CN105301795A - 一种高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法，包括以下步骤：步骤一：以点光源、双缝连线的中心点、0级干涉条纹中心点三点为一条基准直线来调整设备的光轴的理论位置；步骤二：将待装调光学元件放置在靠近双缝位置的装调台上，调整装调台的高度和水平位置，使得双缝出射后的光线可穿过将待装调光学元件的光学孔径；步骤三：以图像接收系统接收经过待装调光学元件后，在像面处所形成的干涉条纹；步骤四：装调补偿参数，直至0级干涉条纹恢复到中心位置。本发明是一种高精度的光学系统装调技术，对于光学元件偏心的敏感度达到10^-8°量级以上，对于光学元件的平移偏差敏感度达到λ/10以上。

Description

一种高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法

技术领域

本发明涉及光学元件和光学系统的超高精度波前检测及计算机辅助装调领域，特别涉及一种高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法。

背景技术

光学系统的装调就是通过对光学系统成像质量的实时检测，得到整个光学系统的波像差，通过CCD图像采集、计算机软件等辅助工具对所得到的波像差进行分析并优化，给出各个光学元件明确的最优调整方向和具体的量值，然后根据给出的量值，运用各种装配和调整工具使得光学元件达到其实际最佳位置，从而使得光学系统中各个元件的相对位置可以接近于理论设计值，进而使得光学系统的真实成像质量更加完美的过程。光学系统的装调过程是光学系统设计的实现过程，涵盖了对光学材料均匀性、折射率等的控制，光学元件面形、几何尺寸的检测，装调过程空间位置的控制及装调后系统性能的检测多个环节。光学系统装调技术正向智能化、超高精度的方向发展，以期让光学设计者在系统设计时尽量减小为光学装调预留的公差范围，从而可以更加充分的发挥光学系统的性能。

从上世纪80年代ITEK公司提出了利用了计算机等辅助工具实现光学系统装调的设想。从那以后，伴随着光学波前检测技术的不断进步以及光学系统结构的逐渐复杂化，国内外大量的研究人员都在致力于对光学系统装调技术的研究，并推进着这项技术不断发展。

时至今日，光学系统的装调技术已经作为一种重要的核心技术普遍的应用于各种高精度的光学系统的研制中。例如：国际上美国的亚利桑那州立大学的Hobby-Eberly望远镜；南非大型望远系统；Ball公司的Quick-Bird离轴三反射镜光学系统；日本Nikon公司的离轴三反射镜光学刻录系统；俄罗斯圣彼得堡光机所的投影光刻物镜；韩国StandardsandScience研究所和YONSEI大学的R-C望远系统、CASSEGRAIN系统和KORSCH望远镜以及法国以色列等国的空间望远镜计划都开展了关于光学系统装调技术的研究。其中美国、日本等国已经将该技术成功应用于国防以及商业等领域，并取得了不错的效果。

与国外相比，国内的计算机辅助装调技术还处于起步阶段，水平较低，但由于国内对于高分辨率的地基、空基望远镜以及光刻机等高水平光学系统的巨大需求，国内相关人员也对此进行了很多努力，装调的理论和技术水平成快速发展的上升之势。例如：中国科学院长春光机所的韩昌元等对计算机辅助装调技术的优化方法、公差等方面的研究；朱时雨等对计算机辅助装调与传统基准传递技术相结合的方法的研究；刘志祥等对软件实现等方面的研究；中国科学院西安光机所的樊学武等对与装调相关的矢量波像差理论等方面的研究；陈钦芳等对离轴非球面反射镜补偿检验等方面的研究；北京理工大学的张庭成等对反射变焦系统的计算机辅助装调等方面的研究；以及中国科学院光电技术研究所等单位的研究人员做的各项相关的研究。但总的来说，国内对于计算机辅助装调领域的涉足尚浅，相关研究的起步也比较晚，并且开展相关研究的机构数量也不多，多数是研究所以及高校等机构，针对利用计算机等辅助设备进行装调的技术开展研究的企业几乎没有。

目前所采用的工业装调方法可以称之为细光束准直法，方法简单介绍如下：首先固定第一片透镜，然后用细光束从透镜的轴心穿过，此时会在接受屏上留下光斑，然后在接入第二片透镜，使得由第一片透镜出射的光束经过第二片透镜的轴心，然后留意观察接受屏的光板位置变化，据此来判断两片光学透镜的同轴情况，以此类推知道完成整个系统的装调，即可根据最后的光斑得到装调结果和波前偏差。然而，这种方法的明显缺点就是，当光学元件的某一面曲率过大(甚至于趋近于无穷大，或者为平行平板时)，由于细光束很细，那么此时细光束准直法失效，无法有效的检测出系统的同轴性。另外，当光学元件的口径过大时，细光束准直法虽然不存在NA匹配的问题，但此刻依然无法完成装调，其失效原理与前述相似，即口径变大，元件的某一曲率半径变大，装调法不适用于这种情况。并且传统的光学系统装调方法很大程度上依赖的是装调人员的经验，这就决定了传统装调方法不可视、不定量、随机、装配周期长等缺点。随着现代光学领域对光学系统的装调精度越来越高的要求，传统的装调法己无法满足现代高精度光学系统的要求了。为了适应空间光学以及国防、科技的发展，可视化、可定量化的高精度光学系统装调的计算机等设备的辅助装调技术成为趋势。对于光学元件数量较少、成像质量要求高且有特殊要求的光学系统而言，釆用计算机等工具辅助的装调技术可以定量的、有目的性地指导光学系统装调，有效提高光学系统的像质，但计算机辅助装调技术不仅需要有专门的辅助仪器，还要对光学检测结果进行深入仔细的分析，需要装调人员对光学系统的像差理论知识需要有较深刻的理解，当用于光学元件数量较多的光学系统时，装调过程十分复杂，缺点显著。

