CN116718135A - 一种球面反射镜曲率半径测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球面反射镜曲率半径测量系统及方法。本方法为：1)将球面反射镜安装在固定支架上；2)在一维移动平台上安装白屏、激光器和摄像头，将一维移动平台、摄像头分别连接到数据处理单元上；3)打开激光器并使其输出光线照在白屏上形成点光源，同时调整摄像头对准白屏；4)调整一维移动平台与球面反射镜的主轴平行，并使得主轴穿过白屏；5)通过数据处理单元控制移动一维移动平台，并利用摄像头拍照记录移动过程中白屏上的光斑大小；6)数据处理单元记录的各光斑大小及其对应距离，拟合得到光斑最小处的距离即为球面反射镜的曲率半径。本发明方便操作和易于拓展，且精度较高，提高了测量效率。

Description

一种球面反射镜曲率半径测量系统及方法

技术领域

本发明属于大口径球面反射镜曲率半径测量领域，尤其涉及一种球面反射镜曲率半径测量系统及方法。

背景技术

近年来，我国的大口径观测设备的研发和应用发展快速，观测设备中涉及到大口径反射镜的使用。为了降低镜面加工难度，提高分辨率，观测设备的大口径反射镜采用分块式球面反射镜拼装。这就引入新的问题，大口径反射镜的拼装通常需要大批量的小块反射镜完成，这些小块反射镜的质量需要进行曲率半径的检测，以确定是否可以用于后续大口径反射镜的拼装。

传统的反射镜曲率半径测量方法包括干涉法、多点测量法等，采用这些方法在测量时所需要的设备昂贵，同时需要耗费大量的时间和人力，甚至会对反射镜的表面造成损伤。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种新的球面反射镜曲率半径测量方法。该方法不仅可以自动化、高精度的测量球面反射镜的曲率半径，提高了测量效率，而且使用的仪器简单，减少了经费投入。即本发明所使用的工具简易、方便操作和易于拓展，且精度较高。

本发明的球面反射镜曲率半径测量方法，其步骤如下：

1.将球面反射镜安装在固定支架上。

2.在一维移动平台上安装白屏、激光器和摄像头，并将一维移动平台和摄像头分别连接到数据处理单元上，白屏垂直于反射镜的主轴方向，激光器和摄像头最佳位置是放置在主轴的两侧，激光器会在白屏上产生光斑，反射镜也会产生光斑，摄像头对准反射镜反射回的光斑，并进行记录。

3.打开激光器光线照在白屏上形成点光源同时摄像头对准白屏。

4.调整一维移动平台和球面反射镜的主轴平行并使得主轴穿过白屏。

5.通过数据处理单元程序控制移动一维移动平台；数据处理单元根据一维移动平台的当前位置和初始位置计算得到当前一维移动平台与球面反射镜之间的距离。在实际操作中，如果曲率半径是R，一维平台移动的范围是从小于R的距离逐渐增大(即逐步远离反射镜)，增大的步长与测量的精度相关，如果要求精度很高，则步长比较短；然后移动到一维移动平台与球面反射镜之间的距离大于R；在移动过程中，在白屏上反射回来的光斑是先变小后变大，在曲率半径R处最小。

6.摄像头拍照记录球面反射镜光斑大小的变化。

7.数据处理单元通过光斑大小的变化以及相应的距离拟合得到光斑最小处的距离，即为球面反射镜的曲率半径。

本发明还提供一种球面反射镜曲率半径测量系统，其特征在于，包括固定支架、一维移动平台、白屏、激光器、摄像头和数据处理单元；其中，

所述固定支架，用于安装固定待测的球面反射镜；

所述白屏、激光器、摄像头分别按照在所述一维移动平台上，所述摄像头、所述一维移动平台分别与所述数据处理单元连接；

所述一维移动平台与所述球面反射镜的主轴平行，所述球面反射镜的主轴与所述白屏垂直；

所述激光器，用于输出光线照射所述白屏；

所述白屏，用于对入射光线进行漫反射；

所述球面反射镜，用于对所述漫反射光线进行反射汇聚在所述白屏上形成光斑；

所述摄像头，用于对所述光斑进行拍照并发送给所述数据处理单元；

所述数据处理单元，用于控制移动所述一维移动平台，以及控制所述摄像头对所述光斑进行拍照记录；以及根据一维移动平台的当前位置和初始位置计算得到当前一维移动平台与球面反射镜之间的距离，然后根据各光斑大小及其对应距离，拟合得到光斑最小处的距离即为所述球面反射镜的曲率半径。

