大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置，该装置针对待测复杂曲面进行测试和标定；该装置采用测试标定模块获取激光干涉仪检测得到的复杂曲面的面形，并发出控制信号给激光干涉仪、补偿元件以及待测复杂曲面的调整机构，控制调整机构对三者的相对位置和相对角度的调整，使得复杂曲面的面形的均方根误差最小且离焦量为零；采用变换矩阵标定机构，标定激光跟踪仪在转站过程中的坐标变换矩阵；基于坐标变换矩阵，将面形数据进行坐标变换到同一坐标系中；对同一坐标系中的所有面形数据进行建模分析并计算，然后对待测复杂曲面的光学检验补偿器设计结果并进一步优化，优化结果即为基于反射镜实测参数的最优光学检验补偿器设计结果。

【技术实现步骤摘要】
大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置及方法
本专利技术涉及复杂曲面检测
，具体涉及大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置及方法。
技术介绍
大口径复杂曲面是现代光学系统重要的组成元件。在复杂曲面的制造过程中，顶点曲率半径、离轴量及偏心等几何参数是表述反射面的重要参数，其光学参数的精确测试和标定是研制过程中保证其质量的关键。当前，测量复杂曲面光学参数的方法主要为采用钢尺或已知长度的间隔杆测量、利用激光跟踪仪进行直接测量两种方式。利用钢尺或已知长度的间隔杆测量时，采用估读的方式，钢尺及测量杆的精度较低且无法准确测量到大口径复杂曲面的顶点位置，导致该测量方法的精度较低；利用激光跟踪仪进行直接测量时，只能测量补偿元件及复杂曲面的一部分基准面，由于基准面信息的缺失会放大测试过程中的偶然因素，导致光学参数测试精度的降低。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置及方法，通过转站来实现补偿元件及复杂曲面所有基准面的测量，能够实现对复杂曲面顶点曲率半径R、离轴量d及偏心Δ等光学参数的精确测试及标定，数据处理及运算过程较简单，操作简单方便，测试成本低、通用性好。为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的：大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置，该装置针对待测复杂曲面进行测试和标定；包括：激光跟踪仪、激光干涉仪、补偿元件、变换矩阵标定机构以及测试标定模块；补偿元件和待测复杂曲面顺次安放在激光干涉仪的出射光路上。该装置所针对的待测复杂曲面由反射面以及包围在反射面四周的基准面组成。变换矩阵标定机构包括M个位置预先设定的球座和位于球座上的靶标球；其中任意三个靶标球不共线。激光跟踪仪依次设置于在待测复杂曲面的反射面两侧选取的N个位置上，分别测试获得待测复杂曲面的反射面和所有基准面的面形数据，并同时测试获得M个靶标球的位置坐标。测试标定模块获取激光干涉仪检测得到的复杂曲面的面形，并发出控制信号给激光干涉仪、补偿元件以及待测复杂曲面的调整机构，控制调整机构实现对三者的相对位置和相对角度的调整，使得激光干涉仪检测得到的复杂曲面的面形的均方根误差最小且离焦量为零；测试标定模块同时获取激光跟踪仪在N个位置上测试获得的待测复杂曲面的反射面和所有基准面的面形数据以及M个靶标球的位置坐标，基于M个靶标球的位置坐标建立激光跟踪仪在N个位置转站过程中的坐标变换矩阵；基于坐标变换矩阵，将N个位置获得的面形数据进行坐标变换到同一坐标系中；对同一坐标系中的所有面形数据进行建模分析并计算，得到补偿元件与待测复杂曲面中心的间隔L、待测复杂曲面的离轴量d及偏心量Δ；将间隔L代入待测复杂曲面的光学检验补偿器设计结果并进一步优化，得到待测复杂曲面的顶点曲率半径R；将顶点曲率半径R、离轴量d及偏心量Δ代入光学检验补偿器设计结果中并进一步优化，优化结果即为基于反射镜实测参数的最优光学检验补偿器设计结果。进一步地，调整机构包括第一调整机构、第二调整机构、第三调整机构；激光干涉仪、补偿元件以及待测复杂曲面分别由第一调整机构、第二调整机构和第三调整机构进行相对位置和相对角度的调整。进一步地，M和N的关系为：3MN＞6(N-1)+3M。