CN110501142B - 光学系统的检测装置以及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光学系统的检测装置以及检测方法，该检测装置通过在光信号产生元件与待测光学系统之间增加第一光路调节元件，以利用所述第一光路调节元件改变所述第一出射光的传播方向，形成第二出射光，所述第二出射光与所述第一出射光的传播方向不同，从而在利用该检测装置对待测光学系统进行性能测试时，可以利用所述第一光路调节元件改变所述第一出射光的传播方向，测试所述待测光学系统在不同视场下的性能，实现多个视场下的待测光学系统性能的检测，从而一方面可以提高待测光学系统的装调成功率，另一方面还可以提高待测光学系统最终的装配性能，另外，还可以满足待测光学系统对光束口径要求的不同需求。

Description

光学系统的检测装置以及检测方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及光学系统的检测装置以及检测方法。

背景技术

随着光学技术的发展，光学系统越来越广泛的应用于生活的方方面面，为我们更好地观察这个世界带来了极大的便利。

为了提高光学系统的性能，现有各类光学系统在装调制造过程中要经过性能测试试验，满足要求的情况下才能投入生产使用，这类测试在空间相机和太空望远镜等精密光学系统中尤为重要。

以典型的两镜系统Ritchey-Chretien望远镜为例，现有光学系统在装调制造过程中的性能测试实验以轴上视场为主，通过观察轴上视场，将轴上慧差调至零作为光学系统装调成功的标志。但是，实际使用中，对于部分光学系统，当其轴上慧差调至为零后，使其次镜绕着慧差自由点旋转一定角度，人为产生一定的装调误差，其轴上慧差依旧为零。由此可见，现多采用单一视场(即，轴上视场)来检验两镜系统是否装调成功的方法的精度有待提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了光学系统的检测装置以及检测方法，以提高待测光学系统装调成功的精度。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种光学系统的检测装置，包括：

光信号产生元件，所述光信号产生元件用于产生第一出射光；

第一光路调节元件，所述第一光路调节元件用于改变所述第一出射光的传播方向，形成第二出射光，射向待测光学系统，所述第二出射光经过所述待测光学系统形成第三出射光出射，所述第一出射光和所述第二出射光的传播方向不同；

第二光路调节元件，用于接收所述第三出射光，并对所述第三出射光进行反射，使其沿原光路返回到所述待测光学系统中。

可选的，所述第一光路调节元件包括第一子光路调节元件，所述第一子光路调节元件包括第一反射结构和第一位置调节结构，所述第一反射结构用于接收所述第一出射光，改变所述第一出射光的传播方向，形成所述第二出射光；所述第一位置调节结构固定连接所述第一反射结构，用于调节所述第一反射结构在第一预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度。

可选的，所述第一反射结构为平面反射镜，所述第一位置调节结构用于调节所述第一反射结构在第一预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个自由度。

可选的，所述第一光路调节元件包括第一子光路调节元件和第二子光路调节元件，其中，所述第一子光路调节元件包括第一反射结构和第一位置调节结构，所述第二子光路调节元件包括第二反射结构和第二位置调节结构；

所述第一反射结构用于接收所述第一出射光，改变所述第一出射光的传播方向，形成第四出射光；

所述第一位置调节结构固定连接所述第一反射结构，用于调节所述第一反射结构在第一预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度；

所述第二反射结构用于接收所述第四出射光，改变所述第四出射光的传播方向，形成所述第二出射光；

所述第二位置调节结构固定连接所述第二反射结构，用于调节所述第二反射结构在第二预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度。

可选的，所述第一反射结构为平面反射镜，所述第二反射结构为抛物面反射镜，所述第一位置调节结构用于调节所述第一反射结构在第一预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个自由度，所述第二位置调节结构用于调节所述第二反射结构在第二预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度。

可选的，所述第四出射光的汇聚点与所述第二反射结构的焦点重合。

可选的，所述第一反射结构为平面反射镜，所述第二反射结构为平面反射镜，所述第一位置调节结构用于调节所述第一反射结构在第一预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个自由度，所述第二位置调节结构用于调节所述第二反射结构在第二预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个自由度。

可选的，所述第二光路调节元件包括第三反射结构和第三位置调节结构；其中，

所述第三反射结构，用于接收所述第三出射光，改变所述第三出射的传播方向，使其按原光路返回到所述待测光学系统中；

所述第三位置调节结构固定连接所述第三反射结构，用于调节所述第三反射结构在第三预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度。

可选的，当所述第三出射光为平行光时，所述第三反射结构为平面反射镜，所述第三位置调节结构用于调节所述第三反射结构在第三预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个自由度。

可选的，当所述第三出射光为汇聚光时，所述第三反射结构为球面反射镜，所述第三位置调节结构用于调节所述第三反射结构在第三预设坐标系中的多个平动自由度中的至少一个自由度，使所述第三反射结构的焦点与所述待测光学系统的焦点重合。

