基于結(jié)構(gòu)光反射的平面子鏡拼接檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、根據(jù)光學(xué)衍射成像原理，光學(xué)系統(tǒng)的角分辨率為1.22λ/D，望遠(yuǎn)鏡的聚光能力隨口徑增大而增加，角分辨率也隨著口徑的增大而增強(qiáng)。由于空間科學(xué)的發(fā)展，不斷提高的觀測(cè)需求對(duì)望遠(yuǎn)鏡的分辨能力提出了越來(lái)越高的要求，促使望遠(yuǎn)鏡主鏡的口徑不斷增大?？紤]到主鏡的材料、加工、檢測(cè)、變形、成本和運(yùn)輸?shù)纫蛩?，單塊主鏡的望遠(yuǎn)鏡能做到的最大口徑為8m。美國(guó)天文學(xué)家提出用小鏡面拼接成大鏡面以替代整塊大口徑主鏡的方法，即將一系列子鏡拼接在一起達(dá)到單一鏡面的光學(xué)性能。拼

2、接主鏡突破了單塊望遠(yuǎn)鏡主鏡在口徑上的限制，在現(xiàn)代大口徑望遠(yuǎn)鏡的研究和制造中得到了廣泛的應(yīng)用。在拼接鏡面制造和裝配中，子鏡拼接檢測(cè)技術(shù)成為難點(diǎn)和熱點(diǎn)，并在近年來(lái)得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)有的子鏡拼接檢測(cè)方法在精度上可以達(dá)到較高的水平，但是檢測(cè)方法多較復(fù)雜，檢測(cè)條件苛刻，在實(shí)際應(yīng)用中有較大限制。
　　雖然現(xiàn)有拼接望遠(yuǎn)鏡的主鏡面形多為球面和非球面，但是大口徑的平面鏡可以用來(lái)作為望遠(yuǎn)鏡的改正板，進(jìn)行反射校正。并且從廣義上講，可以認(rèn)為平面鏡是自由曲

3、面鏡、球面鏡或者非球面鏡的一種特殊面形形式和簡(jiǎn)化模型。因此，研究平面鏡的子鏡拼接不僅可以應(yīng)用于大口徑平面鏡的拼接，相關(guān)的理論和研究思路也可以拓展應(yīng)用到其他面形子鏡的拼接檢測(cè)中。
　　本文主要研究基于結(jié)構(gòu)光反射和攝像機(jī)標(biāo)定的平面子鏡拼接檢測(cè)技術(shù)，為子鏡拼接的共焦調(diào)試階段，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高和精度恰當(dāng)?shù)娜旌驒z測(cè)方法和技術(shù)手段。文章通過(guò)研究攝像機(jī)標(biāo)定圖樣的特征點(diǎn)提取算法，得出了一種提取精度高、抗噪性和抗離焦性強(qiáng)的標(biāo)定圖樣和特征點(diǎn)

4、提取算法，然后提出了平面鏡傾斜和位移的測(cè)量方法，并用一系列實(shí)驗(yàn)證明該方法的可行性，并使用在平面子鏡實(shí)時(shí)測(cè)量拼接實(shí)驗(yàn)中。本論文的主要內(nèi)容包含如下幾個(gè)部分的工作：
　　1.對(duì)國(guó)內(nèi)外大口徑拼接望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)有的檢測(cè)方法與未來(lái)的研究趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)研，選取五種比較有代表性的方法夏克-哈特曼傳感器法、寬帶&窄帶共相算法、四棱錐傳感技術(shù)、邁克爾遜干涉檢測(cè)法和基于邁克爾遜干涉原理的白光檢測(cè)方法，分析它們各自的特點(diǎn)與難點(diǎn)。并調(diào)研現(xiàn)有的平面鏡傾斜角度和位移檢測(cè)

5、方法，分析比較了現(xiàn)有方法的精度和適用范圍。
　　2.在對(duì)比分析攝像機(jī)標(biāo)定圖樣對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)提取算法的基礎(chǔ)上，選擇三種比較常用和典型的標(biāo)定圖樣：棋盤格圖樣、高斯點(diǎn)陣圖樣和二維正弦條紋圖樣，比較了它們的特征點(diǎn)提取算法和用于攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定的精度。通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和內(nèi)參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，得出基于傅里葉相位分析法的二維正弦條紋在受噪聲和離焦的影響時(shí)，其表現(xiàn)優(yōu)于棋盤格和高斯點(diǎn)陣方法，在內(nèi)參數(shù)標(biāo)定中的重投影誤差最小，特征點(diǎn)提取精度最高。
　　3.在

6、基于傅里葉相位分析法的二維條紋圖樣特征點(diǎn)提取中，由于傅里葉變換的固有性質(zhì)，提取的特征點(diǎn)不能包含點(diǎn)陣邊緣的部分點(diǎn)，否則會(huì)使提取誤差顯著增大。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們提出使用相移法提取相位代替傅里葉方法提取相位。與傅里葉方法計(jì)算得出的每個(gè)點(diǎn)相位值會(huì)受到相鄰點(diǎn)影響不同，相移方法對(duì)每個(gè)點(diǎn)的相位計(jì)算是獨(dú)立進(jìn)行的。使用相移法提取相位增大了二維正弦條紋提取特征點(diǎn)的適用范圍，在處理包含邊緣點(diǎn)的特征點(diǎn)陣時(shí)，仍然可以保持較高的提取精度。
　　4.提出基于結(jié)

7、構(gòu)光反射和攝像機(jī)標(biāo)定的平面鏡傾斜和位移測(cè)量原理，引入虛像平面坐標(biāo)系，將平面鏡傾斜和位移測(cè)測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)定點(diǎn)陣虛像平面的傾斜和位移的測(cè)量，是對(duì)結(jié)構(gòu)光反射測(cè)量技術(shù)的逆向應(yīng)用。測(cè)量方法原理簡(jiǎn)單易行，測(cè)量裝置為實(shí)驗(yàn)常用器材，花費(fèi)成本較低。實(shí)驗(yàn)得出使用本文的方法測(cè)量平面鏡傾斜角度的精度約為1″，測(cè)量平面鏡位移的精度在1μm以內(nèi)，它的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍也較大，達(dá)到毫米量級(jí)。結(jié)構(gòu)光反射測(cè)量平面鏡傾斜對(duì)環(huán)境的要求比較低，不需要暗室條件，空氣擾動(dòng)、溫度濕度變化等

8、都不會(huì)影響測(cè)量質(zhì)量。
　　5.通過(guò)設(shè)定一個(gè)虛擬的參考面目標(biāo)，在本文檢測(cè)方法下驅(qū)動(dòng)平面鏡，使其盡可能地接近目標(biāo)平面。在線調(diào)整實(shí)驗(yàn)得出的角度和位移都達(dá)到較優(yōu)的精度，說(shuō)明我們的方法可以用來(lái)調(diào)整平面鏡到指定的位置。
　　6.進(jìn)行了雙平面鏡拼接調(diào)整實(shí)驗(yàn)，使用兩塊平面鏡，固定其中一塊，對(duì)另一塊進(jìn)行調(diào)整，并用結(jié)構(gòu)光反射方法測(cè)量二者之間的傾斜與位移，直至與第一塊盡可能地共面。經(jīng)過(guò)一系列的在線實(shí)時(shí)調(diào)整，我們得到了傾斜誤差約為6″、位移誤差約為