CN109061894B - 一种巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直仪器及准直方法 - Google Patents

一种巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直仪器及准直方法 Download PDF

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Abstract

一种巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直仪器及准直方法，包括基体装置，基体装置上有多个采用标准联接的接口为元件及检测仪器提供安装定位功能；在基体装置上水平安装有小口径反射元件阵列，在基体装置上竖直安装有小口径半透半反元件阵列，在基体装置上可安装一个在竖直面上二维运动的大口径反射元件，在基体装置上安装有可移动并精密调整的光学自准直仪。在对仪器进行了校准之后，在检测工位上安装待检测的巨型光学平面反射阵列装置，可完成对其各反射元件的准直操作。本发明既可以对极大口径的光学平面反射阵列进行检测并准直，也能够在大口径激光干涉仪难以使用的工程条件下开展工作，并能够实现较高的准直精度。

Description

一种巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直仪器及准直 方法
技术领域
本发明属于大口径光学仪器精密制造和装配技术领域，特别涉及一种巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直科学仪器及其运用方法。
背景技术
在当代的大型激光驱动器系统、大型天基\地基观测装置中，常常会存在这样一些平面反射光学系统，往往需要数米的直径同时又具备极其精密的表面精度，指向精度等。例如，新一代的激光兆焦耳级激光驱动器装置上的平面反射系统要求在重量吨级、口径四平米的巨型光学元件上实现纳米量级的表面精度和微弧度的指向精度。针对如此大口径的单一光学元件实现其制造精度要求，需要的制造工艺是当前世界范围内的艰巨工程挑战，即使有这样的制造方案所付出的经济成本也是难以承受的。一个可用的替代技术方案就是采用多个小口径镜面拼接成一个大口径镜面。这种拼接技术能够克服制造单一口径巨型元件的科学技术难题和成本挑战，因此，这种方法在工程上有着广泛的应用。但是，巨型拼接元件也会带来新的技术问题，例如，在巨型拼接平面反射系统中，各组成反射元件之间的指向精度必须高度一致并严格控制位置偏差，才能达到近似单一元件的光学质量要求。而如何精准地检测这种大尺度的平面反射阵列的指向偏差，并精密调整各组成反射元件的指向实现极高的指向一致性，则是高质量地制造装配出这种巨型反射阵列装置所必须的技术前提。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直科学仪器，用于巨型光学平面反射阵列装置中各组成反射元件的指向偏差精密检测，并能够精密调整各组成反射元件的指向实现高指向一致性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直仪器，包括一个基体装置1，基体装置1上有多个采用标准联接方式的为元件及检测仪器提供安装定位功能的接口，在基体装置1上水平安装有小口径反射元件阵列3，在基体装置1上竖直安装有小口径半透半反元件阵列4，在基体装置1上安装一个在竖直面上二维运动的大口径反射元件(参考镜)5，在基体装置1上安装有可移动并精密调整的光学自准直仪6，待准直的巨型平面反射阵列装置2安装在基体装置1的检测工位上，其中，所述巨型平面反射阵列装置2包括一个大尺寸镜架装置9和在大尺寸镜架装置9中以阵列方式布置的若干反射镜10，大尺寸镜架装置9以45度向下的方式安装在基体装置1上，每个反射镜10通过三个精密铰链机构11与镜架装置9联接，并可通过对三个精密铰链11的微调来改变反射镜10的指向，从而实现准直操作，所述光学自准直仪6发出的检测光，在半透半反元件上分为两束，一束直接返回光学自准直仪6，另一束透过后射向待准直的反射镜10，射向待准直的反射镜10的检测光经反射，射向水平放置的小口径反射元件，再被反射回反射镜10，并透过半透半反元件回到光学自准直仪6。
