CN110361163A - 平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置及方法。该装置包括二维平移机构、悬式平行光管、待检光学系统、夏克‑哈特曼检测仪，所述悬式平行光管悬挂于可X、Y方向运动的二维平移机构上，所述悬式平行光管设置于待检光学系统的上方，并按照预定轨迹扫描待检光学系统的全口径，所述夏克‑哈特曼检测仪用于获取光斑质心位置。本发明采用悬式平行光管扫描来产生大范围精确向下的平行光束，解决了扫描检测精度受指向误差制约的问题，精度很高，满足对大型光学系统的检测要求；本发明利用悬挂的物体在重力场中稳定后，总是竖直向下的特点，采用普通的二维导轨平移机构，就能达到极高的精度，降低了制造成本。

Description

平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置及方法
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种使用平行光管，采用悬挂扫描方式检测大口径光学系统的方法。
背景技术
传统的大口径光学系统检测技术通常需要利用高精度的大口径标准元件，如采用平行光管检测、干涉仪自准检测等。但随着待检设备口径不断增大、精度要求不断提高，标准元件加工越发困难。鉴于使用大口径标准元件开展光学系统检测存在的种种限制，科研工作者开始研究使用小光学元件作为扫描单元，扫描检测大口径光学系统的技术，如子孔径拼接检测技术、五棱镜扫描检测技术、扫描哈特曼检测法等。
子孔径拼接技术检测望远镜时，机械臂带动小口径的参考镜进行扫描运动，遍历整个待检系统的全部通光口径，通过拼接算法将每一个子孔径得到的波像差信息重建后即可得到系统的波面。然而这一技术也存在一定局限性：随着平面镜口径的增大，采用子孔径拼接时的拼接次数随之增大，由于拼接算法本身可能会产生一定的低阶倾斜等难以消除的误差，导致最终拼接结果精度降低，这一误差同时导致子孔径检测技术对低阶像差不够敏感，而低阶离焦和像散等正是我们关心的信息。
五棱镜扫描检测法利用五棱镜将光线转折90°的特性，沿扫描路径测试大口径光学系统某一方向上出射波面质心光斑的微小变化量，从而实现大口径波前质量的检测。五棱镜检测法方法所需设备简单，只需质量较好的五棱镜和平直性高的导轨，同时检测精度较高，从而得到广泛应用。但该方法仅能获得扫描路径上一维波前信息，若想得到二维波面信息，就需要通过旋转五棱镜组或光学系统实现不同方向的扫描，这将引入难以消除的额外误差。
扫描哈特曼检测法是一种基于哈特曼原理的小口径单元扫描的检测方式。在二维导轨带动下，小口径平行光管按照特定轨迹扫描遍历待检波前的全口径，将采样结果转化为波前斜率数据，从而得到实际待检波前信息。因其在二维导轨移动，机械误差引起了平行光管指向发生改变，带来了较大的检测误差。导轨自身以低阶形式存在的直线度误差对检测精度有较大影响，在实际工程应用中应对其进行标定与多项式拟合。
发明内容
本发明提出一种平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置及方法，解决目前大口径光学系统检测中，大口径标准件加工困难，扫描检测精度受指向误差制约的问题，以建立一种具有高精度、易实现的光学系统检测技术。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置，包括二维平移机构、悬式平行光管、待检光学系统、夏克-哈特曼检测仪，所述悬式平行光管悬挂于可X、Y方向运动的二维平移机构上，所述悬式平行光管设置于待检光学系统的上方，并按照预定轨迹扫描待检光学系统的全口径，所述夏克-哈特曼检测仪用于获取光斑质心位置。
更进一步地，所述悬式平行光管包括小口径平行光管、阻尼叶筒和油筒，所述阻尼叶筒套设在小口径平行光管外，所述油筒中设置有油液，所述阻尼叶筒的叶片浸于油液中。
更进一步地，所述油筒包括外部筒状侧壁和由筒状侧壁向内弯折后形成内部侧壁，外部筒状侧壁和内部侧壁之间的空间用于容纳油液，所述阻尼叶筒的侧壁位于外部筒状侧壁和内部侧壁之间。