进一步的，所述激光器、摄像头对称的放置在所述球面反射镜的主轴的两侧。

进一步的，所述白屏为漫反射板、坐标纸或白纸。

本发明的优点如下：

本发明能够自动化获得球面反射镜的曲率半径，实现了通过激光光源、摄像头和激光器完成球面反射镜曲率半径测量目的。方法自动化完成，通过图像识别和处理，准确高效。

附图说明

图1为本发明球面反射镜曲率半径测量系统。

图2为拟合曲线。

其中，1-球面反射镜，2-球面反射镜的主轴，3-摄像头，4-激光器，5-白屏，6-一维移动平台，7-数据处理单元。

具体实施方式

为了更好的对发明专利进行阐述，使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的球面反射镜曲率半径测量方法进行详细和完整的描述。显然所描述实施例仅是本发明的一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，凡有利于普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明球面反射镜曲率半径测量系统如图1所示，其中球面反射镜1固定在可调节高度和方向的支架上，固定支架可以调节球面反射镜的指向。摄像头3、激光器4和白屏5固定在一维移动平台6上，一维移动平台6和摄像头3分别连接到数据处理单元7上；激光器4发出的光束照射到白屏5上形成电光源并产生漫反射，漫反射光线被球面反射镜1接收汇聚反射回来，在白屏5上汇聚形成光斑，同时摄像头3对准白屏5，激光的初始光源和汇聚光斑不能够重合；调节球面反射镜1使得主轴与一维移动平台6的移动轴平行，球面反射镜的主轴2通过白屏5，此时在白屏5上看到点光源和球面反射镜1反射汇聚的光斑，将摄像头3的视场对准光斑进行成像，数据通过线缆传输到数据处理单元7，数据处理单元7能够发射信号控制一维移动平台6的移动。

白屏5可以是漫反射板、坐标纸和白纸。一维移动平台6的移动由数据处理单元程序设定自动完成。

摄像头所记录的图像是黑白或者彩色；摄像头拍照是数据处理单元程序自动完成的。

数据处理单元通过拟合不同距离处不同的光斑大小得到曲率半径。

数据处理单元可以为电脑。

具体的监测方法如下：

S1将球面反射镜安装在固定支架上；

S2在一维移动平台上安装白屏、激光器和摄像头并连接到数据处理单元上；

S3打开激光器光线照在白屏上形成点光源同时摄像头对准白屏；

S4调整一维移动平台和球面反射镜的主轴平行并使得主轴穿过白屏；

S5通过数据处理单元程序控制驱动一维移动平台；

S6通过摄像头拍照记录白屏上球面反射镜光斑大小的变化；

S7通过球面反射镜光斑大小的变化以及相应的距离，拟合得到光斑最小处的距离即为球面反射镜的曲率半径。

具体操作方法如下：

S1中将球面反射镜安装固定在支架上，此处的支架要求能够上下移动，能够调节球面反射镜的俯仰角和方位角，方便后续光学主轴的调整。

S2中一维移动平台上面安装白屏、激光器和摄像头，激光器和摄像头一般在光学主轴的两侧，摄像头能够覆盖白屏的大部分区域，摄像头安装完成后不要移动。

S3中激光器的光束打在白屏上会形成漫反射，相当于是点光源，此时点光源需要控制的比较小，通常在1mm以内，位置需要在球面反射镜的主光轴一侧近轴区域，通常小于10cm。

