CN108871733A

CN108871733A - 大口径光学系统近场检测装置及其测量方法

Info

Publication number: CN108871733A
Application number: CN201810429564.5A
Authority: CN
Inventors: 寇松峰; 叶宇; 张志永; 田源; 顾伯忠
Original assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Current assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Priority date: 2018-05-08
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2018-11-23
Anticipated expiration: 2038-05-08
Also published as: CN108871733B

Abstract

大口径光学系统近场检测装置及其测量方法，由准直镜、微透镜阵列和探测器组成夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，在被测量目标的前方放置有点光源阵列作为测量信标，在被测目标的焦点前放置有分光镜和定标点光源，焦点后依次放置有准直镜、微透镜阵列和探测器；由点光源阵列、测量目标、分光镜和定标点光源组成系统自检光路；由点光源阵列、测量目标、分光镜、准直镜、微透镜阵列和探测器组成测量光路。本发明以三级像差在入瞳位置上的相关性为理论基础，以近场点光源阵列为测量信标，实现了大口径光学系统的近场检测，可以广泛用于大型光学系统的室内以及无信标等特殊条件下的检测。

Description

大口径光学系统近场检测装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种大口径光学系统近场检测装置及其测量方法。本发明是在国家自然科学基金(项目编号：U1631125)的资助下进行的，属于光学测量技术领域。

背景技术

随着深空探测技术的快速发展，天文学家对光学望远镜的要求越来越高，建造大口径、高精度的天文望远镜是当今天文光学技术发展的一个方向和热点。在天文光学望远镜的研制过程中，受到玻璃材料、加工、装调等技术条件的限制，大口径光学望远镜多采用拼接镜面技术，如中国的郭守敬望远镜(LAMOST)，美国的三十米望远镜(TMT)等，都采用或者将要采用拼接镜面技术。采用拼接镜面技术的大口径望远镜除了单块子镜的加工测试难题外，拼接主镜的安装、面型调整与维持以及望远镜整机的波前误差测试等工作也面临着很多的技术难题。因为更大的口径和更多的子镜意味着更长的焦距、更加复杂的检测光路和更加严苛的环境条件。目前对望远镜整机的波前误差主要采用两种检测方法，一是采用夏克哈特曼波前传感器，另一种是采用4D干涉仪：

夏克哈特曼具有波前测量精度高、体积小、价格便宜等优点，通常会被作为望远镜的标准配置。夏克哈特曼的光源配置比较灵活，因此既可以采用自准直的方法对小口径望远镜进行检测，也可以利用自然星为目标对大口径望远镜进行检测，如我国自主研制的LAMOST望远镜就是采用夏克哈特曼对MA和MB的面型进行检测。利用自然星为目标测试时，除了受到目标星等、天气的影响外，望远镜跟踪误差、大气波前误差等因素都会影响到测试的精度。从测试结果中扣除大气影响的做法又有很大的不确定性，这就造成了很多望远镜设计精度很高，调试效果很差，实际观测效果自然大打折扣。

4D干涉仪具有测量精度高、操作简单等优点，但是只能采用自准直的方法进行检测，测量时需要在望远镜前放置与望远镜口径相当的平面反光镜。4D干涉仪在小口径望远镜检测时比较方便，在大口径望远镜测试时则比较困难，主要原因是测试需要用到的自准直平面反光镜口径大，制造检测困难、成本过高。为了解决这种情况，需要采用子孔径拼接的方法进行测试。

子孔径拼接方法由美国Arizona光学中心的C.J.Kim首先提出，其原理是采用小口径平面反光镜组合来代替一块大的平面反光镜，通过对多个子孔径测量结果的数据处理得到完整的系统波面。该项技术在大口径望远镜研制中得到广泛应用，如日本3.5米天体物理与宇宙学天基红外望远镜(SPICA)采用一块1m口径的平面反光镜实现了3.5米全口径的波前检测，美国的詹姆斯韦伯空间望远镜(JWST)则是采用1.2米口径的平面反光镜实现了6.6米全口径的波前检测。干涉仪子孔径拼接技术的优点是采用小口径平面反光镜解决了大口径望远镜的测试，但是其缺点也很明显：

