CN102564340B - 大口径平面镜面形检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大口径平面镜面形检测装置，包括激光器、吸收体、分光镜、标准球面反射镜、探测单元以及控制与采集计算机；分光镜设置于激光器的出射光路上，分光镜将入射至分光镜的入射光分为透射光以及反射光；吸收体设置在经分光镜后的反射光路上；标准球面反射镜设置在经分光镜后的透射光路上，标准球面反射镜将入射至标准球面反射镜的入射光反射至分光镜并由分光镜反射至探测单元；控制与采集计算机与探测单元相连。本发明提出了一种利用光纤激光器与哈特曼波前传感器来对大口径平面镜面形检测的装置，解决了大口径平面镜面形的测试问题，能够有效的测试大口径平面镜的面形，并很好的保证了测试精度。

Description

大口径平面镜面形检测装置

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种面形检测装置，尤其涉及一种大口径平面镜面形检测装置。

背景技术

定量测试大口径平面镜面形的检测方法主要有两种：直接检测法和间接检测法。

对于直接检测法而言，其要求有与待测平面镜口径相当的干涉仪。但随着空间科学技术的发展，直径大于Φ800mm的平面镜的口径使用增多，目前国内最大口径的干涉仪为Φ800mm，直接检验法已不能满足测试要求，且大口径干涉仪研制费用十分昂贵(几千万)，经济性差。

对于间接检测法，主要有两种：子孔径拼接法和瑞奇-康芒法。这两种方法可以检测口径很大的平面镜，同时实际检测成本还有所降低。子孔径拼接法需要精度高、行程大的二维工件台，且存在较大拼接误差，测试精度较低；瑞奇-康芒法测试时，干涉仪，平面镜和球面镜，三者几何关系精确标定比较困难，波前本底扣除方法十分复杂，要求测试人员对干涉仪波前重建算法十分了解，实用性较差。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种利用光纤激光器与哈特曼波前传感器来对大口径平面镜面形检测的装置，解决了大口径平面镜面形的测试问题，能够有效的测试大口径平面镜的面形，并很好的保证了测试精度。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种大口径平面镜面形检测装置，其特殊之处在于：所述大口径平面镜面形检测装置包括激光器、吸收体、分光镜、标准球面反射镜、探测单元以及控制与采集计算机；所述分光镜设置于激光器的出射光路上，所述分光镜将入射至分光镜的入射光分为透射光以及反射光；所述吸收体设置在经分光镜后的反射光路上；所述标准球面反射镜设置在经分光镜后的透射光路上，所述标准球面反射镜将入射至标准球面反射镜的入射光反射至分光镜并由分光镜反射至探测单元；所述控制与采集计算机与探测单元相连。

上述探测单元包括准直透镜以及哈特曼波前传感器；所述准直透镜将分光镜反射至探测单元的入射光以平行光输出；所述哈特曼波前传感器接收来自准直透镜出射的平行光。

上述大口径平面镜面形检测装置还包括用于对被测大口径平面镜进行角度调整的高精度转台；所述高精度转台与控制与采集计算机相连。

上述激光器是光纤激光器。

本发明的优点是：

本发明提供了一种大口径平面镜面形检测装置，该装置采用光纤激光器、分光镜、吸收体、标准球面反射镜、高精度转台、准直透镜、哈特曼波前传感器、控制与采集计算机可以精确测试大口径平面镜的面形，且测试精度PV优于1/10λ，RMS优于1/80λ；本发明借助光纤激光器与哈特曼波前传感器对大口径平面镜面形进行测试，测试精度能够很好的得到保证，代替了常规的依靠干涉仪来对大口径平面镜面形进行检测；本发明利用哈特曼波前传感器以较低的成本实现了大口径平面镜面形检测，弥补了常规的干涉仪成本高和体积大调整不方便的不足；本发明解决了大口径平面镜面形测试的问题，稳定性高、重复性好，测量结果置信度高。

附图说明

图1是本发明所提供的装置的结构示意图；

其中：

1-光纤激光器；2-分光镜；3-吸收器；4-高精度转台；5-被测大口径平面镜；6-标准球面反射镜；7-准直透镜；8-哈特曼波前传感器；9-控制与采集计算机。

具体实施方式

参见图1，

光纤激光器1、分光镜2、吸收体3、高精度转台4、被测大口径平面镜5、标准球面反射镜6、准直透镜7、哈特曼波前传感器8、控制与采集计算机9。分光镜2设置于光纤激光器1的出射光路上，分光镜2将入射至分光镜2的入射光分为透射光以及反射光；吸收体3设置在经分光镜2后的反射光路上，吸收透射至分光镜2后的反射光，保证测试人员安全；标准球面反射镜6设置在经分光镜2后的透射光路上；标准球面反射镜6将入射至标准球面反射镜6的入射光反射至分光镜并由分光镜2反射至探测单元。探测单元包括准直透镜7以及哈特曼波前传感器8；准直透镜7将分光镜2反射至探测单元的入射光以平行光输出，哈特曼波前传感器8置于准直透镜7的后面，接收入射的平行光。

