测量镜架稳定性的方法及系统与流程

1.本发明涉及光学仪器测评技术领域，尤其涉及一种测量镜架稳定性的方法及系统。


背景技术：

2.由于机械内部存在应力作用，或者其使用环境的影响都会使机械件有一定的不稳定性。特别是在光学实验中，光路的准直与稳定对光学实验非常重要，而镜架的稳定性和光路的准直与稳定息息相关，镜架的稳定性越好，光路的稳定性就越好。因此，镜架的稳定性对光路的稳定性至关重要。


技术实现要素：

3.本发明目的在于公开一种测量镜架稳定性的方法及系统，以确保测量的可靠性和便捷性。
4.为达上述目的，本发明公开一种测量镜架稳定性的方法，包括：
5.在待测镜架上装载第一反射镜，并将该第一反射镜部署在干涉观测系统的一列光路中；
6.采集干涉条纹图像，确定一观测干涉条纹明暗变化的参照点的坐标；
7.按周期采集干涉条纹图像并提取所述参照点的像素信息；
8.根据所提取的像素信息拟合所述参照点随时间的像素信息变化曲线；
9.根据所述像素信息变化曲线中波峰和波谷的分布周期性和干涉条纹所对应光源的波长、以及所述第一反射镜与干涉条纹图像采集装置之间的几何空间信息计算所述待测镜架的稳定性指标。
10.优选地，所述干涉观测系统为迈克尔逊干涉实验装置，相应的光路关系具体包括：
11.激光器产生的激光经过一个偏振片，将激光转为线偏振光，线偏振光经过偏振分束立方分为两束光，其中一束激光经过安装在所述待测镜架上的所述第一反射镜，另一束激光经过第二反射镜，分别经所述第一反射镜和所述第二反射镜反射后的两束激光再经过所述偏振分束立方合束后形成干涉条纹并成像于ccd上；
12.其中，所述激光器、偏振片、分束立方和第二反射镜全部固定。
13.优选地，所述确定一观测干涉条纹明暗变化的参照点的坐标具体包括：
14.读取干涉条纹图像的灰度值信息，并将读出后的灰度值经过归一化与平滑处理，然后从该干涉条纹图像中筛选出图像条纹对比度最明显的列，然后再从所筛选的列中选取灰度值最大的像素点所对应的坐标作为所述参照点，其中，该干涉条纹图像的列所在的方向上与干涉条纹明暗间隔变化方向一致。
15.优选地，计算所述待测镜架的稳定性指标的方法具体为：
16.δ＝k
·
λ
17.其中，δ代表光程差，k表示亮条纹改变的级次，λ表示光的波长，待测镜架的移动
引起两列光产生一个光程差，使得在激光波长确定下的情况下，改变的光程差与条纹改变的级次成正比；
18.计算待测镜架的旋转弧度；
19.q＝atan(k
·
λ/d)
20.其中，q为待测镜架的旋转弧度，d为待测镜架与ccd之间的距离；或者
21.q＝atan(0.5
·
λ
·
m/d)
22.其中，m为表征明暗变化周期的峰/谷值数量。
23.为达上述目的，本发明还公开一种测量镜架稳定性的系统，在待测镜架上装载第一反射镜，并将该第一反射镜部署在干涉观测系统的一列光路中；所述干涉观测系统包括与干涉条纹图像采集装置连接的工控机，所述工控机包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：
24.指令所述干涉条纹图像采集装置采集干涉条纹图像，确定一观测干涉条纹明暗变化的参照点的坐标；
25.继续指令所述干涉条纹图像采集装置按周期采集干涉条纹图像并提取所述参照点的像素信息；然后根据所提取的像素信息拟合所述参照点随时间的像素信息变化曲线；最后根据所述像素信息变化曲线中波峰和波谷的分布周期性和干涉条纹所对应光源的波长、以及所述第一反射镜与干涉条纹图像采集装置之间的几何空间信息计算所述待测镜架的稳定性指标。
26.优选地，所述工控机还用于读取干涉条纹图像的灰度值信息，并将读出后的灰度值经过归一化与平滑处理，然后从该干涉条纹图像中筛选出图像条纹对比度最明显的列，然后再从所筛选的列中选取灰度值最大的像素点所对应的坐标作为所述参照点，其中，该干涉条纹图像的列所在的方向上与干涉条纹明暗间隔变化方向一致。
27.同理，所述工控机计算所述待测镜架的稳定性指标的优选方法可具体为：
28.δ＝k
·
λ
29.其中，δ代表光程差，k表示亮条纹改变的级次，λ表示光的波长，待测镜架的移动引起两列光产生一个光程差，使得在激光波长确定下的情况下，改变的光程差与条纹改变的级次成正比；
