CN107966279A - 一种望远镜系统多视场波前测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种望远镜系统多视场波前测量装置及方法。该装置系统包括激光器、激光准直镜、分光板、哈特曼波前测量仪、数据处理上位机、五维调节平台、电动旋转台、双轴倾斜平台和标准平面反射镜，该装置根据望远镜系统的工作波长选取激光器的工作波长，通过哈特曼波前测量仪测量加入被测望远镜系统前、后的波前计算得到被测望远镜系统的中心视场波前和外视场波前，可通过加入缩束镜扩大了哈特曼测量口径范围，从而实现了一套装置便可测量望远镜系统多视场的波前，并且本发明测量精度较高、适用范围广、测量过程简便。

Description

一种望远镜系统多视场波前测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，涉及一种望远镜系统多视场波前测量装置及方法。

背景技术

望远镜系统在装调过程中常常采用激光干涉仪测量其波前，然而激光干涉仪一般工作波长为632.8nm，而不是望远镜的工作波长，并且仅测量其中心视场的波前，所以在装配结束后还需进一步测量望远镜系统在其工作波长条件下多视场的波前。哈特曼波前测量仪具有测量系统简单、在线实时测量、测量动态范围大、对测量光束无线宽、相干性及偏振性等特殊要求的特点。在光学元件面形检测、自适应光学、光学系统的波前测量等领域具有广泛的应用。

在实际应用中，哈特曼波前测量仪在测量望远镜系统波前时，设备架设及调试比较复杂，并且测量装置一般仅测量望远镜系统的中心视场的波前，而望远镜系统的外视场的波前也是一项重要的性能指标。哈特曼波前测量仪感光面尺寸一般有限，对于出瞳口径大于其感光尺寸的被测望远镜系统无法准确测量波前。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题,本发明给出了一种望远镜系统多视场波前测量装置及方法，其通过一套装置便可精确测量望远镜系统中心视场的波前和外视场的波前，并且测量过程简便。

本发明基于以下技术方案实现：

一种望远镜系统多视场波前测量装置，包括激光器1、激光准直镜2、分光板3、哈特曼波前测量仪4、数据处理上位机5、五维调节平台6、电动旋转台7、双轴倾斜平台8以及标准平面反射镜9；

激光器1发出激光光束通过激光准直镜2后产生平面波光束，平面波光束45°入射分光板3后形成相互垂直的一路透射光和一路反射光；

所述透射光的光路上依次设五维调节平台6和标准平面反射镜9；被测望远镜系统10安装在五维调节平台6上；标准平面反射镜9的下方安装双轴倾斜平台8；所述电动旋转台7安装在被测望远镜系统10和五维调节平台6之间或者安装在标准平面反射镜9于双轴倾斜平台8之间；

所述透射光经标准平面反射镜9反射后按原路返回，按原路返回的光再次经分光板3反射后的光路上设置哈特曼波前测量仪4；所述哈特曼波前测量仪4与数据处理上位机5电连接；其中，激光器1发出激光光束的波长为被测望远镜系统10的工作波长。

进一步地，为了以扩大哈特曼波前测量仪4测量口径的范围，从而解决了哈特曼波测量仪4感光面尺寸有限，对于出瞳口径大于其感光尺寸的被测望远镜系统无法准确测量波前的问题，上述测量装置中分光板3与被测望远镜系统10之间或者分光板3与哈特曼波前测量仪4之间安装缩束镜11。

进一步地，当测量视场角度不大时，为了进一步提高视场角度的精度，所述标准平面反射镜9的一侧或者是被测望远镜系统10一侧安装激光自准直仪。

进一步地，上述激光器1为可调谐宽波段光纤激光器；

进一步地，上述激光准直镜2为光纤激光准直镜；

进一步地，上述分光板3上设置有反射膜和增透膜，并且反射膜和增透膜均为宽光谱段的膜系，使得不同的工作波长具有较均匀的反射率与透射率；另外一种方式，所述分光板可采用分光镜进行替换；