近年来，各式各样的光学系统越来越多的用于各种领域，用以完成各种不同的任务。随着各方面科学技术的进步，各领域对光学系统的性能要求也是越来越高。在光学设计方面，非球面、自由曲面、二元光学面等现代光学技术的发展和成熟，给予光学设计者极大的便利，使得他们可以针对任务指标，更容易的设计出性能优良的光学系统。但与此同时，由于加工、检测、装调等技术的限制，使得好的方案无法完美的得以实现，超高精度的光学系统装调技术成为限制光学和光学工程领域的瓶颈。

发明内容

本发明为了突破装调技术对于光学和光学工程领域限制这一瓶颈，解决现有装调手段过程复杂、普适度低、精度不足等问题，提供一种以杨氏双缝干涉模型为基础，结合物理光学体系中透镜的位相调制和傅立叶变换性质研发得到的超高精度波前检测技术及超高精度计算机辅助装调技术，适用于空间相机等星载光学系统以及光刻机等超精密光学仪器的高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法，包括以下步骤：

步骤一：以点光源、双缝连线的中心点、0级干涉条纹中心点三点为一条基准直线来调整设备的光轴的理论位置；

步骤二：将待装调光学元件放置在靠近双缝位置的装调台上，调整装调台的高度和水平位置，使得双缝出射后的光线可穿过将待装调光学元件的光学孔径；

步骤三：以图像接收系统接收经过待装调光学元件后，在像面处所形成的干涉条纹；

步骤四：装调补偿参数，直至0级干涉条纹恢复到中心位置。

在上述技术方案中，所述图像接收系统包括：CCD接收器和调整架。

在上述技术方案中，所述步骤四包括：以信号处理系统对图像接收系统接收的干涉条纹进行分析处理，然后根据分析结果装调补偿参数，直至0级干涉条纹恢复到中心位置。

在上述技术方案中，所述信号处理系统包括：数据线和PC机。

本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明是一种高精度的光学系统装调技术，对于光学元件偏心的敏感度达到10^-8°量级以上，对于光学元件的平移偏差敏感度达到λ/10以上。

(2)本发明基于简单的几何光学和物理光学原理，简单实用，易于完成，对操作人员要求低，易于实现工程化。

(3)相较于目前现有的装调方法而言，普适性更好，不仅适用于小数值孔径的光学系统，更适用于大数值孔径的光学系统装调。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明所述的装调方法，装调系统的示意图(未加入待装调系统)；

图2为本发明所述的装调方法，装调系统的示意图(加入待装调系统)；

图3为本发明所述的装调方法，没加入光学元件时干涉条纹的效果图；

图4为本发明所述的装调方法，PC显示的效果图；

图5为本分明所述的装调方法，光学元件偏心示意图；

图6为本发明所述的装调方法，光学元件产生偏心时干涉条纹的效果图；

图7为本发明所述的装调方法，元件偏心时PC显示的效果图；

图8为本发明所述的装调方法，光学元件平移示意图；

图9为本发明所述的装调方法，光学元件产生平移时干涉条纹的效果图；

图10为本发明所述的装调方法，元件平移时PC显示的效果图。

具体实施方式

本发明的一种高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法，包括以下步骤：

步骤一：以点光源、双缝连线的中心点、0级干涉条纹中心点三点为一条基准直线来调整设备的光轴的理论位置；

步骤二：将待装调光学元件放置在靠近双缝位置的装调台上，调整装调台的高度和水平位置，使得双缝出射后的光线可穿过将待装调光学元件的光学孔径；

步骤三：以图像接收系统接收经过待装调光学元件后，在像面处所形成的干涉条纹；

步骤四：装调补偿参数，直至0级干涉条纹恢复到中心位置。

本发明的发明原理为：由于干涉面为理论的像面位置，将不再产生干涉纹，此时将在CCD上出现双缝的像。根据双缝像的观测结果装调补偿参数，直至最佳成像质量。

本发明还包括以下几点：

装调系统的光轴的标定方法。将杨氏双缝干涉实验模型创新性的应用于光学系统装调设备，利用杨氏双缝实验的高度对称性，以点光源、双缝连线的中心点、干涉条纹0级条纹中心点三点为一条基准直线来调整设备X方向和Y方向的光轴。