S4中通过调节球面反射镜的高度和朝向，使得主光轴与一位移动平台的移动轴平行，而且要穿过白屏。通过放置在一维平台上的激光器打出的激光束，打在球面反射镜中央位置上，然后原路返回，则确定反射镜的主轴与一维移动平台平行。

S5中一维移动平台的控制系统连接到数据处理单元上，数据处理单元可以通过设置操作平台的移动，也可以通过程序控制按照方案自动移动。

S6中数据处理单元程序操作一维移动平台和摄像头进行联动，平台移动一个长度后停止，然后摄像头拍照记录白屏上的光斑大小，然后再移动一定长度，再拍照。由此记录一系列不同距离和不同光斑。

S7中光斑随距离的变化通常是先减小后增大，光斑最小的地方即为球面反射镜的曲率半径；此处的拟合通常采用抛物线函数拟合。

本发明在实践中通过二次多项式拟合取得了很好的效果，抛物线函数的最低点(光斑最小值)时的距离即为曲率半径。如图2所示，纵轴是光斑大小D，横轴是距离S，光斑最小处的距离即为曲率半径。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种球面反射镜曲率半径测量方法，其步骤包括：

1)将球面反射镜安装在固定支架上；

2)在一维移动平台上安装白屏、激光器和摄像头，将所述一维移动平台、摄像头分别连接到数据处理单元上；

3)打开所述激光器并使其输出光线照在所述白屏上形成点光源，同时调整所述摄像头对准所述白屏；

4)调整所述一维移动平台与所述球面反射镜的主轴平行，并使得主轴穿过所述白屏，此时点光源经所述白屏漫反射的光线通过所述球面反射镜反射汇聚在所述白屏上形成光斑；

5)通过所述数据处理单元控制移动所述一维移动平台，并利用所述摄像头拍照记录移动过程中所述白屏上的光斑大小；其中，所述数据处理单元根据一维移动平台的当前位置和初始位置计算得到当前一维移动平台与球面反射镜之间的距离；

6)所述数据处理单元记录的各光斑大小及其对应距离，拟合得到光斑最小处的距离即为所述球面反射镜的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定支架为高度、方向可调的支架，用于调节所述球面反射镜的高度和指向。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光器、摄像头对称的放置在所述球面反射镜的主轴的两侧。

4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述白屏为漫反射板、坐标纸或白纸。

5.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述摄像头所记录的图像是黑白图像或者彩色图像。

6.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，通过放置在所述一维移动平台上的激光器输出的激光束，入射在所述球面反射镜中央位置上，如果激光束原路返回，则确定所述反射镜的主轴与所述一维移动平台平行。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元为电脑。

8.一种球面反射镜曲率半径测量系统，其特征在于，包括固定支架、一维移动平台、白屏、激光器、摄像头和数据处理单元；其中，

所述固定支架，用于安装固定待测的球面反射镜；

所述白屏、激光器、摄像头分别按照在所述一维移动平台上，所述摄像头、所述一维移动平台分别与所述数据处理单元连接；

所述一维移动平台与所述球面反射镜的主轴平行，所述球面反射镜的主轴与所述白屏垂直；

所述激光器，用于输出光线照射所述白屏；

所述白屏，用于对入射光线进行漫反射；

所述球面反射镜，用于对所述漫反射光线进行反射汇聚在所述白屏上形成光斑；

所述摄像头，用于对所述光斑进行拍照并发送给所述数据处理单元；

所述数据处理单元，用于控制移动所述一维移动平台，以及控制所述摄像头对所述光斑进行拍照记录；以及根据一维移动平台的当前位置和初始位置计算得到当前一维移动平台与球面反射镜之间的距离，然后根据各光斑大小及其对应距离，拟合得到光斑最小处的距离即为所述球面反射镜的曲率半径。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述激光器、摄像头对称的放置在所述球面反射镜的主轴的两侧。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述白屏为漫反射板、坐标纸或白纸。