本發(fā)明涉及光學(xué)測量，特別涉及一種快速反射鏡振動環(huán)境下鎖止精度的測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、快速反射鏡作為一種能夠快速改變光束方向的光學(xué)元件，具有轉(zhuǎn)動慣量小、定位精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點，在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、光通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。將快速反射鏡安裝到成像光路中能夠有效提高系統(tǒng)成像質(zhì)量，因此，快速反射鏡作為光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其振動鎖止精度直接影響整個光學(xué)系統(tǒng)的性能。例如在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，振動環(huán)境下的快速反射鏡高精度鎖止是實現(xiàn)對波前畸變精確校正的關(guān)鍵，進(jìn)而保障成像質(zhì)量。因此，為驗證與測試快速反射鏡的振動鎖止精度，其鎖止精度測量方法尤為關(guān)鍵。
2、傳統(tǒng)快速反射鏡振動鎖止精度測量方法為接觸式測量方法或基于光學(xué)干涉測量方法。接觸式振動鎖止精度測量方法能夠方便快捷的測量出精度所在的大致范圍，測量系統(tǒng)搭建成本低，但由于該測量方法與快速反射鏡存在物理接觸，干擾快速反射鏡的運動，降低快速反射鏡動態(tài)性能，進(jìn)而影響測量準(zhǔn)確性，無法準(zhǔn)確反應(yīng)快速反射鏡振動鎖止精度?；诠鈱W(xué)干涉的測量方法同樣能夠體現(xiàn)鎖止精度，但由于該測量方法易受如溫度，光壓等環(huán)境因素干擾，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此該測量方法搭建復(fù)雜，所需設(shè)備成本高，同時，由于該方法以干涉儀為核心，其難以實現(xiàn)實時動態(tài)測量。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的缺陷，提出一種快速反射鏡振動環(huán)境下鎖止精度的測量裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對快速反射鏡振動鎖止精度的高精度、實時動態(tài)測量。
2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下具體技術(shù)方案：
3、本發(fā)明提供的快速反射鏡振動環(huán)境下鎖止精度的測量裝置，包括光斑發(fā)生器、開關(guān)電源、快速反射鏡振動工裝、快速反射鏡、標(biāo)準(zhǔn)鏡、高速相機、第一調(diào)整架、圖像采集和數(shù)據(jù)處理單元、第二調(diào)整架、振動臺；
4、快速反射鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡固定安裝在快速反射鏡振動工裝上，使快速反射鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡處于同一平面，快速反射鏡振動工裝固定安裝在振動臺上；
5、光斑發(fā)生器安裝在第二調(diào)整架上，高速相機安裝在第一調(diào)整架上，通過調(diào)整第一調(diào)整架和第二調(diào)整架的角度，使光斑發(fā)生器發(fā)射的光束照射在快速反射鏡與標(biāo)準(zhǔn)鏡上，快速反射鏡與標(biāo)準(zhǔn)鏡反射的光束在高速相機成像；
6、開關(guān)電源與快速反射鏡相連接供電；圖像采集和數(shù)據(jù)處理單元與高速相機相連，接收高速相機捕獲的光斑圖像并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)快速反射鏡與標(biāo)準(zhǔn)鏡反射光斑的中心位置變化，得到快速反射鏡在振動過程中不同時刻下的鎖止精度。
7、本發(fā)明還提供快速反射鏡振動環(huán)境下鎖止精度的測量方法，使用上述的測量裝置，包括如下步驟：
8、s1、搭建快速反射鏡振動環(huán)境下鎖止精度的測量裝置；
9、s2、在振動臺靜止?fàn)顟B(tài)下，啟動光斑發(fā)射器，高速相機捕獲由快速反射鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡分別反射的光斑，圖像采集和數(shù)據(jù)處理單元保存兩個光斑的初始位置，作為后續(xù)計算振動鎖止精度的基準(zhǔn)值；
10、振動臺啟動后，使快速反射鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡在設(shè)定的振動條件下振動，高速相機和連接的圖像采集和數(shù)據(jù)處理單元實時采集快速反射鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡分別反射的光斑在振動過程中的圖像位置；
11、s3、圖像采集和數(shù)據(jù)處理單元通過特征提取算法，識別并確定快速反射鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡分別反射的光斑在每一幀圖像中的中心位置坐標(biāo)；
