基于橢圓檢測的離軸拋物鏡定心裝調(diào)方法

朱苗苗,孫 斌,楊洪春,孟炳寰,洪 津

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；2. 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031)

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基于橢圓檢測的離軸拋物鏡定心裝調(diào)方法

朱苗苗1,2,孫 斌2,楊洪春1,2,孟炳寰2,洪 津2

(1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；2. 中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031)

針對一種高精度線偏振輻射計(jì)的離軸拋物鏡定心裝調(diào)問題，提出了基于橢圓檢測的定心裝調(diào)方法。逆光路使視場光闌在相機(jī)焦面成像為光斑，采集視頻圖像，使用基于最小二乘擬合法的橢圓檢測方法得到光斑中心運(yùn)動軌跡，從而得到離軸拋物鏡的光軸傾斜誤差。編寫裝調(diào)專用輔助軟件用于相機(jī)控制和圖像的處理、顯示，實(shí)現(xiàn)定心裝調(diào)的定量化可視化。技師通過觀察軟件界面中的光斑中心軌跡的變化，判斷裝調(diào)的方向和力度。經(jīng)驗(yàn)證，該方法使定心裝調(diào)誤差檢測精度不再受限于人眼觀察，有效地指導(dǎo)了技師裝調(diào)，最終裝調(diào)誤差由1.33°降到0.3°，滿足裝調(diào)需求。

定心裝調(diào)；離軸拋物鏡；橢圓檢測；最小二乘擬合法

引言

在光學(xué)系統(tǒng)的裝配過程中，為保證光學(xué)零件的共軸性，需要對其進(jìn)行定心裝調(diào)。傳統(tǒng)的光學(xué)裝調(diào)方法是技師憑借裝調(diào)經(jīng)驗(yàn)，借助簡單的工具將鏡片依次放入鏡筒內(nèi)，這種方式依賴于機(jī)械和鏡片的加工精度，需要鏡頭和鏡片有很高的配合度，而且受技師的視覺影響較大，不適合有較高精度要求或機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光學(xué)鏡頭的定心裝調(diào)。目前常用的定心裝調(diào)方法是在定心儀的監(jiān)視下對鏡片的位置進(jìn)行調(diào)整，通過定心儀觀察鏡片表面的球心像的跳動量，使跳動量最小[1-2]。定心儀的使用使裝調(diào)誤差檢測精度有了很大的提高，但這種裝調(diào)方法建立在一個(gè)確定的高精度的基準(zhǔn)上，對裝配設(shè)備和輔助設(shè)備的要求很高，工作效率低[3-4]。在實(shí)際裝配中，需要根據(jù)具體問題，選擇或提出更合適的定心裝調(diào)方法。

本文針對一種高精度線偏振輻射計(jì)離軸拋物面反射鏡的定心裝調(diào)問題，結(jié)合儀器檢偏鏡頭繞反射鏡光軸旋轉(zhuǎn)的特殊設(shè)計(jì)，借鑒旋轉(zhuǎn)法定心儀的中心偏測量方法[5]，提出了一種基于橢圓檢測的離軸拋物面反射鏡定心裝調(diào)方法。

1 裝調(diào)問題的提出

高精度線偏振輻射計(jì)是一種設(shè)計(jì)為無系統(tǒng)性偏振測量誤差的新型的輻射計(jì)，其光路圖如圖1所示[6]。

圖1 高精度線偏振輻射計(jì)光路原理圖Fig.1 Optical path of high-precision polarimeter

輻射計(jì)的工作原理：入射光通過格蘭-泰勒棱鏡起偏，偏振光通過濾光片輪實(shí)現(xiàn)分時(shí)多光譜探測，然后使用90°離軸拋物鏡將光束反射匯聚到視場光闌，最后使用透鏡將光束匯聚到探測器光敏面內(nèi)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。儀器工作時(shí)，棱鏡及其后續(xù)系統(tǒng)整體旋轉(zhuǎn)得到不同檢偏角度的輻亮度，整體旋轉(zhuǎn)的特殊設(shè)計(jì)保證了儀器不同檢偏方向的特性一致，消除了檢偏系統(tǒng)誤差。

如果儀器在旋轉(zhuǎn)時(shí)反射鏡的光軸與機(jī)械轉(zhuǎn)軸不平行，會引起視場在不同檢偏角度的漂移，當(dāng)被測目標(biāo)非均勻時(shí)，會引入偏振探測誤差。因此，精確地裝調(diào)拋物鏡使目標(biāo)視場中的入射光完全聚焦在視場光闌，保證探測視場的同一性，是保證儀器檢偏精度的關(guān)鍵。

儀器預(yù)裝后，各個(gè)光學(xué)元器件的幾何固裝精度靠機(jī)械加工保證；通過調(diào)整拋物鏡后座頂絲微調(diào)鏡面指向，實(shí)現(xiàn)視場指向的精確裝調(diào)。輻射計(jì)只有在野外探測太陽光暈的偏振光輻亮度時(shí)，目標(biāo)光才具有明顯的非均勻性，此時(shí)反射鏡的裝調(diào)誤差分析如圖2所示。

