CN108181092B - 大口径反射光学系统中间像面检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大口径反射光学系统中间像面检测装置及方法，其解决了现有大口径反射光学系统装调过程中光学系统中间像面非完善成像、次镜平移倾斜的特殊组合状态、检测视场过于单一等技术问题。该装置包括干涉自准平面镜、干涉仪以及衍射平板；干涉自准平面镜设置在待测大口径反射光学系统次镜的正前方，干涉仪设置在待测大口径反射光学系统主镜的正后方，衍射平板设置在待测大口径反射光学系统主镜和次镜形成的中间像面与次镜之间。其检测方法是：1)将衍射平板放置在待测大口径反射光学系统的中间像面前方；2)中点视场的像差系数的测量；3)其余N‑1个视场像差系数的测量；4)通过N个视场像差系数来判定次镜位置是否装配正确。

Description

大口径反射光学系统中间像面检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学系统检测技术领域，具体涉及一种大口径反射光学系统中间像面检测装置及方法。

背景技术

长焦距、大视场、大口径、宽波段的多反射式相机系统越来越广泛的应用于民用航空、航天领域。大口径多反射光学系统一般由主反射镜、次反射镜和第三反射镜组成。为使大口径反射光学达到优异成像质量，不仅需要反射光学系统在设计时全视场消像差，还需要在研制过程中对各反射镜进行高精度装调以保证各反射镜位置误差引起的像差在公差要求范围内。

大口径反射光学系统在装调过程一般首先通过检测轴上视场主、次镜形成中间像面的像差系数来检验主、次镜的装配状态。该方法存在以下缺陷：

1、主次镜形成的中间像面不是完善成像状态，理想状态下中间像面像差系数不为零，而次镜位置参数存在误差时会在中间像面上引入新的像差系数，两种像差系数存在相互补偿、叠加等多种情况，无法判断次镜真实位置状态；

2、次镜位置参数中的平移与倾斜能引起相同像差，即使中间像面单个视场像差系数满足设计要求，有可能为次镜平移倾斜的特殊组合状态；

3、中间像面检测视场过于单一，不能进行多个视场点测试。

发明内容

为了解决现有大口径反射光学系统装调过程中光学系统中间像面非完善成像、次镜平移倾斜的特殊组合状态、检测视场过于单一等技术问题，本发明提供一种采用衍射光学元件补偿的大口径反射光学系统中间像面检测装置及方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明在反射光学系统主、次镜形成的中间像面与次镜之间插入平板衍射玻璃，并保证所选多个测试视场光束在衍射平板上投影无重叠区域；其中，所述平板衍射元件上存在多个衍射区域以对应不同功能，主要分为补偿区域和对准区域；补偿区域利用平板衍射元件相位参数引入特定像差系数，使得中间像面像差系数为零，达到完善成像条件；对准区域主要利用平板衍射元件相位参数生成各种参考标记，在检测中间像面时保证平板衍射元件相对于次镜、像面上测试仪器位置参数不会引入额外像差系数；引入衍射元件后，通过测量补偿后中间像面多个视场像差系数是否同时为接近于零来判断次镜平移倾斜状态，若多个视场测试像差系数同时接近于零，则次镜位置参数满足要求，反之调节次镜位置参数(平移/倾斜)直至达到多个视场像差系数接近于零。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种大口径反射光学系统中间像面检测装置，

包括干涉自准平面镜、干涉仪以及衍射平板；

所述干涉自准平面镜设置在待测大口径反射光学系统次镜的正前方，干涉仪设置在待测大口径反射光学系统主镜的正后方，所述衍射平板设置在待测大口径反射光学系统主镜和次镜形成的中间像面与次镜之间；

衍射平板设置有补偿衍射区域、第一对准区域以及第二对准区域；所述补偿衍射区域为N个；第一个补偿衍射区域设置在衍射平板的中点，其余N-1个补偿衍射区域沿着衍射平板的径向方向依次排列；第一对准区域为2N个，N≥1；每一个补偿衍射区域对应两个第一对准区域；两个第一对准区域分别位于补偿衍射区域的左右两侧且补偿衍射区域的口径与每一个第一对准区域的口径相同；