基于上述望远镜系统多视场波前测量装置的结构描述，现对该装置的测量方法进行介绍：

1)测量未安装被测望远镜系统10时，测量系统本体的波前

1.1)激光器1发射出与被测望远镜系统10的工作波长相同的激光，通过激光准直镜2后形成平面波光束；

1.2)平面波光束经过分光板3后，透射光在标准平面反射镜9的作用下原路返回，再次经过分光板3反射后垂直入射至哈特曼波前测量仪4的感光面；

其中，标准平面反射镜9的俯仰角和倾斜角通过双轴倾斜平台8进行调节，使得哈特曼波前测量仪4测得光束的俯仰、倾斜均为零；

1.3)通过数据处理上位机5设置哈特曼波前测量仪4曝光时间使哈特曼波前测量仪感光面上的光强为探测器饱和光强95％～99％之间，设置采样20次后求取平均值，从而获得测量系统本体的波前；

1.4)通过数据处理上位机5将测量的测量系统本体的波前数据保存，记为W_system；

2)测量被测望远镜系统10中心视场的波前记为W_{Field_0}；

2.1)在五维调节平台6上安装被测望远镜系统10，激光器1发射出与被测望远镜系统10的工作波长相同的激光，通过激光准直镜2后形成平面波光束；

2.2)平面波光束经过分光板3后，粗调五维调节平台6使得透射光通过被测望远镜系统10后，垂直入射标准平面反射镜9后按原路返回至分光板3，再经分光板3反射至哈特曼波前测量仪4的感光面；

2.3)通过五维调节平台6精细调节被测望远镜系统10的俯仰、倾斜、方位及高低使得哈特曼波前测量仪4测得射入的光束的俯仰、倾斜为零，并且光束在哈特曼波前测量仪4的感光面中心；

2.4)通过数据处理上位机5设置哈特曼波前测量仪4曝光时间使哈特曼波前测量仪感光面上的光强为探测器饱和光强95％～99％之间的范围，设置采样20次后求取平均值，从而获得加入被测望远镜系统10后，并在其零视场条件下测量系统的波前，记为W₀；

2.5)由数据处理上位机5根据下式计算被测望远镜系统10中心视场的波前W_{Field_0}；

3)测量被测望远镜系统10外视场的波前W_{Field_θ}；

3.1)调节电动旋转台7使得标准平面反射镜9旋转的角度θ与被测望远镜系统10所需测量的视场角相等；

3.2)通过五维调节平台6精细调节被测望远镜系统10的俯仰、倾斜、方位和高低使得哈特曼波前测量仪4测得射入光束的俯仰、倾斜为零，并且该光束在哈特曼波前测量仪4感光面中心；

3.3)通过数据处理上位机5设置哈特曼波前测量仪4曝光时间使哈特曼波前测量仪感光面上的光强为探测器饱和光强95％～99％之间的范围，设置采样20次后求取平均值，测得加入被测望远镜系统10，并在其外视场为θ条件下测量系统的波前，记为W_θ；

3.4)由数据处理上位机5根据下式计算被测望远镜系统10外视场的波前W_{Field_θ}；

本发明的有益效果是：

1、本发明采用的基于哈特曼波前测量仪建立的测量装置，实现了望远镜系统中心视场的波前和外视场的波前的一站式测量，不仅方便快捷，并且测量精度高，此外还可用于望远镜系统工作波长下的辅助装调。

2、本发明的测量装置在分光板与被测望远镜系统之间或者分光板与哈特曼波前测量仪之间安装缩束镜，扩大了哈特曼波前测量仪测量口径的范围，从而解决了哈特曼波测量仪感光面尺寸有限，对于出瞳口径大于其感光尺寸的被测望远镜系统无法准确测量波前的问题。

