基于結(jié)構(gòu)光反射的平面子鏡拼接檢測技術(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。由于空間科學(xué)的發(fā)展，不斷提高的觀測需求對望遠鏡的分辨能力提出了越來越高的要求，促使望遠鏡主鏡的口徑不斷增大?？紤]到主鏡的材料、加工、檢測、變形、成本和運輸?shù)纫蛩?，單塊主鏡的望遠鏡能做到的最大口徑為8m。美國天文學(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到單一鏡面的光學(xué)性能。拼

2、接主鏡突破了單塊望遠鏡主鏡在口徑上的限制，在現(xiàn)代大口徑望遠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，子鏡拼接檢測技術(shù)成為難點和熱點，并在近年來得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)有的子鏡拼接檢測方法在精度上可以達到較高的水平，但是檢測方法多較復(fù)雜，檢測條件苛刻，在實際應(yīng)用中有較大限制。
　　雖然現(xiàn)有拼接望遠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作為望遠鏡的改正板，進行反射校正。并且從廣義上講，可以認為平面鏡是自由曲

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中。
　　本文主要研究基于結(jié)構(gòu)光反射和攝像機標定的平面子鏡拼接檢測技術(shù)，為子鏡拼接的共焦調(diào)試階段，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、效率高和精度恰當?shù)娜旌驒z測方法和技術(shù)手段。文章通過研究攝像機標定圖樣的特征點提取算法，得出了一種提取精度高、抗噪性和抗離焦性強的標定圖樣和特征點

4、提取算法，然后提出了平面鏡傾斜和位移的測量方法，并用一系列實驗證明該方法的可行性，并使用在平面子鏡實時測量拼接實驗中。本論文的主要內(nèi)容包含如下幾個部分的工作：
　　1.對國內(nèi)外大口徑拼接望遠鏡現(xiàn)有的檢測方法與未來的研究趨勢進行調(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)、邁克爾遜干涉檢測法和基于邁克爾遜干涉原理的白光檢測方法，分析它們各自的特點與難點。并調(diào)研現(xiàn)有的平面鏡傾斜角度和位移檢測

5、方法，分析比較了現(xiàn)有方法的精度和適用范圍。
　　2.在對比分析攝像機標定圖樣對應(yīng)的特征點提取算法的基礎(chǔ)上，選擇三種比較常用和典型的標定圖樣：棋盤格圖樣、高斯點陣圖樣和二維正弦條紋圖樣，比較了它們的特征點提取算法和用于攝像機內(nèi)參數(shù)標定的精度。通過模擬實驗和內(nèi)參數(shù)標定實驗，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，其表現(xiàn)優(yōu)于棋盤格和高斯點陣方法，在內(nèi)參數(shù)標定中的重投影誤差最小，特征點提取精度最高。
　　3.在

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

7、構(gòu)光反射和攝像機標定的平面鏡傾斜和位移測量原理，引入虛像平面坐標系，將平面鏡傾斜和位移測測量轉(zhuǎn)變?yōu)闃硕c陣虛像平面的傾斜和位移的測量，是對結(jié)構(gòu)光反射測量技術(shù)的逆向應(yīng)用。測量方法原理簡單易行，測量裝置為實驗常用器材，花費成本較低。實驗得出使用本文的方法測量平面鏡傾斜角度的精度約為1″，測量平面鏡位移的精度在1μm以內(nèi)，它的測量動態(tài)范圍也較大，達到毫米量級。結(jié)構(gòu)光反射測量平面鏡傾斜對環(huán)境的要求比較低，不需要暗室條件，空氣擾動、溫度濕度變化等

8、都不會影響測量質(zhì)量。
　　5.通過設(shè)定一個虛擬的參考面目標，在本文檢測方法下驅(qū)動平面鏡，使其盡可能地接近目標平面。在線調(diào)整實驗得出的角度和位移都達到較優(yōu)的精度，說明我們的方法可以用來調(diào)整平面鏡到指定的位置。
　　6.進行了雙平面鏡拼接調(diào)整實驗，使用兩塊平面鏡，固定其中一塊，對另一塊進行調(diào)整，并用結(jié)構(gòu)光反射方法測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)過一系列的在線實時調(diào)整，我們得到了傾斜誤差約為6″、位移誤差約為