补偿衍射区域、第二对准区域为透射形式的非对称衍射面，第一对准区域为反射形式的非对称衍射面；

所述补偿衍射区域相位参数引入的像差系数使中间像面对应视场完整成像；第一对准区域用于对准衍射平板和干涉仪；第二对准区域用于对准衍射平板和次镜。

进一步地，该装置还包括五轴调节架以及干涉仪调整架；其中，一台五轴调节架上安装衍射平板和干涉仪调整架，干涉仪调整架上安装干涉仪。

进一步地，上述衍射平板采用融石英制成。

进一步地，上述干涉仪为商业干涉仪。

进一步地，上述补偿衍射区域、第一对准区域均为圆形；第二对准区域为长方形。

基于上述大口径反射光学系统中间像面检测装置的介绍，现对采用该装置的检测方法进行阐述，包括以下步骤：

1)将衍射平板放置在待测大口径反射光学系统的中间像面前方；

2)中点视场的像差系数的测量；

2.1)衍射平板与干涉仪之间的对准；

保持次镜不动，干涉仪发出的光束入射位于衍射平板中点的补偿衍射区域所对应的两个第一对准区域自准反射之后，返回干涉仪，调节衍射平板使得干涉仪上形成零条纹，保证干涉仪与衍射平板相对位置准确性；

2.2)衍射平板、次镜以及干涉仪之间的对准；

保持衍射平板与干涉仪相互位置不动，干涉仪发出的光束穿过第二对准区域之后经过次镜反射，原路返回至干涉仪，整体调节衍射平板与干涉仪，使得干涉仪的干涉图呈“猫眼”形状，保证次镜与衍射平板相对位置准确性；

2.3)干涉仪发出的光束穿过中点的补偿衍射区域，测试出中点视场的像差系数并记录；

3)其余N-1个视场像差系数的测量；

保持衍射平板不动，依次调节干涉仪位置使得其余N-1个补偿衍射区域所对应的两个第一对准区域在干涉仪上的干涉图均形成零条纹，则说明干涉仪在正确测试位置，并测试N-1个视场像差系数并记录；

4)通过中间像面N个视场像差系数是否同时满足接近于零的条件来判定次镜位置是否装配正确，若多个视场测试像差系数同时接近于零，则次镜位置参数满足要求，反之调节次镜位置直至达到多个视场像差系数接近于零。

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用的补偿区域衍射面相位参数引入的像差可以补偿中间像面的像差，是中间像面达到完善成像条件，确定中间像面所测像差系数由次镜位置误差引起。

2、本发明可进行多个视场像差系数测量，排除次镜平移倾斜的特殊组合状态，保证次镜位置参数满足设计结果。

3、本发明衍射平板上的第一对准区域和第二对准区域相位参数可保证测试衍射平板、干涉仪在中间像面检测光路中的正确位置，保证衍射平板位置误差不引入像差系数。

附图说明

图1是本发明的采用衍射光学元件补偿的大口径反射光学系统中间像面检测装置及方法示意图；

图2是未补偿中间像面MTF曲线图；

图3是衍射补偿后中间像面MTF曲线图；

图4是补偿衍射光学元件功能区域划分。

附图标记如下：

1-干涉自准平面镜，2-次镜，3-衍射平板，31-补偿衍射区域、32-第一对准区域、33-第二对准区域、4-中间像面，5-干涉仪，6-主镜、7-五轴调节架、8-干涉仪调整架。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不限定本发明。

图1所示为本发明的大口径反射光学系统中间像面检测装置的基本结构示意图，该装置包括干涉自准平面镜1、干涉仪5以及衍射平板3；

干涉自准平面镜1设置在待测大口径反射光学系统次镜2的正前方，干涉仪5设置在待测大口径反射光学系统主镜6的正后方，衍射平板3设置在待测大口径反射光学系统主镜6和次镜2形成的中间像面4与次镜2之间；

