CN102507155B - 一种检测大口径光学系统波前的装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大口径光学系统波前的检测装置，包括干涉仪、五维调整台、数控转台、数控电动位移台、标准自准直平面镜、二维调整架、计算机控制和数据处理系统，其特点在于：将大口径光学系统波前划分成多个子孔径波前，由干涉仪和标准自准直平面镜检测大口径光学系统的子孔径波前，通过数控转台和数控电动位移台控制标准平面镜运动，对子孔径进行扫描，并由干涉仪检测记录子孔径波前，使检测的子孔径波前覆盖整个大口径光学系统，由计算机控制和数据处理系统通过算法将子孔径波前拼接，得到大口径光学系统全孔径波前，完成对大口径光学系统波前检测。本发明结构简单、成本低，能检测≥1000mm的大口径光学系统波前像质。

Description

一种检测大口径光学系统波前的装置

技术领域

本发明涉及一种大口径光学系统波前的检测装置，特别是一种检测大口径(≥1000mm)光学系统波前的装置。

背景技术

光学系统性能及其质量，可由光学系统波前像差值和其RMS值定量描述。因此光学系统装调时需要对其波前进行检测，传统光学系统波前检测方法采用自准直方法，该方法需要口径与被检光学系统口径相当的标准平面镜，当被检光学系统很大时(≥1000mm)，大口径标准平面镜制造周期长、成本高、调整困难且运输存在安全风险，因此传统自准直法不适用于检测大口径光学系统波前。

张维和曹益平等人提出了用夏克-哈特曼作为波前传感器，结合五棱镜扫描方法检测大口径光学系统波前(“一种大型望远镜波前检测方法”，张维，曹益平，强激光与粒子束，18卷2期205-209页，2006年)。由于该方法用五棱镜扫描检测被检光学系统波前斜率，再用算法拟合来得到光学系统波前，只能检测被检光学系统低频信息，高频信息丢失。

汪利华等提出了用干涉仪作为波前传感器，结合五棱镜扫描子孔径拼接方法检测大口径光学系统波前(“Sub-aperture stitching withscanning pentaprism testing optical wave-front”，Wang Lihua，YangWei，Li Lei，SPIE，VOl.7654，76540Y-1，2010)，该方法用五棱镜扫描检测大口径光学系统子孔径波前，再用拼接算法将子孔径波前拼接，来完成对光学系统波前检测。该方法保留了被检光学系统波前高频信息，但由于光学加工限制加工大口径(≥200mm)五棱镜成本高，精度难以控制，给检测过程中引入的像差除去复杂，影响了检测精度。

付跃刚等提出了用子孔径拼接的方法检测宽光束波前(“宽光束波前测量子孔径拼接方法研究”，付跃刚，刘志颖，张磊，李萍等，仪器与仪表学报，26卷8期增刊205-206页，2005年)，采用移动小口径干涉仪子孔径扫描采样，干涉仪为高精度、高灵敏性检测设备，对于大口径光学系统，子孔径数较多，频繁移动干涉仪调整困难，增加检测时间，同时移动干涉仪会引入误差从而降低检测精度。

中国专利申请号“200810030816.3”设计了一种检测大型光学镜面的子孔径拼接工作站，中国专利申请号“200510116819.5”设计了一种检测大口径抛物面镜检测系统。这两种专利的核心均是子孔径拼接检测方法，但他们所设计的工作站和检测系统均是针对大口径光学元件，而不能检测大口径光学系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有的检测大口径光学系统波前技术，成本高、机械结构复杂、调整困难、精度低且存在安全风险。提供一种成本低、结构简单、快速高精度能检测大口径光学系统波前的装置及方法。

为实现所述目的，本发明用于大口径光学系统波前装置的技术方案是：包括干涉仪、五维调整台、标准自准直平面镜、数控电动位移台、数控转台、计算机控制和数据处理系统和二维调整台，其中：干涉仪位于五维调整台上，大口径光学系统放置于干涉仪和标准自准直平面镜中间，干涉仪发出的光经大口径光学系统到达标准自准直平面镜，沿原光路返回干涉仪形成干涉，从而对大口径光学系统此处波前子孔径进行扫描采样；标准自准直平面镜安装在二维调整台上，二维调整台垂直安装在数控电动位移台上，在数控转台的径向安装数控电动位移台；数控转台和数控电动位移台控制标准自准直平面镜运动，二维调整架用于对标准自准直平面镜进行调整，使标准自准直平面镜与干涉仪和被检的大口径光光学系统组成的准直光路；计算机控制和数据处理系统的通讯接口分别与干涉仪的通讯接口、数控电动位移台的通讯接口和电动导轨的通讯接口连接，计算机控制和数据处理系统按照子孔径规划布局控制数控电动位移台和电动导轨，并使数控电动位移台和电动导轨按规划的路径运动；数控电动位移台带动标准自准直平面镜在径向移动，在径向对大口径光学系统的子孔径扫描采样；计算机控制和数据处理系统，用于控制干涉仪对子孔径数据采样，并根据子孔径拼接算法对子孔径数据进行拼接，得到大口径光学系统的波前子孔径。

