CN108444679B - 一种红外透镜面形的真空低温测试装置及其测试方法 - Google Patents

一种红外透镜面形的真空低温测试装置及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外透镜面形的真空低温测试装置及其测试方法，包括干涉仪、平行光管、真空罐、红外透镜组件、测试工装、载物台、光源平台、密封窗口、小孔光阑和千分表；平行光管与真空罐固连，真空罐中设有载物台，载物台上安装测试工装，红外透镜组件固连在测试工装上并对准平行光管轴线；平行光管通过密封窗口对准小孔光阑一侧，小孔光阑另一侧分别设有干涉仪和千分表，小孔光阑与光源平台固连。本发明通过干涉仪、平行光管、真空罐、红外透镜组件、测试工装、载物台、光源平台、密封窗口、小孔光阑和千分表的配合，去除了平行光管自身像质对测试结果的影响，提高了真空低温条件下红外透镜面形变化量的测试精度，弥补了传统测试设备的缺陷。

Description

一种红外透镜面形的真空低温测试装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及一种红外透镜面形的真空低温测试装置及其测试方法，属于光学技术领域。
背景技术
近年来，随着空间遥感器的不断发展，低温相机常被广泛应用于导弹预警技术，低温相机大多工作和使用在深冷的高轨空间，温度在0℃以下甚至更低。
低温相机在装配过程中，需要对其光学系统各项性能进行低温下的测试，例如光学系统MTF、焦距、视场角等，低温相机装配经常需要在常温常压下进行，在常温常压测试满足要求后，还需要对相机在真空低温下进行测试，确保真空低温下的指标也满足要求。
红外透镜是低温光学系统中常用的光学元件，目前针对红外透镜的装配和测试都要求在常温(20℃)和常压下进行。传统测试设备无法在真空低温条件下精确测量红外透镜的面形变化量。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种红外透镜面形的真空低温测试装置及其测试方法，通过干涉仪、平行光管、真空罐、红外透镜组件、测试工装、载物台、光源平台、密封窗口、小孔光阑和千分表的配合，去除了平行光管自身像质对测试结果的影响，提高了真空低温条件下红外透镜面形变化量的测试精度，弥补了传统测试设备的缺陷。
本发明的技术解决方案是：
一种红外透镜面形的真空低温测试装置，包括干涉仪、平行光管、真空罐、红外透镜组件、测试工装、载物台、光源平台、密封窗口、小孔光阑和千分表；
平行光管一端与真空罐端面固定连接，真空罐中设有用于支撑的载物台，载物台上安装有用于检测红外透镜组件的测试工装，红外透镜组件固定连接在测试工装上并对准平行光管轴线；
平行光管另一端通过密封窗口对准小孔光阑一侧，小孔光阑另一侧分别设有干涉仪和千分表，小孔光阑与光源平台固定连接。
在上述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置中，所述平行光管口径大于红外透镜组件通光口径。
在上述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置中，所述平行光管的中心视场波像差不大于0.05λ，真空低温测试时，平行光管的中心视场波像差变化量不大于0.005λ。
在上述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置中，所述真空罐的真空度不低于10-3pa；低温测试时，真空罐的温度低于-20℃。
在上述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置中，所述红外透镜组件包括玻璃钢圆柱、挡块、镜框和压圈；挡块为实心立方体，镜框为空心圆柱体；红外透镜粘接在镜框中并通过压圈轴向压紧，镜框通过挡块和两个玻璃钢圆柱的配合固定连接在测试工装上。
一种基于所述红外透镜面形的真空低温测试装置的测试方法，包括如下步骤：
S1，组装并根据自准直法调试红外透镜面形的真空低温测试装置；
S2，利用真空罐模拟真空低温的测试环境，并调整红外透镜；
S3，利用干涉仪分别测试真空低温和常温常压下红外透镜的面形；
S4，根据测试结果，计算真空低温下红外透镜的面形变化量。
