CN107356411A - 一种大口径光学系统的波前误差检测方法及检测系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种大口径光学系统的波前误差检测方法及检测系统，在获知大口径光学系统的焦距参数的前提下，包括步骤：S100、开启PSM装置的点光源模式，控制机械臂移动PSM装置至大口径光学系统的反射镜的中心轴线上且靠近反射镜的曲率中心位置，使反射镜曲率中心位于PSM装置的视场内，确定反射镜曲率中心的位置；S200、将激光跟踪仪靶球定位于反射镜曲率中心，利用激光跟踪仪与激光跟踪仪靶球确定反射镜曲率中心的三维空间位置信息；S300、根据反射镜的曲率中心的三维空间位置信息移动激光干涉仪至反射镜的待测位置，通过激光干涉仪获取反射镜的波前误差。该方法减小了人工参与程度，提高了检测精度和效率。

Description

一种大口径光学系统的波前误差检测方法及检测系统
技术领域
本发明涉及精密光机装调检测技术领域，特别涉及一种大口径光学系统的波前误差检测方法。还涉及一种基于该波前误差检测方法的检测系统。
背景技术
具有大口径光学反射镜的光学系统往往需要进行系统的波前误差检测和装调，以满足正常的使用需求。
现有的大口径光学系统的波前误差检测多采用人工操作数量较多的检测工装，不仅检测精度优待提高，而且人工检测效率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大口径光学系统的波前误差检测方法，以减少人工参与程度，提高检测精度和效率。
本发明的另一个目的在于提供一种基于该波前误差检测方法的检测系统，以减少人工参与程度，提高检测精度和效率。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种大口径光学系统的波前误差检测方法，在获知大口径光学系统的焦距参数的前提下，包括步骤：
S100、开启PSM装置的点光源模式，控制机械臂移动所述PSM装置至所述大口径光学系统的反射镜的中心轴线上且靠近所述反射镜的曲率中心位置，使所述反射镜的曲率中心位于所述PSM装置的视场内，确定所述反射镜的曲率中心的位置；
S200、将激光跟踪仪靶球定位于所述反射镜的曲率中心，利用激光跟踪仪与所述激光跟踪仪靶球确定所述反射镜的曲率中心的三维空间位置信息；
S300、根据所述反射镜的曲率中心的三维空间位置信息移动激光干涉仪至所述反射镜的待测位置，通过所述激光干涉仪获取所述反射镜的波前误差。
优选地，在上述的波前误差检测方法中，所述步骤S300之后还包括步骤S400，根据所述反射镜的波前误差调整所述反射镜的位置，使所述反射镜的波前误差达到允许范围内。
优选地，在上述的波前误差检测方法中，所述步骤S100中的所述控制机械臂移动所述PSM装置至所述反射镜的中心轴线上且靠近所述反射镜的曲率中心位置，具体为：根据激光测距仪检测的距离信息，控制机械臂移动所述PSM装置至所述反射镜的中心轴线上且靠近所述反射镜的曲率中心位置。
优选地，在上述的波前误差检测方法中，所述步骤S200中的所述将激光跟踪仪靶球定位于所述反射镜的曲率中心具体包括：
S201、利用自准直原理将轴承滚珠的中心调整至所述反射镜的曲率中心，所述轴承滚珠的直径与所述激光跟踪仪靶球的直径相等；
S202、使用激光跟踪仪靶球替换所述轴承滚珠，使所述激光跟踪仪靶球定位于所述反射镜的曲率中心。
优选地，在上述的波前误差检测方法中，所述步骤S300中的根据所述反射镜的曲率中心的三维空间位置信息移动激光干涉仪至所述反射镜的待测位置具体为：根据所述反射镜的曲率中心的三维空间位置信息控制第二机械臂移动激光干涉仪至所述反射镜的待测位置。
优选地，在上述的波前误差检测方法中，对于非球面的反射镜，所述步骤S100中还配合光学补偿器确定非球面的反射镜的曲率中心。