一种光学系统的检测方法，应用于上述任一项所述的光学系统的检测装置该检测方法包括：

利用所述光信号产生元件产生第一出射光；

利用所述第一光路调节元件，改变所述第一出射光的传播方向，形成第二出射光，射向待测光学系统，所述第二出射光经过所述待测光学系统形成第三出射光出射，所述第一出射光和所述第二出射光的传播方向不同；

利用所述第二光路调节元件，对所述第三出射光进行反射，使其沿原光路返回到所述待测光学系统中，并经过所述第一光路调节进入所述光信号产生元件中，以便于产生检测数据，所述检测数据用于装配调试所述待测光学系统。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的光学系统的检测装置，通过在光信号产生元件与待测光学系统之间增加第一光路调节元件，以利用所述第一光路调节元件改变所述第一出射光的传播方向，形成第二出射光，所述第二出射光与所述第一出射光的传播方向不同，从而在利用该检测装置对待测光学系统进行性能测试时，可以利用所述第一光路调节元件改变所述第一出射光的传播方向，测试所述待测光学系统在不同视场下的性能，实现多个视场下的待测光学系统性能的检测，从而一方面可以提高待测光学系统的装调成功率，另一方面还可以提高待测光学系统最终的装配性能，即提高待测光学系统装调成功的精度。

另外，本申请实施例所提供的光学系统的检测装置中，所述第一光路调节元件包括第一子光路调节元件和第二子光路调节元件，所述第一子光路调节元件包括第一反射结构，所述第一反射结构为平面反射镜，用于接收所述第一出射光，改变所述第一出射光的传播方向，形成第四出射光，所述第二子光路调节元件包括第二反射结构，所述第二反射结构为抛物面反射镜，用于接收所述第四出射光，改变所述第四出射光的传播方向，形成所述第二出射光，从而可以通过所述第一反射结构和所述第二反射结构之间的距离得到不同口径大小的平行光束，避免所述光信号产生元件的口径大小对所述待测光学系统的测试视场的大小造成制约，使得该检测装置可以适用于不同光束口径大小的光学系统的性能检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种光学系统检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光学系统检测装置中第一光路调节元件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种光学系统检测装置中第一光路调节元件的结构示意图；

图4为图3提供的第一光路调节元件中的一种光路示意图；

图5为图3提供的第一光路调节元件中的另一种光路示意图；

图6为图4提供的第一光路调节元件中的各结构的位置关系示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种光学系统检测装置中第一光路调节元件中的光路示意图；

图8为本发明实施例提供的一种光学系统检测装置中，待测光学系统与第二光路调节元件之间的光路示意图；

图9为本发明实施例提供的一种光学系统检测装置内部的光路意图；

图10为本发明实施例提供的另一种光学系统检测装置内部的光路意图；

图11为本发明实施例提供的一种光学系统检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，现有采用单一用轴上视场来检验两镜系统是否装调成功的方法的精度有待提高。

研究发现，这是由于当次镜绕慧差自由点旋转一定角度，使得次镜存在装调误差(即装调元件偏离其理想位置或者设计位置值的误差量)时，两镜系统的三阶像散以及中间像面会因此而发生变化，这种情况下，如果只看轴上视场，其轴上视场的像差和理想情况的像差一样都是零，而除中心视场(即轴上视场)外，其他视场的像差不是零。需要说明的是，当光学系统中的某个光学表面绕某一个点旋转，该光学系统的三阶慧差场不发生改变时，这个点就是慧差自由点，需要说明的是，对于不同的光学系统来说，其结构不同，相应的参数不同，慧差自由点也就不同。

由此可见，采用单一用轴上视场来检验两镜系统是否装调成功的方法的精度有待提高，因此，需要在更多的视场下对两镜系统的性能进行测试检验。

需要说明的是，视场多用于光学工程中，又称视场角，它决定了光学系统的视野范围，通常以角度来表示，视场越大，观测范围越大。对于同轴旋转对称光学系统，理想情况下各个镜片都是旋转对称的，其光学系统的像质在各个视场上应该是近似相同的，但是由于存在加工、装配、应力变形等引入的误差，在装调过程中，需要进行多视场下的性能检测，从而保证光学系统最终的光学性能满足使用要求，对于离轴光学系统更是如此。也就是说，各类光学系统在装调制造过程中要经过多视场下的性能测试试验，即对多个视场下光学系统的波像差进行评估，具体可通过偏转视场，看各视场下光学系统的波像差是否达到标准值或设计值，如果有偏差，将不同视场下的波像差输入到安装误差解算系统中求解出这个误差，再次进行装调，直至满足要求的情况下才能投入生产使用，这类测试在空间相机和太空望远镜等精密光学系统中尤为重要。

针对上述问题，发明人研究发现，可以将干涉仪置于大型的转台上，通过转动干涉仪的转台直接控制干涉仪的偏转，从而实现对待测光学系统的测试视场的调节。但是，这一解决方案中由于干涉仪体积笨重而需要比干涉仪更大的转台，导致检测装置体积较大，检测较为不便，而且，干涉仪属于精密检测仪器，利用转台直接旋转干涉仪，也不符合干涉仪使用规范中少挪动并且避免置于不稳定的地方的守则。