1)子孔径算法是根据重叠区域进行合成的，误差会被积累、放大；

2)子孔径拼接延长了测量时间，使得气流、温度等环境变化影响到测量结果；

3)子孔径与全口径的配准困难，对平面反光镜的定位精度要求高。

可以看出，夏克哈特曼波前检测容易受到天气的影响，望远镜的像质检测还要“靠天吃饭”，这在很大程度上延长了望远镜的安装调试周期，其测试结果也往往无法保证望远镜光学系统处于最佳状态。干涉仪子孔径拼接则对环境条件要求很高，在室外条件下很难保证测试精度。考虑到在一些特殊的环境条件下，如南极，望远镜的安装调试会选在夏季，而夏季是南极的极昼期，没有自然星可以利用。如果没有合适的检测手段，只能夏季安装，冬季调试，这对于大型望远镜来说是非常困难的。另一种特殊环境是空间，空间望远镜使用时是没有大气扰动影响的，如果在制造过程中使用夏克哈特曼和干涉仪子孔径拼接对望远镜像质测试都会引入大气扰动误差。

为了避免这种干扰，国外地更多采用了分别对主镜、次镜进行面型测试，放弃了对望远镜系统像质进行检测，这样虽然提高了单镜的测试精度，却为望远镜引入了系统风险。比较著名的是哈勃太空望远镜，由于对望远镜系统缺乏严格的测试，以至于在1990年发射升空数星期后才发现系统存在严重的球差，后查明是主镜形状磨制错误。虽然在1993年进行了维护，消除了球差，却牺牲了高速光度计，造成了经济和科学上的损失。

综合夏克哈特曼和干涉仪子孔径拼接两种检测方法的优缺点，中国国内外的研究人员也开展了采用夏克哈特曼进行子孔径测量的方法，以降低空气扰动、温度等环境因素对测量结果的影响。这些研究证明了基于夏克哈特曼的子孔径拼接技术的可行性，但是一定程度上还是受到干涉仪子孔径测量技术的影响，所采用的自准直测量方法与干涉仪子孔径方法类似，也面临着大口径平面反光镜的技术难题。

因此，对于传统的光学系统测试方法进行创新，寻找更加简便、快捷、低成本的高精度像质检测技术，对于中国地基大口径光学望远镜，尤其是南极、空间等环境条件下的大口径光学望远镜研制具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是针对大口径光学系统近场检测的难题，提出了一种基于三级像差理论的光学系统近场检测装置。该装置以传统夏克哈特曼波前测量装置为基础，采用点光源阵列作为测量信标，实现了大口径光学系统的波前误差测量，可广泛应用于大口径光学系统及光学零件的制造误差和装调误差检测。本发明还将提供这种检测装置的测量方法。

完成上述发明任务的技术方案是，一种大口径光学系统近场检测装置，由准直镜、微透镜阵列和探测器组成夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，在被测量目标的前方放置有点光源阵列作为测量信标，在被测目标的焦点前放置有分光镜和定标点光源，焦点后依次放置有准直镜、微透镜阵列和探测器；由点光源阵列、测量目标、分光镜和定标点光源组成系统自检光路；由点光源阵列、测量目标、分光镜、准直镜、微透镜阵列和探测器组成测量光路。

其中点光源阵列作为测量信标，所述的点光源阵列为方形或圆形排列，开设有中孔或者不设中孔。点光源数量N可以根据公式1决定：

式中，D为测量目标入瞳直径，L为点光源距离测量目标入瞳的距离，θ为点光源数值孔径。需要说明的是公式1得到的是不开中孔条件下，点光源阵列方形排布所需的点光源数量，当点光源圆形排列或者开中孔条件下，可以根据需要减少点光源数量。