优选地，在上述的波前误差检测方法中，在所述步骤S300中的移动所述激光干涉仪之前，还根据所述反射镜的曲率中心的三维空间位置信息移动光学补偿器至所述反射镜的与所述激光干涉仪相配合检测的位置。
本发明还提供了一种大口径光学系统的波前误差检测系统，包括：
机械臂；
激光测距仪，安装于所述机械臂的夹持端；
PSM装置，安装于所述机械臂的夹持端；
激光跟踪仪，与设置于所述机械臂的夹持端和反射镜上的激光跟踪仪靶球配合完成三维空间位置信息的确定；
第二机械臂；
激光干涉仪，安装于所述第二机械臂的夹持端。
优选地，在上述的波前误差检测系统中，所述机械臂和所述第二机械臂均为六自由度机械臂。
优选地，在上述的波前误差检测系统中，所述激光跟踪仪靶球通过运动学接口定位于所述机械臂上、所述反射镜上和所述反射镜的曲率中心位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的大口径光学系统的波前误差检测方法中，利用机械臂和PSM装置的点光源模式确定反射镜的曲率中心的位置，将激光跟踪仪靶球定位于反射镜的曲率中心，利用激光跟踪仪和激光跟踪仪靶球确定反射镜的曲率中心的三维空间位置信息，根据该三维空间位置信息移动激光干涉仪至反射镜的待测位置，通过激光干涉仪获取反射镜的波前误差。与现有的通过人工操作数量较多的检测工装相比，通过机械臂、PSM装置和激光跟踪仪确定反射镜的曲率中心的空间位置信息，减小了人工参与程度，提高了检测精度和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种大口径光学系统的波前误差检测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种大口径光学系统的波前误差检测方法的步骤S200的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种大口径光学系统的波前误差检测系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供了一种大口径光学系统的波前误差检测方法，减少了人工参与程度，提高了检测精度和效率。
本发明还提供了一种基于该波前误差检测方法的检测系统，减少了人工参与程度，提高了检测精度和效率。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，本发明实施例提供了一种大口径光学系统的波前误差检测方法，在获知大口径光学系统的焦距参数的前提下，包括以下步骤：
步骤S100，开启PSM装置2的点光源模式，控制机械臂1移动PSM装置2至大口径光学系统的反射镜4的中心轴线上且靠近反射镜4的曲率中心位置，使反射镜4的曲率中心位于PSM装置2的视场内，确定反射镜4的曲率中心的位置；其中，PSM装置2(PSM是point sourcemicroscope的缩写)是一种大口径望远镜装调设备，具有体积小的优点，能够产生一束0.2mW能量的6mm直径的准直激光或红色LED光，通过其镜头形成一个接近理想的点光源；大口径光学系统具有一个大口径光学反射镜。通过机械臂1移动PSM装置2，使PSM装置2的点光源确定反射镜4的曲率中心位置。
步骤S200、将激光跟踪仪靶球定位于反射镜4的曲率中心，利用激光跟踪仪6与激光跟踪仪靶球确定反射镜4的曲率中心的三维空间位置信息；其中，激光跟踪仪6是一种精度较高的三维坐标测量系统。激光跟踪仪靶球尺寸一般有两种，分别是0.5英寸与1.5英寸，利用该两种靶球，结合运动学支座，就可以完成诸多大口径光学系统的装调工作。
步骤S300，根据反射镜4的曲率中心的三维空间位置信息移动激光干涉仪(图中未示出)至反射镜4的待测位置，通过激光干涉仪获取反射镜4的波前误差。
该波前误差检测方法与现有的通过人工操作数量较多的检测工装相比，通过机械臂1、PSM装置2和激光跟踪仪6确定反射镜4的曲率中心的空间位置信息，减小了人工参与程度，提高了检测精度和效率。