发明人研究发现，还可以采用转动光学系统整体这一技术方案，即将光学系统置于一个与其尺寸相适应的转台上，通过转台控制光学系统整体围绕转台的中心转轴旋转，实现测试视场的调节，然而，不同的光学系统需要适配不同尺寸大小的转台，导致转台的兼容性不佳。而且，目前大部分的转台只能实现视场的偏转调节，如果需要实现视场的俯仰调节，则需要搭建更大的俯仰转台，体积较大，并且其稳定性也欠佳，调节范围有限，不利于光学系统性能的检测。

由此可见，无论是通过转动干涉仪所在的转台，还是转动光学系统所在的转台来实现待测光学系统的测试视场的调节，都存在成本高、调节难度大的问题。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种光学系统的检测装置，如图1所示，该检测装置包括：

光信号产生元件100，所述光信号产生元件100用于产生第一出射光；可选的，所述光信号产生元件为干涉仪。

第一光路调节元件200，所述第一光路调节元件200用于改变所述第一出射光的传播方向，形成第二出射光，射向待测光学系统300，所述第二出射光经过所述待测光学系统300形成第三出射光出射，所述第一出射光和所述第二出射光的传播方向不同；

第二光路调节元件400，用于接收所述第三出射光，并对所述第三出射光进行反射，使其沿原光路返回到所述待测光学系统300中。

在本发明实施例中，第一光路调节元件用于改变第一出射光的传播方向，使其传播方向发生偏转，可选的，该偏转角度范围为0°-180°，包括右端点值。具体的，在本发明的一个实施例中，第一光路调节元件使第一出射光的传播方向偏转了90°。在本发明的其他实施例中，第一光路调节元件还可使第一出射光的传播方向偏转其他角度，本发明对此并不做限定，具体视不同的待测光学系统的结构和光路的要求而定。

由上可知，本发明实施例所提供的检测装置，通过在光信号产生元件与待测光学系统之间增加第一光路调节元件，以利用所述第一光路调节元件改变所述第一出射光的传播方向，形成第二出射光，所述第二出射光与所述第一出射光的传播方向不同，从而在利用该检测装置对待测光学系统进行性能测试时，可以利用所述第一光路调节元件改变所述第一出射光的传播方向，测试所述待测光学系统在不同视场下的性能，实现多个视场下的待测光学系统性能的检测，进而一方面可以提高待测光学系统的装调成功率，另一方面还可以提高待测光学系统最终的装配性能，即提高待测光学系统装调成功的精度。

而且，本发明实施例所提供的检测装置，只需要调节第一光路调节元件，即可实现待测光学系统的测试视场调节，而无需转动体积笨重的光信号产生元件和待测光学系统，从而使得该检测装置无需设置与光信号产生元件和待测光学系统相匹配的大尺寸的转台，即可实现待测光学系统的测试视场的调节，降低了视场调节的难度。

另外，由于与光信号产生元件相匹配的转台的尺寸很大，要想达到相同精度，其制作难度大、成本高，而与光信号产生元件的转台相比，本发明所提供的检测装置中第一光路调节元件重量轻、尺寸小，要达到相同精度的要求，其需要的成本低、制作难度小，从而可以降低调节视场的成本和难度。

此外，本发明实施例所提供的检测装置，只需在光信号产生元件与待测光学系统之间增加第一光路调节元件，无需对检测过程和待测光学系统做过多的变动，从而使得该检测装置兼容性好，可移植程度强。

上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一光路调节元件包括第一子光路调节元件，所述第一子光路调节元件包括第一反射结构和第一位置调节结构，所述第一反射结构用于接收所述第一出射光，改变所述第一出射光的传播方向，形成所述第二出射光；所述第一位置调节结构固定连接所述第一反射结构，用于调节所述第一反射结构在第一预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度，以通过调节第一位置调节结构改变第一反射结构的位置，从而改变第二出射光的传播方向，进而实现第二出射光射向待测光学系统的入射角度的调节。

可选的，在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述第一反射结构211为平面反射镜，所述第一位置调节结构212用于调节所述第一反射结构211在第一预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个，具体的，所述第一位置调节结构212用于调节所述第一反射结构211在第一预设坐标系中沿X轴方向和Y轴方向的转动自由度，从而实现对第一反射结构的俯仰和偏转的调节，进而实现待测光学系统的测试视场的俯仰和偏转的调节。其中，X轴、Y轴和Z轴相互垂直，Y轴垂直于水平面，Z轴平行于待测光学系统的中心轴线。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一位置调节结构包括具有沿X轴和Y轴两个方向的转动自由度的二维精密转台，以通过对所述第一反射结构的X轴和Y轴两个方向的转动自由度的调节，实现待测光学系统测试视场位置的精确定位和标定，其中，不同的定位精度要求可以通过选择不同调节精度的精密转台来实现。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一位置调节结构具有绝对位置读取功能，以读取第一位置调节结构的当前值，以便于记录并作为后续数据的参考数据。可选的，所述第一位置调节结构的转动精度小于或等于1角分，以提高第一位置调节结构的调节精度，但本发明对此并不做限定，具体视所述待测光学系统性能检测的要求而定。

