一种基于圆形靶标的干涉检测对准方法与流程

本发明属于光学对准技术领域，更具体地，涉及一种基于圆形靶标的干涉检测对准方法，该对准方法可将光学反射镜的干涉检测结果对准到加工机床坐标系中，从而完成光学反射镜的进一步抛光加工，是基于圆形靶标完成的。

背景技术

大口径光学反射镜越来越多的应用于光学系统中，例如地基大型地基望远镜、天文望远镜等；目前tmt(thirtymetertelescope,美国三十米望远镜项目)项目中，系统主镜已经达到30m量级，其是由82块2m量级的光学反射镜组成的，在每一块反射镜的加工制造中，都需要将反射镜的干涉检测结果转换到加工机床坐标系中，从而对反射镜完成进一步加工，直至反射镜面形加工结果满足设计要求。在国外，单块反射镜的尺寸已经达到8.4m,在我国，目前单块光学反射镜的尺寸也已经达到4m量级。在反射镜之中过程中，实现将反射镜的干涉检测结果转换到机床加工坐标系是反射镜面形最终收敛的核心步骤之一，对于反射镜的制造具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于圆形靶标的干涉检测对准方法，其中通过对对准方法整体的对准流程设置进行改进，与现有技术相比能够有效解决在反射镜制造过程中的检测结果与后续加工对准的问题，该对准方法能够将反射镜干涉检测结果转换到加工机床坐标系，可以将面形检测结果转换到加工机床坐标系内，为光学镜面的后续加工提供保证，保障光学镜面最终面形的收敛获得；并且，本发明还通过控制靶标的数量及它们的排列方式，能有效确保对准转换的准确度。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于圆形靶标的干涉检测对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在光学反射镜表面粘贴圆形靶标，所述圆形靶标的中心为十字线，该靶标的粘贴数量不小于3个，这些靶标在垂直于该光学反射镜光轴的平面上的投影的中心不在同一条直线上；

(2)对所述光学反射镜进行干涉检测，干涉检测结果记为maptest；

(3)对所述步骤(2)得到的maptest中对应靶标的区域进行标定，确定出这些靶标对应区域的边缘位置，然后对于任意一个所述圆形靶标，在该干涉检测结果maptest中分别标记出与该圆形靶标对应的像素水平x方向的最大像素值xmax与最小像素值xmin，像素竖直y方向的最大像素值ymax与最小像素值ymin，得到与该圆形靶标中心对应的中心点像素坐标((xmax+xmin)/2，(ymax+ymin)/2)；通过对所有圆形靶标一一进行标定，得到在干涉仪ccd坐标系下与所有圆形靶标中心对应的位置标定结果，记该标定结果为targettest；

(4)将所述光学反射镜移至加工机床，利用加工机床测头分别标定各个靶标中心为十字线焦点处的位置坐标，得到在加工机床坐标系下与所有圆形靶标中心对应的位置坐标结果，该结果记为targetprocess；

(5)利用所述步骤(3)得到的targettest与所述步骤(4)得到的targetprocess，对光学反射镜干涉检测结果maptest进行畸变矫正与对准，并且将畸变矫正及对准后的结果记为mapcorrect；

(6)基于插值计算对所述步骤(5)得到的畸变矫正及对准后的结果mapcorrect中对应于靶标的区域进行数据填补，填补后结果记为mapinterp；该结果mapinterp即为光学反射镜对准到加工机床后的面形结果，由此完成干涉检测对准。

作为本发明的进一步优选，当所述光学反射镜为非球面反射镜时，所述步骤(2)中的所述干涉检测为利用补偿元件的零位检测，所述maptest中对应靶标的区域表现为椭圆形；

所述干涉检测结果maptest中，对应于非靶标粘贴区域中任意一个位置的干涉检测结果数据其形式为(x,y,z)，其中x,y为干涉仪中像素点坐标，z为对应像素点坐标(x,y)处的相位值；对应靶标的区域中任意一个位置的干涉检测结果数据其形式为(x,y,nodata)，其中x,y仍为干涉仪中像素点坐标。

作为本发明的进一步优选，记非球面镜方程为：

其中，c为非球面母镜顶点曲率，k为圆锥系数，s²＝x²+y²，其中z为光轴方向，x,y为与光轴垂直平面坐标系，则非球面上点(x,y,z)的法向量为其中：

则，所述步骤(5)中的畸变矫正与对准满足以下畸变矫正方程：

该方程(5)中，d为预先设定的非球面反射镜顶点沿光轴与补偿元件平面焦点处线段长度；α为预先设定的非球面反射镜光轴与补偿元件平面间的夹角；k为干涉检测结果转换到加工机床坐标系的放大倍率；θinterferometer为干涉检测结果转换到加工机床坐标系的旋转角度；xcompensator为镜面x方向坐标变换到补偿元件平面的x坐标；ycompensator为镜面y方向坐标变换到补偿元件平面的y坐标；(xmir,ymir,zmir)为在机床加工坐标系下镜面一点坐标；(0,ypo,zpo)为非球面镜坐标原点在机床加工坐标系下的坐标值；(xinterferometer,yinterferometer)为在机床加工坐标系下镜面一点(xmir,ymir)变换到干涉仪ccd坐标系下的像素坐标；(xinterferometer0,yinterferometer0)为在机床加工坐标系下镜面中心原点变换到干涉仪ccd坐标系下的像素坐标；

