CN116697934A - 基于激光跟踪仪的瑞奇角在位检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光跟踪仪的瑞奇角在位检测方法主要步骤有：(1)搭建大口径平面镜瑞奇‑康芒(Ritchey‑Common)测试光路；(2)自准直法标定***主光轴；(3)用靶球标定激光干涉仪焦点位置并用跟踪仪记录；(4)手持靶球对待测平面镜的镜面及其外轮廓进行特征点采样并建模；(5)拟合出待测平面镜镜面中心点，将定位的干涉仪焦点与平面镜镜面中心点连线为主光轴，计算出主光轴与平面镜法向夹角，即瑞奇角。本发明的方法可更加精确客观地测量瑞奇角，对人工、硬件或软件算法的依赖性小，可以适用于各种形状的平面镜，提高了定位精度，减小了随机误差。
Description
技术领域
本发明属于光学检测的技术领域，具体涉及一种大口径平面镜的面形检测方法及装置，利用激光跟踪仪对大口径平面镜瑞奇-康芒检测光路中瑞奇角进行测量标定。
背景技术
瑞奇-康芒法(即Ritchey-Common法)是一种常用的大口径平面镜检测方法。由于平面镜本身没有光线汇聚功能，瑞奇-康芒法需使用另一个大口径标准球面反射镜配合，以实现被测镜面的检测。运用瑞奇-康芒法检测大口径平面镜时，待测平面镜倾斜放置于光路中，其镜面法向与光路主光轴的夹角称为瑞奇角。瑞奇角测量的精度将直接影响到瑞奇-康芒法对待测平面镜面形恢复的精度。
现阶段对瑞奇角常用的测量方法有两种：1、测量***焦点、光轴与平面镜交点、光轴与球面参考镜交点三点间的距离，再由余弦公式计算瑞奇角；2、运用图像处理技术中的边缘检测法分析波像差图像长短轴像素数比，再用从光瞳面坐标转化至平面镜坐标的转换公式反解出瑞奇角。但是实践中，用传统测距方法精确测量三点之间距离是相当困难的，而且测量过程中易受到人为主观因素的干扰；其次，边缘检测算法因为干涉图对比度低、干涉条纹边缘变形或锐度不够难以识别边界等因素也较难获得准确的瑞奇角。
瑞奇角是干涉仪主光线与待测平面镜法向的空间夹角，其测量本质上是一个几何角度计算问题。激光跟踪仪在大尺度空间坐标测量的领域具有极高的优势，其对距离的测量可达微米精度。激光跟踪仪在精密光学检测领域的应用已经极为广泛，但仍然尚未应用在大口径平面镜的面形检测中。激光跟踪仪能够满足精密测量空间几何参数的要求，将其用于瑞奇-康芒检测，可有效解决瑞奇角测量不够精准的难题。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提出一种基于激光跟踪仪的瑞奇角在位测量方法，可以精确建立瑞奇-康芒检测光路在空间中完备的几何模型，精确地给出干涉仪焦点、平面镜和球面镜各自在空间中的位置及姿态，最终达到智能化、客观化、数字化地精确测量瑞奇角的目的。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于激光跟踪仪的瑞奇角在位检测方法，包括如下步骤：
步骤1：搭建大口径平面镜瑞奇-康芒检测光路；
根据标准球面镜的曲率半径，位置待测平面镜及激光干涉仪的位置；调整激光干涉仪的位置，使得其出射的准直激光准确地照射在待测平面镜的中心；调整待测平面镜的俯仰角、偏摆角，使得反射激光准确地入射至激光干涉仪的出射口并在激光干涉仪的屏幕上得到清晰的干涉条纹；
步骤2：将激光跟踪仪的测头置于待测平面镜的中心法线处，靶球置于激光干涉仪镜头焦点附近，搭建自准直光路，在激光干涉仪的屏幕上出现干涉图样，获得此时靶球的离焦量；用激光跟踪仪记录此时靶球的位置，结合离焦量输入干涉仪焦点的精确空间坐标；
步骤3：将靶球紧贴待测平面镜的镜面及其外轮廓进行特征点采样，使用激光跟踪仪记录靶球空间坐标位置；
步骤4：由步骤3获取的坐标，在激光跟踪仪软件内对待测平面镜的镜面及其外轮廓建模，得到平面镜完备的空间几何模型；拟合出待测平面镜的外轮廓模型的中心点，将其投影至待测平面镜的镜面模型上，得到待测平面镜的镜面中心点；
步骤5：激光干涉仪的焦点与待测平面镜的中心点的连线即为瑞奇-康芒检测光路的基准光轴；计算基准光轴与待测平面镜的镜面法向的夹角，即为所测瑞奇角。
进一步的，步骤2中，选择Mask图测量获得此时靶球②的离焦量。
进一步的，步骤2中，由公式：计算出靶球②几何离焦量；其中S4是通过激光干涉仪测量得到的Zernike离焦项参数，f是所选用干涉仪镜头的焦距，R是所选干涉区域的半径。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明测量瑞奇角的方法，可更加精确客观地测量瑞奇角，对人工、硬件或软件算法的依赖性小，以保证瑞奇-康芒法测量大口径平面镜面形的准确性。本发明适应性强，可以适用于各种形状的平面镜；本发明采用理论计算的方法得到干涉仪焦点的空间位置，提高了定位精度；本发明通过多点对待测平面镜采样建模，减小了随机误差。
附图说明
图1是基于激光跟踪仪的瑞奇角在位检测方法的测量流程图；
图2是瑞奇-康芒检测光路及激光跟踪仪位置示意图；
图3是靶球定位干涉仪焦点示意图；
图4是靶球对待测平面镜特征点采样示意图；
图5是“米字格”采样示意图。