具体的，在本发明的一个实施例中，在中心视场下，第一光路调节元件中的各组成结构的状态为初始状态，即在中心视场下，所述第一位置调节结构和第一反射结构所处的状态为初始状态，可选的，在本发明的一个实施例中，在中心视场下，第一位置调节结构在所述第一预设坐标系中的X轴坐标和Y轴坐标均设为零，以简化调节所述第一反射结构至不同视场下时计算量。具体工作时，调节第一位置调节结构，使得入射到待测光学系统的光线与待测光学系统的中心轴线平行，使得所述待测光学系统的测试视场为中心视场，并将所述第一光路调节元件中各个结构所在的位置设为零位，那么在第一预设坐标系中，待测光学系统的测试视场(即具体测试时，所述第二出射光的视场)为：

其中，

为待测光学系统的测试视场，XField为

在X轴的分量，YField为

在Y轴的分量，ΔRY为第一位置调节结构在测试视场下的Y轴坐标相对于在中心视场下Y轴坐标的增量，ΔRX为第一位置调节结构在测试视场下的X轴坐标相对于在中心视场下X轴坐标的增量。

需要说明的是，本发明实施例所提供的检测装置在具体使用时，可以先通过调节第一位置调节结构使所述第一反射结构面向光信号产生装置，进行自准直面形检测，得到所述第一反射结构的面形数据，再通过调节第一位置调节结构使所述第一反射结构绕Y轴旋转不同角度，改变光信号产生装置出射的第一出射光的传播方向，形成具有不同视场的第二出射光，以实现多个视场下，所述待测光学系统性能的测试。

可选的，所述第一反射结构的面形数据包括RMS(即Root Mean Square，均方根)值，PV值(即Peakto Valley，峰值与谷值的差值)和波像差系数中的至少一个。具体的，在本发明的一个实施例中，所述第一反射结构的RMS值小于或等于(1/50)λ，以使得第一反射结构的均方根的数值精度大于或等于待测光学系统检测精度的1/2或者1/5，从而避免第一反射结构的均方根的数值精度对待测光学系统的检测精度造成限制。具体的，在本发明的一个实施例中，第一反射结构的均方根的数值精度大于待测光学系统检测精度的1/2或者1/5，从而通过提高第一反射结构的均方根的数值精度，进而提高本发明实施例所提供的检测装置对待测光学系统的检测精度。其中，λ是所述信号产生元件所用的氦氖激光器的波长，取值可以为632.8nm。但本发明对此并不做限定，具体视待测光学系统检测性能的要求而定。

需要说明的是，本发明实施例对所述第一反射结构的尺寸的大小也不做限定，具体根据待测光学系统检测的要求确定，可选的，如果待测光学系统所需要的入射光的光斑的直径为d，那么第一反射结构的尺寸至少能够覆盖直径为d的圆，具体来说，当所述第一反射结构的形状为方形时，所述第一反射结构最短的边的长度大于或等于d，当所述第一反射结构的形状为圆形时，所述第一反射结构的直径大于或等于d，在本发明的其他实施例中，所述第一反射结构的形状还可以为其他形状，本发明对此并不做限定，只要所述第一反射结构能够覆盖直径为d的圆即可。

由于本发明实施例所提供的检测装置，只需要通过第一位置调节结构调节第一反射结构即可实现待测光学系统的测试视场调节，而无需转动体积笨重的光信号产生元件和待测光学系统，从而使得该检测装置无需设置与光信号产生元件和待测光学系统相匹配的大尺寸的转台，即可实现待测光学系统的视场调节，降低了视场调节的难度。而且，由于与光信号产生元件相匹配的转台的尺寸很大，要想达到相同精度，其制作难度大、成本高，而本发明中该检测装置的第一位置调节结构重量轻、尺寸小，要达到相同精度的要求，其需要的成本低、制作难度小，从而降低所述检测装置的成本。

在本发明另一个实施例中，如图3所示，所述第一光路调节元件包括第一子光路调节元件和第二子光路调节元件，其中，所述第一子光路调节元件包括第一反射结构211和第一位置调节结构212，所述第二子光路调节元件包括第二反射结构221和第二位置调节结构222；其中，

所述第一反射结构211，用于接收所述第一出射光，改变所述第一出射光的传播方向，形成第四出射光；所述第一位置调节212结构固定连接所述第一反射结构211，用于调节所述第一反射结构211在第一预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度，以通过所述第一位置调节结构212改变第一反射结构211的位置，从而改变所述第四出射光的传播方向；

所述第二反射结构221用于接收所述第四出射光，改变所述第四出射光的传播方向，形成第二出射光；所述第二位置调节结构222固定连接所述第二反射结构221，用于调节所述第二反射结构221在第二预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度，以通过调节第二位置调节结构222改变第二反射结构221的位置，从而改变第二出射光的传播方向，进而实现第二出射光射向待测光学系统的入射角度的调节。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述第一预设坐标系和第二预设坐标系可以相同，也可以不同，可选的，所述第一预设坐标系为右手坐标系，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。下面以第一预设坐标系和第二预设坐标系相同为例进行描述。其中，所述右手坐标系即右手直角坐标系，是指在空间直角坐标系中，让右手拇指指向x轴的正方向，食指指向y轴的正方向，中指指向z轴的正方向。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，继续如图3所示，所述第一反射结构211为平面反射镜，所述第二反射结构221为抛物面反射镜，所述第一位置调节结构212用于调节所述第一反射结构211在第一预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个自由度，所述第二位置调节结构222用于调节所述第二反射结构221在第二预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度，以方便调节所述第二反射结构221的焦点的位置。