所述基体装置1的结构稳定，所述大口径反射元件5为参考镜。
所述小口径反射元件阵列3的镜框在基体装置1上的水平安装位7处固定并保持水平状态，所述小口径半透半反元件阵列4的镜框在基体装置1上的竖直安装位8处固定并保持竖直状态。
各个小口径反射元件以可微调的联接件安装在小口径反射元件阵列3的镜框之上，各个小口径半透半反元件以可微调的联接件安装在小口径半透半反元件阵列4的镜框之上。
各个小口径反射元件以可微调进给量的螺旋联接件安装在小口径反射元件阵列3的镜框之上，各个小口径半透半反元件以可微调进给量的螺旋联接件安装在小口径半透半反元件阵列4的镜框之上，每个反射镜10可通过对三个精密铰链11的螺旋微调来改变反射镜10的指向。
本发明还提供了利用所述巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直科学仪器的准直方法，步骤如下：
(1)将待准直的巨型平面反射阵列装置2安装到基体装置1的待检测工位上，待准直的巨型平面反射阵列装置2以45度向下的方式与小口径半透半反元件阵列4相对；
(2)对一个反射镜10进行准直操作时，以经过精密调整对准的小口径半透半反元件阵列4作为整个准直仪器的测量基准；
(3)操作光学自准直仪6，发出的检测光在半透半反元件上将分为两束：一束直接返回光学自准直仪6，另一束透过后射向待准直的反射镜10；
(4)射向待准直的反射镜10的检测光经反射，射向水平放置的小口径反射元件，再被反射回反射镜10，并透过半透半反元件回到光学自准直仪6；
(5)在光学自准直仪6上观察两束检测光形成的光点距离，通过对反射镜上的三个精密铰链11进行螺旋微调来改变待准直的反射镜10的指向，直至两个光点的距离满足可接受的偏差；
(6)以经过精密调准的小口径半透半反元件阵列4作为整个准直系统的基准，按照上述步骤完成对所有反射镜10的检测与准直操作，从而让所有反射镜10保持较高的指向一致性。
准直科学仪器在正式使用前，采用如下方法对小口径半透半反元件阵列4进行校准：
(1)在基体装置1上安装好小口径半透半反元件阵列4，并安装大口径反射元件5和安装光学自准直仪6，使小口径半透半反元件阵列4与大口径反射元件5平行；
(2)操作光学自准直仪6，发出的检测光在半透半反元件上分为两束，一束由半透半反元件反射回光学自准直仪6，另一束透过半透半反元件后会射向大口径反射元件5并由大口径反射元件5反射回光学自准直仪6；
(3)在光学自准直仪6上观察反射回来的两束检测光形成的光点之间的距离，连续微调小口径半透半反元件的安装直至两个光点的距离满足可接受的偏差；
(4)在大口径反射元件5的反射口径内，以大口径反射元件5为基准，按照上述方法依次调整多个小口径半透半反元件的指向，使其均达到较高的指向一致性；
(5)平移大口径反射元件5，使其反射口径能够包括到未进行校准的其他半透半反元件；
(6)以经过校准的小口径半透半反元件为基准，光学自准直仪6发出的检测光经过半透半反元件和大口径反射元件5的反射后会在光学自准直仪6上形成两个检测光点，微调大口径反射元件5的安装，使得两个光点的距离在可接受的偏差范围；
(7)对未经过校准的小口径半透半反元件，以大口径反射元件5为基准，光学自准直仪6发出的检测光经过半透半反元件和大口径反射元件5的反射后会在光学自准直仪6上形成两个检测光点，连续微调小口径半透半反元件的安装使得两个光点的距离接近到可以接受的偏差范围为止；