在上述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置的测试方法中，所述S1中，先在常温常压下，对平行光管进行标定，确定平行光管中心视场，并确定干涉仪的位置；再将红外透镜放置在真空罐中，保持干涉仪静止，调节红外透镜使得干涉仪入射光经平行光管和红外透镜反射后形成自准直光路；然后固定红外透镜。
在上述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置的测试方法中，所述S2中，先利用真空罐模拟真空环境，当压强达标后，观察返回光聚焦点的位置△L1，复压后调整红外透镜的位置，将返回光点位置调整至-△L1；再对真空罐抽真空，当真空度达标后，观察光路是否自准直，若是，则将真空罐降温至预设温度，若否，则重新进行S2。
在上述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置的测试方法中，所述S3中，先将真空罐处于预设的真空低温状态，调整干涉仪的位置，使得光路自准直，测试此时红外透镜的面形M1，并记录此时返回光聚焦点所在的位置△L2；再将真空罐回温回压至常温常压，调整红外透镜使得返回光聚焦点位于△L2处，测试此时红外透镜的面形M2。
在上述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置的测试方法中，所述S4中，真空低温下红外透镜的面形变化量为ΔM＝M1-M2。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
【1】本发明采用了真空罐实现真空低温环境模拟，可以实现真空度低于10-3pa，温度低于-20℃的环境，并且将干涉仪放置于真空环境外，确保干涉仪的使用合理性。
【2】本发明通过平行光管的扩束作用，使测试口径不受限于干涉仪有效口径，扩大了可测试的平面镜口径，测试口径可达1m；而且在对反射镜进行面形测试过程中，去除了平行光管对测试结果的影响，保证了反射镜的面形测试精度，面形测试精度RMS≤0.01λ。
【3】本发明整体结构紧凑，适用于多种工作环境，使用寿命相对较长，在复杂工况下依然能够良好运转，具有适用范围广的特点，具备良好的市场应用前景。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明结构图
图2为红外透镜组件结构图
图3为红外透镜组件安装示意图
图4为本发明流程图
其中：1干涉仪；2平行光管；3真空罐；4红外透镜组件；5测试工装；6载物台；7光源平台；8密封窗口；9小孔光阑；10千分表；41玻璃钢圆柱；42挡块；43镜框；44压圈；
具体实施方式
为使本发明的方案更加明了，下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1～3所示，一种红外透镜面形的真空低温测试装置，包括干涉仪1、平行光管2、真空罐3、红外透镜组件4、测试工装5、载物台6、光源平台7、密封窗口8、小孔光阑9和千分表10；
平行光管2一端与真空罐3端面固定连接，真空罐3中设有用于支撑的载物台6，载物台6上安装有用于检测红外透镜组件4的测试工装5，红外透镜组件4固定连接在测试工装5上并对准平行光管2轴线；
平行光管2另一端通过密封窗口8对准小孔光阑9一侧，小孔光阑9另一侧分别设有干涉仪1和千分表10，小孔光阑9与光源平台7固定连接。
优选的，平行光管2口径大于红外透镜组件4通光口径。
优选的，平行光管2的中心视场波像差不大于0.05λ，真空低温测试时，平行光管2的中心视场波像差变化量不大于0.005λ。
优选的，真空罐3的真空度不低于10-3pa；低温测试时，真空罐3的温度低于-20℃。
优选的，红外透镜组件4包括玻璃钢圆柱41、挡块42、镜框43和压圈44；挡块42为实心立方体，镜框43为空心圆柱体；红外透镜粘接在镜框43中并通过压圈44轴向压紧，镜框43通过挡块42和两个玻璃钢圆柱41的配合固定连接在测试工装5上。
如图4所示，一种基于所述红外透镜面形的真空低温测试装置的测试方法，包括如下步骤：
S1，组装并根据自准直法调试红外透镜面形的真空低温测试装置；
S2，利用真空罐3模拟真空低温的测试环境，并调整红外透镜；