可选的，所述第一位置调节结构212用于调节所述第一反射结构在第一预设坐标系中沿X轴方向和Y轴方向的转动自由度，其中，X轴、Y轴和Z轴相互垂直，Y轴垂直于水平面，Z轴平行于待测光学系统的中心轴线；所述第二位置调节结构222调节所述第二反射结构在第二预设坐标系中沿X轴方向和Y轴方向的转动自由度，以及沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的平动自由度，其中，X轴、Y轴和Z轴相互垂直，Y轴垂直于水平面，Z轴平行于待测光学系统的中心轴线。具体的，所述第二位置调节结构222可以为包括具有沿X轴和Y轴两个方向的转动自由度以及沿X轴、Y轴和Z轴三个方向的平动自由度的五维精密转台，以通过对所述第二反射结构的X轴和Y轴两个方向的转动自由度以及X轴、Y轴和Z轴三个方向的平动自由度的调节，实现待测光学系统测试视场位置的精确定位和标定。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第二位置调节结构具有绝对位置读取功能，以读取第二位置调节结构的当前值，以便于记录并作为后续数据的参考数据。可选的，所述第二位置调节结构的平动精度小于或等于1微米，转动精度小于或等于1角分，以提高第二位置调节结构的检测调节精度，但本发明对此并不做具体限定，具体视所述待测光学系统检测性能的要求而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，当所述第四出射光的汇聚点与所述第二反射结构的焦点重合时，所述第四出射光由所述第二反射结构反射后形成的第二出射光为平行光。

具体的，如图4所示，在本发明实施例中，在第一光路调节元件200中，所述第一出射光110经过所述第一反射结构211反射后，射向所述第二反射结构221，基于二次曲面抛物面的特点，所述第一反射结构211的反射光束(即第四出射光)再经过第二反射结构221反射后得到的光束为平行光束(即第二出射光201为平行光束)。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图4所示，所述第二反射结构221的中心轴线CE与所述第二反射结构221的交点为E，所述第二反射结构221的中心轴线CE与所述第一反射结构211的交点为C，所述第一反射结构211与所述第二反射结构221之间的距离D为交点C与交点E之间的距离，即所述第一反射结构211与所述第二反射结构221之间的距离D为所述第一反射结构211的中心点与所述第二反射结构的中心点之间的距离，其中，所述第一反射结构211与所述第二反射结构221之间的距离D的取值根据待测光学系统的测试需要进行调节，以通过调节所述第一反射结构211与所述第二反射结构221之间的距离D得到不同口径大小的平行光束，避免所述光信号产生元件的口径大小对所述待测光学系统的测试视场的大小造成制约。

需要说明的是，所述第二反射结构221的中心轴线CE与待测光学系统的中心轴线平行或重合，下面以所述第二反射结构221的中心轴线CE与待测光学系统的中心轴线重合为例进行说明。

继续如图4所示，当所述第一反射结构211位于第二反射结构221的焦点B背离第二反射结构221的一侧时，所述第一出射光110汇聚点是在第一反射结构211中所成的像点，所述第一出射光110经由所述第一反射结构211反射后形成的第四出射光的汇聚点B为实点，那么所述第一反射结构211与所述第二反射结构221之间的距离D＝BE+BC，其中，BE为第二反射结构211的焦距，BC为交点C(即第一反射结构211与中心轴线CE的交点)与第二反射结构的焦点B(即第四出射光的汇聚点B)之间的距离。

如图5所示，当所述第一反射结构211位于第二反射结构221与所述第二反射结构221的焦点B之间时，所述第一出射光110汇聚点为实点(即所述第一出射光110在射向所述第一反射结构211前汇聚)，所述第一出射光110经由所述第一反射结构211反射后形成的第四出射光的汇聚点B是在第一反射结构中所成的像点，那么所述第一反射结构211与所述第二反射结构221之间的距离D＝BE-BC，其中，BE为第二反射结构221的焦距，BC为交点C(即第一反射结构211与中心轴线CE的交点)与第二反射结构221的焦点B(即第四出射光的汇聚点B)之间的距离。

另外，当第一反射结构211位于所述第二反射结构221的焦点上时，所述第一出射光110汇聚点以及第四出射光的汇聚点B均位于第一反射结构211上，且重合，所述第一反射结构211与所述第二反射结构221之间的距离D即为第二反射结构221的焦距。