本发明的原理是：将大口径光学系统波前划分成多个子孔径波前，由干涉仪和标准自准直平面镜检测大口径光学系统的子孔径波前，通过数控转台和数控电动位移台控制标准平面镜运动，对子孔径进行扫描，并由干涉仪检测记录子孔径波前，使检测的子孔径波前覆盖整个大口径光学系统，由计算机控制和数据处理系统通过子孔径拼接算法将子孔径波前拼接，得到大口径光学系统波前，完成对大口径光学系统波前的检测。

将大口径光学系统波前分割成多个子孔径波前，相邻子孔径波前数据有20％重叠区域，且这些子孔径波前数据叠加能覆盖光学系统波前全孔径。干涉仪和自准直标准平面镜，对子孔径扫描数据采样。采样完成后，消除不同子孔径间的相对误差对其拼接，得到被检光学系统全孔径波前，完成对大口径波前的检测。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.本发明所公开的检测大口径光学系统波前装置，与传统自准直检测光学系统波前方法相比，不需要与被检光学系统口径相当的大口径平面镜，采用小口径标准平面镜对子孔径扫描采样，通过拼接方法即可得到光学系统波前。该方法具成本低、避免了大口径平面镜运输和安装安全风险，同时有保留了自准直检测的高精度。

2.本发明所公开的检测大口径光学系统波前装置，与五棱镜扫描法相比，保留了被检光学系统波前全部信息，避免了被检光学系统高频信息损失。平面镜调整自由度少，结构简单。

3.本发明所公开的检测大口径光学系统波前装置，与五棱镜扫描结合子孔径拼接方法相比，平面镜引入的波前误差标定简单，容易去除，检测精度高。

4.本发明所公开的检测大口径光学系统波前装置，与付跃刚提出的宽光束波前子孔径拼接检测方法相比，采用计算控制电动位移台和数控转台运动，带动自准直平面镜扫描采样，比移动干涉仪子孔径采样，效率高，也避免了干涉仪移动子孔径标准的改变引起的误差。

5.本发明所公开的检测大口径光学系统波前装置，与中国专利申请号“200810030816.3”和“200510116819.5”相比，都是基于子孔径拼接算法为核心，而所提到的这两项专利只能检测光学元件面形，不能检测大口径光学系统波前。

附图说明

图1为本发明检测大口径光学系统波前装置示意图；

图2为本发明中数控转台结构示意图；

图3为本发明中数控电动位移台结构示意图；

图4为本发明中自准直标准平面镜结构示意图；

图5为本发明中由数控转台、数控电动位移台和自准直标准平面镜组成的子孔径扫描采样机械结构示意图；

图6为本发明中相邻具有重叠区域两子孔径示意图；

图7为本发明中子孔径规划布局结构意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，为检测大口径光学系统波前装置结构示意图。包括干涉仪1、五维调整台2、标准自准直平面镜4、数控电动位移台5、数控转台6、计算机控制和数据处理系统7及二维调整架8。，其中：

干涉仪1位于五维调整台2上，大口径光学系统3放置于干涉仪1和标准自准直平面镜4中间，干涉仪1发出的光经大口径光学系统3到达标准自准直平面镜4，沿原光路返回干涉仪1形成干涉，从而对大口径光学系统3此处波前子孔径进行扫描采样；

标准自准直平面镜4安装在二维调整台8上，二维调整台8垂直安装在数控电动位移台5上，在数控转台6的径向安装数控电动位移台5；数控转台6和数控电动位移台5控制标准自准直平面镜4运动，二维调整架8用于对标准自准直平面镜4进行调整，使标准自准直平面镜4与干涉仪1和大口径光学系统3组成的准直光路。

计算机控制和数据处理系统7的通讯接口分别与干涉仪1的通讯接口、数控电动位移台5的通讯接口和电动导轨6的通讯接口连接，计算机控制和数据处理系统7按照图7中子孔径规划布局控制数控电动位移台5和电动导轨6，并使数控电动位移台5和电动导轨6按规划的路径运动；数控电动位移台5带动标准自准直平面镜4在径向移动，在径向对大口径光学系统3的子孔径扫描采样；计算机控制和数据处理系统7，用于控制干涉仪1对子孔径数据采样，并根据子孔径拼接算法对子孔径数据进行拼接，得到大口径光学系统3的波前子孔径测。

