CN102865829B - 立式大量程高精度光学平面测试装置 - Google Patents

Abstract

立式大量程高精度光学平面测试装置属于光学测试仪器研究领域，该装置包括升降支腿、支撑底台、水平转台、配重块、精密转台、连接轴、长导轨承载板、两个反射镜、第一测角装置、第二测角装置、长导轨、电控系统和数据采集分析系统，两个反射镜在长导轨上等间隔移动，通过两个测角装置获得测试点之间的角度变化值，用此角度变化值和间隔量的乘积可获得测试点间的高度变化值，从而测出平面镜在此方向上的轮廓形状；经过精密转台实现对平面镜在不同方向上的轮廓形状测试，最后对测试数据进行分析计算而获得平面镜整体、全口径面形轮廓图。本发明可实现大口径光学平面反射镜在使用过程中的面形校准与监测，对测试环境敏感度低，可达到高测试精度。<!--1-->

Description

立式大量程高精度光学平面测试装置

技术领域

本发明属于光学测试仪器研究领域，涉及一种立式大量程高精度光学平面测试装置，用于大口径平面镜面形的检测。

背景技术

对光学成像系统波前的检验是光学系统成像质量检测的重要手段。高分辨率可见光成像侦察相机的光学成像系统口径达到1.0m以上。由于在采用自准法对光学系统波面检测时（光轴水平），需要对立式大口径平面镜面形情况进行复测和监测，而现有方法对光学平面镜的检测需要干涉仪和基准平面镜，目前没有设备可满足对这类大口径光学平面镜测试要求的干涉仪。

如图1所示，干涉仪测试光学成像系统的波相差测试过程是由干涉仪3发出球面光波，球面光波的球心调试到被测试光学成像系统2的像面上，球面光波通过被测试光学成像系统2后转为平面波（平行光），此光束经平面反射镜1反射后，按原路返回，进入被测试光学成像系统2，经被测试光学成像系统2后形成球面波，在其像面上会聚后进入干涉仪3，与干涉仪3的基准光学波面干涉，产生干涉条纹，经过其内部图象采集、测试与计算处理后，给出被测试光学成像系统光学波面相差。

采用干涉仪测试平面镜的方法是把需要测试的平面反射镜5对准干涉仪7，经由干涉仪的基准平面镜6发出的基准平面光波照射到平面反射镜5后返回到干涉仪7，通过干涉仪内部的光学系统产生干涉图，经过干涉仪的图像采集分析系统获得平面反射镜的面形误差。

常规高精度测量光学平面镜面形的方法是干涉测量法，如图2所示，需要干涉仪口径不小于被测试平面镜口径；同时，需要提供至少同等口径的平面基准镜。目前国外可测试最大口径平面干涉仪为800mm；国内没有此类设备。现有的测量方法对设备的加工要求高，且环境扰动对测量结果影响大。

发明内容

本发明的目的是提供一种立式大量程高精度光学平面测试装置，可实现大口径光学平面反射镜在使用过程中的面形校准与监测，且测试精度高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

立式大量程高精度光学平面测试装置，包括升降支腿、支撑底台、水平转台、配重块、精密转台、连接轴、长导轨承载板、第一反射镜、第二反射镜、第一测角装置、第二测角装置、长导轨、电控系统和数据采集分析系统，支撑底台固定在升降支腿上，水平转台置于支撑底台上，精密转台置于水平转台上，配重块固定在精密转台的一端，连接轴的一端固定在精密转台的另一端，长导轨承载板固定在连接轴的另一端，长导轨固定在长导轨承载板上；电控系统与垂直精密转台和长导轨的内部电路驱动部件连接，用于控制垂直精密转台的转动角度和长导轨上承载的第一反射镜、第二反射镜的直线移动位置；数据采集分析系统与第一测角装置和第二测角装置连接，用于采集与计算分析测角数据；第一反射镜与第二反射镜分别滑动连接在长导轨上，第一测角装置与第二测角装置均固定在长导轨承载板上，被测试平面反射镜位于长导轨的前方，第一测角装置发出的光线经过第一反射镜反射后入射到被测试平面反射镜上，经被测试平面反射镜反射后由第一测角装置接收；第二测角装置发出的光线经过第二反射镜反射后入射到被测试平面反射镜上，经被测试平面反射镜反射后由第二测角装置接收。