S3，利用干涉仪1分别测试真空低温和常温常压下红外透镜的面形；
S4，根据测试结果，计算真空低温下红外透镜的面形变化量。
优选的，S1中，先在常温常压下，对平行光管2进行标定，确定平行光管2中心视场，并确定干涉仪1的位置；再将红外透镜放置在真空罐3中，保持干涉仪1静止，调节红外透镜使得干涉仪1入射光经平行光管2和红外透镜反射后形成自准直光路；然后固定红外透镜，防止真空罐3在真空低温过程中，红外透镜相对于载物台6发生位移。
优选的，S1中，干涉仪1的测试精度RMS≤0.01λ。
优选的，S2中，先利用真空罐3模拟真空环境，当压强达标后，观察返回光聚焦点的位置△L1，复压后调整红外透镜的位置，将返回光点位置调整至-△L1，实现反向预置，使得抽真空后，光路实现自准直；再对真空罐3抽真空，当真空度达标后，观察光路是否自准直，若是，则将真空罐3降温至预设温度，若否，则重新进行S2。
优选的，S3中，先将真空罐3处于预设的真空低温状态，调整干涉仪1的位置，使得光路自准直，测试此时红外透镜的面形M1，并记录此时返回光聚焦点所在的位置△L2；再将真空罐3回温回压至常温常压，调整红外透镜使得返回光聚焦点位于△L2处，测试此时红外透镜的面形M2。
优选的，S4中，真空低温下红外透镜的面形变化量为ΔM＝M1-M2。
实施例：
将平行光管2轴向设为Z轴，将平行光管2径向且垂直于载物台6的方向设为X轴，根据右手定则，建立空间直角坐标系。
将待测的红外透镜安装到镜框43内，红外透镜侧面用XM-23胶进行固定，轴向用压圈44压紧，确保装框前后红外透镜面形保持不变；
红外透镜通过挡块42和两个对温度不敏感的玻璃钢圆柱41无应力的固定在测试工装5上；
对平行光管2进行标定，找到平行光管2的焦点位置和中心视场，调整干涉仪1的位置，使干涉仪1会聚光的焦点与平行光管2的焦点重合，使用千分表10监测干涉仪1在Z轴的位置，确保干涉仪1在Z轴的位置固定不变，并记录干涉仪1沿光轴方向的位置；
将红外透镜组件4与测试工装5放置到载物台6上；
干涉仪1发出球面波通过密封窗口8，经平行光管2准直后，通过测试工装5的俯仰和旋转，使入射光经红外透镜反射与干涉仪1出射的光形成自准直；
利用干涉仪1测出红外透镜的面形，该面形反映为红外透镜与平行光管2组成的光学系统波像差(RMS值)；
固定测试工装5确保测试过程中，测试工装5与载物台6不发生相对位置变化；
将小孔光阑9中心对准干涉仪1汇聚光点处，使光点完全通过小孔，固定小孔光阑9，此时小孔位置为基准光点位置，通过观察返回光点的位置，确保干涉仪1在X轴和Y轴的方向固定不变；
对真空罐3进行抽真空，达到真空度要求后，观察小孔光阑9上返回光点的位置并标记，测量该光点与基准光点的距离△L1，即为真空下的预置量；
回压到常压，确保红外透镜与载物台6完全恢复到常温常压状态，调整测试工装5的俯仰和旋转，使得返回光点距离基准光点的位置为-△L1，并固定测试工装5，确保真空环境下，可以实现光路自准直；
对真空罐3再次进行抽真空，达到真空度要求，若光路自准直，则对真空罐进行降温，温度满足要求时，观察并记录小孔光阑9上返回光点距离基准光点的位置△L2；
移开小孔光阑9，调整干涉仪1在X轴和Y轴两个方向的平移，使得测试光路自准直，调整过程中，确保千分表10的示数不变，此时测试红外透镜的面形RMS值M1，该面形为低温时红外透镜与平行光管2组成的光学系统波像差M1＝Mm+Mc，其中，Mm为低温下红外透镜4的面形，Mc为低温下平行光管2的波像差；
对真空罐3回温回压直至红外透镜与载物台6完全恢复到常温常压状态，小孔光阑9上的光点位置应回到-△L1处，调整测试工装5，使得返回光点位置位于△L2处，调整干涉仪1在X轴和Y轴方向的平移，使光路自准直，调整过程中确保千分表10的示数不变，此时测试红外透镜的面形RMS值M2，该面形为常温时红外透镜与平行光管2组成的光学系统波像差M2＝M′m+M′c，其中，M'm为常温下红外透镜的面形，M′c为常温下平行光管2的波像差；
根据平行光管2在常温常压和真空低温下，Mc≈M′c，所以最终待测的红外透镜在真空低温下的面形变化量为ΔM＝M1-M2＝Mm-M'm。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种红外透镜面形的真空低温测试装置，其特征在于：包括干涉仪(1)、平行光管(2)、真空罐(3)、红外透镜组件(4)、测试工装(5)、载物台(6)、光源平台(7)、密封窗口(8)、小孔光阑(9)和千分表(10)；