(8)按照上述方法，逐步完成对所有半透半反元件的校准，使他们达到较高的指向一致性并作为整个精密准直仪器的测量基准，然后移动大口径反射元件5离开仪器上的通光通道区域。
准直科学仪器在正式使用前，采用如下方法对小口径反射元件阵列3进行校准：
(1)以经过校准的小口径半透半反元件阵列4为基准，将小口径反射元件阵列3竖直安装到位于基体装置1上、小口径半透半反元件阵列4前的竖直安装位12上，并与小口径半透半反元件阵列4保持平行状态；
(2)光学自准直仪6发出的检测光经过半透半反元件和待校准的小口径反射元件的反射后会在光学自准直仪6上形成两个检测光点，连续微调小口径反射元件的安装使得两个光点的距离接近到可以接受的偏差范围为止，经过校准的小口径反射元件阵列会达到较高的指向一致性；
(3)从竖直安装位12上拆卸小口径反射元件阵列3，并重新安装到基体装置1上的水平安装位7上，然后使用水平仪将小口径反射元件阵列3精确调整水平。
如此，则完成了对本发明所述精密准直仪器的校准，对仪器进行检查并保持环境状态的稳定后，即可开始对巨型平面反射阵列装置的精密准直工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：所涉及的大型精密准直仪器的结构复杂度低、稳定性高，既可以对极大口径的平面反射阵列进行检测并准直，也能够在大口径激光干涉仪难以使用的工程条件下开展工作，并能够实现较高的准直精度。这对于天文、航天、巨型激光驱动器领域的许多巨型平面反射阵列的检测与准直工作，有重要的促进意义。
附图说明
图1是发明所涉巨型平面反射阵列准直用仪器的结构图
图2是发明所涉巨型平面反射阵列装置的结构图。
图3是发明所涉小口径半透半反元件阵列校准原理图。
图4是发明所涉巨型平面反射阵列装置的反射单元准直原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种用于巨型光学平面反射阵列装置精密准直的科学仪器，包括有一个结构性能高度稳定的基体装置1，基体装置1上有多个采用标准联接方式的接口为元件及检测仪器提供安装定位功能；在基体装置1的检测工位上可安装巨型平面反射阵列装置2，在基体装置1上水平安装有小口径反射元件阵列3，在基体装置1上竖直安装有小口径半透半反元件阵列4，在基体装置1上可安装一个在竖直面上二维运动的大口径反射元件(参考镜)5，在基体装置1上安装有可移动并精密调整的光学自准直仪6。
其中，小口径反射元件阵列3的镜框在基体装置1上的水平安装位7处固定并保持水平状态，各个小口径反射元件以可微调进给量的螺旋联接件安装在阵列3的镜框之上。小口径半透半反元件阵列4的镜框在基体装置1上的竖直安装位8处固定并保持竖直状态，各个小口径半透半反元件以可微调进给量的螺旋联接件安装在阵列4的镜框之上。
其中，待检测的巨型平面反射阵列装置2，包括一个大尺寸镜架装置9和以阵列方式布置的反射镜10。大尺寸镜架装置9以45度向下的方式安装在本仪器的基体装置1上，阵列布置的每个反射镜元件，则通过三个精密铰链机构11与镜架装置9联接，并可通过对三个精密铰链11的螺旋微调来改变反射镜元件的指向，从而实现准直操作。
使用本发明的巨型平面反射阵列精密准直仪器对一个巨型平面反射阵列装置进行测量并准直的实施流程如下：
(1)将待准直的巨型平面反射阵列装置2安装到精密准直仪器基体装置1上的待检测工位上，待检反射阵列装置将以45度向下的方式与小口径半透半反元件阵列4相对；
(2)对阵列上的一个反射元件即反射镜10进行准直操作时，以经过精密调整对准的小口径半透半反元件阵列4作为整个准直仪器的测量基准；
(3)操作光学自准直仪6，发出的检测光在半透半反元件上将分为两束：一束直接返回光学自准直仪6，另一束透过后会射向待准直的反射镜10；
(4)由于待检反射阵列以45度向下的方式与小口径半透半反元件阵列4相对，因此，射向待检测反射元件的检测光会经由反射镜10射向水平放置的小口径反射阵列，再被反射回反射镜10并透过半透半反元件回到光学自准直仪6。