具体的，在本发明实施例中，结合图4和6所示，如果将第一抛物面反射镜621替换为第二抛物面反射镜631，并将第二抛物面反射镜631沿X方向移动d1的距离，其他条件均不变，以使平面反射镜611的反射光束经过第二抛物面反射镜631反射后得到光束口径更大的平行光，那么第二抛物面反射镜631的焦距f2需要满足以下条件：f2＝f1+d1，f1为第一抛物面反射镜621的焦距，第二抛物面反射镜631与第一平面反射镜611之间的距离d2满足以下条件d2＝f2+d3，d3为第一平面反射镜与第二抛物面反射镜631的中心轴线之间的交点C1到第二抛物面反射镜631的焦点(即平面反射镜611的反射光束的汇聚点B1)之间的距离。

需要说明的是，增大第二反射结构的焦距，其他条件均不变，即所述第一反射结构211与所述第二反射结构221之间的距离D越大，所述第二出射光的光束口径越大，相反，减小所述第二反射结构的焦距，其他条件均不变，即所述第一反射结构211与所述第二反射结构221之间的距离D越小，所述第二出射光的光束口径越小，具体检测时，可根据所述待测光学系统所需的第二出射光的光束口径的大小调节第一反射结构与所述第二反射结构之间的距离,使待测光学系统全部置于该光束里面，而无需更换不同口径的光信号产生元件。

在本发明的另一个实施例中，如图7所示，第一光路调节元件200中的所述第一反射结构211为平面反射镜，所述第二反射结构221为平面反射镜，所述第一位置调节结构212用于调节所述第一反射结构211在第一预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个自由度，所述第二位置调节结构222用于调节所述第二反射结构221在第二预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个自由度。可选的，所述第一位置调节结构212用于调节所述第一反射结构211在第一预设坐标系中沿X轴方向和Y轴方向的转动自由度，所述第二位置调节结构222用于调节所述第一反射结构221在第一预设坐标系中沿X轴方向和Y轴方向的转动自由度。具体的，继续如图7所示，所述第一光路调节元件200将第一出射光110的传播方向偏转180°，形成第二出射光201，以便光信号产生元件和待测光学系统并排设置，使的所述检测装置所占用的空间较小。在本发明的其他实施例中，第一光路调节元件还可将第一出射光的传播方向偏转为其他角度，具体视情况而定。

可选的，在本发明实施例中，所述第一光路调节元件出射的第二出射光为平行光，当所述第二出射光与待测光学系统的中心轴线平行时，即所述待测光学系统的测试视场为中心视场。

随着科学技术的发展以及对太空望远镜、空间相机、导引头等武器装备性能的发展需求，太空望远镜、空间相机、导引头等武器装备对光学系统的性能要求越来越严苛，从而增大了对光学系统轴外视场性能检测的需求，因此，在本发明的其他实施例中，当所述第一光路调节元件出射的第二出射光与待测光学系统的中心轴线不平行(即第二出射光与待测光学系统的中心轴线存在大于0的夹角)时，所述待测光学系统的测试视场为轴外视场，从而实现待测光学系统所需要的特定视场下的性能检测，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

需要说明的是，所述第一光路调节元件还可以通过其他方式改变所述第二出射光的传播方向，从而改变待测光学系统所在的视场，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第二光路调节元件包括第三反射结构和第三位置调节结构；其中，

所述第三反射结构，用于接收所述第三出射光，改变所述第三出射的传播方向，使其按原光路返回到所述待测光学系统中；

所述第三位置调节结构固定连接所述第三反射结构，用于调节所述第三反射结构在第三预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度，以通过调节第三位置调节结构改变第三反射结构，从而改变第三出射光的传播方向，使其按原光路返回到所述待测光学系统中。

需要说明的是，本发明对所述第二光路调节元件用于改变待测光学系统出射的第三出射光的传播方向，使其沿原光路返回到所述待测光学系统的实现方式并不做限定，具体根据所述待测光学系统出射的第三出射光的类型决定的。

还需要说明的是，在本发明实施例中，当第一预设坐标系和第二预设坐标系相同时，所述第三预设坐标系可以与第一预设坐标系相同，也可以不同，当第一预设坐标系和第二预设坐标系不相同时，所述第三预设坐标系可以与第一预设坐标系和第二预设坐标系中的任一个相同，也可以与第一预设坐标系和第二预设坐标系中的任一个均不相同，本发明对此并不做限定。下面以第一预设坐标系、第二预设坐标系和第三预设坐标系相同为例，对本发明实施例所提供的检测装置进行描述。

可选的，如图8所示，在待测光学系统300和第二光路调节元件400之间的光路中，当所述第三出射光310为平行光时，所述第三反射结构411为平面反射镜，所述第三位置调节结构412用于调节所述第三反射结构411在第三预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个自由度。具体的，所述第三位置调节结构412用于调节所述第三反射结构411在第三预设坐标系中沿X轴方向和Y轴方向的转动自由度，其中，X轴、Y轴和Z轴相互垂直，Y轴垂直于水平面，Z轴平行于待测光学系统的中心轴线AA(即，待测光学系统的对称轴)。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第三位置调节结构包括具有沿X轴和Y轴两个方向的转动自由度的二维精密转台，以通过对所述第三反射结构的X轴和Y轴两个方向的转动自由度的调节，改变待测光学系统出射的第三出射光的传播方向，使其沿原光路返回到所述待测光学系统。