工作原理：由两个测角装置发出基准光线经两个反射镜折转到被测试平面反射镜上，然后经反射由原路返回，通过两个测角装置接收和测试获得各自光线偏转角度，两个测角装置的角度差值变化量即为测试点之间的角度变化值；通过两个反射镜在高精度大行程长导轨上的等间隔移动而获得测试点之间的角度变化值，用此角度变化值和间隔量的乘积可获得测试点间的高度变化值，从而测试出平面镜在此方向上的轮廓形状；同时，经过精密转台的不同角度转动定位实现对平面镜在不同方向上的轮廓形状测试，最后对测试数据进行分析计算而获得平面镜整体、全口径面形轮廓图。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明采用直接测量方式，避免了传统的相对测量方法所需要采用口径相当的基准平面镜和干涉仪；

（2）本发明利用了哈德曼波前测试仪在测试光学波前质量的同时可精确提供波前倾斜信息的特点，采用带有单色光源的哈德曼波前测试仪作为高精度测角工具，由于哈德曼波前测试仪与传统的自准直测角仪相比，体积小、重量轻、精度高，数字化程度高，不同姿态使用不影响测试结果，可灵活方便使用，设备承载量减小，精度易于保证。

（3）本发明采用两套哈德曼测试仪和五棱镜相组合的方式测试角度变化量，从而大幅度降低设备结构不稳定性对测试精度的影响，也降低了对测试环境的要求，由于五棱镜的光学特性，在测试方向上对机械扰动不敏感，因此，对导轨加工精度要求不高，较易达到稳定性的要求。

附图说明

图1是现有干涉仪测试光学系统波相差原理示意图。

图2是现有干涉仪测试平面镜面形原理示意图。

图3是本发明立式大量程高精度光学平面测试装置结构示意图。

图4是由本发明获得的光学波面轮廓图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图3所示，本发明的立式大量程高精度光学平面测试装置包括：四个升降支腿9、支撑底台10、水平转台11、配重块12、垂直精密转台13、连接轴14、长导轨承载板15、第一五棱镜16、第二五棱镜17、带有自准光源的第一哈德曼波前测试仪18、带有自准光源的第二哈德曼波前测试仪19、长导轨20、电控系统23和数据采集分析系统22；四个升降支腿9均布在支撑底台10的四个边角处，水平转台11置于支撑底台10上，垂直精密转台13置于水平转台11上，配重块12固定在垂直精密转台13的一端，连接轴14的一端固定在垂直精密转台13的另一端，长导轨承载板15固定在连接轴14的另一端，长导轨20固定在长导轨承载板15上；电控系统23与垂直精密转台13和长导轨20的内部电路驱动部件连接，用于控制垂直精密转台13的转动角度和长导轨20上承载的第一五棱镜16、第二五棱镜17的直线移动位置；数据采集分析系统与第一哈德曼波前测试仪18和第二哈德曼波前测试仪19连接，用于采集与计算分析测角数据；第一五棱镜16与第二五棱镜17分别滑动连接在长导轨20上，带有自准光源的第一哈德曼波前测试仪18和第二哈德曼波前测试仪19均固定在长导轨承载板15上，被测试平面反射镜21位于长导轨20的前方。

本发明采用两个五棱镜与两台带有自准光源的哈德曼波前测试仪相结合组成高精度角度测试系统。通过第一五棱镜16与第二五棱镜17在大量程直线长导轨20上的等间隔移动，获得不同测试点上沿移动方向的角度变化量，此角度变化量与移动间隔的乘积即为被测试平面反射镜21在此方向上的两间隔点之间的高度差。随着第一五棱镜16与第二五棱镜17在长导轨20上的多次等间隔同步移动获得在此方向上的被测试平面反射镜21条带区域面形轮廓。通过把固定在精密转台13上的大量程长导轨20转动不同角度，即可实现对被测试平面反射镜21不同条带区域的轮廓测试。

本发明采用的带有自准光源的哈德曼波前测试仪实现了高精度测角功能，由于采用两套五棱镜与哈德曼波前测试仪的组合模式最大限度地降低了机械结构和环境的不稳定性对测试结果的影响，保证测试的高精度。大量程高精度长导轨20和立式精密转台13实现了对光轴水平的大口径平面镜即被测试平面反射镜21测试范围的要求。通过水平转台11的转动和升降支腿9的高低调整实现测试光线垂直入射到被测试平面反射镜21表面的要求。配重块12保证了装置的稳定性。本发明的测试装置结构简单，易于设计加工，可测试口径主要取决于长导轨20的有效量程，对于1.5m量程的导轨，由于五棱镜的光学特性，在测试方向上对机械扰动不敏感，因此，对导轨加工精度要求不高，较易达到。

