[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

说明书

技术领域

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

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。

发明内容

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。

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。

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。