[发明专利]大口径复杂曲面光学参数精确测试和标定装置及方法

权利要求书

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x_i，y_i；则转站误差为：e_i＝Qx_i+P-y_i,i＝1,2,...,N；

转站误差的评价函数为