进一步地，N为2，M为4。进一步地，方法具体包括如下步骤：步骤1)调节第一调整机构、第二调整机构和第三调整机构的相对位置和相对角度，使激光干涉仪检测得到的复杂曲面的面形的均方根误差最小且离焦量为零。步骤2)将激光跟踪仪依次置于N个位置上，激光跟踪仪在每一位置上均测试待测复杂曲面的反射面和所有可测基准面的面形数据，并测试固定的M个球座的靶标球位置坐标。步骤3)基于步骤2)中测得的靶标球位置坐标，建立激光跟踪仪在N个位置转站过程中的坐标变换矩阵。步骤4)基于坐标变换矩阵，将N个位置获得的面形数据进行坐标变换到同一坐标系中。步骤5)对同一坐标系中的所有面形数据进行建模分析并计算，得到补偿元件与待测复杂曲面中心的间隔L、待测复杂曲面的离轴量d及偏心量Δ。步骤6)将间隔L代入待测复杂曲面的光学检验补偿器设计结果并进一步优化，得到待测复杂曲面的顶点曲率半径R。步骤7)将步骤5)和步骤6)得到的顶点曲率半径R、离轴量d及偏心量Δ代入光学检验补偿器设计结果中并进一步优化，优化结果即为基于反射镜实测参数的最优光学检验补偿器设计结果。进一步地，步骤3)中，激光跟踪仪在第一位置和第二位置两个位置转站过程中的坐标转换矩阵包括第一和第二位置处直角坐标系之间的相对平移量P和绕各坐标轴的角度量Q，具体求解方法为：首先将激光跟踪仪在N个位置处测得的靶标球位置坐标转换为直角坐标系下的坐标；依据第一和第二位置处直角坐标系之间的相对平移量P和绕各坐标轴的角度量Q构建转站误差以及转站误差的评价函数，针对转站误差的评价函数采用奇异值分解法求解得到P和Q。其中激光跟踪仪在第i个位置处测得的靶标球位置坐标分别为xi，yi；则转站误差为：ei＝Qxi+P-yi,i＝1,2,...,N。转站误差的评价函数为有益效果：本专利技术的有益效果是：本专利技术通过建立激光跟踪仪在不同位置时的转站变换矩阵，能够测试补偿元件和复杂曲面的所有基准面并进行建模分析，实现了大口径复杂曲面光学参数的精确测试与标定。该方法物理概念明确，数据处理与建模简单，操作方便，测试成本低、精度高、通用性好。附图说明图1是本专利技术的大口径复杂曲面光学参数精确测试的装置结构示意图；图2是本专利技术的建立两台激光跟踪仪之间变换矩阵的装置结构示意图；图3是本专利技术的大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定的流程图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。实施例1、如图1所示，本专利技术的大口径复杂曲面光学参数精确测试的装置包括：激光跟踪仪如图1中位置1及位置2所示、激光干涉仪3、补偿元件4、待测复杂曲面5、调整机构6、调整机构7、调整机构8以及测试标定模块。如图2所示，本专利技术的建立两台激光跟踪仪之间变换矩阵的装置包括激光跟踪仪图2中位置1及位置2所示、球座9、球座10、球座11、球座12。结合图1和图2说明本专利技术的具体实施方式，大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置针对待测复杂曲面5进行测试和标定；待测复杂曲面5由反射面以及包围在反射面四周的基准面组成。变换矩阵标定机构包括M个位置预先设定的球座和位于球座上的靶标球；其中任意三个靶标球不共线。位置关系具体为：补偿元件4和待测复杂曲面5顺次安放在激光干涉仪3的出射光路上；在待测复杂曲面5的反射面两侧选取N个位置，将激光跟踪仪依次设置于N个位置上，分别测试获得待测复杂曲面5的反射面和所有基准面的面形数据，并同时测试获得M个靶标球的位置坐标。测试标定模块获取激光干涉仪3检测得到的复杂曲面的面形，并发出控制信号给激光干涉仪3、补偿元件4以及待测复杂曲面5的调整机构，控制调整机构实现对三者的相对位置和相对角度的调整，使得激光干涉仪3检测得到的复杂曲面的面形的均方根误差最小且离焦量为零；测试标定模块同时获取激光跟踪仪在N个位置上测试获得的待测复杂曲面5的反射面和所有基准面的面形数据以及M个靶标球的位置坐标，基于M个靶标球的位置坐标建立激光跟踪仪在N个位置转站过程中的坐标变换矩阵；基于坐标变换矩阵，将N个位置获得的面形数据进行坐标变换到同一坐标系中；对本文档来自技高网...