12、根據(jù)不同時刻圖像中快速反射鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡分別反射的光斑的中心位置坐標(biāo)變化，計算兩個光斑的相對位置變化量對應(yīng)的像素量，由于標(biāo)準(zhǔn)鏡的運動狀態(tài)可作為參考基準(zhǔn)，通過對比快速反射鏡反射的光斑相對于標(biāo)準(zhǔn)鏡反射的光斑的位置變化，計算得到快速反射鏡在振動過程中不同時刻下的鎖止精度。
13、進(jìn)一步地，步驟s3中，圖像采集和數(shù)據(jù)處理單元通過灰度重心法特征提取光斑特征，精確計算出快速反射鏡和標(biāo)準(zhǔn)鏡分別反射的光斑在每一幀圖像中的中心坐標(biāo)p1n(x1n，y1n)和p2n(x2n，y2n)，根據(jù)不同時刻圖像中兩個光斑的中心位置坐標(biāo)變化，計算兩者的相對位置變化量對應(yīng)的像素量pn(x，y)，水平方向相對位置變化量對應(yīng)的像素量pnx=x1n-x2n，垂直方向相對位置變化量對應(yīng)的像素量pny=y1n-y2n；
14、水平方向?qū)嶋H相對偏轉(zhuǎn)角度δθxn和垂直方向?qū)嶋H相對偏轉(zhuǎn)角度δθyn：
15、，
16、；
17、α為1個像素對應(yīng)的角度；
18、對采集n幀圖像進(jìn)行測量，每次測量得到的水平和垂直角度偏差為δθxn和δθyn，計算水平角度偏差平均值和垂直角度偏差平均值，可以衡量快速反射鏡振動鎖止精度的平均水平；計算水平和垂直角度偏差的標(biāo)準(zhǔn)差sx和sy，標(biāo)準(zhǔn)差反映數(shù)據(jù)離散程度，值越小說明鎖止精度越穩(wěn)定，公式為：
19、；
20、。
21、進(jìn)一步地，高速相機ccd像元尺寸為3um×3um，焦距f=1m，1個像素對應(yīng)的角度α計算式為：；
22、水平方向?qū)嶋H相對偏轉(zhuǎn)角度δθxn和垂直方向?qū)嶋H相對偏轉(zhuǎn)角度δθyn，單位：urad：
23、，
24、。
25、本發(fā)明能夠取得如下技術(shù)效果：
26、1.本發(fā)明測量過程受環(huán)境因素影響小，能夠在較為復(fù)雜的工作環(huán)境中實現(xiàn)穩(wěn)定測量，選用大功率光斑發(fā)生器，模擬無窮遠(yuǎn)處光束照射，降低由光源引入的誤差，結(jié)合高速相機和圖像采集卡進(jìn)行圖像采集，減少光束衰減，同時提高測試系統(tǒng)普適性，利用光斑反射原理，僅完成一次反射后采集。
27、2.能夠顯著提高振動鎖止精度測量準(zhǔn)確性。通過大尺寸光斑同時照射快速反射鏡與標(biāo)準(zhǔn)鏡，以保證光源一致性，將標(biāo)準(zhǔn)鏡固定在快速反射鏡振動工裝上，使得快速反射鏡與標(biāo)準(zhǔn)鏡距離足夠近以滿足同一束光源能夠同時照射在兩者鏡面上。測量由快速反射鏡與標(biāo)準(zhǔn)鏡反射的光斑，并以標(biāo)準(zhǔn)鏡反射光斑為參考，分析快速反射鏡反射光斑狀態(tài)。這種方法通過添加參考基準(zhǔn)，并將參考基準(zhǔn)與待測快速反射鏡置于同一測試條件下，有效降低了測量誤差，顯著提高了快速反射鏡振動鎖止精度的測量準(zhǔn)確性。
28、3.適用于多種振動條件下的快速反射鏡鎖止精度測量，具有廣泛的應(yīng)用前景?；趫D像分析算法的數(shù)據(jù)處理方式，能夠快速、準(zhǔn)確地計算光斑位置變化和鎖止精度，提高了測量效率，與此同時，通過對標(biāo)準(zhǔn)鏡反射的光斑進(jìn)行分析，能夠進(jìn)一步確定當(dāng)前的振動量級與多種振動條件，提高快速反射鏡鎖止精度測量準(zhǔn)確性，擴展測量范圍。
29、4.適用于測量快速反射鏡工作于不同角度的鎖止精度測量，與此同時，本發(fā)明方法解決了在振動條件下，無法高頻率測量快速反射鏡的鎖止誤差量。根據(jù)該測量方法，通過將快速反射鏡設(shè)置不同工作角度，能夠確定在不同工作角度下的鎖止精度，模擬其真實工作狀態(tài)，客觀準(zhǔn)確的評價快速反射鏡實際性能。通過高速相機高頻采集快速反射鏡反射光斑和標(biāo)準(zhǔn)鏡反射光斑的相對位置變化量，更準(zhǔn)確評估快速反射鏡在振動下的性能。
1.一種快速反射鏡振動環(huán)境下鎖止精度的測量裝置，其特征在于，包括光斑發(fā)生器（1）、開關(guān)電源（2）、快速反射鏡振動工裝（3）、快速反射鏡（4）、標(biāo)準(zhǔn)鏡（5）、高速相機（6）、第一調(diào)整架（7）、圖像采集和數(shù)據(jù)處理單元（8）、第二調(diào)整架（9）、振動臺（10）；
2.一種快速反射鏡振動環(huán)境下鎖止精度的測量方法，使用權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于，包括如下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速反射鏡振動環(huán)境下鎖止精度的測量方法，其特征在于，步驟s3中，圖像采集和數(shù)據(jù)處理單元（8）通過灰度重心法特征提取光斑特征，精確計算出快速反射鏡（4）和標(biāo)準(zhǔn)鏡（5）分別反射的光斑在每一幀圖像中的中心坐標(biāo)p1n(x1n，y1n)和p2n(x2n，y2n)，根據(jù)不同時刻圖像中兩個光斑的中心位置坐標(biāo)變化，計算兩者的相對位置變化量對應(yīng)的像素量pn(x，y)，水平方向相對位置變化量對應(yīng)的像素量pnx=x1n-x2n，垂直方向相對位置變化量對應(yīng)的像素量pny=y1n-y2n；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速反射鏡振動環(huán)境下鎖止精度的測量方法，其特征在于，高速相機（6）ccd像元尺寸為3um×3um，焦距f=1m，1個像素對應(yīng)的角度α計算式為：；