摆镜特性参数测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术测角范围大、测量效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学精密测量
，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。
技术介绍
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<br>
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。
技术实现思路
基于以上背景，本专利技术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。本专利技术的基本原理是：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。本专利技术的技术方案是：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ti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 θ t i = arccos ( ( n t 0 , n t i ) | n t 0本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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
\t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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘尚阔，薛勋，赵建科，周艳，李坤，段亚轩，田留德，昌明，曹昆，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61