本發(fā)明涉及復(fù)雜曲面檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及大口徑復(fù)雜曲面光學(xué)參數(shù)精確測試和標(biāo)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

大口徑復(fù)雜曲面是現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重要的組成元件。在復(fù)雜曲面的制造過程中，頂點曲率半徑、離軸量及偏心等幾何參數(shù)是表述反射面的重要參數(shù)，其光學(xué)參數(shù)的精確測試和標(biāo)定是研制過程中保證其質(zhì)量的關(guān)鍵。

當(dāng)前，測量復(fù)雜曲面光學(xué)參數(shù)的方法主要為采用鋼尺或已知長度的間隔桿測量、利用激光跟蹤儀進(jìn)行直接測量兩種方式。利用鋼尺或已知長度的間隔桿測量時，采用估讀的方式，鋼尺及測量桿的精度較低且無法準(zhǔn)確測量到大口徑復(fù)雜曲面的頂點位置，導(dǎo)致該測量方法的精度較低；利用激光跟蹤儀進(jìn)行直接測量時，只能測量補(bǔ)償元件及復(fù)雜曲面的一部分基準(zhǔn)面，由于基準(zhǔn)面信息的缺失會放大測試過程中的偶然因素，導(dǎo)致光學(xué)參數(shù)測試精度的降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了大口徑復(fù)雜曲面光學(xué)參數(shù)精確測試和標(biāo)定裝置及方法，通過轉(zhuǎn)站來實現(xiàn)補(bǔ)償元件及復(fù)雜曲面所有基準(zhǔn)面的測量，能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜曲面頂點曲率半徑R、離軸量d及偏心Δ等光學(xué)參數(shù)的精確測試及標(biāo)定，數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算過程較簡單，操作簡單方便，測試成本低、通用性好。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：大口徑復(fù)雜曲面光學(xué)參數(shù)精確測試和標(biāo)定裝置，該裝置針對待測復(fù)雜曲面進(jìn)行測試和標(biāo)定；包括：激光跟蹤儀、激光干涉儀、補(bǔ)償元件、變換矩陣標(biāo)定機(jī)構(gòu)以及測試標(biāo)定模塊；補(bǔ)償元件和待測復(fù)雜曲面順次安放在激光干涉儀的出射光路上。

該裝置所針對的待測復(fù)雜曲面由反射面以及包圍在反射面四周的基準(zhǔn)面組成。

變換矩陣標(biāo)定機(jī)構(gòu)包括M個位置預(yù)先設(shè)定的球座和位于球座上的靶標(biāo)球；其中任意三個靶標(biāo)球不共線。

激光跟蹤儀依次設(shè)置于在待測復(fù)雜曲面的反射面兩側(cè)選取的N個位置上，分別測試獲得待測復(fù)雜曲面的反射面和所有基準(zhǔn)面的面形數(shù)據(jù)，并同時測試獲得M個靶標(biāo)球的位置坐標(biāo)。

測試標(biāo)定模塊獲取激光干涉儀檢測得到的復(fù)雜曲面的面形，并發(fā)出控制信號給激光干涉儀、補(bǔ)償元件以及待測復(fù)雜曲面的調(diào)整機(jī)構(gòu)，控制調(diào)整機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對三者的相對位置和相對角度的調(diào)整，使得激光干涉儀檢測得到的復(fù)雜曲面的面形的均方根誤差最小且離焦量為零；測試標(biāo)定模塊同時獲取激光跟蹤儀在N個位置上測試獲得的待測復(fù)雜曲面的反射面和所有基準(zhǔn)面的面形數(shù)據(jù)以及M個靶標(biāo)球的位置坐標(biāo)，基于M個靶標(biāo)球的位置坐標(biāo)建立激光跟蹤儀在N個位置轉(zhuǎn)站過程中的坐標(biāo)變換矩陣；基于坐標(biāo)變換矩陣，將N個位置獲得的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換到同一坐標(biāo)系中；對同一坐標(biāo)系中的所有面形數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析并計算，得到補(bǔ)償元件與待測復(fù)雜曲面中心的間隔L、待測復(fù)雜曲面的離軸量d及偏心量Δ；將間隔L代入待測復(fù)雜曲面的光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果并進(jìn)一步優(yōu)化，得到待測復(fù)雜曲面的頂點曲率半徑R；將頂點曲率半徑R、離軸量d及偏心量Δ代入光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果中并進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果即為基于反射鏡實測參數(shù)的最優(yōu)光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果。