点光源阵列产生的孔径光束照射被测目标，被检测目标可以是光学零件，也可以是光学系统。在点光源阵列平面上设置有多块平面反光镜，用于标定检测装置与测量目标之间的位置关系。分光镜用于将自检光路和哈特曼测量光轴重合到一起。定标点光源用于产生系统自检光束信号。准直镜用于将被测目标形成的汇聚光束准直成平行光，其焦点与被测目标焦点重合，与定标点光源共轭。微透镜阵列放置在准直镜出瞳位置，为方形或者圆形排列，用于将经过准直镜形成的平行光束分割成多个子孔径，子孔径内的光束分别汇聚到对应微透镜的焦平面上，入射光斜率的变化将会造成像斑位置的变化(△x_i,△y_i)。探测器用于捕捉微透镜阵列汇聚的光信号，其光敏面与微透镜阵列的焦平面重合。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述大口径光学系统近场检测装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：

1)所述定标点光源发出孔径光束经过分光镜至被测目标，经被测目标反射至点光源阵列平面；

2)点光源阵列平面上安装的平面反射镜将光线反射，照射到被测目标；

3)被测目标反射回来的光束经分光镜透射，进入准直镜成为平行光束；

4)平行光束经过微透镜阵列聚焦在探测器光敏面上，有探测器进行图像采集；

5)对采集到的像斑图像进行计算，给出点光源阵列相对于被测目标光轴的位置关系；

6)调整点光源阵列的位置，使其满足测量要求；

7)关闭定标点光源，打开点光源阵列光源；

8)点光源阵列发出的孔径光束经过被测目标反射、分光镜透射、准直镜准直成为平行光；

9)平行光束经过微透镜阵列聚焦在探测器光敏面上，有探测器进行图像采集；

10)对采集到的像斑图像进行计算，给出测量目标波前误差；

11)结果输出。

所述步骤10)的具体计算方法是：建立入瞳上不同位置入射光线的像差方程，通过解方程组得到点光源阵列与被测光学系统或者零件像差的相关特性，通过迭代计算消除系统误差，实现了非理想像点的高精度波前测量。

换言之，本发明所提供的大口径光学系统近场检测装置，包含点光源阵列、分光镜、定标点光源、准直镜、微透镜阵列和探测器。其工作分为系统定标和测量两部分：

1)系统定标：

所述定标点光源发射孔径光束，经过分光镜反射，照射到被测目标，经被测目标反射至点光源阵列平面。点光源阵列平面上安装有平面反射镜，平面反射镜将入射光线反射回被测目标。光束再次镜被测目标反射至分光镜，经过分光镜透射、准直镜准直成为平行光束。平行光束经过微透镜阵列汇聚至探测器，由探测器对像斑进行采集。对像斑图像进行分析计算，可得到点光源阵列平面相对于被测目标光轴的位置误差。根据计算结果调整点光源阵列平面的位置，使其满足测量需要。

2)测量：

所述点光源阵列平面上的点光源发射孔径光束照射到被测目标，经过被测目标反射、分光镜透射和准直镜准直，成为平行光束。平行光束经过微透镜阵列汇聚至探测器，由探测器对像斑进行采集。对像斑图像进行分析计算，得到被测目标的波前误差。

本发明采用了近场点光源阵列作为测量信标，阵列中每个点光源发出的均为孔径光束，该光束通过被测目标反射后包含了系统误差。依照三级像差理论，光学系统沿子午和弧矢方向的成像误差可以表示为：

式中，m1是入射光线在入射光瞳焦点沿子午面的分量，M1是垂直于子午面的分量，W1是目标相对入射光瞳中心的张角，S_I,S_II,S_III,S_IV,S_V为Seidel系数，可以根据光学系统计算得出。

从公式1可以看出，δ_g'和δ_G'的值与光线在入射光瞳上的投影位置具有相关性。取子午面上对称的两条入射光线，则具有如下关系：

将公式2带入公式1，容易得到以下结果：

δ_g1'+δ_g2'＝W₁ ³S_V (3)

可以看出，计算结果仅包含畸变误差。设定被测目标在制造、装调中引入了波前误差，仍取子午面上对称的两条入射光线处分别为△_g1，△_g2，测量结果分别为W₁'，W₂'，则存在下面的对应关系：