可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第三位置调节结构具有绝对位置读取功能，以读取第三位置调节结构的当前值，以便于记录并作为后续数据的参考数据。具体的，在本发明的一个实施例中，所述第三位置调节结构的转动精度小于或等于1角分，以提高第三位置调节结构的检测精度，本发明对此并不做限定，具体视所述待测光学系统检测性能的要求而定。

具体的，在本发明的一个实施例中，在中心视场下，第二光路调节元件中的各组成结构的状态为初始状态，即在中心视场下，所述第三位置调节结构和第三反射结构所处的状态为初始状态，可选的，在本发明的一个实施例中，在中心视场下，第三位置调节结构在所述第三预设坐标系中的X轴坐标和Y轴坐标均设为零，以简化调节所述第三反射结构至不同视场下时计算量。具体工作时，调节第一位置调节结构，使得入射到待测光学系统的光线为平行光，使得所述待测光学系统的测试视场为中心视场，并调节第三位置调节结构，使得入射到所述第二光路调节元件的光线沿原路反射回所述待测光学系统，然后将所述第一光路调节元件和所述第二光路调节元件中各个结构所在的位置设为零位。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图9所示，第一反射结构211为平面反射镜，第二反射结构221为抛物面反射镜，第三反射结构411为平面反射镜，其中，所述第一出射光110汇聚点位于所述第二反射结构221的焦点上，所述第一反射结构211位于所述第二反射结构221的焦点上，该检测装置的工作过程包括：光信号产生元件100发射第一出射光110射向第一反射结构211，调节第一位置调节结构使第一反射结构211改变第一出射光110的传播方向，形成第四出射光射向第二反射结构221，调节第二位置调节结构使第二反射结构221改变第四出射光的传播方向，形成平行的第二出射光201，射向待测光学系统300，第二出射光201经过待测光学系统300后形成第三出射光310，调节第三位置调节结构使第三反射结构411改变所述第三出射光310的传播方向，使其沿原光路返回到所述待测光学系统300中，进而依次通过第二反射结构221，第一反射结构211，最终沿原光路返回到光信号产生元件100中，获得待测光学系统300的干涉图信息，以便于对所述待测光学系统300的性能进行检测。

可选的，在本发明的一个实施例中，当所述第三出射光为汇聚光时，所述第三反射结构为球面反射镜，所述第三位置调节结构用于调节所述第三反射结构在第三预设坐标系中的多个平动自由度中的至少一个自由度，使所述第三反射结构的焦点与所述待测光学系统的焦点重合。需要说明的是，所述待测光学系统的焦点即为所述待测光学系统出射的第三出射光的汇聚点。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第三位置调节结构调节所述第三反射结构在第三预设坐标系中沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的平动自由度，其中，X轴、Y轴和Z轴相互垂直，Y轴垂直于水平面，Z轴平行于待测光学系统的中心轴线。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第三位置调节结构包括具有沿X轴、Y轴和Z轴三个方向的平动自由度的三维精密转台，以通过对所述第三反射结构的X轴、Y轴和Z轴三个方向的平动自由度的调节，改变待测光学系统出射的第三出射光的传播方向，使其沿原光路返回到所述待测光学系统。

可选的，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第三位置调节结构具有绝对位置读取功能，以读取第三位置调节结构的当前值，以便于记录并作为后续数据的参考数据。具体的，在本发明的一个实施例中，所述第三位置调节结构的平动精度小于或等于1微米，以提高第三位置调节结构的调节精度，本发明对此并不做限定，具体视所述待测光学系统检测性能的要求而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第三反射结构的RMS值小于或等于(1/50)λ，以使得所述第三反射结构的精度大于或等于待测光学系统检测精度的1/2或者1/5，从而避免第三反射结构的均方根对待测光学系统的检测精度造成限制。可选的，在本发明的一个实施例中，所述第三反射结构的RMS值小于(1/50)λ，以使得所述第三反射结构的精度大于待测光学系统检测精度的1/2或者1/5，从而通过提高所述第三反射结构的均方根的数值精度，提高本发明实施例所提供的检测装置对待测光学系统的检测精度。其中，λ是所述信号产生元件所用的氦氖激光器的波长，取值可以为632.8nm。但本发明对此并不做限定，具体视待测光学系统检测性能的要求而定。

需要说明的是，本发明对所述第三反射结构的尺寸的大小也不做限定，具体根据待测光学系统检测的要求确定，可选的，如果待测光学系统所射出的第三出射光的光斑的直径为d，那么第三反射结构的尺寸只要能够覆盖直径为d的圆即可。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，如图10所示，第一反射结构211为平面反射镜，第三反射结构411为球面反射镜，其中，所述第三反射结构411的球心与待测光学系统300的焦点(即第三出射光的汇聚点)重合，该检测装置的工作过程包括：光信号产生元件100发射第一出射光110射向第一反射结构211，调节第一位置调节结构使第一反射结构211改变第一出射光110的传播方向，形成平行的第二出射光201，射向待测光学系统300，第二出射光201经过待测光学系统300后形成汇聚的第三出射光310，调节第三位置调节结构使第三反射结构411改变所述第三出射光310的传播方向，使其沿原光路返回到所述待测光学系统300中，并通过第一反射结构211，最终沿原光路返回到光信号产生元件100中，获得待测光学系统300的干涉图信息，以用于所述待测光学系统300的性能的检测。