進(jìn)一步地，調(diào)整機(jī)構(gòu)包括第一調(diào)整機(jī)構(gòu)、第二調(diào)整機(jī)構(gòu)、第三調(diào)整機(jī)構(gòu)；激光干涉儀、補(bǔ)償元件以及待測復(fù)雜曲面分別由第一調(diào)整機(jī)構(gòu)、第二調(diào)整機(jī)構(gòu)和第三調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行相對位置和相對角度的調(diào)整。

進(jìn)一步地，M和N的關(guān)系為：3MN＞6(N-1)+3M。

進(jìn)一步地，N為2，M為4。

進(jìn)一步地，方法具體包括如下步驟：

步驟1)調(diào)節(jié)第一調(diào)整機(jī)構(gòu)、第二調(diào)整機(jī)構(gòu)和第三調(diào)整機(jī)構(gòu)的相對位置和相對角度，使激光干涉儀檢測得到的復(fù)雜曲面的面形的均方根誤差最小且離焦量為零。

步驟2)將激光跟蹤儀依次置于N個位置上，激光跟蹤儀在每一位置上均測試待測復(fù)雜曲面的反射面和所有可測基準(zhǔn)面的面形數(shù)據(jù)，并測試固定的M個球座的靶標(biāo)球位置坐標(biāo)。

步驟3)基于步驟2)中測得的靶標(biāo)球位置坐標(biāo)，建立激光跟蹤儀在N個位置轉(zhuǎn)站過程中的坐標(biāo)變換矩陣。

步驟4)基于坐標(biāo)變換矩陣，將N個位置獲得的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換到同一坐標(biāo)系中。

步驟5)對同一坐標(biāo)系中的所有面形數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析并計算，得到補(bǔ)償元件與待測復(fù)雜曲面中心的間隔L、待測復(fù)雜曲面的離軸量d及偏心量Δ。

步驟6)將間隔L代入待測復(fù)雜曲面的光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果并進(jìn)一步優(yōu)化，得到待測復(fù)雜曲面的頂點曲率半徑R。

步驟7)將步驟5)和步驟6)得到的頂點曲率半徑R、離軸量d及偏心量Δ代入光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果中并進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果即為基于反射鏡實測參數(shù)的最優(yōu)光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果。

進(jìn)一步地，步驟3)中，激光跟蹤儀在第一位置和第二位置兩個位置轉(zhuǎn)站過程中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣包括第一和第二位置處直角坐標(biāo)系之間的相對平移量P和繞各坐標(biāo)軸的角度量Q，具體求解方法為：首先將激光跟蹤儀在N個位置處測得的靶標(biāo)球位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；依據(jù)第一和第二位置處直角坐標(biāo)系之間的相對平移量P和繞各坐標(biāo)軸的角度量Q構(gòu)建轉(zhuǎn)站誤差以及轉(zhuǎn)站誤差的評價函數(shù)，針對轉(zhuǎn)站誤差的評價函數(shù)采用奇異值分解法求解得到P和Q。

其中激光跟蹤儀在第i個位置處測得的靶標(biāo)球位置坐標(biāo)分別為x_i，y_i；則轉(zhuǎn)站誤差為：e_i＝Qx_i+P-y_i,i＝1,2,...,N。