干涉仪1为防振干涉仪，所述防振干涉仪采用4D 4020动态防振干涉仪，在低频振动时仍可对子孔径波前进行检测采样，低频振动为≤200Hz。

大口径光学系统3口径为1080mm，数控转台6角晃动为18″，角定位精度为10″。数控电动位移台5行程为600mm，直线性为20″，定位精度为0.2mm。

所述标准自准直平面镜4的口径小于或等于大口径光学系统3口径，标准自准直平面镜4的面形精度为PV≤λ/20，RMS≤λ/100，其中PV为自准直平面镜4面形波峰与波谷高度差，RMS为自准直平面镜4面形均方根误差，λ为632.nm波长单位。实施例中选择标准自准直平面镜4口径为300mm、面形精度PV为λ/15，RMS为λ/120。

大口径光学系统3放置于干涉仪1和标准自准直平面镜4中间，检测前调整干涉仪1、大口径光学系统3和标准自准直平面镜4。由干涉仪1发出的光经大口径光学系统3，到达标准自准直平面镜4后经原光路返回干涉仪1形成干涉，用五维调整台2调整干涉仪1，同时用二维调整架8调整标准自准直平面镜4，当干涉仪1上显示条纹少于10根时，则本发明装置光路调整好。

所述的数控电动位移台5沿自身轴作直线运动，数控电动位移台5精度要求为：直线性小于30″，定位精度小于0.4mm。

通过数控电动位移台5沿其自身轴作直线运动和数控转台6绕其自身轴旋转环形方向运动的组合运动，带动自准直平面镜4运动，完成对子孔径采样。所述的数控转台6绕自身轴旋转环形方向运动，带动标准自准直平面镜4在环形方向子孔径采样。所述数控转台6角晃动要求为30″，角定位精度小于3′。

所述计算机控制和数据处理系统7、干涉仪1、数控电动位移台5和电动导轨6的通讯接口是232通讯接口。

如图7所示，根据大口径光学系统3的口径和标准自准直标准平面镜4的口径，规划出检测过程中所需子孔径数量、布局和路径。子孔径口径为标准自准直平面镜4的口径，所规划子孔径的波前要覆盖整个大口径光学系统3。

将本发明装置光路调整好，并完成子孔径路径规划后，即可开始对子孔径波前数据采样，子孔径波前数据采样步骤为：

步骤1：计算机控制和数据处理系统7控制数控电动位移台5移动，使标准自准直平面镜4运动到规划子孔径中心位置(如图7子孔径1-1的位置)，干涉仪1检测并记录此时子孔径波前数据。

步骤2：数控电动位移台5按照规划路径并径向移动使标准自准直平面镜4到子孔径2-1的位置，干涉仪1检测并记录此时子孔径波前数据。

步骤3：计算机控制和数据处理系统7控制数控转台6，环向旋转运动，旋转角度为60°，使标准自准直平面镜4运动。干涉仪1检测并记录此时子孔径2-2波前数据。

步骤4：重复步骤3操作，旋转数控转台6，依次用干涉仪1检测并记录子孔径2-3到2-6的波前数据。

步骤5：旋转数控转台6将自准直标准平面镜4从子孔径2-6的位置复位到子孔径2-1的位置，再通过数控电动位移台5将自准直标准平面镜4移动到子孔径3-1的位置。干涉仪1检测并记录此时子孔径波前数据。

步骤6：旋转数控转台6，旋转角度为27.7°，依次检测并记录子孔径3-2到3-13子孔径波前。直到所有子孔径波前数据检测并记录完成。

将所有子孔径波前数据检测完成后，再用拼接算法将子孔径拼接即可得到大口径光学系统3全孔径波前数据信息。设i为子孔径1-1到3-13个子孔径中任意一个，第i子孔径波前数据可用多项式表示为：

W_i(x，y)＝p_i+t_xi·x+t_yi·y+W_0i(x，y)    (1)

式中p_i、t_xi和t_yi为机械运动误差和光路调整误差引起的平移和倾斜系数，x、y为第i个子孔径波前数据坐标值，W_0i(x，y)为没有误差的原始波前数据。

在理想检测过程中，子孔径波前数据没有误差，如图6所示两相邻子孔径波前重叠区域波前数据W₁、W₂相等。但由于检测过程误差难以避免，因此两相邻子孔径重叠区域波前数据不相等。拼接算法即是将所有子孔径波前数据不同倾斜和平移误差调整到同一水平，取第i子孔径波前数据作为标准子孔径波前，则有倾斜和平移误差子孔径波前可表示为：