图中标记：1-激光跟踪仪、2-靶球、3-激光干涉仪、4-待测平面镜、5-标准球面镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明基于激光跟踪仪的瑞奇角在位检测方法，使用装置及元件包括激光跟踪仪1、靶球2、干涉仪3、待测平面镜4、标准球面镜5，进行大口径平面镜瑞奇-康芒检测光路中瑞奇角的测量，可以精准客观地测量瑞奇-康芒检测光路中的瑞奇角。
本实施例中以2m直径待测平面镜主镜为示例说明。基于激光跟踪仪的瑞奇角在位检测方法的测量流程如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1：如图2所示，搭建大口径平面镜瑞奇-康芒检测光路。根据标准球面镜5的曲率半径，将待测平面镜4及激光干涉仪3置于合适的位置，保证干涉仪3的焦点与标准球面镜5的曲率半径中心重合。调整激光干涉仪3的位置，使得其出射的准直激光准确地照射在待测平面镜的中心；调整待测平面镜4的俯仰角、偏摆角，使得反射激光准确地入射至激光干涉仪3的出射口并在屏幕上得到清晰的干涉条纹。
步骤2：将激光跟踪仪测头置于或尽量靠近待测平面镜4中心法线处，如图3，将靶球2置于激光干涉仪3镜头焦点附近，搭建自准直光路，在激光干涉仪主机屏幕上出现干涉图样，选择Mask图测量获得此时靶球2的离焦量。由公式：计算出靶球2几何离焦量。其中S4是通过激光干涉仪测量得到的Zernike离焦项参数，f是所选用干涉仪镜头的焦距，R是所选所选干涉区域的半径。用激光跟踪仪1记录此时靶球位置，结合离焦量输入干涉仪焦点的精确空间坐标。
步骤3：如图4，将靶球紧贴待测平面镜4镜面及其外轮廓进行特征点采样，使用激光跟踪仪1记录靶球空间位置。如图5所示，待测平面镜4镜面采用“米字格”采样方式；外轮廓采用母线采样方式，得到n个靶球2空间坐标：
(x1,y1,z1)……(xn,yn,zn)。
步骤4：由步骤3获取的坐标，在激光跟踪仪软件内对待测平面镜4镜面及其外轮廓建模，得到平面镜完备的空间几何模型。拟合出待测平面镜4外轮廓模型的中心点，将其投影至待测平面镜4镜面模型上，得到待测平面镜4的镜面中心点。
步骤5：将步骤2中所得激光干涉仪3的焦点与待测平面镜4中心点的连线即为瑞奇-康芒检测光路的基准光轴。计算基准光轴与待测平面镜4镜面中心法向的夹角，即为所测瑞奇角。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。
综上所述，本发明一种基于激光跟踪仪的瑞奇角在位检测方法，主要步骤包括：(1)搭建大口径平面镜瑞奇-康芒(Ritchey-Common)测试光路；(2)自准直法标定***主光轴；(3)用靶球标定激光干涉仪焦点位置并用跟踪仪记录；(4)手持靶球对待测平面镜的镜面及其外轮廓进行特征点采样并建模；(5)拟合出待测平面镜镜面中心点，将定位的干涉仪焦点与平面镜镜面中心点连线为主光轴，计算出主光轴与平面镜法向夹角，即瑞奇角。本发明基于激光跟踪仪-干涉仪联合测量的大口径光学***基准光轴建立方法，可实现望远镜等光学***在装调阶段快速准确的建立装调基准光轴。为后续的装调过程提供精准可靠的装调基准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于激光跟踪仪的瑞奇角在位检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：搭建大口径平面镜瑞奇-康芒检测光路；
根据标准球面镜的曲率半径，位置待测平面镜及激光干涉仪的位置；调整激光干涉仪的位置，使得其出射的准直激光准确地照射在待测平面镜的中心；调整待测平面镜的俯仰角、偏摆角，使得反射激光准确地入射至激光干涉仪的出射口并在激光干涉仪的屏幕上得到清晰的干涉条纹；
步骤2：将激光跟踪仪的主机置于待测平面镜的中心法线处，靶球置于激光干涉仪镜头焦点附近，搭建自准直光路，在激光干涉仪的屏幕上出现干涉图样，获得此时靶球的离焦量；用激光跟踪仪记录此时靶球的位置，结合离焦量输入干涉仪焦点的精确空间坐标；
步骤3：将靶球紧贴待测平面镜的镜面及其外轮廓进行特征点采样，使用激光跟踪仪记录靶球空间坐标位置；
步骤4：由步骤3获取的坐标，在激光跟踪仪软件内对待测平面镜的镜面及其外轮廓建模，得到平面镜完备的空间几何模型；拟合出待测平面镜的外轮廓模型的中心点，将其投影至待测平面镜的镜面模型上，得到待测平面镜的镜面中心点；
步骤5：激光干涉仪的焦点与待测平面镜的中心点的连线即为瑞奇-康芒检测光路的基准光轴；计算基准光轴与待测平面镜的镜面法向的夹角，即为所测瑞奇角。
2.根据权利要求1所述的基于激光跟踪仪的瑞奇角在位检测方法，其特征在于，步骤2中，选择Mask图测量获得此时靶球的离焦量。
3.根据权利要求2所述的基于激光跟踪仪的瑞奇角在位检测方法，其特征在于，步骤2中，由公式：计算出靶球几何离焦量；其中S4是通过激光干涉仪测量得到的Zernike离焦项参数，f是所选用干涉仪镜头的焦距，R是所选Mask图的半径。
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