衍射平板3设置有补偿衍射区域31、第一对准区域32以及第二对准区域33；补偿衍射区域31为N个；第一个补偿衍射区域31设置在衍射平板3的中点，其余N-1个补偿衍射区域31沿着衍射平板3的径向方向依次排列；第一对准区域32为2N个，N≥1；每一个补偿衍射区域31对应两个第一对准区域32；两个第一对准区域32分别位于补偿衍射区域31的左右两侧且补偿衍射区域31的口径与每一个第一对准区域32的口径相同；

补偿衍射区域31为透射形式的衍射面，第一对准区域32和第二对准区域33包含反射、透射形式的非对称衍射面；

补偿衍射区域31相位参数引入的像差系数使中间像面对应视场完整成像；第一对准区域32用于对准衍射平板3和干涉仪5；第二对准区域33用于对准衍射平板3和次镜2。

为了方便对干涉仪和衍射平板进行调整，该装置还包括五轴调节架7以及干涉仪调整架8；其中，一台五轴调节架7上安装衍射平板和干涉仪调整架8，干涉仪调整架8上安装干涉仪5。

以下通过具体实施例详细描述本发明，基于图1所示的反射光学系统，主镜口径为650mm，曲率半径为-2095.41mm，二次曲面系数为-0.9605。次镜曲率半径为-567.94mm，二次曲面系数为-2.1896，主次镜间隔为829.39mm，半视场角为0.6度。

结合系统参数，选取系统的中心视场(0°)、中间视场(0.3°)、边缘视场(0.6°)作为中间像面多视场检测点，在次镜后814.22mm处引入材料为融石英(SILICA)厚度为10mm的衍射平板，口径120mm，衍射平板后表面距离中间相面为123mm.计算三个视场在衍射平板上相位参数补偿三个视场对应像差，三个补偿衍射区域相位参数结果见表1。

表1

其中，补偿衍射区域所用相位参数表达式为Zernike Fringe phase多项式，Z4、Z5、…、Z15为Zernike Fringe phase多项式所对应项的系数，衍射级次为﹢1，不同视场光束投影的归一化半径均为10，所对应在衍射平板的位置如图1、图4.其中Z4、Z5、…、Z15是本实施例的基于Zernike Fringe phase多项式衍射参数表示方法，还可以有其它形式多项式的相位参数表示方法。

同时，为避免衍射平板在测试光路中位置误差，在衍射平板上其它部分计各种对准参考标记，保证平板衍射元件在检测光路中的正确位置。在各视场补偿衍射区域两侧设计相同口径的第一对准区域，当干涉仪位置在测试视场正确位置时，补偿衍射区域可将干涉仪发出的部分测试光束自准返回，在干涉仪上形成零条纹。设计第一对准区域的方式是以对应补偿衍射区域两侧相同口径为10mm圆区域即可，每个补偿衍射区域对应的第一对准区域相位参数见表2。在衍射平板下部设置第二对准区域对准次镜，干涉仪发出的测试光束通过该区域后汇聚在次镜顶点上，并通过次镜顶点原路返回干涉仪，干涉图形成“猫眼”现象，其相位参数见表3。制作时仅需制作90mm×22mm的长方形区域即可。所用相位参数均为Zernike Fringe phase多项式。

表2

表3

检测中间像面时，首先利用0°视场两侧的第一对准区域，调节衍射平板使得干涉仪上形成零条纹，保证0°视场干涉仪与衍射平板相对位置准确性；然后整体调节干涉仪与衍射平板与次镜相对位置，使得第二对准区域的干涉图呈“猫眼”形状，保证次镜与衍射平板相对位置准确性；接着通过干涉仪测试0°视场像差系数并记录；然后保持衍射平板不动，调节干涉仪位置使得0.3°视场两侧的反射对准区域在干涉仪上形成零条纹，则干涉仪在正确测试位置，测试0.3°视场像差系数并记录；接着，保持衍射平板不动，调节干涉仪位置使得0.6°视场两侧的反射对准区域在干涉仪上形成零条纹，则干涉仪在正确测试位置，测试0.6°视场像差系数并记录；最后通过中间像面三个视场像差系数是否同时满足接近于零的条件来判定次镜位置是否装配正确。