更进一步地，所述油液为硅油。
更进一步地，还包括滑板、金属丝，所述外部筒状侧壁的上端与滑板相连，所述小口径平行光管通过金属丝与滑板相连。
更进一步地，所述金属丝为钨丝。
更进一步地，在小口径平行光管的下端设置有安全挡块。
本发明还提供一种平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的方法，将一悬式平行光管悬挂在一可X、Y方向运动的二维平移机构上，撤去外力干扰时，平行光管将绕悬点来回摆动，一段时间后，摆动振幅越来越小并趋于完全静止，停在平衡位置；在二维平移机构的带动下，使用悬式平行光管按照预定轨迹扫描待检光学系统的全口径；悬式平行光管产生的平行光入射到待检光学系统内，被入射光所覆盖的部分系统将入射的平行光聚焦到成像焦面上；通过提取夏克-哈特曼检测仪中光斑质心位置，计算出任一焦点处与理想位置的偏移量，进而得到对应子孔径内的波前平均斜率，再引入波前重构算法还原待检波前信息，从而得出待测大口径光学系统在小平行光管处的成像波面误差。
本发明对比已有技术具有以下的优点：
(1)本发明提出的用悬式平行光管扫描来产生大范围精确向下的平行光束，解决了扫描检测精度受指向误差制约的问题，精度很高，满足对大型光学系统的检测要求。
(2)现有扫描检测技术要提高精度，对设备的制造要求极高。本发明提出的方法，利用悬挂的物体在重力场中稳定后，总是竖直向下(指向地心)的特点，采用普通的二维导轨平移机构，就能达到极高的精度，降低了制造成本。
重力场中物体的指向精度分析：重力方向指向地心，当地面上相隔为a的两处A和B，其重力方向的夹角是θ，地球的周长c为40076km,则：
θ＝(360*60*60)*a/40076
例如：待测系统口径为2m,则对应的指向误差为0.06″。
附图说明
图1为悬式平行光管扫描检测原理图。
图2为悬式平行光管结构图。
图3为二维平移机构的一种实施结构图。
图中标记：1、二维平移机构；2、悬式平行光管；3、待检光学系统；4、夏克-哈特曼检测仪；5、滑板；6、金属丝；7、小口径平行光管；8、阻尼叶筒；9、硅油；10、油筒；11、安全挡块；12、金属丝安装板；13、X向导轨；14、Y向导轨。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
本发明的平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置如图1所示。将一悬式平行光管2悬挂在一可X、Y方向运动的二维平移机构1上，撤去外力干扰时，平行光管将绕悬点来回摆动，一段时间后，摆动振幅越来越小并趋于完全静止，停在平衡位置。在二维平移机构1的带动下，使用悬式平行光管2按照特定轨迹扫描待检光学系统3的全口径。小口径平行光管产生的平行光入射到待测系统3内，被入射光所覆盖的部分系统会将入射的平行光聚焦到成像焦面上。夏克哈德曼检测仪放置在卡式焦点位置处。通过提取夏克-哈特曼检测仪4中光斑质心位置，计算出任一焦点处与理想位置的偏移量，进而得到对应子孔径内的波前平均斜率，再引入波前重构算法还原待检波前信息，从而得出待测大口径光学系统在小平行光管处的成像波面。
本发明中，对二维平移机构1的结构没有特别限制，凡是能够实现二维运动的装置均能够实现本发明的目的。例如，平移机构设计可参考图3，金属丝安装板12下方设置两层导轨，分别为X向导轨13、Y向导轨14。本实施例仅以如图1所示的滑板5和轨道的配合结构为例进行说明。
作为本发明的进一步改进，上述悬式平行光管的结构如图2所示。使用细金属丝6(如钨丝)将小口径平行光管7悬挂在一可沿X、Y方向运动的滑板5上。在悬挂的平行光管外加上阻尼叶筒8(带孔片)，并将叶片浸在硅油9中，硅油装在油筒10内。为了保护待检光学系统，在平行光管下端设置有安全挡块11。装调测试悬式平行光管时，转动悬式平行光管使其方位改变90°，通过调整小口径平行光管7与阻尼叶筒8的相对位置，保证方位改变时光束指向不变。
