CN107024284B - 一种实时补偿的大口径准直波前误差检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实时补偿的大口径准直波前误差检测装置，包括光束采样子装置和光束接收子装置，所述光束采样子装置由五棱镜，直线导轨和第二CCD组成，还包括光束补偿子装置，所述光束补偿子装置由激光器、分光棱镜、第一CCD、直角棱镜和第三CCD组成；本发明同时还公开了一种实时补偿的大口径准直波前误差检测方法，该检测方法实现了对待测准直光束在导轨不同振动状态下时的系统误差进行实时补偿的目的，避免了因空气扰动和环境振动对直线导轨的影响而引起的系统误差。同时具有测量方法简单、测量精度高的优点。

Description

一种实时补偿的大口径准直波前误差检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种实时补偿的大口径准直波前误差检测装置。

背景技术

随着大口径光学系统在军事侦查、民用资源普查、天文光学以及空间光学等科研领域都得到了广泛的应用，以及大口径光学元件的加工、制造水平的进步，使大口径光学系统实现了提高分辨率、集光能力、信噪比以及增大视场等技术目标。

针对大口径光学系统的波前检测，目前国内外常用的方法有夏克-哈特曼法、Talbot干涉法、自准直平行光管法以及五棱镜法等。

五棱镜检测法是由崔岩梅等人提出的，利用五棱镜对入射光束折转90度出射的特点，将准直过程中的对准方向由纵向改为横向，使准直精度较自准直法进一步提高，该方法需要将五棱镜放置在平行性很好的直线导轨上移动，CCD采集五棱镜运动到不同位置时的待测准之光的干涉图像。五棱镜法因其检测精度高、所需设备简单而受到广泛关注。但是，在实际测量时，由于空气扰动和环境振动的影响，使得五棱镜在移动时不可避免的产生震动，待测准直光的波前与导轨的相对位置会发生变化，进而引入系统误差，降低测量精度。专利ZL201120352084.7采用单个扫描五棱镜的方法测量大口径准直光光束，利用五棱镜一维转角的不变性，将准直过程中的纵向调焦转化为横向调焦，装置结构简单，成本较低，但是在实际应用中容易受到环境振动和空气扰动的影响，使被测准直波前和导轨之间存在相对位置的变化，引入系统误差，大幅降低了系统测量精度。现有技术（ZL201520149260.5）是一种基于双五棱镜的准直光束检测技术，主要用途是测量波前误差，并对系统误差进行有效的补偿，但是该检测技术不能实时地补偿待测准直光束波前在导轨的各个方向存在振动误差情况下的系统误差。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种可实时补偿的大口径准直波前检测装置，该装置可以实时地补偿待测准直光束在导轨不同振动状态下的系统误差，大幅提高测量精度。

为达到上述目的，本发明提供的一种实时补偿的大口径准直波前误差检测装置，包括光束采样子装置和光束接收子装置，所述光束采样子装置由五棱镜，直线导轨和第二CCD组成，还包括光束补偿子装置，所述光束补偿子装置由激光器、分光棱镜、第一CCD、直角棱镜和第三CCD 组成，所述分光棱镜位于激光器的发射光路上，分光棱镜的分光面与光轴成45度角，直角棱镜的斜面上镀有半透半反膜，直角棱镜的直角面垂直于直线导轨设置，直角面产生反射光束返回分光棱镜，最后由第一CCD接收；另一束光进入直角棱镜并两次反射后平行于原光路出射，被第三CCD接收；

所述直线导轨置于待测准直光束的垂直照射方向的光路中，且待测准直光束的束宽应小于所述直线导轨的长度；

所述直角棱镜和五棱镜固定在底座上，底座可活动地设置于直线导轨上，五棱镜主截面锐角的一边所在面向来光方向，该面成为光束入射面，另一边所在面为光束出射面，二者一起设置于直线导轨上；