轉(zhuǎn)站誤差的評價函數(shù)為

有益效果：

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過建立激光跟蹤儀在不同位置時的轉(zhuǎn)站變換矩陣，能夠測試補(bǔ)償元件和復(fù)雜曲面的所有基準(zhǔn)面并進(jìn)行建模分析，實現(xiàn)了大口徑復(fù)雜曲面光學(xué)參數(shù)的精確測試與標(biāo)定。該方法物理概念明確，數(shù)據(jù)處理與建模簡單，操作方便，測試成本低、精度高、通用性好。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的大口徑復(fù)雜曲面光學(xué)參數(shù)精確測試的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的建立兩臺激光跟蹤儀之間變換矩陣的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的大口徑復(fù)雜曲面光學(xué)參數(shù)精確測試和標(biāo)定的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

實施例1、如圖1所示，本發(fā)明的大口徑復(fù)雜曲面光學(xué)參數(shù)精確測試的裝置包括：激光跟蹤儀如圖1中位置1及位置2所示、激光干涉儀3、補(bǔ)償元件4、待測復(fù)雜曲面5、調(diào)整機(jī)構(gòu)6、調(diào)整機(jī)構(gòu)7、調(diào)整機(jī)構(gòu)8以及測試標(biāo)定模塊。

如圖2所示，本發(fā)明的建立兩臺激光跟蹤儀之間變換矩陣的裝置包括激光跟蹤儀圖2中位置1及位置2所示、球座9、球座10、球座11、球座12。

結(jié)合圖1和圖2說明本發(fā)明的具體實施方式，大口徑復(fù)雜曲面光學(xué)參數(shù)精確測試和標(biāo)定裝置針對待測復(fù)雜曲面5進(jìn)行測試和標(biāo)定；待測復(fù)雜曲面5由反射面以及包圍在反射面四周的基準(zhǔn)面組成。

變換矩陣標(biāo)定機(jī)構(gòu)包括M個位置預(yù)先設(shè)定的球座和位于球座上的靶標(biāo)球；其中任意三個靶標(biāo)球不共線。

位置關(guān)系具體為：補(bǔ)償元件4和待測復(fù)雜曲面5順次安放在激光干涉儀3的出射光路上；在待測復(fù)雜曲面5的反射面兩側(cè)選取N個位置，將激光跟蹤儀依次設(shè)置于N個位置上，分別測試獲得待測復(fù)雜曲面5的反射面和所有基準(zhǔn)面的面形數(shù)據(jù)，并同時測試獲得M個靶標(biāo)球的位置坐標(biāo)。

測試標(biāo)定模塊獲取激光干涉儀3檢測得到的復(fù)雜曲面的面形，并發(fā)出控制信號給激光干涉儀3、補(bǔ)償元件4以及待測復(fù)雜曲面5的調(diào)整機(jī)構(gòu)，控制調(diào)整機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對三者的相對位置和相對角度的調(diào)整，使得激光干涉儀3檢測得到的復(fù)雜曲面的面形的均方根誤差最小且離焦量為零；測試標(biāo)定模塊同時獲取激光跟蹤儀在N個位置上測試獲得的待測復(fù)雜曲面5的反射面和所有基準(zhǔn)面的面形數(shù)據(jù)以及M個靶標(biāo)球的位置坐標(biāo)，基于M個靶標(biāo)球的位置坐標(biāo)建立激光跟蹤儀在N個位置轉(zhuǎn)站過程中的坐標(biāo)變換矩陣；基于坐標(biāo)變換矩陣，將N個位置獲得的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換到同一坐標(biāo)系中；對同一坐標(biāo)系中的所有面形數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析并計算，得到補(bǔ)償元件4與待測復(fù)雜曲面5中心的間隔L、待測復(fù)雜曲面5的離軸量d及偏心量Δ；將間隔L代入待測復(fù)雜曲面5的光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果并進(jìn)一步優(yōu)化，得到待測復(fù)雜曲面5的頂點曲率半徑R；將頂點曲率半徑R、離軸量d及偏心量Δ代入光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果中并進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果即為基于反射鏡實測參數(shù)的最優(yōu)光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果。