圖2 離軸拋物鏡的裝調(diào)誤差分析圖Fig.2 Analysis chart of off-axis parabolic mirror’s alignment error

已知儀器的視場角為1.7°，太陽張角約為0.5°，太陽跟蹤指向誤差約±0.2°，因此只有反射鏡光軸安裝的最大誤差小于±0.4°時(shí)，入射光才可以完全聚焦在視場光闌。

2 裝調(diào)方法

2.1 基本原理

裝調(diào)時(shí)采用圖1中輻射計(jì)光路圖的逆光路，使用LED燈照亮視場光闌，將相機(jī)正對儀器入光口進(jìn)行連續(xù)拍攝。由于視場光闌安裝于反射鏡焦面，光線逆光路經(jīng)反射鏡反射后以平行光出射。將相機(jī)焦距調(diào)到無窮遠(yuǎn)，光線將在相機(jī)焦面處聚焦成一個(gè)光斑，實(shí)現(xiàn)相機(jī)對視場光闌的成像。當(dāng)檢偏裝置繞機(jī)械轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，由于轉(zhuǎn)軸與反射鏡光軸不平行，光斑中心將以半徑r劃圓，r即為裝調(diào)誤差在相機(jī)成像中的反映。已知視場光闌的視場角α為1.7°，設(shè)視場光闌像(即相機(jī)拍攝到的光斑)的半徑為R，則反射鏡光軸的裝調(diào)誤差e的計(jì)算公式為

(1)

此裝調(diào)方法需要設(shè)計(jì)專用的裝調(diào)輔助軟件控制相機(jī)進(jìn)行視頻圖像采集，通過橢圓檢測算法檢測視頻中的光斑，得到光斑中心運(yùn)動軌跡。技師通過觀察軟件界面中的軌跡變化來判斷裝調(diào)的方向和力度，盡可能地將軌跡圓調(diào)至最小。

2.2 光斑分析

此裝調(diào)方法的核心是檢測出光斑中心。光斑中心檢測技術(shù)是光學(xué)測量中常用的關(guān)鍵技術(shù)，主要方法有重心法、Hough變換法、圓擬合法等。受光源的不均勻性、相機(jī)CCD像元響應(yīng)的不均勻性等因素的影響，本文中視場光闌的成像光斑的信號分布不均勻，用重心法檢測光斑中心將產(chǎn)生較大影響，而且重心法無法得到光斑的半徑[7]。圓擬合法是根據(jù)最小二乘原理用圓來逼近光斑輪廓，相比于重心法和Hough法計(jì)算速度更快，檢測精度也更高[8]。但是，由于機(jī)器的晃動、機(jī)械加工誤差等因素的影響，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)相機(jī)和入光口不可能保持完全平行，相機(jī)采集到的視頻圖像中的光斑大都是近圓形的橢圓，使用圓擬合法會影響光斑中心的檢測精度，因此本文采用了橢圓檢測的方法檢測光斑中心。

2.3 算法及軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 橢圓檢測算法設(shè)計(jì)

橢圓有5個(gè)自由參數(shù)，有關(guān)橢圓檢測的算法計(jì)算通常都比較復(fù)雜，空間需求量大[9]。比較常用的橢圓檢測算法有Hough變換法和最小二乘擬合等。Hough變換法有很好的健壯性，但是運(yùn)算復(fù)雜，需要大量的存儲空間；最小二乘擬合法準(zhǔn)確性高，速度相對比較快，缺點(diǎn)是對噪聲比較敏感[10]。本文對橢圓檢測的準(zhǔn)確度要求比較高；相機(jī)連續(xù)拍攝幀頻為10Hz，需要較快的運(yùn)算速度；此外，被測光斑與背景對比明顯，信噪比高。綜合以上3點(diǎn)考慮，本文采用了最小二乘擬合法進(jìn)行橢圓檢測。

算法具體實(shí)現(xiàn)流程如下：

1) 將圖片轉(zhuǎn)為灰度圖，然后進(jìn)行閾值操作得到二值圖像；

2) 從二值圖像中檢索輪廓，每個(gè)輪廓都是一組點(diǎn)集，去除點(diǎn)數(shù)少于6的輪廓；

3) 每一個(gè)輪廓進(jìn)行基于最小二乘法的橢圓擬合；

4) 根據(jù)幾何信息，篩選出目標(biāo)橢圓，檢測出光斑，從而得到光斑中心及半徑。

圖3為橢圓檢測結(jié)果。從圖中可以看出，檢測出的橢圓與光斑的邊界幾乎完全重合，說明在本文的裝調(diào)背景下，基于最小二乘擬合法的橢圓檢測算法的精確度很高。

圖3 光斑橢圓檢測Fig.3 Spot ellipse detection

2.3.2 裝調(diào)輔助軟件設(shè)計(jì)

