结合所述公式(1)～(4)，以及坐标N₁(x₅,L,z₅)和N₂(x₆,L,z₆)进行推导，求解非线性方程组F(A,B,C,D,z₇,z₈,k₁,k₂)＝0(6)，式中k₁和k₂为推导所引入的参数；

从公式(6)的解向量中获取参数A、B、C的值，即得到摆镜反射面在不同时刻的单位法矢量

4.2)将摆镜反射面在不同时刻的单位法矢量按如下方式整合，得到不同时刻t_i摆镜反射面单位法矢量相对于初始时刻t₀摆镜反射面单位法矢量的夹角

${\mathrm{\θ}}_{t_i}=\arccos \left(\frac{(n_{t_0},n_{t_i})}{\left|n_{t_0}\right|\×\left|n_{t_i}\right|}\right)---\left(7\right)$

式中：为t₀时刻摆镜反射面的单位法矢量；为t_i时刻摆镜反射面的单位法矢量；

根据即可获得摆镜不同时刻t_i相对于初始时刻t₀所摆动的角度，从而得到摆镜运动的时变特性曲线，实现摆镜特性参数的非接触动态测试。

7.根据权利要求6测试摆镜特性参数的方法，其特征在于：所述步骤4.1)中的非线性方程可采用拟Newton法或者Broyden法求解。