本发明通过控制衍射平板表面不同部分相位参数来补偿中间像面不同视场的像差系数，图2为主次镜中间像面未补偿时MTF曲线，系统三个视场像差使得MTF曲线下降很快。通过光学设计软件优化衍射面的相位参数，使其可以完全补偿中间像面设计剩余像差系数，保证自准干涉检测时中间像面完善成像状态。图3为中间像面补偿时MTF曲线，系统三个视场像差系数接近于零，使得MTF曲线接近系统衍射极限。同时利用衍射元件其它部分相位参数设计各种对准参考标记，保证平板衍射元件在检测光路中的正确位置。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此本发明的范围应当不限于上述实施例。

说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种大口径反射光学系统中间像面检测装置，其特征在于：

包括干涉自准平面镜、干涉仪以及衍射平板；

所述干涉自准平面镜设置在待测大口径反射光学系统次镜的正前方，干涉仪设置在待测大口径反射光学系统主镜的正后方，所述衍射平板设置在待测大口径反射光学系统主镜和次镜形成的中间像面与次镜之间；

衍射平板设置有补偿衍射区域、第一对准区域以及第二对准区域；所述补偿衍射区域为N个；第一个补偿衍射区域设置在衍射平板的中点，其余N-1个补偿衍射区域沿着衍射平板的径向方向依次排列；第一对准区域为2N个，N≥1；每一个补偿衍射区域对应两个第一对准区域，两个第一对准区域分别位于补偿衍射区域的左右两侧且补偿衍射区域的口径与每一个第一对准区域的口径相同；

补偿衍射区域、第二对准区域为透射形式的非对称衍射面，第一对准区域为反射形式非对称衍射面；

补偿衍射区域相位参数引入的像差系数使中间像面对应视场完整成像；第一对准区域用于对准衍射平板和干涉仪；第二对准区域用于对准衍射平板和次镜。

2.根据权利要求1所述的大口径反射光学系统中间像面检测装置，其特征在于：还包括五轴调节架以及干涉仪调整架；其中，一台五轴调节架上安装衍射平板和干涉仪调整架，干涉仪调整架上安装干涉仪。

3.根据权利要求2所述的大口径反射光学系统中间像面检测装置，其特征在于：所述衍射平板采用融石英制成。

4.根据权利要求3所述的大口径反射光学系统中间像面检测装置，其特征在于：所述补偿衍射区域、第一对准区域均为圆形；第二对准区域为长方形。

5.基于权利要求1-4任一权利要求所述的大口径反射光学系统中间像面检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将衍射平板放置在待测大口径反射光学系统的中间像面前方；

2）中点视场的像差系数的测量；

2.1）衍射平板与干涉仪之间的对准；

保持次镜不动，干涉仪发出的光束入射位于衍射平板中点的补偿衍射区域所对应的两个第一对准区域，光束经过两个第一对准区域自准返回到干涉仪，调节衍射平板使得干涉仪上的干涉图形成零条纹，可保证干涉仪与衍射平板相对位置准确性；

2.2）衍射平板、次镜以及干涉仪之间的对准；

保持衍射平板与干涉仪相对位置不动，干涉仪发出的光束穿过第二对准区域之后经过次镜反射后，原路返回至干涉仪，整体调节衍射平板与干涉仪，使得干涉仪的干涉图呈猫眼形状，可保证次镜与衍射平板相对位置准确性；

2.3）干涉仪发出的光束穿过中点的补偿衍射区域，测试出中点视场的像差系数并记录；

3）其余N-1个视场像差系数的测量；

保持衍射平板不动，依次调节干涉仪位置使得其余N-1个补偿衍射区域所对应的两个第一对准区域在干涉仪上均形成零条纹，则说明干涉仪在正确测试位置，并测试N-1个视场像差系数并记录；

4）通过中间像面N个视场像差系数是否同时满足接近于零的条件来判定次镜位置是否装配正确，若多个视场测试像差系数同时接近于零，则次镜位置参数满足要求，反之调节次镜位置直至达到多个视场像差系数接近于零。

Images