(5)在光学自准直仪6上观察两束检测光形成的光点距离，通过对三个铰接的连续微调来改变待检测反射元件的指向，直至两个光点的距离满足可接受的偏差。
(6)以经过精密调准的小口径半透半反元件阵列4作为整个准直系统的基准，可以按照上述步骤完成对待准直巨型平面反射阵列装置上所有反射元件的检测与准直操作，从而让反射阵列上所有的元件保持较高的指向一致性。
在正式使用前，对本发明所述巨型平面反射阵列精密准直仪器的校准流程如下：
(1)小口径半透半反元件阵列4的校准方法①：在精密准直仪器的基体装置1上安装好小口径半透半反元件阵列4，并安装大口径反射元件(参考镜)5，安装光学自准直仪6，并使小口径半透半反元件阵列4与参考镜5平行；
(2)小口径半透半反元件阵列4的校准方法②：操作光学自准直仪6，发出的检测光在半透半反元件上将分为两束，一束由半透半反元件反射回光学自准直仪，另一束透过半透半反元件后会射向参考镜5并由参考镜5反射回光学自准直仪；
(3)小口径半透半反元件阵列4的校准方法③：在光学自准直仪上观察反射回来的两束检测光形成的光点之间的距离，连续微调小口径半透半反元件的安装直至两个光点的距离满足可接受的偏差；
(4)小口径半透半反元件阵列4的校准方法④：在参考镜5的反射口径内，以参考镜5为基准，按照上述方法依次调整多个小口径半透半反元件的指向，使他们达到极高的指向一致性；
(5)小口径半透半反元件阵列4的校准方法⑤：平移参考镜5，使得其反射口径能够包括到未进行校准的其他半透半反元件；
(6)小口径半透半反元件阵列4的校准方法⑥：以经过校准的小口径半透半反元件为基准，光学自准直仪6发出的检测光经过半透半反元件和参考镜5的反射后会在光学自准直仪6上形成两个检测光点，微调参考镜5的安装，使得两个光点的距离在可接受的偏差范围；
(7)小口径半透半反元件阵列4的校准方法⑦：对未经过校准的小口径半透半反元件，以参考镜5为基准，光学自准直仪6发出的检测光经过半透半反元件和参考镜5的反射后会在光学自准直仪6上形成两个检测光点，连续微调小口径半透半反元件的安装使得两个光点的距离接近到可以接受的偏差范围为止；
(8)小口径半透半反元件阵列4的校准方法⑧：按照上述方法，可以逐步完成对小口径半透半反元件阵列4上所有半透半反元件的校准，使他们达到极高的指向一致性并作为整个精密准直仪器的测量基准，然后移动参考镜5离开仪器上的通光通道区域。
(9)小口径反射元件阵列3的校准方法①：以经过校准的小口径半透半反元件阵列4为基准，将小口径反射元件阵列3竖直安装到位于基体装置1上、小口径半透半反元件阵列4前的竖直安装位12上，并与小口径半透半反元件阵列4保持平行状态；
(10)小口径反射元件阵列3的校准方法②：光学自准直仪6发出的检测光经过半透半反元件和待校准的小口径反射元件的反射后会在光学自准直仪6上形成两个检测光点，连续微调小口径反射元件的安装使得两个光点的距离接近到可以接受的偏差范围为止，经过校准的小口径反射元件阵列会达到极高的指向一致性；
(11)小口径反射元件阵列3的校准方法③：从竖直安装位12上拆卸小口径反射元件阵列3，并重新安装到基体装置1上的水平安装位7上，然后使用水平仪将小口径反射元件阵列3精确调整水平；
如此，则完成了对本发明所述精密准直仪器的校准，对仪器进行检查并保持环境状态的稳定后，即可开始对巨型平面反射阵列装置的精密准直工作。
作为本发明的优选实施方式，所述小口径反射元件阵列3和小口径半透半反元件阵列4可以同时采用与待检测的巨型平面反射阵列装置相同的组成反射元件布局模式(M行×N列布局)，这样的好处是当本发明所述的精密准直仪器校准好之后，将待检测巨型平面反射阵列装置安装在仪器的检测工位上，可以一次性完成对待检测巨型平面反射阵列装置各组成反射元件的准直操作，无论是在效率和准直精度上都相对更高。