进一步地，在本实施例中，步骤S300之后还包括步骤S400，根据反射镜4的波前误差调整反射镜4的位置，使反射镜4的波前误差达到允许范围内，完成大口径光学系统的装调。
在本实施例中，步骤S100中的控制机械臂1移动PSM装置2至反射镜4的中心轴线上且靠近反射镜4的曲率中心位置，具体为：根据激光测距仪(图中未示出)检测的距离信息，控制机械臂1移动PSM装置2至反射镜4的中心轴线上且靠近反射镜4的曲率中心位置。激光测距仪的位置与PSM装置2的位置可以在同一个位置，通过激光测距仪检测PSM装置2距离反射镜4的距离，PSM装置2根据该距离信息调整其相对反射镜4的位置，从而提高调整精度。
进一步地，在本实施例中，步骤S200中的将激光跟踪仪靶球定位于反射镜4的曲率中心具体包括以下步骤：
步骤S201，利用自准直原理将轴承滚珠3的中心调整至反射镜4的曲率中心，轴承滚珠3的直径与激光跟踪仪靶球的直径相等；
步骤S202，使用等径的激光跟踪仪靶球替换该轴承滚珠3，使激光跟踪仪靶球定位于反射镜4的曲率中心。
之所以采用轴承滚珠3是因为轴承滚珠3的刚度好，表面质量高，可以胜任PSM装置2反射激光的要求，且成本低，可以先通过轴承滚珠3确定好激光跟踪仪靶球所要定位的位置，再将轴承滚珠3替换为成本较高的激光跟踪仪靶球，避免一开始就使用激光跟踪仪靶球进行位置调整可能带来的损坏，保护激光跟踪仪靶球。
在本实施例中，步骤S300中的根据反射镜4的曲率中心的三维空间位置信息移动激光干涉仪至反射镜4的待测位置具体为：根据反射镜4的曲率中心的三维空间位置信息控制第二机械臂移动激光干涉仪至反射镜4的待测位置。使用第二机械臂夹持激光干涉仪，由于机械臂自身具有操作精度，因此，可以通过机械臂提高激光干涉仪的移动定位精度。第二机械臂与机械臂1可以为同一个机械臂，即在完成PSM装置2的移动调整后，将PSM装置2从机械臂1上拆卸下来，装载上激光干涉仪，继续进行操作。
在本实施例中，对于非球面的反射镜，由于反射光路存在角度偏差的问题，步骤S100中除了使用PSM装置2进行反射镜4的曲率中心位置的确定外，还配合光学补偿器确定非球面的反射镜的曲率中心。
进一步地，对于非球面反射镜的情况，在步骤S300中的移动激光干涉仪之前，还根据反射镜4的曲率中心的三维空间位置信息移动光学补偿器至反射镜4的与激光干涉仪相配合检测的位置，通过光学补偿器完成对反射光路的调整，提高激光干涉仪的检测精度。
基于以上任一实施例所描述的波前误差检测方法，本发明实施例还提供了一种大口径光学系统的波前误差检测系统，其包括机械臂1、激光测距仪、PSM装置2、激光跟踪仪6、第二机械臂和激光干涉仪；其中，机械臂1和第二机械臂可以为同一个机械臂或不同的机械臂，根据实际需要而定；激光测距仪和PSM装置2均安装于机械臂1的夹持端；激光跟踪仪与设置于机械臂1的夹持端、反射镜4上和反射镜4的曲率中心位置的激光跟踪仪靶球5配合完成三维空间位置信息的确定；激光干涉仪安装于第二机械臂的夹持端。
该波前误差检测系统的工作原理和工作过程为：根据激光测距仪检测的距离信息，控制机械臂1移动PSM装置2到反射镜4的曲率中心附近，利用PSM装置2的点光源模式和机械臂1，确定反射镜4的曲率中心的位置；之后，将激光跟踪仪靶球定位在反射镜4的曲率中心的位置，利用激光跟踪仪6和激光跟踪仪靶球确定反射镜4的曲率中心的三维空间位置信息；最后，第二机械臂根据该三维空间位置信息移动其上的激光干涉仪至反射镜4的待测位置，通过激光干涉仪检测反射镜4的波前误差；根据检测的波前误差调整反射镜4的位置，使整个大口径光学系统的波前误差调整至允许范围内，完成系统的装调。
该波前误差检测系统通过机械臂1、PSM装置2和激光测距仪、激光跟踪仪6完成了反射镜4的曲率中心的三维空间位置信息的确定，与现有的通过人工操作检测工作进行检测相比，大大减少了人工参与程度，提高了检测精度和效率。