3、本发明安装激光自准直仪，当测量视场角度不大时，可以进一步提高视场角度的精度。

附图说明

图1为本发明的测试步骤一示意图。

图2为本发明的测试步骤二示意图。

图3为本发明的测试步骤三示意图。

图4为本发明的测量装置中加入缩束镜后的步骤一示意图，缩束镜放置位置为图中A或B位置处。

图5为本发明的测量装置中加入缩束镜后的步骤二示意图，缩束镜放置位置为图中A或B位置处。

图6为本发明的测量装置中加入缩束镜和激光自准直仪后的步骤三示意图，缩束镜放置于图中A或B位置处，激光自准直仪放置于图中C位置处。

附图标记如下：

1-激光器、2-激光准直镜、3-分光板、4-哈特曼波前测量仪、5-数据处理上位机、6-五维调节平台、7-电动旋转台、8-双轴倾斜平台、9-标准平面反射镜、10-被测望远镜系统、11-缩束镜、12-激光自准直仪。

具体实施方式

如图1所示，本发明测量装置的结构是：包括激光器1、激光准直镜2、分光板3、哈特曼波前测量仪4、数据处理上位机5、五维调节平台6、电动旋转台7、双轴倾斜平台8、标准平面反射镜9、缩束镜11以及激光自准直仪；本实施例中激光器选择可调谐宽波段光纤激光器，相应的激光准直镜选用光纤准直镜；并且分光板上设置有反射膜和增透膜，并且反射膜和增透膜均为宽光谱段的膜系，使得不同的工作波长具有较均匀的反射率与透射率。

激光器1发出激光光束通过激光准直镜2后产生平面波光束，平面波光束通过分光板3后形成一路透射光和一路反射光；

所述透射光经标准平面反射镜9反射后按原路返回，按原路返回的光再次经分光板3反射后的光路上设置哈特曼波前测量仪4；所述哈特曼波前测量仪4与数据处理上位机5电连接；其中，激光器1发出激光光束的波长为被测望远镜系统10的工作波长。

反射光的光路上设置哈特曼波前测量仪4；哈特曼波前测量仪4与数据处理上位机5电连接；

其中，为了以扩大哈特曼波前测量仪测量口径的范围，从而解决了哈特曼波测量仪感光面尺寸有限，对于出瞳口径大于其感光尺寸的被测望远镜系统无法准确测量波前的问题，上述测量装置中分光板3与被测望远镜系统10之间或者分光板3与哈特曼波前测量仪4之间安装缩束镜11。

当测量视场角度不大时，为了进一步提高视场角度的精度，所述标准平面反射镜9的一侧或者是被测望远镜系统10一侧安装激光自准直仪12。

下面将结合附图1、2及3更详细地说明本发明测量装置典型性的测量方法：

如图1所示，为本发明的步骤一的装置示意图，按照以下步骤进行测量。

步骤一：测量未安装被测望远镜系统时，测量系统本体的波前；

步骤1.1：根据被测望远镜系统的工作波长选择光纤激光器，并通过光纤跳线接入光纤激光准直器，以获取较为理想的平面波光束；

步骤1.2：通过双轴倾斜平台调节标准平面反射镜的俯仰和倾斜，使得哈特曼波前测量仪测得光束的俯仰、倾斜均为零；

步骤1.3：通过数据处理上位机5设置哈特曼波前测量仪4曝光时间使感光面上的光强为探测器饱和光强95％～99％之间的范围，设置采样20次后求取平均；

步骤1.4：通过数据处理上位机5将测量的测量系统本体的波前数据保存，记为W_system；

如图2所示，为本发明的步骤二的装置示意图，按照以下步骤进行测量，其步骤二是在完成步骤一的基础上进行的：

步骤二：测量被测望远镜系统中心视场的波前记为W_{Field_0}；

步骤2.1：在分光板3与标准平面反射镜9之间加入被测望远镜系统10，粗调使得光束通过被测望远镜系统后再经标准平面镜反射可原路返回至分光板3，再经分光板3的反射后至哈特曼波前测量仪4的感光面；