所述第二CCD与成像透镜同轴设置于五棱镜的出射光路上，成像透镜位于光束出射面和第二CCD之间，第二CCD位于成像透镜的焦点处。

所述直角棱镜为等腰直角棱镜。

所述第一CCD、第二CCD和第三CCD是面阵CCD。

一种大口径准直波前检测方法，包括下述步骤：

五棱镜沿着直线导轨扫描准直光束束宽的过程中，各个轴上的转动误差会在第二CCD上反映出来，随着转动方向的改变，第二CCD上的光斑在不同的方向发生改变；

随着五棱镜在导轨上转动，直角棱镜也同时发生转动，当直角棱镜发生转动时，激光器发出的光束在第一CCD和第三CCD的光斑位置就会产生变化，两个CCD上的光斑在不同方向的位移就是第二CCD上的光斑在不同方向的位移分量；记第二CCD上的光斑坐标为(X1,Y1), 第一CCD上的光斑坐标为(X2,Y2)，第三CCD上的光斑坐标为(X3,Y3)，则五棱镜运动一次之后再经过补偿得准直光束的光斑坐标为：

，

当五棱镜绕Y轴转动时，第一CCD上的光斑只在垂直方向上变化，则X2=0，因此：

，

第二CCD上经过补偿后的光斑中心与第二CCD中心位置在X方向上的距离为d，第二CCD与成像透镜的距离为f，则准直光束在X方向上的斜率为：tanθ=d/f；

五棱镜沿着直线导轨扫描整个准直光束，可以得到准直光束在X方向的某一条线上各子光束的斜率，经过计算即可得到整个准直光束在该一维方向上的波前分布。

与现有的五棱镜扫描法的检测装置相比，本发明的优点是：

1、本发明将五棱镜与直角棱镜固定在同一个底座上，五棱镜在直线导轨上做直线运动，扫描待测准直光。当发生振动时，随着五棱镜在导轨上绕X、Y、Z轴转动，直角棱镜也同时发生同步转动，误差补偿子装置中的第一CCD和第三CCD分别实时接收五棱镜绕X、Y、Z轴转动而产生光斑偏移。光束采样子装置的第二CCD获得的测量偏离数据，结合误差补偿子装置中各轴上的误差分量，通过一定算法得到准直光束的波前分布，避免了因导轨的制造或装配误差引起的系统误差；上述结构的改变实现了对待测准直光束在导轨不同振动状态下时的系统误差进行实时补偿的目的，避免了因空气扰动和环境振动对直线导轨的影响而引起的系统误差；

2、测量方法简单：该装置无需高精度的大口径光学元件作为标准，相比传统的剪切干涉法和夏克-哈特曼法的检测装置，该装置对被测光学元件的口径没有限制，可以根据实际需求进行调整；

3、测量精度高：该装置相比常规的五棱镜扫描法，增加了误差实时补偿系统，可以实时地对系统误差进行补偿，大幅提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明的大口径准直波前检测装置的示意图；

图2为本发明的五棱镜的示意图，其中：图2（a）为五棱镜在三维方向上的偏转，图2（b）为五棱镜在导轨上的状态图；

图3为本发明的五棱镜和直角棱镜的装配示意图，

图4为五棱镜扫描绕X、Y、Z轴转动时光斑在CCD上的移动情况示意图,其中：图4（a）为绕X轴转动，图4（b）为绕Y轴转动，图4（c）为绕Z轴转动。

图中，1为激光器，2为第一CCD，3为分光棱镜，4为直角棱镜，5为五棱镜，6为直线导轨，7为成像透镜、8为第二CCD,9为第三CCD,10为底座。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

参见图1，一种实时补偿的大口径准直波前误差检测装置，包括光束采样子装置、光束接收子装置和光束补偿子装置。

所说的光束采样子装置由五棱镜5，直线导轨6和第二CCD8组成。

所说的光束补偿子装置由激光器1、分光棱镜3、第一CCD 2、直角棱镜4和第三CCD9组成，所述分光棱镜3位于激光器1的发射光路上，分光棱镜3的分光面与光轴成45度角，直角棱镜4的斜面上镀有半透半反膜，直角棱镜4的直角面垂直于直线导轨设置，直角面产生反射光束返回分光棱镜3，最后由第一CCD2接收；另一束光进入直角棱镜4并两次反射后平行于原光路出射，被第三CCD9接收；所说的直线导轨6置于待测准直光束的垂直照射方向的光路中，且待测准直光束的束宽应小于所述直线导轨6的长度。直角棱镜4和五棱镜5固定在底座10上，五棱镜主截面锐角的一边所在面向来光方向，该面成为光束入射面，另一边所在面为光束出射面，二者一起设置于直线导轨6上。第二CCD8与成像透镜7同轴设置于五棱镜5的出射光路上，成像透镜7位于光束出射面和第二CCD8之间，第二CCD8位于成像透镜7的焦点处。