平行光管(2)一端与真空罐(3)端面固定连接，真空罐(3)中设有用于支撑的载物台(6)，载物台(6)上安装有用于检测红外透镜组件(4)的测试工装(5)，红外透镜组件(4)固定连接在测试工装(5)上并对准平行光管(2)轴线；
平行光管(2)另一端通过密封窗口(8)对准小孔光阑(9)一侧，小孔光阑(9)另一侧分别设有干涉仪(1)和千分表(10)，小孔光阑(9)与光源平台(7)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置，其特征在于：所述平行光管(2)口径大于红外透镜组件(4)通光口径。
3.根据权利要求2所述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置，其特征在于：所述平行光管(2)的中心视场波像差不大于0.05λ，真空低温测试时，平行光管(2)的中心视场波像差变化量不大于0.005λ。
4.根据权利要求1所述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置，其特征在于：所述真空罐(3)的真空度不低于10-3pa；低温测试时，真空罐(3)的温度低于-20℃。
5.根据权利要求1所述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置，其特征在于：所述红外透镜组件(4)包括玻璃钢圆柱(41)、挡块(42)、镜框(43)和压圈(44)；挡块(42)为实心立方体，镜框(43)为空心圆柱体；红外透镜粘接在镜框(43)中并通过压圈(44)轴向压紧，镜框(43)通过挡块(42)和两个玻璃钢圆柱(41)的配合固定连接在测试工装(5)上。
6.一种基于权利要求1～5任一项所述红外透镜面形的真空低温测试装置的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，组装并根据自准直法调试红外透镜面形的真空低温测试装置；
S2，利用真空罐(3)模拟真空低温的测试环境，并调整红外透镜；
S3，利用干涉仪(1)分别测试真空低温和常温常压下红外透镜的面形；
S4，根据测试结果，计算真空低温下红外透镜的面形变化量。
7.根据权利要求6所述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置的测试方法，其特征在于：所述S1中，先在常温常压下，对平行光管(2)进行标定，确定平行光管(2)中心视场，并确定干涉仪(1)的位置；再将红外透镜放置在真空罐(3)中，保持干涉仪(1)静止，调节红外透镜使得干涉仪(1)入射光经平行光管(2)和红外透镜反射后形成自准直光路；然后固定红外透镜。
8.根据权利要求6所述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置的测试方法，其特征在于：所述S2中，先利用真空罐(3)模拟真空环境，当压强达标后，观察返回光聚焦点的位置△L1，复压后调整红外透镜的位置，将返回光点位置调整至-△L1；再对真空罐(3)抽真空，当真空度达标后，观察光路是否自准直，若是，则将真空罐(3)降温至预设温度，若否，则重新进行S2。
9.根据权利要求6所述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置的测试方法，其特征在于：所述S3中，先将真空罐(3)处于预设的真空低温状态，调整干涉仪(1)的位置，使得光路自准直，测试此时红外透镜的面形M1，并记录此时返回光聚焦点所在的位置△L2；再将真空罐(3)回温回压至常温常压，调整红外透镜使得返回光聚焦点位于△L2处，测试此时红外透镜的面形M2。
10.根据权利要求6所述的一种红外透镜面形的真空低温测试装置的测试方法，其特征在于：所述S4中，真空低温下红外透镜的面形变化量为ΔM＝M1-M2。
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