待装调光学系统光轴的偏差测量方法。当整个待装调光学系统装调完成后，观察干涉条纹，继续以点光源、双缝连线的中心点、干涉条纹0级条纹中心点三点为一条基准直线来确定此刻X方向和Y方向的光轴。确认完毕后，与(1)中的光轴数据进行对比，可以得到一个偏移量，这个偏移量即为待装调系统光轴的真值与理论值的偏差。

待装调光学系统中元件的偏移量测量方法。杨氏双缝干涉会产生清晰的干涉条纹，当待装调光学系统中元件的真实位置相对光轴产生偏移时，其偏移量的大小会非常敏感的反映在干涉条纹的移动上，据此可以测量待装调光学系统中元件的偏移量。利用MATLAB软件模拟得到本发明的偏移量测量精度在1微米以上。

待装调光学系统中元件的偏心量测量方法。杨氏双缝干涉会产生清晰的干涉条纹，当待装调光学系统中元件的真实位置相对光轴产生偏心时，其偏心量的大小会非常敏感的反映在干涉条纹的移动上，据此可以测量待装调光学系统中元件的偏移量。利用MATLAB软件模拟得到本发明的偏移量测量精度在1角秒以上。

待装调光学系统装调质量的评价方法。构建评价函数其中X₀为干涉条纹的0级主极大的坐标；X_0-i，X_0+i为关于0级条纹对称的条纹的坐标，具体值为CCD所采集到图像中像素的坐标；和为干涉条纹的灰度值。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

结合图1(不含待装调系统)与图2(含待装调系统，图中9即为待装调系统)说明系统包括的主要结构。系统主要包括四个部分，第一部分是干涉发生系统，主要用来产生装调需要的干涉条纹；第二部分是装调台，主要用来夹持待装调光学系统；第三部分是图像接收系统，主要用来在接受干涉条纹的强度分布；第四部分是信号处理系统，主要用来显示干涉条纹的强度分布，然后做一些必要的数据计算等工作。整套系统需要调整光路，为避免外界光源对系统的影响，整套系统应置于弱光环境下。干涉发生系统主要由光源1和双缝2组成，光源1是白光光源，发出球面波照射在合适位置和大小的双缝2上，由双缝2出射后产生白光干涉条纹。装调台3用来放置待装调光学元件9，可以调整高度和水平位置，使得双缝2出射后的光线可以刚好穿过待装调系统的光学孔径，完成装调。图像接收系统是一个可输出的CCD接收器5和调整架6组成，用来接收经过待装调系统后，在像面4处所形成的干涉条纹，调整架6可以全方位调整CCD的六维姿态，方便接受图像。信号处理系统主要由数据线8和PC机7组成。CCD接收器5接收的干涉条纹强度分布，通过数据线8传输到PC机7，PC机预装CCD的驱动软件和开发包，能够显示出其接受到的图像的具体情况，方便装调人员观察已完成装调工作。

结合图1和图2说明本发明系统标定光轴的方法。开始装调前，需要对系统的光轴进行标定，利用双缝干涉的高度对称性，当CCD接收器接收到的图像如图2时，可以认定点光源1、双缝2的中心和像面4所现实的y＝0条纹的中心位置即为光轴，完成标定。

结合图1、图4、图5和图6说明本发明系统装调的方法。在标定了系统光轴后，在装调台上放入第一片光学元件，观察PC机所显示的干涉条纹，如果干涉条纹效果如图6所示，则说明此光学元件产生了如图5所示的偏移，因此开始调整光学元件，直至y＝0级条纹恢复到中心位置为止，此时计算机显示效果如图4。以此类推，完成装调即可。

结合图1、图7、图8和图9说明本发明系统装调的方法。在标定了系统光轴后，在装调台上放入第一片光学元件，观察PC机所显示的干涉条纹，如果干涉条纹效果如图9所示，则说明此光学元件产生了如图7所示的偏心，因此开始调整光学元件，直至y＝0级条纹恢复到中心位置为止，此时计算机显示效果如图3。以此类推，完成装调即可。

本发明利用双缝干涉的高度对称性为理论基础，实现了对同轴光学系统的高精度装调，本发明方法对偏移的敏感度达到1微米以上，对偏心的敏感度达到1角秒以上，精度甚高，且操作简单，具有很大的实用价值和工程意义。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：以点光源、双缝连线的中心点、0级干涉条纹中心点三点为一条基准直线来调整设备的光轴的理论位置；

步骤二：将待装调光学元件放置在靠近双缝位置的装调台上，调整装调台的高度和水平位置，使得双缝出射后的光线可穿过将待装调光学元件的光学孔径；

步骤三：以图像接收系统接收经过待装调光学元件后，在像面处所形成的干涉条纹；

步骤四：装调补偿参数，直至0级干涉条纹恢复到中心位置。

2.根据权利要求1所述的高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法，其特征在于，所述图像接收系统包括：CCD接收器和调整架。

3.根据权利要求1所述的高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法，其特征在于，所述步骤四包括：以信号处理系统对图像接收系统接收的干涉条纹进行分析处理，然后根据分析结果装调补偿参数，直至0级干涉条纹恢复到中心位置。

4.根据权利要求3所述的高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法，其特征在于，所述信号处理系统包括：数据线和PC机。