作为本发明的优选实施方式，所述巨型平面反射阵列装置2的在仪器检测工位上的安装、拆卸操作，所述小口径反射元件阵列3在仪器校准过程的安装及拆卸操作，所述参考镜5在仪器校准过程中的安装、拆卸操作，可以采用一个精密多自由度机械臂，在规定数控程序的指令下完成响应的操作任务。
综上，本发明能够用于巨型光学平面反射阵列装置中各组成反射元件的指向偏差精密检测并能够精密调整各组成反射元件的指向实现高指向一致性(简称为准直)。在对仪器进行了校准之后，在基体装置的检测工位上安装待检测的巨型光学平面反射阵列对象，可以完成对巨型光学平面反射阵列装置各组成反射元件的准直操作，具有较好的检测效率和准直精度。既可以对极大口径的光学平面反射阵列进行检测并准直，也能够在大口径激光干涉仪难以使用的工程条件下开展工作，并能够实现较高的准直精度。这对于天文、航天、巨型激光驱动器领域的许多巨型平面反射阵列的检测与准直工作，有重要的促进意义。

Claims (8)

1.一种巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直仪器，其特征在于，包括一个基体装置(1)，基体装置(1)上有多个采用标准联接方式的为元件及检测仪器提供安装定位功能的接口，在基体装置(1)上水平安装有小口径反射元件阵列(3)，在基体装置(1)上竖直安装有小口径半透半反元件阵列(4)，在基体装置(1)上安装一个在竖直面上二维运动的大口径反射元件(5)，在基体装置(1)上安装有可移动并精密调整的光学自准直仪(6)，待准直的巨型平面反射阵列装置(2)安装在基体装置(1)的检测工位上，其中，所述巨型平面反射阵列装置(2)包括一个大尺寸镜架装置(9)和在大尺寸镜架装置(9)中以阵列方式布置的若干反射镜(10)，大尺寸镜架装置(9)以45度向下的方式安装在基体装置(1)上，每个反射镜(10)通过三个精密铰链机构(11)与镜架装置(9)联接，并可通过对三个精密铰链(11)的微调来改变反射镜(10)的指向，从而实现准直操作，所述光学自准直仪(6)发出的检测光，在半透半反元件上分为两束，一束直接返回光学自准直仪(6)，另一束透过后射向待准直的反射镜(10)，射向待准直的反射镜(10)的检测光经反射，射向水平放置的小口径反射元件，再被反射回反射镜(10)，并透过半透半反元件回到光学自准直仪(6)。
2.根据权利要求1所述巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直仪器，其特征在于，所述基体装置(1)的结构稳定，所述大口径反射元件(5)为参考镜。
3.根据权利要求1所述巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直仪器，其特征在于，所述小口径反射元件阵列(3)的镜框在基体装置(1)上的水平安装位(7)处固定并保持水平状态，所述小口径半透半反元件阵列(4)的镜框在基体装置(1)上的竖直安装位(8)处固定并保持竖直状态。
4.根据权利要求1或3所述巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直仪器，其特征在于，各个小口径反射元件以可微调的联接件安装在小口径反射元件阵列(3)的镜框之上，各个小口径半透半反元件以可微调的联接件安装在小口径半透半反元件阵列(4)的镜框之上。
5.根据权利要求4所述巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直仪器，其特征在于，各个小口径反射元件以可微调进给量的螺旋联接件安装在小口径反射元件阵列(3)的镜框之上，各个小口径半透半反元件以可微调进给量的螺旋联接件安装在小口径半透半反元件阵列(4)的镜框之上，每个反射镜(10)可通过对三个精密铰链(11)的螺旋微调来改变反射镜(10)的指向。
6.利用权利要求1所述巨型光学平面反射阵列装置的超精密准直仪器的准直方法，其特征在于，步骤如下：