步骤2.2：通过五维调节平台6精细调节被测望远镜系统10的俯仰、倾斜、方位及高低使得哈特曼波前测量仪4测得射入的光束的俯仰、倾斜为零，并且光束在哈特曼波前测量仪4的感光面中心；

步骤2.3：通过数据处理上位机5设置哈特曼波前测量仪4曝光时间使哈特曼波前测量仪感光面上的光强为探测器饱和光强95％～99％之间的范围，设置采样20次后求取平均，从而获得加入被测望远镜系统10后，并在其零视场条件下测量系统的波前，记为W₀；

步骤2.4：由数据处理上位机5根据下式计算被测望远镜系统10中心视场的波前W_{Field_0}；

如图3所示，为本发明的步骤三的装置示意图，按照以下步骤进行测量，其步骤二是在完成步骤一的基础上进行的：

步骤三：测量被测望远镜系统外视场的波前W_{Field_θ}；

步骤3.1：调节电动旋转台7使得标准平面反射镜9旋转的角度θ与被测望远镜系统10所需测量的视场角相等；；

步骤3.2：通过五维调节平台6精细调节被测望远镜系统10的俯仰、倾斜、方位和高低使得哈特曼波前测量仪4测得射入光束的俯仰、倾斜为零，并且该光束在哈特曼波前测量仪4感光面中心；

步骤3.3：通过数据处理上位机5设置哈特曼波前测量仪4曝光时间使哈特曼波前测量仪感光面上的光强为探测器饱和光强95％～99％之间的范围，设置采样20次后求取平均值，测得加入被测望远镜系统10，并在其外视场为θ条件下测量系统的波前，记为W_θ；

步骤3.4：由数据处理上位机5根据下式计算被测望远镜系统10中心视场的波前W_{Field_θ}；

以上所述，仅为本发明典型的具体的实施方案，如图4、5、6中所示，加入缩束镜及激光自准直仪后(图中A、B两点用于安装缩束镜11，C用来安装激光自准直仪12)，测量装置同样可采上述实施方案实现本发明目的。此外此测量装置中哈特曼波前测量仪与激光器及准直镜的位置可以互换，同样通过上述实施方式实现本发明目的。

Claims (7)

1.一种望远镜系统多视场波前测量装置，其特征在于：包括激光器(1)、激光准直镜(2)、分光板(3)、哈特曼波前测量仪(4)、数据处理上位机(5)、五维调节平台(6)、电动旋转台(7)、双轴倾斜平台(8)以及标准平面反射镜(9)；

激光器(1)发出激光光束通过激光准直镜(2)后产生平面波光束，平面波光束45°入射分光板(3)后形成相互垂直的一路透射光和一路反射光；

所述透射光的光路上依次设五维调节平台(6)和标准平面反射镜(9)；被测望远镜系统(10)安装在五维调节平台(6)上；标准平面反射镜(9)的下方安装双轴倾斜平台(8)；所述电动旋转台(7)安装在被测望远镜系统(10)和五维调节平台(6)之间或者安装在标准平面反射镜(9)于双轴倾斜平台(8)之间；

所述透射光经标准平面反射镜(9)反射后按原路返回，按原路返回的光再次经分光板(3)反射后的光路上设置哈特曼波前测量仪(4)；所述哈特曼波前测量仪(4)与数据处理上位机(5)电连接；

其中，激光器(1)发出激光光束的波长为被测望远镜系统(10)的工作波长。

2.根据权利要求1所述的望远镜系统多视场波前测量装置，其特征在于：所述测量装置中分光板(3)与被测望远镜系统(10)之间或者分光板(3)与哈特曼波前测量仪(4)之间安装缩束镜(11)。