解方程可以得到△_g1，△_g2。以轴对称光线为基准，可以得到入瞳上不同入射光线的相关性特征。从光学原理可知，任意两个面上的波前误差可以通过其泽尼克多项式对应系数的累加得到。也就是说根据三级像差理论，即使目标通过光学系统成像时并非位于完善像点上，我们也可以通过不同的多个目标相关性得到其仅包含特定像差的波前误差。将测量结果剔除特定的像差项并进行迭代计算，即可得到光学系统的实际像差。

本发明结合天文光学的实际需要，以三级像差在入瞳位置上的相关性为理论基础，以近场点光源阵列为测量信标，实现了大口径光学系统的近场检测。本发明可以广泛用于大型光学系统的室内以及无信标等特殊条件下的检测。

附图说明：

图1是大口径光学系统近场检测装置对光学系统进行检测的原理图；

图2是大口径光学系统近场检测装置对单一光学零件进行检测的原理图。

图3是点光源阵列点光源与平面反射镜分布图；

图4是大口径光学系统近场检测装置的工作流程图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

实施例1，基于三级像差理论的大口径光学系统近场检测装置。如图1所示，本发明所提出的大口径光学系统近场检测装置，由点光源阵列1，被测光学系统次镜2，被测光学系统主镜3，分光棱镜4，定标点光源5，准直镜6，微透镜阵列7和探测器8组成。其中点光源阵列1作为测量信标，其产生的孔径光束用于照射被测目标。在点光源阵列1平面上设置有多块平面反光镜，用于标定检测装置与测量目标之间的位置关系。分光镜4用于将自检光路和哈特曼测量光轴重合到一起。定标点光源5用于产生系统自检光束信号。准直镜6用于将被测目标2，3形成的汇聚光束准直成平行光，其焦点与被测目2，3形成的焦点重合，与定标点光源5共轭。微透镜阵列7放置在准直镜6的出瞳位置，为方形或者圆形排列，用于将经过准直镜6形成的平行光束分割成多个子孔径，子孔径内的光束分别汇聚到对应微透镜7的焦平面上，入射光束斜率的变化将会造成像斑位置的改变。探测器8用于捕捉微透镜阵列汇聚的光信号，其光敏面与微透镜阵列7的焦平面重合。

如图2所示，本发明提出的大口径光学系统近场检测装置，可以对单个光学零件进行检测。其中点光源阵列1作为测量信标，其产生的孔径光束用于照射被测目标。在点光源阵列1平面上设置有多块平面反光镜，用于标定检测装置与测量目标之间的位置关系。分光镜4用于将自检光路和哈特曼测量光轴重合到一起。定标点光源5用于产生系统自检光束信号。准直镜6用于将被测目标3形成的汇聚光束准直成平行光，其焦点与被测目3形成的焦点重合，与定标点光源5共轭。微透镜阵列7放置在准直镜6的出瞳位置，为方形或者圆形排列，用于将经过准直镜6形成的平行光束分割成多个子孔径，子孔径内的光束分别汇聚到对应微透镜7的焦平面上，入射光束斜率的变化将会造成像斑位置的改变。探测器8用于捕捉微透镜阵列汇聚的光信号，其光敏面与微透镜阵列7的焦平面重合。

如图3所示，本发明提出的大口径光学系统近场检测装置，点光源阵列1包括了光纤点光源1-1和平面反光镜1-2。光纤点光源1-1和平面反光镜1-2安装在一块带中孔的平板上，其数量由被测光学系统或者零件的口径，点光源阵列与被测光学系统或者零件的距离以及光纤点光源1-1的数值孔径等因素决定。光纤点光源1-1的数值孔径较大时，也可以在点光源前端加装准直透镜。平面反光镜1-2与安装平板的相对位置经过标定，其数量可根据测量精度要求增加或者减少。

