一种基于机械臂定位的大口径光源均匀性测试装置及测试方法

本发明涉及光学测试的大口径光源的均匀性测试装置，尤其涉及一种基于机械臂定位的大口径光源均匀性测试装置及测试方法。

背景技术：

1、星载光学载荷是搭载在卫星平台上，依靠光学成像探测原理实现对地和空间观测的航天设备，其主要部件包括光学成像相机、光学镜头、滤光组件、分光机构、制冷模块、信号处理电路、遮光罩、定标配套装置等。当前星载光学载荷持续向高分辨率、大视场、大孔径长焦距方向迭代升级，因此对光学成像相机的成像辐射精度的要求也不断提高。其中，大口径光源的辐亮度均匀性检测，是开展光学成像相机整机辐射标定的前置关键环节，光源面均匀性与角均匀性的测试精度直接决定光学成像相机标定的准确性。但随着星载光学载荷性能指标不断提升，配套使用的大口径光源口径尺寸持续增大，行业对大口径均匀光源的均匀性测量精度、作业效率提出了更为严苛的要求，传统光源均匀性测试方案的缺陷日益突出，难以满足新一代高指标星载光学载荷的配套检测需求，具体表现为以下两方面：

2、1）人工依赖度高，测试一致性差。传统均匀性测试系统多采用二轴平移台结构，若需调整探测器测量姿态、切换平面测试与角度测试工况，必须依靠人工拆卸、重装、对位探测器。整套测试流程人工干预量大，测量结果易受操作人员熟练度、装配误差、作业状态等人为因素干扰，导致不同批次的均匀性测试结果离散度大、重复性差，无法满足航天级高精度、高一致性的检测要求；

3、2）大口径光源扫描周期长，光源衰减易引入测量误差。大口径光源工作过程中存在固有光强衰减特性，发光辐亮度会随通电工作时长逐渐下降。传统平移台运动路径单一、采样排布不合理，针对全口径区域的扫描耗时较长；长时间检测过程中光源亮度持续衰减，造成前后采样点位的基准亮度不一致，大幅降低均匀性测试精度，同时整体测试周期长、试验效率低，严重制约星载光学载荷整机标定进度。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有光源均匀性测试装置人工操作依赖度高、测试一致性差、测量误差大且效率低的技术问题，而提供一种基于机械臂定位的大口径光源均匀性测试装置及测试方法。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案为：

3、一种基于机械臂定位的大口径光源均匀性测试装置，其特殊之处在于：包括探测器阵列、机械臂以及pc单元；所述探测器阵列设置在机械臂的端部，用于采集待测大口径光源的光信号，并将采集到的光信号转换为电信号；所述pc单元分别与机械臂、探测器阵列电连接，用于输出控制指令驱动机械臂的三维运动，并接收探测器阵列输出的电信号，完成待测大口径光源的面均匀性与角均匀性计算；

4、所述探测器阵列包括大视场相机、中部探测器、周边探测器、分光镜、反射镜以及ad采集单元；所述大视场相机设置在探测器阵列的几何中心；所述大视场相机的光轴与所述探测器阵列的中心光轴重合；所述中部探测器设置在大视场相机旁侧，所述周边探测器为多个，且以大视场相机为中心对称均匀设置；

5、所述分光镜设置在探测器阵列的中心光轴上，用于将待测大口径光源的入射光分为透射光和反射光；所述透射光传输至大视场相机，用于识别待测大口径光源中心位置实现视觉定位；所述反射光经反射镜反射后，入射至中部探测器；所述周边探测器直接接收待测大口径光源的入射光；所述中部探测器、周边探测器分别与ad采集单元电连接，用于将探测待测大口径光源的光信号并将其转换为电信号传输至ad采集单元；ad采集单元将所述电信号转换为数字信号并传输至pc单元。