3.根据权利要求1或2所述的望远镜系统多视场波前测量装置，其特征在于：所述标准平面反射镜(9)的一侧或者是被测望远镜系统(10)一侧安装激光自准直仪(12)。

4.根据权利要求1所述的望远镜系统多视场波前测量装置，其特征在于：所述激光器(1)为可调谐宽波段光纤激光器。

5.根据权利要求1所述的望远镜系统多视场波前测量装置，其特征在于：所述激光准直镜(2)为光纤激光准直镜。

6.根据权利要求1所述的望远镜系统多视场波前测量装置，其特征在于：所述分光板(3)上设置有反射膜和增透膜，并且反射膜和增透膜均为宽光谱段的膜系。

7.基于权利要求1-6任一权利要求所述的望远镜系统多视场波前测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)测量未安装被测望远镜系统(10)时，测量系统本体的波前

1.1)激光器(1)发射出与被测望远镜系统(10)的工作波长相同的激光，通过激光准直镜(2)后形成平面波光束；

1.2)平面波光束经过分光板(3)后，透射光在标准平面反射镜(9)的作用下原路返回，再次经过分光板(3)反射后垂直入射至哈特曼波前测量仪(4)的感光面；

其中，标准平面反射镜(9)的俯仰角和倾斜角通过双轴倾斜平台(8)进行调节，使得哈特曼波前测量仪(4)测得光束的俯仰、倾斜均为零；

1.3)通过数据处理上位机(5)设置哈特曼波前测量仪(4)曝光时间使哈特曼波前测量仪感光面上的光强为探测器饱和光强95％～99％之间，设置采样20次后求取平均值，从而获得测量系统本体的波前；

1.4)通过数据处理上位机(5)将测量的测量系统本体的波前数据保存，记为W_system；

2)测量被测望远镜系统(10)中心视场的波前记为W_{Field_0}；

2.1)在五维调节平台(6)上安装被测望远镜系统(10)，激光器(1)发射出与被测望远镜系统(10)的工作波长相同的激光，通过激光准直镜(2)后形成平面波光束；

2.2)平面波光束经过分光板(3)后，粗调五维调节平台(6)使得透射光通过被测望远镜系统(10)后，垂直入射标准平面反射镜(9)后按原路返回至分光板(3)，再经分光板(3)反射至哈特曼波前测量仪(4)的感光面；

2.3)通过五维调节平台(6)精细调节被测望远镜系统(10)的俯仰、倾斜、方位及高低使得哈特曼波前测量仪(4)测得射入的光束的俯仰、倾斜为零，并且光束在哈特曼波前测量仪(4)的感光面中心；

2.4)通过数据处理上位机(5)设置哈特曼波前测量仪(4)曝光时间使哈特曼波前测量仪感光面上的光强为探测器饱和光强95％～99％之间的范围，设置采样20次后求取平均值，从而获得加入被测望远镜系统(10)后，并在其零视场条件下测量系统的波前，记为W₀；

2.5)由数据处理上位机(5)根据下式计算被测望远镜系统(10)中心视场的波前W_{Field_0}；

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3)测量被测望远镜系统(10)外视场的波前W_{Field_θ}；

3.1)调节电动旋转台(7)使得标准平面反射镜(9)旋转的角度θ与被测望远镜系统(10)所需测量的视场角相等；

3.2)通过五维调节平台(6)精细调节被测望远镜系统(10)的俯仰、倾斜、方位和高低使得哈特曼波前测量仪(4)测得射入光束的俯仰、倾斜为零，并且该光束在哈特曼波前测量仪(4)感光面中心；

3.3)通过数据处理上位机(5)设置哈特曼波前测量仪(4)曝光时间使哈特曼波前测量仪感光面上的光强为探测器饱和光强95％～99％之间的范围，设置采样20次后求取平均值，测得加入被测望远镜系统(10)，并在其外视场为θ条件下测量系统的波前，记为W_θ；

3.4)由数据处理上位机(5)根据下式计算被测望远镜系统(10)外视场的波前W_{Field_θ}；

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