本實施例中，假設(shè)激光跟蹤儀的位置數(shù)為N，靶標(biāo)球個數(shù)為M，每個位置的激光跟蹤儀在空間有6個參數(shù)，相對平移量x,y,z和繞各坐標(biāo)軸的角度量α,β,γ，每個固定測點有3個測量值，水平角H、俯仰角V、距離D。根據(jù)共線性方程，每個位置的激光跟蹤儀與每個固定測點之間可以有3個方程，則激光跟蹤儀轉(zhuǎn)站的求解條件為：

3MN＞6(N-1)+3M 1

本發(fā)明中，激光跟蹤儀的位置數(shù)N為2，固定測點數(shù)M為4，滿足公式1的求解條件，可以進(jìn)行激光跟蹤儀的轉(zhuǎn)站關(guān)系求解。

實施例2、如實施例1的大口徑復(fù)雜曲面光學(xué)參數(shù)精確測試和標(biāo)定裝置的測試和標(biāo)定方法，該方法具體包括如下步驟：

步驟1)調(diào)節(jié)第一調(diào)整機(jī)構(gòu)6、第二調(diào)整機(jī)構(gòu)7和第三調(diào)整機(jī)構(gòu)8的相對位置和相對角度，使激光干涉儀3檢測得到的復(fù)雜曲面的面形的均方根誤差最小且離焦量為零；

步驟2)將激光跟蹤儀依次置于N個位置上，激光跟蹤儀在每個位置上測試待測復(fù)雜曲面5的反射面和所有可測基準(zhǔn)面的面形數(shù)據(jù)，并測試固定的M個球座的靶標(biāo)球位置坐標(biāo)；

步驟3)基于步驟2)中測得的靶標(biāo)球位置坐標(biāo)，建立激光跟蹤儀在N個位置轉(zhuǎn)站過程中的坐標(biāo)變換矩陣；

激光跟蹤儀在第一位置和第二位置兩個位置轉(zhuǎn)站過程中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣包括第一和第二位置處直角坐標(biāo)系之間的相對平移量P和繞各坐標(biāo)軸的角度量Q，具體求解方法為：

首先，可將激光跟蹤儀直接測得的數(shù)據(jù)(H,V,D)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系下的(X,Y,Z)坐標(biāo)形式，即：

假設(shè)固定測點靶標(biāo)球在激光跟蹤儀處于位置2坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為y_i，在激光跟蹤儀處于位置1坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為x_i，轉(zhuǎn)站參數(shù)中，相對平移量為P(x,y,z)，繞各坐標(biāo)軸的角度量為Q(α,β,γ)，由于固定測點之間的相對位置是固定不變的，則激光跟蹤儀分別位于位置1和位置2時，y_i和x_i之間存在空間幾何變換關(guān)系，即：

e_i＝Qx_i+P-y_i 3

式中，e_i為轉(zhuǎn)站誤差。

為解算轉(zhuǎn)站關(guān)系中的最優(yōu)P和Q，構(gòu)建針對所有固定測點的轉(zhuǎn)站誤差的評價函數(shù)為：

式中，N為固定測點的數(shù)目，在本發(fā)明中，N為4。

對于公式4，采用奇異值分解法求解得到轉(zhuǎn)站參數(shù)P和Q，則激光跟蹤儀在位置2中任意點的測量值可由在位置1時的測量點經(jīng)坐標(biāo)變換得到，具體關(guān)系如下：

y＝Qx+P 5

步驟4)基于坐標(biāo)變換矩陣，將N個位置獲得的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換到同一坐標(biāo)系中；

步驟5)對同一坐標(biāo)系中的所有面形數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析并計算，得到補(bǔ)償元件4與待測復(fù)雜曲面5中心的間隔L、待測復(fù)雜曲面5的離軸量d及偏心量Δ；

步驟7)將間隔L代入待測復(fù)雜曲面5的光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果并進(jìn)一步優(yōu)化，得到待測復(fù)雜曲面5的頂點曲率半徑R；

步驟8)將步驟5)和步驟6)得到的頂點曲率半徑R、離軸量d及偏心量Δ代入光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果中并進(jìn)一步優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果即為基于反射鏡實測參數(shù)的最優(yōu)光學(xué)檢驗補(bǔ)償器設(shè)計結(jié)果。

綜上，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。