本发明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。
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，M和N的关系为：3MN＞6(N-1)+3M。
4.如权利要求3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，N为2，M为4。
5.如权利要求2所述的大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置的测试和标定方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：步骤1)调节所述第一调整机构(6)、第二调整机构(7)和第三调整机构(8)的相对位置和相对角度，使激光干涉仪(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；
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(5)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；
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(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；
步骤7)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；
步骤8)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。
6.如权利要求5所述的测试和标定方法，其特征在于，所述步骤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；
大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及复杂曲面检测技术领域，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。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明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。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 进一步地，M和N的关系为：3MN＞6(N-1)+3M。
[0012] 进一步地，N为2，M为4。
[0013] 进一步地，方法具体包括如下步骤：
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 转站误差的评价函数为
[0024] 有益效果：
[0025] 本发明的有益效果是：本发明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
[0026] 图1是本发明的大口径复杂曲面光学参数精确测试的装置结构示意图；
[0027] 图2是本发明的建立两台激光跟踪仪之间变换矩阵的装置结构示意图；
[0028] 图3是本发明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
[0029] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0030] 实施例1、如图1所示，本发明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。
[0031] 如图2所示，本发明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。
[0032] 结合图1和图2说明本发明的具体实施方式，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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 本实施例中，假设激光跟踪仪的位置数为N，靶标球个数为M，每个位置的激光跟踪仪在空间有6个参数，相对平移量x,y,z和绕各坐标轴的角度量α,β,γ，每个固定测点有3个测量值，水平角H、俯仰角V、距离D。根据共线性方程，每个位置的激光跟踪仪与每个固定测点之间可以有3个方程，则激光跟踪仪转站的求解条件为：
[0037] 3MN＞6(N-1)+3M 1
[0038] 本发明中，激光跟踪仪的位置数N为2，固定测点数M为4，满足公式1的求解条件，可以进行激光跟踪仪的转站关系求解。
[0039] 实施例2、如实施例1的大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置的测试和标定方法，该方法具体包括如下步骤：
[0040] 步骤1)调节第一调整机构6、第二调整机构7和第三调整机构8的相对位置和相对角度，使激光干涉仪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；
[0041] 步骤2)将激光跟踪仪依次置于N个位置上，激光跟踪仪在每个位置上测试待测复杂曲面5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；
[0042] 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；
[0043] 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：
[0044] 首先，可将激光跟踪仪直接测得的数据(H,V,D)转换为直角坐标系下的(X,Y,Z)坐标形式，即：
[0045]
[0046] 假设固定测点靶标球在激光跟踪仪处于位置2坐标系下的坐标为yi，在激光跟踪仪处于位置1坐标系下的坐标为xi，转站参数中，相对平移量为P(x,y,z)，绕各坐标轴的角度量为Q(α,β,γ)，由于固定测点之间的相对位置是固定不变的，则激光跟踪仪分别位于位置1和位置2时，yi和xi之间存在空间几何变换关系，即：
[0047] ei＝Qxi+P-yi 3
[0048] 式中，ei为转站误差。
[0049] 为解算转站关系中的最优P和Q，构建针对所有固定测点的转站误差的评价函数为：
[0050]
[0051] 式中，N为固定测点的数目，在本发明中，N为4。
[0052] 对于公式4，采用奇异值分解法求解得到转站参数P和Q，则激光跟踪仪在位置2中任意点的测量值可由在位置1时的测量点经坐标变换得到，具体关系如下：
[0053] y＝Qx+P 5
[0054] 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；
[0055] 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；
[0056] 步骤7)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；
[0057] 步骤8)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。
[0058] 综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