(1)将待准直的巨型平面反射阵列装置(2)安装到基体装置(1)的待检测工位上，待准直的巨型平面反射阵列装置(2)以45度向下的方式与小口径半透半反元件阵列(4)相对；
(2)对一个反射镜(10)进行准直操作时，以经过精密调整对准的小口径半透半反元件阵列(4)作为整个准直仪器的测量基准；
(3)操作光学自准直仪(6)，发出的检测光在半透半反元件上将分为两束：一束直接返回光学自准直仪(6)，另一束透过后射向待准直的反射镜(10)；
(4)射向待准直的反射镜(10)的检测光经反射，射向水平放置的小口径反射元件，再被反射回反射镜(10)，并透过半透半反元件回到光学自准直仪(6)；
(5)在光学自准直仪(6)上观察两束检测光形成的光点距离，通过对反射镜上的三个精密铰链(11)进行螺旋微调来改变待准直的反射镜(10)的指向，直至两个光点的距离满足可接受的偏差；
(6)以经过精密调准的小口径半透半反元件阵列(4)作为整个准直系统的基准，按照上述步骤完成对所有反射镜(10)的检测与准直操作，从而让所有反射镜(10)保持指向一致性。
7.根据权利要求6所述准直方法，其特征在于，准直仪器在正式使用前，采用如下方法对小口径半透半反元件阵列(4)进行校准：
(1)在基体装置(1)上安装好小口径半透半反元件阵列(4)，并安装大口径反射元件(5)和安装光学自准直仪(6)，使小口径半透半反元件阵列(4)与大口径反射元件(5)平行；
(2)操作光学自准直仪(6)，发出的检测光在半透半反元件上分为两束，一束由半透半反元件反射回光学自准直仪(6)，另一束透过半透半反元件后会射向大口径反射元件(5)并由大口径反射元件(5)反射回光学自准直仪(6)；
(3)在光学自准直仪(6)上观察反射回来的两束检测光形成的光点之间的距离，连续微调小口径半透半反元件的安装直至两个光点的距离满足可接受的偏差；
(4)以大口径反射元件(5)为基准，按照上述方法依次调整在大口径反射元件(5)的反射口径内各个小口径半透半反元件的指向，使其均达到指向一致性；
(5)平移大口径反射元件(5)，使其反射口径能够包括到未进行校准的其他半透半反元件；
(6)以经过校准的小口径半透半反元件为基准，光学自准直仪(6)发出的检测光经过半透半反元件和大口径反射元件(5)的反射后会在光学自准直仪(6)上形成两个检测光点，微调大口径反射元件(5)的安装，使得两个光点的距离在可接受的偏差范围；
(7)对未经过校准的小口径半透半反元件，以大口径反射元件(5)为基准，光学自准直仪(6)发出的检测光经过半透半反元件和大口径反射元件(5)的反射后会在光学自准直仪(6)上形成两个检测光点，连续微调小口径半透半反元件的安装使得两个光点的距离接近到可以接受的偏差范围为止；
(8)按照上述方法，逐步完成对所有半透半反元件的校准，使他们达到指向一致性并作为整个精密准直仪器的测量基准，然后移动大口径反射元件(5)离开仪器上的通光通道区域。
8.根据权利要求6或7所述准直方法，其特征在于，准直仪器在正式使用前，采用如下方法对小口径反射元件阵列(3)进行校准：
(1)以经过校准的小口径半透半反元件阵列(4)为基准，将小口径反射元件阵列(3)竖直安装到位于基体装置(1)上、小口径半透半反元件阵列(4)前的竖直安装位(12)上，并与小口径半透半反元件阵列(4)保持平行状态；
(2)光学自准直仪(6)发出的检测光经过半透半反元件和待校准的小口径反射元件的反射后会在光学自准直仪(6)上形成两个检测光点，连续微调小口径反射元件的安装使得两个光点的距离接近到可以接受的偏差范围为止，经过校准的小口径反射元件阵列会达到指向一致性；
(3)从竖直安装位(12)上拆卸小口径反射元件阵列(3)，并重新安装到基体装置(1)上的水平安装位(7)上，然后使用水平仪将小口径反射元件阵列(3)精确调整水平。
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