根据光学衍射成像原理,光学系统的角分辨率为1.22λ/D,望远镜的聚光能力随口径增大而增加,角分辨率也随着口径的增大而增强。由于空间科学的发展,不断提高的观测需求对望远镜的分辨能力提出了越来越高的要求,促使望远镜主镜的口径不断增大。考虑到主镜的材料、加工、检测、变形、成本和运输等因素,单块主镜的望远镜能做到的最大口径为8m。美国天文学家提出用小镜面拼接成大镜面以替代整块大口径主镜的方法,即将一系列子镜拼接在一起达到单一镜面的光学性能。拼接主镜突破了单块望远镜主镜在口径上的限制,在现代大口径望远镜的研究和制造中得到了广泛的应用。在拼接镜面制造和装配中,子镜拼接检测技术成为难点和热点,并在近年来得到了迅速发展。现有的子镜拼接检测方法在精度上可以达到较高的水平,但是检测方法多较复杂,检测条件苛刻,在实际应用中有较大限制。虽然现有拼接望远镜的主镜面形多为球面和非球面,但是大口径的平面镜可以用来作为望远镜的改正板,进行反射校正。并且从广义上讲,可以认为平面镜是自由曲面镜、球面镜或者非球面镜的一种特殊面形形式和简化模型。因此,研究平面镜的子镜拼接不仅可以应用于大口径平面镜的拼接,相关的理论和研究思路也可以拓展应用到其他面形子镜的拼接检测中。本文主要研究基于结构光反射和摄像机标定的平面子镜拼接检测技术,为子镜拼接的共焦调试阶段,提供一种结构简单、效率高和精度恰当的全天候检测方法和技术手段。文章通过研究摄像机标定图样的特征点提取算法,得出了一种提取精度高、抗噪性和抗离焦性强的标定图样和特征点提取算法,然后提出了平面镜倾斜和位移的测量方法,并用一系列实验证明该方法的可行性,并使用在平面子镜实时测量拼接实验中。本论文的主要内容包含如下几个部分的工作:1.对国内外大口径拼接望远镜现有的检测方法与未来的研究趋势进行调研,选取五种比较有代表性的方法夏克-哈特曼传感器法、宽带&窄带共相算法、四棱锥传感技术、迈克尔逊干涉检测法和基于迈克尔逊干涉原理的白光检测方法,分析它们各自的特点与难点。并调研现有的平面镜倾斜角度和位移检测方法,分析比较了现有方法的精度和适用范围。2.在对比分析摄像机标定图样对应的特征点提取算法的基础上,选择三种比较常用和典型的标定图样:棋盘格图样、高斯点阵图样和二维正弦条纹图样,比较了它们的特征点提取算法和用于摄像机内参数标定的精度。通过模拟实验和内参数标定实验,得出基于傅里叶相位分析法的二维正弦条纹在受噪声和离焦的影响时,其表现优于棋盘格和高斯点阵方法,在内参数标定中的重投影误差最小,特征点提取精度最高。3.在基于傅里叶相位分析法的二维条纹图样特征点提取中,由于傅里叶变换的固有性质,提取的特征点不能包含点阵边缘的部分点,否则会使提取误差显著增大。针对这个问题,我们提出使用相移法提取相位代替傅里叶方法提取相位。与傅里叶方法计算得出的每个点相位值会受到相邻点影响不同,相移方法对每个点的相位计算是独立进行的。使用相移法提取相位增大了二维正弦条纹提取特征点的适用范围,在处理包含边缘点的特征点阵时,仍然可以保持较高的提取精度。4.提出基于结构光反射和摄像机标定的平面镜倾斜和位移测量原理,引入虚像平面坐标系,将平面镜倾斜和位移测测量转变为标定点阵虚像平面的倾斜和位移的测量,是对结构光反射测量技术的逆向应用。测量方法原理简单易行,测量装置为实验常用器材,花费成本较低。实验得出使用本文的方法测量平面镜倾斜角度的精度约为1″,测量平面镜位移的精度在1μm以内,它的测量动态范围也较大,达到毫米量级。结构光反射测量平面镜倾斜对环境的要求比较低,不需要暗室条件,空气扰动、温度湿度变化等都不会影响测量质量。5.通过设定一个虚拟的参考面目标,在本文检测方法下驱动平面镜,使其尽可能地接近目标平面。在线调整实验得出的角度和位移都达到较优的精度,说明我们的方法可以用来调整平面镜到指定的位置。6.进行了双平面镜拼接调整实验,使用两块平面镜,固定其中一块,对另一块进行调整,并用结构光反射方法测量二者之间的倾斜与位移,直至与第一块尽可能地共面。经过一系列的在线实时调整,我们得到了倾斜误差约为6″、位移误差约为0.5μm的拼接测量数值结果。在提高实验调整装置的分辨率下,预计可以得到更高的实验拼接精度。7.分析了内参数不确定和标定点阵选取不同对平面镜拼接误差的影响。通过分析与实验,我们发现影响二维正弦条纹结构光反射测量平面镜倾斜与位移的主要误差来源是摄像机标定误差,包括内参数误差和镜面引入误差,合成表现为外参数误差。并提出了减小或避免误差的方法。