6、进一步地，所述分光镜与中心光轴的夹角为45°，所述反射镜与反射光路的夹角为45°。

7、进一步地，所述周边探测器为8个，与所述大视场相机共同构成3×3点阵排布。

8、进一步地，所述机械臂为实现三维运动的六轴机械臂。

9、进一步地，所述待测大口径光源为积分球光源。

10、一种基于机械臂定位的大口径光源均匀性测试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

11、步骤1，开启待测大口径光源并调节至设定亮度，启动探测器阵列中的大视场相机（21）采集待测大口径光源的图像，并将采集到的图像传输至pc单元，pc单元对图像进行处理，计算得到探测器阵列中心与待测大口径光源中心的位置偏差；

12、步骤2，pc单元根据位置偏差生成控制指令，控制机械臂带动探测器阵列移动，使探测器阵列的中心与待测大口径光源的中心对准，并将对准后的位置设为初始位置；

13、步骤3，开启探测器阵列中的中部探测器、周边探测器，控制机械臂带动探测器阵列从所述初始位置开始，按照预设的面均匀性扫描路径运动，运动过程中中部探测器、周边探测器分别实时采集各点位的辐亮度信号并将其转换为电信号，传输至ad采集单元；ad采集单元（26）将电信号转换为数字信号并传输至pc单元，经pc单元计算得到待测均匀光源的面均匀性；

14、步骤4，控制机械臂带动探测器阵列返回所述初始位置，关闭中部探测器，按照预设的角均匀性扫描路径运动，运动过程中周边探测器实时采集不同角度下的辐亮度信号并将其转换为电信号，传输至ad采集单元；ad采集单元将电信号转换为数字信号并传输至pc单元，经pc单元计算得到待测均匀光源的角均匀性。

15、进一步地，所述步骤3中，面均匀性扫描路径为：

16、探测器阵列以待测大口径光源的中心为扫描起点，沿由内向外折返螺旋路径移动；所述面均匀性u的计算公式为：

17、

18、其中，n为待测均匀光源的有效辐亮度采样点总数；ei为第i个有效采样点对应的探测器实测辐亮度值；e0为n个有效辐亮度值的平均值。

19、进一步地，所述步骤4中，角均匀性扫描路径为：探测器阵列以待测大口径光源的中心为回转支点，与回转支点始终保持固定回转半径l，围绕正交布置的x轴、y轴进行回转扫描。

20、进一步地，所述步骤3中，探测器阵列的扫描步长为探测器阵列的宽度。

21、进一步地，所述步骤4中，角均匀性测试路径最大扫描角度为 180°。

22、与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

23、1、本发明一种基于机械臂定位的大口径光源均匀性测试装置及测试方法，

24、采用多自由度机械臂承载探测器阵列，可全自动化完成大口径光源面均匀性、角均匀性连续检测，无需人工拆装、重装调测探测器；依托机械臂高精度、高灵活度的运动特性，自动完成平面扫描与多角度回转姿态切换，消除人工装调引入的测量误差；同时大幅缩短全口径采样时长，缓解大口径光源长时间工作的辐亮度衰减误差，显著缩短光源均匀性检测周期，为星载载荷配套大口径均匀光源提供高效、高精度的前置检测手段；

25、2、本发明一种基于机械臂定位的大口径光源均匀性测试装置及测试方法，

26、通过探测器阵列和大视场相机结合的方式采集待测光源的光信号，依托大视场相机实现待测光源测试区域的快速识别与精准对位，配合阵列排布的探测器完成待测光源全域辐亮度信号的同步采集，能够快速识别测试区域，实现准确高效的面均匀性与角均匀性的计算；

27、3、本发明一种基于机械臂定位的大口径光源均匀性测试装置及测试方法，可适配圆形积分球、矩形积分球等多种规格均匀光源，更换不同的均匀光源后，不需要人工更换工装、切换装置，可全自动化实现面均匀性和角均匀性的测试任务，通用性与自动化程度大幅提升。