本发明的平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的方法具体如下：
首先，按照需检测的光学系统，设计一套X、Y向二维平移机构；
其次，准备一套小口径平行光管，并使用细金属丝(如钨丝)将其悬挂在可沿X、Y方向运动的平移机构上，本发明将这种悬挂在细金属丝上的平行光管称为悬式平行光管；
然后，使用悬式平行光管按照特定轨迹扫描待检光学系统的全口径；
最后，通过提取夏克-哈特曼检测仪中光斑质心位置，计算出任一焦点处与理想位置的偏移量，从而得出待测大口径光学系统在小平行光管处的成像波面误差。
综上所述，本发明提出一种使用平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置及方法，利用悬式平行光管在重力场中高精度的位置指向，消除以往扫描技术中的指向误差，提高了扫描检测精度，为检测大口径光学系统提供一种新手段。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置，其特征在于：包括二维平移机构(1)、悬式平行光管(2)、待检光学系统(3)、夏克-哈特曼检测仪(4)，所述悬式平行光管(2)悬挂于可X、Y方向运动的二维平移机构(1)上，所述悬式平行光管(2)设置于待检光学系统(3)的上方，并按照预定轨迹扫描待检光学系统(3)的全口径，所述夏克-哈特曼检测仪(4)用于获取光斑质心位置。
2.根据权利要求1所述的平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置，其特征在于：所述悬式平行光管(2)包括小口径平行光管(7)、阻尼叶筒(8)和油筒(10)，所述阻尼叶筒(8)套设在小口径平行光管(7)外，所述油筒(10)中设置有油液，所述阻尼叶筒(8)的叶片浸于油液中。
3.根据权利要求2所述的平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置，其特征在于：所述油筒(10)包括外部筒状侧壁和由筒状侧壁向内弯折后形成内部侧壁，外部筒状侧壁和内部侧壁之间的空间用于容纳油液，所述阻尼叶筒(8)的侧壁位于外部筒状侧壁和内部侧壁之间。
4.根据权利要求2所述的平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置，其特征在于：所述油液为硅油(9)。
5.根据权利要求3所述的平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置，其特征在于：还包括滑板(5)、金属丝(6)，所述外部筒状侧壁的上端与滑板(5)相连，所述小口径平行光管(7)通过金属丝(6)与滑板(5)相连。
6.根据权利要求5所述的平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置，其特征在于：所述金属丝(6)为钨丝。
7.根据权利要求2所述的平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的装置，其特征在于：在小口径平行光管(7)的下端设置有安全挡块(11)。
8.平行光管悬挂扫描检测大口径光学系统的方法，其特征在于：将一悬式平行光管(2)悬挂在一可X、Y方向运动的二维平移机构(1)上，撤去外力干扰时，平行光管将绕悬点来回摆动，一段时间后，摆动振幅越来越小并趋于完全静止，停在平衡位置；在二维平移机构(1)的带动下，使用悬式平行光管(2)按照预定轨迹扫描待检光学系统(3)的全口径；悬式平行光管(2)产生的平行光入射到待检光学系统(3)内，被入射光所覆盖的部分系统将入射的平行光聚焦到成像焦面上；通过提取夏克-哈特曼检测仪(4)中光斑质心位置，计算出任一焦点处与理想位置的偏移量，进而得到对应子孔径内的波前平均斜率，再引入波前重构算法还原待检波前信息，从而得出待测大口径光学系统在小平行光管处的成像波面误差。
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