该实施例中，所说的第一CCD2、第二CCD8和第三CCD9均为面阵CCD。所说的直角棱镜为等腰直角棱镜，主要功能是将入射光束进行180度折返，即平行于原光束出射；其斜面上镀有半透半反膜，使得直角棱镜的透过率和反射率均在50%左右，将入射光束一分为二，其中一束原路返回，另一束进入直角棱镜；

参见图2（a）和图2（b），五棱镜5主截面锐角的一边所在面向来光方向，该面成为光束入射面，入射光束所在方向为Z方向；另一边所在面为光束出射面，出射光束与导轨平行，方向为X方向；与水平面垂直的方向为Y方向。

参见图3，直角棱镜4和五棱镜5固定在同一个底座上，两者主截面平行，直角棱镜4直角面与导轨垂直设置。底座10在直线导轨6上运动时，直角棱镜4和五棱镜5随底座10一起在直线导轨6上运动，直线导轨6的长度方向为X方向，待测准直光束照射方向为Z方向。

五棱镜5的运动状态发生变化时，直角棱镜4就会影响激光器1出射光束的状态。五棱镜5通过在直线导轨6上运动来扫描待测准直光，五棱镜5的出射光经过成像透镜7后被第二CCD8接收。

本发明的工作原理描述如下：五棱镜5在直线导轨6上运动以扫描整个待测准直光束，因此可在第二CCD8上获得整个待测准直光束波前在X方向的分布。五棱镜5将大口径的准直光束分割成多个小口径准直子光束，这些小口径准直自光束经过成像透镜7聚集到第二CCD8上。

五棱镜5在直线导轨6上运动的过程中，由于导轨存在制造、装配等误差，造成导轨不平（沿轴向方向的厚度不一致）引起五棱镜运动过程中的俯仰；导轨不直引起五棱镜偏摆；导轨不均匀（沿径向方向厚度不一致）引起五棱镜在运动过程中的滚转，造成标准正入射平面波的入射方向发生改变，给检测结果带来误差。这些误差分别为绕X轴、绕Y轴和绕Z轴的转动。

当五棱镜5未发生转动时，激光器1发出的光经过分光棱镜3后分成两束光，一束光直接被反射由第一CCD2接收，另一束光经过直角棱镜后反射回来光方向，被第三CCD9接收。

当五棱镜5发生转动时，直角棱镜4也会转动，因此，第一CCD2接收因绕Y轴转动而产生变化的光束，第三CCD9接收因绕Z和X轴转动而产生变化的光束。

五棱镜5的反射次数为2，物像相似，理想五棱镜5的物方和像方坐标对应关系为：

，

参见图4（a）-图4（c），五棱镜5在绕X方向、绕Y方向和绕Z方向的转角分别为α、β、γ，为单位向量。利用小角度近似有：

，

五棱镜5沿着直线导轨4扫描整个准直光束的束宽的过程中，各个轴上的转动误差都会在CCD8上反映出来，随着转动方向的改变，第二CCD8上的光斑也会在不同的方向发生改变，但是，因为第二CCD8与X轴垂直，所以X轴上的转动不会在该CCD上反映出来，只反映Y轴和Z轴转动产生的误差。

随着五棱镜5在导轨上转动，直角棱镜4也同时发生转动。当直角棱镜4发生转动时，激光器1发出的光束在第一CCD2和第三CCD9的光斑位置就会产生变化。两个CCD上的光斑在不同方向位移就是第二CCD8上的光斑在不同方向的位移分量。记CCD8上的光斑坐标为(X1,Y1), 第一CCD2上的光斑坐标为(X2,Y2)，CCD9上的光斑坐标为(X3,Y3)，则五棱镜5运动一次之后准直光束的光斑坐标为：