将所述步骤(3)得到的所述targettest和所述步骤(4)得到的targetprocess代入所述方程(5)中，依据最小二乘拟合计算求解k和θinterferometer，并代入所述方程(5)中，得到更新后的方程(5)；

接着，利用所述更新后的方程(5)对将所述步骤(2)得到的所述maptest进行畸变矫正与对准，从而得到畸变矫正及对准后的结果mapcorrect。

作为本发明的进一步优选，记靶标的总数量为n，则所述步骤(3)得到的targettest包括(xi,yi),i＝1,2,3...,n；

所述步骤(4)得到的targetprocess包括(xi,yi),i＝1,2,3...,n；

优选的，n≥5。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(6)中，所述数据填补是基于插值计算，所述插值计算优选为三角剖分插值。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用中心带有十字叉丝的圆形靶标，通过中心带有十字叉丝的圆形靶标找到对准关系，并将靶标数量控制为至少3个(优选为至少5个)，这些靶标排列在非同一条直线上(靶标数量为3个时，正好能够对应有靶标在直线外的情形)，保证了干涉检测结果转换到加工机床坐标系的放大倍率k和旋转角度θinterferometer的拟合准确度，为后续对准关系的获得提供了保障，确保对准精度。本发明具体是通过对被检测光路进行分析计算，找到相应的畸变矫正关系式，如式(5)所示。利用靶标对其进行参数求解，在完成求解后，即可将检测结果进行畸变矫正，从而完成检测结果从检测坐标系到加工机床坐标系的数据转换。在获得转换数据结果后，本发明还可以对其中缺失数据进行插值计算，插值方式优选采用三角剖分插值，从而获得光学反射镜对准到加工机床后的完整的面形结果。

综上，本发明中基于圆形靶标的将干涉检测结果转换对准到加工机床坐标系下的对准方法，通过中心带有十字叉丝的圆形靶标找到干涉检测坐标系与机床加工坐标系间的对准关系，通过对被检测光路进行分析计算，找到相应的畸变矫正关系式，即如方程(5)所示的关系式。利用靶标对该关系式进行参数求解，在完成求解后，即可将检测结果进行畸变矫正，而后对畸变矫正后面形结果进行插值计算(插值方式可优选采用三角剖分插值)，完成插值计算后即完成了干涉检测数据从检测坐标系到机床加工坐标系的对准转换。本发明可以完成将检测结果变换到加工机床坐标系内的运算，为面形的最终收敛提供保障，具有对准精度高、标定步骤简单等优点。

附图说明

图1为圆形靶标示意图。

图2为干涉检测光路示意图。

图3为靶标干涉检测结果中示意图。

图4为靶标在反射镜位置示意图。

图5为干涉结果经过畸变矫正后面形示意图。

图6为插值计算后面形结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明总体来说，其拼接对准方法包括如下步骤：

一、在光学反射镜表面粘贴圆形靶标，圆形靶标中心为十字线，靶标粘贴数量不小于3个(尤其是不小于5个)，同时保证各靶标不在同一条直线上(以非球面反射镜为例，由于该非球面反射镜为曲面，则各个靶标在垂直于光轴的平面上的投影，不在同一条直线上；即，有靶标在直线外即可)；

二、对光学反射镜完成干涉检测，干涉检测结果记为maptest；

三、对检测结果1中靶标位置进行标定，圆形靶标在干涉检测结果中表现为圆形或椭圆形(对于非球面反射镜，其干涉检测结果存在畸变，故圆形靶标在干涉检测结果中表现为椭圆形)，由干涉检测结果可以读出该椭圆形(以椭圆形为例，对于圆形显示结果，其可以看做是长轴与短轴相等的一种椭圆形，不失一般性)边缘位置，圆形靶标在干涉检测结果中可以分别标记出其在水平x方向的最大与最小像素值分别为xmax与xmin；竖直y方向的最大与最小像素值分别为ymax与ymin。则该圆形靶标中心的像素坐标为((xmax+xmin)/2,(ymax+ymin)/2)，此标定结果记为targettest；

四、将反射镜移至加工机床，利用加工机床测头分别标定各靶标中心为十字线焦点处的位置坐标,此标定结果记为targetprocess；

五、利用步骤三中的targettest与步骤四中的targetprocess，完成对光学反射镜干涉检测结果maptest的畸变矫正与对准，畸变矫正及对准后结果记为mapcorrect；