大口径平面镜面形检测装置还包括高精度转台4，将被测大口径平面镜5置于高精度转台4上，高精度转台4可通过控制与采集计算机9控制对被测大口径平面镜进行不同角度的旋转。

本发明的具体工作过程是：

首先，被测大口径平面镜5未放置在高精度转台4上，将标准球面反射镜6置于光路中，确保其参考光轴与光路光轴一致。控制与采集计算机9控制哈特曼波前传感器8采集图像，并将此图象存为“本底”图像，此操作为绝对检测。

其次，将被测大口径平面镜5放置于高精度转台4上，调整标准球面反射镜6的姿态，确保其光轴与被测大口径平面镜5的光轴一致。控制与采集计算机9控制高精度转台4使其从初始位置每间隔θ角度进行旋转，每旋转一个角度调整标准球面反射镜6，使其光轴与被测大口径平面镜5的光轴一致，控制与采集计算机9控制哈特曼波前传感器8分别在高精度转台4旋转不同角度下采集图像。得到被测大口径平面镜5不同角度下的测试波前和Zernike多项式系数为W_θ。

基于Zernike多项式各项之间具有正交性，面形复原时，用其表示被测大口径平面镜5的面形误差与系统波像差之间的关系，记为：

$\left[\begin{array}{cccc}{a}_{\mathrm{1,1}}& a_{\mathrm{1,2}}& ...& a_{1,n}\\ a_{\mathrm{2,1}}& a_{\mathrm{2,2}}& ...& a_{2,n}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n,1}& a_{n,2}& ...& a_{n,n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\\ .\\ .\\ .\\ s_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{W}_1\\ W_2\\ .\\ .\\ .\\ W_n\end{array}\right]$

式中，s_m是泽尼克多项式表示的平面镜的各项面形误差系数；a_m，n为平面镜面形误差一个单位对系统波像差中各项泽尼克系数的贡献，即“影响函数”，与高精度转台旋转的角度有关。W_m为利用哈特曼波前传感器8在不同角度下的测试波前的Zernike多项式系数。由于被测大口径平面镜5面形系数中像散包括本身的像散和大曲率所造成的像散两部分。通过角度展开和旋转，可以将大曲率造成的像散和本身的像散分离出来，从而就能正确地反映被测大口径平面镜的面形状况。最后，利用最小二乘法得到被测大口径平面镜5的面形系数s为：

s＝(A^T·A)^-1·A^T·W

其中，A为高精度转台4旋转不同角度下系统影响函数矩阵；W为利用哈特曼波前传感器8在高精度转台4旋转不同角度下的测试波前的Zenrike多项式系数矩阵。得到被测大口径平面镜5的面形系数，进而可以拟合出被测大口径平面镜5的面形。

Claims (4)

1.一种大口径平面镜面形检测装置，其特征在于：所述大口径平面镜面形检测装置包括激光器、吸收体、分光镜、标准球面反射镜、探测单元、控制与采集计算机以及用于对被测大口径平面镜进行角度调整的高精度转台；所述分光镜设置于激光器的出射光路上，所述分光镜将入射至分光镜的入射光分为透射光以及反射光；所述吸收体设置在经分光镜后的反射光路上；所述标准球面反射镜设置在经分光镜后的透射光路上，所述标准球面反射镜将入射至标准球面反射镜的入射光反射至分光镜并由分光镜反射至探测单元；所述控制与采集计算机与探测单元相连；所述高精度转台与控制与采集计算机相连。

2.根据权利要求1所述的大口径平面镜面形检测装置，其特征在于：所述探测单元包括准直透镜以及哈特曼波前传感器；所述准直透镜将分光镜反射至探测单元的入射光以平行光输出；所述哈特曼波前传感器接收来自准直透镜出射的平行光。

3.根据权利要求1或2所述的大口径平面镜面形检测装置，其特征在于：所述激光器是光纤激光器。

4.根据权利要求3所述的大口径平面镜面形检测装置，其特征在于：所述高精度转台的精度是定位精度为±1；复位精度为±1。