，

但是，五棱镜5绕Y轴转动时，第一CCD2上的光斑只在垂直方向上变化，则X2=0，因此：

，

该光斑与五棱镜5未运动之前的光斑的距离为d， CCD8与成像透镜7的距离为f，则准直光束在X方向上的斜率为：

tanθ=d/f，

在五棱镜5扫描整个准直光束的过程中，已经实时地补偿了五棱镜绕X、Y、Z轴的误差，因此五棱镜每运动一次与前一个光斑的距离为d，五棱镜5沿着直线导轨6扫描，可以得到准直光束在X方向的某一条直线上各自光束的斜率，其与准直光束在该一维方向上的一阶导数值相当，通过对该导数积分，得到准直光束在该一维方向上的波前分布。

Claims (4)

1.一种实时补偿的大口径准直波前误差检测装置，包括光束采样子装置和光束接收子装置，所述光束采样子装置由五棱镜（5），直线导轨（6）和第二CCD（8）组成，其特征在于：

还包括光束补偿子装置，所述光束补偿子装置由激光器（1）、分光棱镜（3）、第一CCD（2）、直角棱镜（4）和第三CCD （9）组成，所述分光棱镜（3）位于激光器（1）的发射光路上，分光棱镜（3）的分光面与光轴成45度角，直角棱镜（4）的斜面上镀有半透半反膜，直角棱镜（4）的直角面垂直于直线导轨设置，直角面产生反射光束返回分光棱镜（3），最后由第一CCD（2）接收；另一束光进入直角棱镜（4）并两次反射后平行于原光路出射，被第三CCD（9）接收；

所述直线导轨（6）置于待测准直光束的垂直照射方向的光路中，且待测准直光束的束宽应小于所述直线导轨（6）的长度；

所述直角棱镜（4）和五棱镜（5）固定在底座（10）上，底座（10）可活动地设置于直线导轨（6）上，五棱镜（5）主截面锐角的一边所在面向来光方向，该面成为光束入射面，另一边所在面为光束出射面，二者一起设置于直线导轨（6）上；

所述第二CCD（8）与成像透镜（7）同轴设置于五棱镜（5）的出射光路上，成像透镜（7）位于光束出射面和第二CCD（8）之间，第二CCD（8）位于成像透镜（7）的焦点处。

2.如权利要求1所述的实时补偿的大口径准直波前误差检测装置，其特征在于：所述直角棱镜为等腰直角棱镜。

3.如权利要求1或2所述的实时补偿的大口径准直波前误差检测装置，其特征在于：所述第一CCD（2）、第二CCD（8）和第三CCD（9）是面阵CCD。

4.如权利要求1所述的装置提供的一种大口径准直波前检测方法，其特征在于，包括下述步骤：

五棱镜（5）沿着直线导轨（6）扫描准直光束束宽的过程中，各个轴上的转动误差会在第二CCD（8）上反映出来，随着转动方向的改变，第二CCD（8）上的光斑在不同的方向发生改变；

随着五棱镜（5）在导轨上转动，直角棱镜（4）也同时发生转动，当直角棱镜（4）发生转动时，激光器（1）发出的光束在第一CCD（2）和第三CCD（9）的光斑位置就会产生变化，两个CCD上的光斑在不同方向的位移就是第二CCD（8）上的光斑在不同方向的位移分量；

记第二CCD（8）上的光斑坐标为(X1,Y1), 第一CCD（2）上的光斑坐标为(X2,Y2)，第三CCD（9）上的光斑坐标为(X3,Y3)，则五棱镜（5）运动一次之后再经过补偿得准直光束的光斑坐标为：

，

当五棱镜（5）绕Y轴转动时，第一CCD（2）上的光斑只在垂直方向上变化，则X2=0，因此：

，

第二CCD（8）上经过补偿后的光斑中心与第二CCD（8）中心位置在X方向上的距离为d，第二CCD（8）与成像透镜（7）的距离为f，则准直光束在X方向上的斜率为：tanθ=d/f；

五棱镜（5）沿着直线导轨（6）扫描整个准直光束，可以得到准直光束在X方向的某一条线上各子光束的斜率，经过计算即可得到整个准直光束在一维方向上的波前分布。