30.计算待测镜架的旋转弧度；
31.q＝atan(k
·
λ/d)
32.其中，q为待测镜架的旋转弧度，d为待测镜架与ccd之间的距离；或者
33.q＝atan(0.5
·
λ
·
m/d)
34.其中，m为表征明暗变化周期的峰/谷值数量。
35.本发明具有以下有益效果：
36.由于干涉系统可以对微小变化进行测量，因此，该方法的测量实验装置为一干涉光路；在干涉光路中，通过观察干涉条纹的变化来判断光路中的一些微小变化。通过固定光路中的其他镜架，使得待测镜架成为干涉光路中唯一的变量，因此，干涉条纹的变化就是由于待测镜架的不稳定性引起的，通过计算干涉条纹的变化周期来判断待测镜架的旋转弧度等稳定性指标。确保了待测镜架不稳定性结果的可靠性和实施的便捷性。
37.下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
38.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
39.图1是本发明实施例公开的测量镜架稳定性的系统框图。
40.图2为本发明实施例公开的像素与强度曲线示意图；其中，横坐标为图像列坐标位置，纵坐标为对比度。
41.图3为本发明实施例公开的灰度值随时间的变化曲线示意图；其中，横坐标为时间，纵坐标为灰度值。
42.图4为本发明实施例公开的待测镜架的旋转弧度随测量时间的变化曲线；其中，横坐标为时间，纵坐标为旋转弧度。
具体实施方式
43.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
44.实施例1
45.本发明实施例公开一种测量镜架稳定性的方法，包括：
46.步骤s1、在待测镜架上装载第一反射镜，并将该第一反射镜部署在干涉观测系统的一列光路中。值得说明的是：该步骤所描述的“装载”不等同于“固定”，通常装载所预期达到的效果为：该第一反射镜可随镜架的旋钮等调节件进行相应的位移，但不受环境风等外部因素干扰而产生晃动等。
47.优选地，所述干涉观测系统为迈克尔逊干涉实验装置，相应的光路关系可如图1所示，具体包括：激光器1、偏振片2、偏振分束立方3、用于采集干涉条纹图像的装置ccd4、第二反射镜5与第一反射镜6。其中，激光器产生的激光经过一个偏振片，将激光转为线偏振光，线偏振光经过偏振分束立方分为两束光，其中一束激光经过安装在所述待测镜架上的所述第一反射镜，另一束激光经过第二反射镜，分别经所述第一反射镜和所述第二反射镜反射后的两束激光再经过所述偏振分束立方合束后形成干涉条纹并成像于ccd上；其中，所述激光器、偏振片、分束立方和第二反射镜全部固定。
48.作为一种替换，当上述的偏振片被省略时，则以“非偏振分束立方”替换上述“偏振分束立方”。
49.步骤s2、采集干涉条纹图像，确定一观测干涉条纹明暗变化的参照点的坐标。
50.优选地，所述确定一观测干涉条纹明暗变化的参照点的坐标具体包括：
51.读取干涉条纹图像的灰度值信息，并将读出后的灰度值经过归一化与平滑处理，然后从该干涉条纹图像中筛选出图像条纹对比度最明显的列，然后再从所筛选的列中选取灰度值最大的像素点所对应的坐标作为所述参照点，其中，该干涉条纹图像的列所在的方向上与干涉条纹明暗间隔变化方向一致。通常，对比度的计算公式为：
52.对比度＝(光强极大值-光强极小值)/(光强极大值 光强极小值)。
53.步骤s3、按周期采集干涉条纹图像并提取所述参照点的像素信息。
54.步骤s4、根据所提取的像素信息拟合所述参照点随时间的像素信息变化曲线。
55.在该步骤中，优选地，该像素信息的具体表现形式可以是灰度值、亮度等。
56.步骤s5、根据所述像素信息变化曲线中波峰和波谷的分布周期性和干涉条纹所对应光源的波长、以及所述第一反射镜与干涉条纹图像采集装置之间的几何空间信息计算所述待测镜架的稳定性指标。该几何空间信息包括第一反射镜与干涉条纹图像采集装置之间的距离等。
57.在该步骤中，假设待测镜架是通过旋钮等机械结构调节位移，优选地，计算该待测镜架的稳定性指标可确定为计算该旋钮调节件由应力或震动等因素干扰所产生的旋转弧度，具体公式包括：
58.δ＝k
·
λ