W_i(x，y)＝P_j+T_xj·x+T_yj·y+W_j(x，y)         (2)

式中，j为除第i个子孔径之外的子孔径，W_i(x，y)为标准子孔径波前数据，P_j、T_xj和T_yj为其余子孔径波前相对标准子孔径波前倾斜和平移误差系数。W_i(x，y)和W_j(x，y)，可通过干涉仪1直接检测得到。

W_i(x，y)-W_j(x，y)＝P_j+T_xy·x+T_yj·y         (3)

通过解方程(3)即可得到其余所有子孔径波前数据相对标准子孔径波前数据倾斜和平移误差，再用所求的倾斜和平移误差系数，将所有子孔径波前数据修正到同一标准，即完成子孔径拼接，得到大口径光学系统3全孔径波前数据，完成对大口径光学系统3检测。

如图2所示，为本发明大口径光学系统波前的检测装置中的数控转台6，它由计算机控制和数据处理系统7控制按照规划角度旋转运动，使自准直标准平面镜4环向运动，对子孔径采样。为保证子孔径重叠区域匹配精度，要求数控转台6角定位精度小于3′，为保证检测过程中不超过干涉仪1的动态范围数控转台6角晃动要求为30″。

如图3所示，为大口径光学系统波前的检测装置中的数控电动位移台，它由计算机控制和数据处理系统7控制按照规划路径，使标准自准直平面镜4径向运动子孔径采样。为保证子孔径重叠区域匹配精度，数控电动位移台5定位精度小于0.4mm，为保证检测过程中不超过干涉仪1的动态范围数控电动位移台5，直线性小于30″。

如图4所示，为大口径光学系统波前的检测装置中的标准自准直平面镜4，为保证检测检测精度，其面形精度要求为PV≤λ/20，RMS≤λ/100。

如图5所示，为大口径光学系统波前的检测装置中的子孔径波前扫描采样装置。它由标准自准直平面镜4、二维调整架8、数控电动位移5台和数控转台6组成。子孔径扫描采样装置安装过程中要保证，自准直标准平面镜法线与转台转轴平行。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (5)

1.一种大口径光学系统波前的检测装置，其特征在于：包括干涉仪、五维调整台、标准自准直平面镜、数控电动位移台、数控转台、计算机控制和数据处理系统和二维调整台，其中：

干涉仪位于五维调整台上，大口径光学系统放置于干涉仪和标准自准直平面镜中间，干涉仪发出的光经大口径光学系统到达标准自准直平面镜，沿原光路返回干涉仪形成干涉，从而对大口径光学系统此处波前子孔径进行扫描采样；

标准自准直平面镜安装在二维调整台上，二维调整台垂直安装在数控电动位移台上，在数控转台的径向安装数控电动位移台；数控转台和数控电动位移台控制标准自准直平面镜运动，二维调整架用于对标准自准直平面镜进行调整，使标准自准直平面镜与干涉仪和被检的大口径光光学系统组成的准直光路；

计算机控制和数据处理系统的通讯接口分别与干涉仪的通讯接口、数控电动位移台的通讯接口和电动导轨的通讯接口连接，计算机控制和数据处理系统按照子孔径规划布局控制数控电动位移台和电动导轨，并使数控电动位移台和电动导轨按子孔径规划的路径运动；数控电动位移台带动标准自准直平面镜在径向移动，在径向对大口径光学系统的子孔径扫描采样；计算机控制和数据处理系统，用于控制干涉仪对子孔径数据采样，并根据子孔径拼接算法对子孔径数据进行拼接，得到大口径光学系统的波前子孔径；

所述标准自准直平面镜的口径小于或等于大口径光学系统口径，标准自准直平面镜的面形精度为PV≤λ/20，RMS≤λ/100，其中PV为自准直平面镜面形波峰与波谷高度差，RMS为自准直平面镜面形均方根误差，λ为波长，波长为632nm。

2.根据权利要求1所述的大口径光学系统波前的检测装置，其特征在于：所述干涉仪为防振干涉仪，在低频振动时仍可对子孔径波前进行检测采样，低频振动为≤200Hz。

3.根据权利要求1所述的大口径光学系统波前的检测装置，其特征在于：所述的数控电动位移台沿自身轴作直线运动，数控电动位移台精度要求为：直线性小于30"，定位精度小于0.4mm。

4.根据权利要求1所述的大口径光学系统波前的检测装置，其特征在于：所述的数控转台绕自身轴旋转环形方向运动，带动标准自准直平面镜在环形方向子孔径采样。

5.根据权利要求1所述的大口径光学系统波前的检测装置，其特征在于：所述数控转台角晃动要求为30"，角定位精度小于3′。

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