【技术保护点】
大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置，该装置针对待测复杂曲面(5)进行测试和标定；其特征在于，包括：激光跟踪仪、激光干涉仪(3)、补偿元件(4)、变换矩阵标定机构以及测试标定模块；补偿元件(4)和待测复杂曲面(5)顺次安放在所述激光干涉仪(3)的出射光路上；该装置所针对的待测复杂曲面(5)由反射面以及包围在反射面四周的基准面组成；所述变换矩阵标定机构包括M个位置预先设定的球座和位于球座上的靶标球；其中任意三个靶标球不共线；所述激光跟踪仪依次设置于在待测复杂曲面(5)的反射面两侧选取的N个位置上，分别测试获得待测复杂曲面(5)的反射面和所有基准面的面形数据，并同时测试获得M个靶标球的位置坐标；所述测试标定模块获取激光干涉仪(3)检测得到的复杂曲面的面形，并发出控制信号给激光干涉仪(3)、补偿元件(4)以及待测复杂曲面(5)的调整机构，控制调整机构实现对三者的相对位置和相对角度的调整，使得激光干涉仪(3)检测得到的复杂曲面的面形的均方根误差最小且离焦量为零；所述测试标定模块同时获取激光跟踪仪在N个位置上测试获得的待测复杂曲面(5)的反射面和所有基准面的面形数据以及M个靶标球的位置坐标，基于M个靶标球的位置坐标建立激光跟踪仪在N个位置转站过程中的坐标变换矩阵；基于所述坐标变换矩阵，将N个位置获得的面形数据进行坐标变换到同一坐标系中；对同一坐标系中的所有面形数据进行建模分析并计算，得到补偿元件(4)与待测复杂曲面(5)中心的间隔L、待测复杂曲面(5)的离轴量d及偏心量Δ；将间隔L代入待测复杂曲面(5)的光学检验补偿器设计结果并进一步优化，得到待测复杂曲面(5)的顶点曲率半径R；将顶点曲率半径R、离轴量d及偏心量Δ代入光学检验补偿器设计结果中并进一步优化，优化结果即为基于反射镜实测参数的最优光学检验补偿器设计结果。...

【技术特征摘要】
1.大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置，该装置针对待测复杂曲面(5)进行测试和标定；其特征在于，包括：激光跟踪仪、激光干涉仪(3)、补偿元件(4)、变换矩阵标定机构以及测试标定模块；补偿元件(4)和待测复杂曲面(5)顺次安放在所述激光干涉仪(3)的出射光路上；该装置所针对的待测复杂曲面(5)由反射面以及包围在反射面四周的基准面组成；所述变换矩阵标定机构包括M个位置预先设定的球座和位于球座上的靶标球；其中任意三个靶标球不共线；所述激光跟踪仪依次设置于在待测复杂曲面(5)的反射面两侧选取的N个位置上，分别测试获得待测复杂曲面(5)的反射面和所有基准面的面形数据，并同时测试获得M个靶标球的位置坐标；所述测试标定模块获取激光干涉仪(3)检测得到的复杂曲面的面形，并发出控制信号给激光干涉仪(3)、补偿元件(4)以及待测复杂曲面(5)的调整机构，控制调整机构实现对三者的相对位置和相对角度的调整，使得激光干涉仪(3)检测得到的复杂曲面的面形的均方根误差最小且离焦量为零；所述测试标定模块同时获取激光跟踪仪在N个位置上测试获得的待测复杂曲面(5)的反射面和所有基准面的面形数据以及M个靶标球的位置坐标，基于M个靶标球的位置坐标建立激光跟踪仪在N个位置转站过程中的坐标变换矩阵；基于所述坐标变换矩阵，将N个位置获得的面形数据进行坐标变换到同一坐标系中；对同一坐标系中的所有面形数据进行建模分析并计算，得到补偿元件(4)与待测复杂曲面(5)中心的间隔L、待测复杂曲面(5)的离轴量d及偏心量Δ；将间隔L代入待测复杂曲面(5)的光学检验补偿器设计结果并进一步优化，得到待测复杂曲面(5)的顶点曲率半径R；将顶点曲率半径R、离轴量d及偏心量Δ代入光学检验补偿器设计结果中并进一步优化，优化结果即为基于反射镜实测参数的最优光学检验补偿器设计结果。2.如权利要求1所述的大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置，其特征在于，所述调整机构包括第一调整机构(6)、第二调整机构(7)、第三调整机构(8)；激光干涉仪(3)、补偿元件(4)以及待测复杂曲面(5)分别由第一调整机构(6)、第二调整机构(7)和第三调整机构(8)进行相对位置和相对角度的调整。3.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学军，程强，薛栋林，陈新东，李锐钢，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22