六、对畸变矫正及对准后结果mapcorrect中的靶标处进行数据填补，该填补基于三角剖分插值完成，填补后结果记为mapinterp；

七、在完成步骤6插值计算后，结果mapinterp即为对准到加工机床后的面形结果，完成对准。

利用该方法，可将反射镜的干涉检测结果转换到加工机床坐标系中。

实施例1

如图1所示，为圆形靶标示意图，圆形靶标中心带有十字线；在对非球面镜进行干涉检测前，在镜面表面粘贴上述圆形靶标，靶标数量不少于五个，同时保证各靶标不在同一直线上；

对于非球面反射镜，其干涉检测光路可如图2所示，干涉检测中需要利用补偿元件对非球面镜进行补偿以对非球面镜实现零位检测(即每条入射光线均沿非球面镜法线入射，同时沿法线出射)。对于补偿检测，其干涉检测结果中会引入畸变，即对于圆形反射镜面，其在干涉检测结果中表现为椭圆形状。对于圆形反射镜表面粘贴的圆形靶标，其在干涉检测结果中表现为椭圆形的黑洞；在数据格式表现形式上，干涉检测结果中未粘贴靶标处数据形式为(x,y,z)，其中x,y为干涉仪中像素点坐标，z为对应像素点坐标(x,y)处的相位值；对于干涉检测结果中粘贴靶标处，其数据格式为(x,y,nodata)，即靶标对应像素点处无检测数据；

在对非球面反射镜完成干涉检测，得到对应的干涉检测结果后，如图3所示(图中黑色部分表示给位置处无检测数据，未涂黑处表示该处具有合格检测数据)，需读出干涉检测结果中每个靶标中心处的像素点坐标(x,y)。以靶标1为例，其在x像素方向左侧边缘处的像素点坐标为xmin，其在x像素方向右侧边缘处的像素点坐标为xmax，则靶标1中心在x像素方向的坐标为(xmax+xmin)/2；同理，靶标1在y像素方向下边缘处的像素点坐标为ymin，其在y像素方向上边缘处的像素点坐标为ymax，则靶标1中心在y像素方向的坐标为(ymax+ymin)/2。

读出各个靶标中心在干涉检测结果中像素位置(xi,yi),i＝1,2,3...后，将光学镜面移至加工机床，利用机床测头读出每个靶标十字线中心在加工机床坐标系下的位置坐标(xi,yi),i＝1,2,3...。

在完成对各靶标中心位置读取后，需要对干涉检测结果进行畸变矫正。

非球面镜方程可表示为：

其中c为非球面母镜顶点曲率，k为圆锥系数，s²＝x²+y²，其中z为光轴方向，x,y为与光轴垂直平面坐标系，则非球面上点(x,y,z)的法向量为其中：

对于补偿元件，其可以表示为：

ysinα+(z-d)cosα＝0(4)

其中d为非球面镜顶点沿光轴与补偿元件平面焦点处线段长度；α为非球面镜光轴与补偿元件平面间的夹角；均可以预先设定；

经过推导，基于上述基本定义，可得到畸变矫正方程：

其中，k为干涉检测结果转换到加工机床坐标系的放大倍率；θinterferometer为干涉检测结果转换到加工机床坐标系的旋转角度；xcompensator为镜面x方向坐标变换到补偿元件平面的x坐标；ycompensator为镜面y方向坐标变换到补偿元件平面的y坐标；(xmir,ymir,zmir)为镜面一点坐标；(0,ypo,zpo)为非球面镜坐标原点在机床加工坐标系下的坐标值(可通过预先设定，确保非球面镜坐标原点，即镜面中心原点，在机床加工坐标系下的x坐标值为0)；(xinterferometer,yinterferometer)为镜面一点(xmir,ymir)变换到干涉仪ccd中的像素坐标；(xinterferometer0,yinterferometer0)为在机床加工坐标系下镜面中心原点变换到干涉仪ccd坐标系下的像素坐标；

镜面坐标系和机床坐标系均对应于笛卡尔直角空间坐标系，可以均采用一个特定的机床坐标系；除了θinterferometer外，式(5)中下标带有interferometer(干涉仪)则对应于干涉仪的ccd坐标系，即像素坐标。

依据式(5)的变换关系及靶标在干涉检测坐标系及加工机床坐标系中的测试结果，依据最小二乘拟合计算，可以求出(5)式中的k及θinterferometer。

依据上述求解结果及式(5)的变换关系，将干涉检测结果变换到加工机床坐标系后的结果如图5所示，由图5可以看出，椭圆形靶标形状经过畸变矫正后变为与实际形状相一致的圆形，同时镜面测试形状亦矫正为镜面真实形状。图5中，靶标处的数据点依然缺失，需要利用插值方法对其进行填补，插值方式采用delaunay三角剖分插值。首先对图5所示数据进行delaunay三角剖分计算，在完成三角剖分计算后，靶标位置处的每一个像素点均在一个三角形以内，以靶标内的某一像素点(x,y)为例，其位于(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)三个点所形成的平面内，则利用上述三个坐标点构建平面方程：

ax+by+z+d＝0(6)

将(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，(x3,y3,z3)三点坐标带入式(6)中即可求得平面方程系数a,b,d，如式(7)所示。

将靶标内对应像素点坐标(x,y)带入到求得的平面方程(6)中，即可求得该像素点对应的相位值z，从而完成对应插值计算。

在对靶标内所有点完成插值计算后，得到的对应反射镜面形对准结果如图6所示。

本领域的技术人员容易理解，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。