59.其中，δ代表光程差，k表示亮条纹改变的级次，λ表示光的波长，待测镜架的移动引起两列光产生一个光程差，使得在激光波长确定下的情况下，改变的光程差与条纹改变的级次成正比。
60.以偏移距离和第一反射镜与干涉条纹图像采集装置之间的距离分别作为直角三角形的两直角边，计算待测镜架的旋转弧度，该旋转弧度即为在自身应力/环境抖动等影响下产生的角度偏移；
61.q＝atan(k
·
λ/d)
62.其中，q为待测镜架的旋转弧度，d为待测镜架与ccd之间的距离；或者
63.q＝atan(0.5
·
λ
·
m/d)
64.其中，m为表征明暗变化周期的峰/谷值数量。
65.在本案申请人实验室的一组具体实验中，干涉观测系统采用图1所示架构，用ccd进行数据采集，采样间隔为30s，总时间＞8h，图片大于1000张。其中，ccd单个像素尺寸为2.2um
×
2.2um。
66.用matlab对采集的干涉图形进行数据处理。首先取第一张图片的灰度值信息，读出后的灰度值经过归一化与平滑处理，选用该图片条纹对比度最明显的一列，做出如图2所示的像素与强度曲线；然后选取峰值位置，在这里选用的是第一个峰值的位置，此后依次取出用ccd采集的所有图片在这个位置的灰度值信息并经过相同的归一化与平滑处理，并做如图3所示的灰度值随时间的变化曲线；在图3中找出峰/谷值位置，每变化一个明暗周期待测镜架会转过一定的角度，其中可得到波峰和波谷数量m，待测镜架与ccd的距离为0.18m，最后根据上述计算公式算出待测镜架的旋转弧度，并画出如图4所示的待测镜架的旋转弧度随测量时间的变化曲线。经过对大量镜架的测量结果分析可知，镜架转动弧度在10urad以内认定其稳定性较好。
67.实施例2
68.本实施例公开一种测量镜架稳定性的系统，在待测镜架上装载第一反射镜，并将该第一反射镜部署在干涉观测系统的一列光路中；所述干涉观测系统包括与干涉条纹图像采集装置连接的工控机，所述工控机包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：
69.步骤s10、指令所述干涉条纹图像采集装置采集干涉条纹图像，确定一观测干涉条纹明暗变化的参照点的坐标。
70.步骤s20、继续指令所述干涉条纹图像采集装置按周期采集干涉条纹图像并提取所述参照点的像素信息；然后根据所提取的像素信息拟合所述参照点随时间的像素信息变化曲线；最后根据所述像素信息变化曲线中波峰和波谷的分布周期性和干涉条纹所对应光源的波长、以及所述第一反射镜与干涉条纹图像采集装置之间的几何空间信息计算所述待测镜架的稳定性指标。
71.优选地，所述工控机还用于读取干涉条纹图像的灰度值信息，并将读出后的灰度值经过归一化与平滑处理，然后从该干涉条纹图像中筛选出图像条纹对比度最明显的列，然后再从所筛选的列中选取灰度值最大的像素点所对应的坐标作为所述参照点，其中，该干涉条纹图像的列所在的方向上与干涉条纹明暗间隔变化方向一致。
72.同理，所述工控机计算所述待测镜架的稳定性指标的优选方法可具体为：
73.δ＝k
·
λ
74.其中，δ代表光程差，k表示亮条纹改变的级次，λ表示光的波长，待测镜架的移动引起两列光产生一个光程差，使得在激光波长确定下的情况下，改变的光程差与条纹改变的级次成正比；
75.计算待测镜架的旋转弧度；
76.q＝atan(k
·
λ/d)
77.其中，q为待测镜架的旋转弧度，d为待测镜架与ccd之间的距离；或者
78.q＝atan(0.5
·
λ
·
m/d)
79.其中，m为表征明暗变化周期的峰/谷值数量。
80.综上，本发明上述两实施例所分别公开的测量镜架稳定性的方法及系统，具有以下有益效果：
81.由于干涉系统可以对微小变化进行测量，因此，该方法的测量实验装置为一干涉光路；在干涉光路中，通过观察干涉条纹的变化来判断光路中的一些微小变化。通过固定光路中的其他镜架，使得待测镜架成为干涉光路中唯一的变量，因此，干涉条纹的变化就是由于待测镜架的不稳定性引起的，通过计算干涉条纹的变化周期来判断待测镜架的旋转弧度等稳定性指标。确保了待测镜架不稳定性结果的可靠性和实施的便捷性。
82.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。