本发明的测试装置中采用的哈德曼波前测试仪实现了高精度测角，其是利用了哈德曼波前测试仪可高精度地测试光束的波前倾斜角度特点，并加入了自准光源，从而可以高精度、数字化的实现光束角度变化量测试。由于哈德曼波前测试仪与传统的自准直测角仪相比，体积小、重量轻、精度高，不同姿态使用不影响测试结果，在本发明中使用显示出极大的优势。通过电控系统23实现设备的自动控制，数据采集分析系统22实现数据拟合处理。

本发明立式大量程高精度光学平面测试装置的测量方法如下：

1）将经由第一哈德曼波前测试仪18、第二哈德曼波前测试仪19发出的平行光分别对准第一五棱镜16、第二五棱镜17，平行光经第一五棱镜16、第二五棱镜17折转90°，分别入射到被测试的大口径平面反射镜21上，调整平面反射镜21，使得经平面反射镜21反射后的平行光分别返回到第一哈德曼波前测试仪18、第二哈德曼波前测试仪19；

2）转动垂直精密转台13使得长导轨20转动到所要测试的平面反射镜21的待测条带区域22，转动水平转台11和调整升降支腿9，使得平行光垂直入射到被测平面反射镜21上，完成对测试系统的校准；

3）开始测试：在长导轨20上以等间隔（一般取50mm）同时移动第一五棱镜16和第二五棱镜17，在每一个间隔点处读取第一哈德曼波前测试仪18、第二哈德曼波前测试仪19显示的角度值，记录二者角度差值变化量；通过在长导轨20上的全程移动第一五棱镜16、第二五棱镜17和读取角度数据，完成对被测平面反射镜21在该条带区域的轮廓测试；

4）重复操作步骤2）和步骤3），可依次完成被测平面反射镜21的多个条带区域的轮廓测试。

本发明测试装置中影响测角精度的主要因素为测角仪测试精度、扫描导轨精度、转台精度与稳定性。测角仪采用允许多种状态使用的高精度哈德曼波前测试仪，由于其体积小、重量轻，可在不同姿态下使用，测试精度不受重力影响，因而，可实现该装置中在不同方位角度上对光学波面条带区域轮廓扫描测试的功能；由于五棱镜的光学特性，在测试方向上对机械扰动不敏感，因此，对导轨精度要求不过高，可实现加工，对1.5米有效形成的导轨，精度要求10＂。对转台的要求主要是在对平面镜测试条带扫描测试过程中不要晃动，因此，需要有良好的精度即3＂和锁紧机构即可。

Claims (3)

1.立式大量程高精度光学平面测试装置，其特征在于，该装置包括升降支腿(9)、支撑底台(10)、水平转台(11)、配重块(12)、垂直精密转台(13)、连接轴(14)、长导轨承载板(15)、第一反射镜(16)、第二反射镜(17)、第一测角装置(18)、第二测角装置(19)、长导轨(20)、电控系统(23)和数据采集分析系统(22)，支撑底台(10)固定在升降支腿(9)上，水平转台(11)置于支撑底台(10)上，垂直精密转台(13)置于水平转台(11)上，配重块(12)固定在垂直精密转台(13)的一端，连接轴(14)的一端固定在垂直精密转台(13)的一端，长导轨承载板(15)固定在连接轴(14)的另一端，长导轨(20)固定在长导轨承载板(15)上；电控系统(23)与垂直精密转台(13)和长导轨(20)的内部电路驱动部件连接，用于控制垂直精密转台(13)的转动角度和长导轨(20)上承载的第一反射镜(16)和第二反射镜(17)的直线移动位置；数据采集分析系统(22)与第一测角装置(18)和第二测角装置(19)连接，用于采集与计算分析测角数据；第一反射镜(16)与第二反射镜(17)分别滑动连接在长导轨(20)上，第一测角装置(18)与第二测角装置(19)均固定在长导轨(20)上，被测试平面反射镜(21)位于长导轨(20)的前方，第一测角装置(18)发出的光线经过第一反射镜(16)反射后入射到被测试平面反射镜(21)上，经被测试平面反射镜(21)反射后由第一测角装置(18)接收；第二测角装置(19)发出的光线经过第二反射镜(17)反射后入射到被测试平面反射镜(21)上，经被测试平面反射镜(21)反射后由第二测角装置(19)接收；所述第一测角装置(18)与第二测角装置(19)均为带有自准光源的哈德曼波前测试仪。

2.根据权利要求1所述的立式大量程高精度光学平面测试装置，其特征在于，所述第一反射镜(16)与第二反射镜(17)均为五棱镜。

3.根据权利要求1所述的立式大量程高精度光学平面测试装置，其特征在于，所述升降支腿(9)的数量为4个，均布在支撑底台(10)的四个边角处。