进一步地，在本实施例中，机械臂1和第二机械臂均为六自由度机械臂，能够在六自由度上控制PSM装置2，进而使PSM装置2可以在除了光轴旋转的自由度之外的五个自由度进行反射镜4的曲率中心位置的检测。检测更加方便，提高了检测效率。
激光跟踪仪靶球5通过运动学接口定位于机械臂1上、反射镜4上和反射镜4的曲率中心位置。运动学接口方便定位和转移激光跟踪仪靶球5的位置。
对于非球面反射镜的检测，波前误差检测系统还包括光学补偿器，以修正反射光路。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种大口径光学系统的波前误差检测方法，其特征在于，在获知大口径光学系统的焦距参数的前提下，包括步骤：
S100、开启PSM装置的点光源模式，控制机械臂移动所述PSM装置至所述大口径光学系统的反射镜的中心轴线上且靠近所述反射镜的曲率中心位置，使所述反射镜的曲率中心位于所述PSM装置的视场内，确定所述反射镜的曲率中心的位置；
S200、将激光跟踪仪靶球定位于所述反射镜的曲率中心，利用激光跟踪仪与所述激光跟踪仪靶球确定所述反射镜的曲率中心的三维空间位置信息；
S300、根据所述反射镜的曲率中心的三维空间位置信息移动激光干涉仪至所述反射镜的待测位置，通过所述激光干涉仪获取所述反射镜的波前误差。
2.根据权利要求1所述的波前误差检测方法，其特征在于，所述步骤S300之后还包括步骤S400，根据所述反射镜的波前误差调整所述反射镜的位置，使所述反射镜的波前误差达到允许范围内。
3.根据权利要求1所述的波前误差检测方法，其特征在于，所述步骤S100中的所述控制机械臂移动所述PSM装置至所述反射镜的中心轴线上且靠近所述反射镜的曲率中心位置，具体为：根据激光测距仪检测的距离信息，控制机械臂移动所述PSM装置至所述反射镜的中心轴线上且靠近所述反射镜的曲率中心位置。
4.根据权利要求1所述的波前误差检测方法，其特征在于，所述步骤S200中的所述将激光跟踪仪靶球定位于所述反射镜的曲率中心具体包括：
S201、利用自准直原理将轴承滚珠的中心调整至所述反射镜的曲率中心，所述轴承滚珠的直径与所述激光跟踪仪靶球的直径相等；
S202、使用激光跟踪仪靶球替换所述轴承滚珠，使所述激光跟踪仪靶球定位于所述反射镜的曲率中心。
5.根据权利要求1所述的波前误差检测方法，其特征在于，所述步骤S300中的根据所述反射镜的曲率中心的三维空间位置信息移动激光干涉仪至所述反射镜的待测位置具体为：根据所述反射镜的曲率中心的三维空间位置信息控制第二机械臂移动激光干涉仪至所述反射镜的待测位置。
6.根据权利要求1所述的波前误差检测方法，其特征在于，对于非球面的反射镜，所述步骤S100中还配合光学补偿器确定非球面的反射镜的曲率中心。
7.根据权利要求6所述的波前误差检测方法，其特征在于，在所述步骤S300中的移动所述激光干涉仪之前，还根据所述反射镜的曲率中心的三维空间位置信息移动光学补偿器至所述反射镜的与所述激光干涉仪相配合检测的位置。
8.一种大口径光学系统的波前误差检测系统，其特征在于，包括：
机械臂；
激光测距仪，安装于所述机械臂的夹持端；
PSM装置，安装于所述机械臂的夹持端；
激光跟踪仪，与设置于所述机械臂的夹持端和反射镜上的激光跟踪仪靶球配合完成三维空间位置信息的确定；
第二机械臂；
激光干涉仪，安装于所述第二机械臂的夹持端。
9.根据权利要求8所述的波前误差检测系统，其特征在于，所述机械臂和所述第二机械臂均为六自由度机械臂。
10.根据权利要求8所述的波前误差检测系统，其特征在于，所述激光跟踪仪靶球通过运动学接口定位于所述机械臂上、所述反射镜上和所述反射镜的曲率中心位置。
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