如图4所示，本发明提出的大口径光学系统近场检测装置，其工作流程如下：

1)测量开始，判断是否完成系统定标；

2)如未进行系统定标，启动定标流程。所述定标点光源发出孔径光束经过分光镜至被测目标，经被测目标反射至点光源阵列平面；

3)点光源阵列平面上安装的平面反射镜将光线反射，照射到被测目标；

4)被测目标反射回来的光束经分光镜透射，进入准直镜成为平行光束；

5)平行光束经过微透镜阵列聚焦在探测器光敏面上，有探测器进行图像采集；

6)对采集到的像斑图像进行计算，判断点光源阵列相对于被测目标光轴的位置关系是否满足要求，如满足开始7)，进行波前误差测量。如不满足要求，调整点光源阵列的位置，重新开始2)，进行标定；

7)定标完成关闭定标点光源，打开点光源阵列光源；

10)对采集到的像斑图像进行计算，计算测量目标波前误差；

11)结果输出。

Claims

1.一种大口径光学系统近场检测装置，由准直镜、微透镜阵列和探测器组成夏克哈特曼波前测量装置，其特征在于，在被测量目标的前方放置有点光源阵列作为测量信标，在被测目标的焦点前放置有分光镜和定标点光源，焦点后依次放置有准直镜、微透镜阵列和探测器；由点光源阵列、测量目标、分光镜和定标点光源组成系统自检光路；由点光源阵列、测量目标、分光镜、准直镜、微透镜阵列和探测器组成测量光路。

2.根据权利要求1所述的大口径光学系统近场检测装置，其特征在于，所述的点光源阵列为方形或圆形排列，开设有中孔或者不设中孔。

3.根据权利要求1所述的大口径光学系统近场检测装置，其特征在于，所述的点光源采用光纤；点光源的间隔、数量由点光源数值孔径、点光源阵列与测量目标的间隔以及测量目标的有效口径等因素决定。

4.根据权利要求1所述的大口径光学系统近场检测装置，其特征在于，所述点光源阵列的点光源间隙内放置有平面反射镜；该反射镜用于反射定标点光源的入射光线，实现点光源阵列与测量目标之间空间位置的对准。

5.根据权利要求1-4之一所述的大口径光学系统近场检测装置，其特征在于，所述分光镜用于将自检光路和哈特曼测量光轴重合到一起；所述定标点光源用于产生系统自检光束信号；所述准直镜用于将被测目标形成的汇聚光束准直成平行光，其焦点与被测目标焦点重合，与定标点光源共轭；所述微透镜阵列放置在准直镜出瞳位置，为方形或者圆形排列，用于将经过准直镜形成的平行光束分割成多个子孔径，子孔径内的光束分别汇聚到对应微透镜的焦平面上，入射光斜率的变化将会造成像斑位置的变化；所述探测器用于捕捉微透镜阵列汇聚的光信号，其光敏面与微透镜阵列的焦平面重合。

6.权利要求1所述的大口径光学系统近场检测装置的测量方法，，其特征在于，步骤如下：

所述定标点光源发出孔径光束经过分光镜至被测目标，经被测目标反射至点光源阵列平面；

点光源阵列平面上安装的平面反射镜将光线反射，照射到被测目标；

被测目标反射回来的光束经分光镜透射，进入准直镜成为平行光束；

平行光束经过微透镜阵列聚焦在探测器光敏面上，有探测器进行图像采集；

对采集到的像斑图像进行计算，给出点光源阵列相对于被测目标光轴的位置关系；

调整点光源阵列的位置，使其满足测量要求；

关闭定标点光源，打开点光源阵列光源；

点光源阵列发出的孔径光束经过被测目标反射、分光镜透射、准直镜准直成为平行光；

对采集到的像斑图像进行计算，给出测量目标波前误差；

结果输出。

7.根据权利要求6所述的大口径光学系统近场检测装置的测量方法，其特征在于，所述步骤10）的具体计算方法是：建立入瞳上不同位置入射光线的像差方程，通过解方程组得到点光源阵列与被测光学系统或者零件像差的相关特性，通过迭代计算消除系统误差，实现了非理想像点的高精度波前测量。