裝調(diào)輔助軟件界面設(shè)計(jì)在集成開發(fā)環(huán)境Qt Creator 5.4.1中完成，軟件集相機(jī)控制與圖像處理于一體，主要有3個(gè)功能模塊：人機(jī)交互界面、相機(jī)控制模塊和圖像處理模塊。

軟件的主體功能流程圖如圖4所示。

圖4 裝調(diào)輔助軟件主體功能流程圖Fig.4 Main function flow chart of assembling assistant-software

2.4 裝調(diào)流程

根據(jù)上述裝調(diào)基本原理，設(shè)計(jì)裝調(diào)步驟如下：

1) 將相機(jī)焦距調(diào)到無窮遠(yuǎn)，相機(jī)鏡頭正對儀器入光口放置；

2) 通過轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動機(jī)械轉(zhuǎn)軸，使儀器檢偏系統(tǒng)繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；

3) 使用裝調(diào)輔助軟件控制相機(jī)進(jìn)行連續(xù)拍攝，并對圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)橢圓檢測；

4) 觀察輔助軟件中顯示的光斑中心運(yùn)動軌跡的大小和方向，判斷裝調(diào)方向與力度，并通過微調(diào)離軸拋物面反射鏡后座頂絲，實(shí)現(xiàn)裝調(diào)；

5) 重復(fù)步驟4)，直到將軌跡圓調(diào)至最小。

圖5是裝調(diào)系統(tǒng)搭建的實(shí)物拍攝圖。

圖5 實(shí)物圖Fig.5 Physical map

3 結(jié)果及分析

圖6為裝調(diào)前后光斑檢測結(jié)果，其中淺色曲線即為檢測出的光斑中心軌跡。由誤差分析公式(1)可知，軌跡的大小與光軸的傾斜角度呈線性關(guān)系。此外，從圖中可以看出，光學(xué)系統(tǒng)隨機(jī)械轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到同一角度時(shí)，光斑中心并不完全重合，這是由于機(jī)器、相機(jī)或光源的晃動，導(dǎo)致軌跡圓并不是標(biāo)準(zhǔn)的圓或橢圓曲線。

圖6 光斑中心運(yùn)動軌跡 Fig.6 Moving track of center of light spot

本文選用軌跡曲線的最大直徑作為光斑中心軌跡的直徑。利用橢圓檢測檢測出的光斑長軸所占像素點(diǎn)為69，裝調(diào)前軌跡最大直徑所占像素為54，根據(jù)公式(1)得出裝調(diào)誤差e約為1.33°。而根據(jù)前面的誤差分析可知，最大誤差不能超過0.4°，說明此時(shí)反射鏡光軸偏差較大，遠(yuǎn)不能滿足裝調(diào)需求。

裝調(diào)完成后，光斑中心仍以較小的半徑劃圓。此誤差主要來源于機(jī)械幾何固裝加工誤差，不可避免。此時(shí)軌跡的最大直徑所占的像素點(diǎn)為12，根據(jù)誤差分析公式得出裝調(diào)誤差e約為0.3°，滿足裝調(diào)要求。

4 總結(jié)

通過橢圓檢測的方法得出光斑中心的軌跡，用于指導(dǎo)高精度線偏振輻射計(jì)的離軸拋物面反射鏡的定心裝調(diào)，是本文裝調(diào)方法的核心。通過設(shè)計(jì)輔助軟件控制相機(jī)進(jìn)行圖像采集，并對圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，使光軸傾斜誤差定量化、可視化，而且操作簡單，提高了裝調(diào)人員的工作效率。

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Assemble method for off-axis parabolic mirror based on ellipse detecting

Zhu Miaomiao1,2,Sun Bin2,Yang Hongchun1,2,Meng Binghuan2, Hong Jin2

(1. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 2.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS, Hefei 230031,China)

An assembling method for off-axis parabolic mirror of a high-precision polarimeter based on ellipse detecting was put forward. Using the reversing light path, the light field diaphragm could be imaged to be a focusing spot on camera. The ellipse detecting means based on least square method was adopted to trace the focusing spot and get the moving track of the center of the spot,so as to measure the shift-error of the optic axis. A special assistant-software was developed to control camera and process image. The spot’s moving track was shown on the software interface, thus technicians can judge how to adjust mirror’s position according to how the track is changing. It is verified that this method can guide technician assembling effectively and the shift-error of the optic axis can be detected out accurately. Finally, the assembling error is corrected from 1.33° to 0.3° which meets requirement.

assemble,;off-axis parabolic mirror; ellipse detecting; least square method

1002-2082(2015)06-0918-05

2015-06-17；

2015-08-26

中國科學(xué)院科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(KGFZD-125-13-006)

朱苗苗(1990-)，女，河南周口人，碩士研究生，主要從事光電儀器的軟件研發(fā)，E-mail:nissa@mail.ustc.edu.cn

TN205；O439

A

10.5768/JAO201536.0603004