需要说明的是，本发明实施例提供的检测装置中的第一光路调节元件和第二光路调节元件的具体结构可以根据待测光学系统光路的特点任意组合，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述检测装置还包括气浮平台，继续如图10所示，所述光信号产生元件、第一光路调节元件和第二光路调节元件设置在气浮平台上，以提高该检测装置的稳定性。综上，本发明实施例提供的光学系统的检测装置，通过在光信号产生元件与待测光学系统之间增加第一光路调节元件，以利用所述第一光路调节元件改变所述第一出射光的传播方向，形成第二出射光，所述第二出射光与所述第一出射光的传播方向不同，从而在利用该检测装置对待测光学系统进行检测时，可以利用所述第一光路调节元件改变所述第一出射光的传播方向，测试所述待测光学系统在不同视场下的性能，实现多个视场下的待测光学系统性能的检测，进而提高待测光学系统装调成功的精度。

而且，本发明实施例所提供的检测装置，只需要调节第一光路调节元件即可实现待测光学系统的视场调节，而无需转动体积笨重的光信号产生元件和待测光学系统，从而无需设置与光信号产生元件和待测光学系统相匹配的大尺寸的转台即可实现待测光学系统的视场调节，降低了视场调节的难度，而且，由于本发明所提供的检测装置的第一光路调节元件重量轻、尺寸小，在满足较高的精度要求时，其需要的成本低、制作难度小，从而降低调节视场的成本和难度。

另外，本发明实施例所提供的检测装置，只需在光信号产生元件与待测光学系统之间增加第一光路调节元件，无需对检测过程和待测光学系统做过多的变动，从而使得该检测装置兼容性好，可移植程度强。

相应的，本发明还提供了一种光学系统的检测方法，该检测方法应用上述任一实施例中的检测装置，如图11所示，所述检测方法包括：

S1：利用所述光信号产生元件产生第一出射光；

S2：利用所述第一光路调节元件，改变所述第一出射光的传播方向，形成第二出射光，射向待测光学系统，所述第二出射光经过所述待测光学系统形成第三出射光出射，所述第一出射光和所述第二出射光的传播方向不同；

S3：利用所述第二光路调节元件，对所述三出射光进行反射，使其沿原光路返回到所述待测光学系统中，并经过所述第一光路调节进入所述光信号产生元件中，以便于产生检测数据，所述检测数据用于装配调试所述待测光学系统。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，在进行检测之前，该方法还包括：对第一反射结构进行自准直面形检测，获得第一光路调节元件的面形数据，以通过使用具有高精度的面形数据的第一光路调节元件，提高对待测光学系统性能的检测精度。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，第一反射结构为平面反射镜，第三反射结构为球面反射镜，该检测方法包括：通过调节第一位置调节结构使所述第一反射结构面向光信号产生元件，进行自准直面形检测，得到所述第一反射结构的面形数据；对所述第一反射结构进行自准直面形检测完后，利用所述光信号产生元件产生第一出射光，通过调节第一位置调节结构使所述第一反射结构绕Y轴旋转预设角度，改变光信号产生元件出射的第一出射光的传播方向，形成第二出射光，射向待测光学系统中，所述第二出射光经过所述待测光学系统后汇聚形成第三出射光，将第三反射结构放置在待测光学系统出射第三出射光的光路上，使所述第三反射结构的球心位于所述待测光学系统的焦点附近，再通过调节第三位置调节结构使所述第三反射结构的球心与待测光学系统的焦点重合，利用第三反射结构对所述第三出射光进行反射，使其沿原光路返回到所述待测光学系统中，并通过第一反射结构，最终沿原光路返回到光信号产生元件中，获得待测光学系统的干涉图信息，完成对所述待测光学系统的性能的检测。

可选的，在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述预设角度的取值范围0°-180°，具体的，所述预设角度可以为45°，本发明对此并不做具体限定，具体视情况而定。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述待测光学系统是根据所述待测光学系统的应用需求，按照相应的工艺流程进行光路搭建的，由于其已为本领域人员所熟知，本发明对此不再赘述。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，当所述光信号产生元件成像中的光斑最小且对中的时候，即可认为第三反射结构的球心与待测光学系统的焦点重合。

需要说明的是，在本发明实施例中，待测光学系统的干涉图信息反映了待测光学系统的光学性能，如果待测光学系统的干涉条纹越密，则表示所述待测光学系统的性能越差，也就是说，根据干涉条纹拟合得到的RMS和PV值越大，待测光学系统的性能越差；如果待测光学系统的干涉条纹越稀，则表示所述待测光学系统的性能越好，也就是说，根据干涉条纹拟合得到的RMS和PV值越小，待测光学系统的性能越好。

由上可知，本发明实施例所提供的光学系统的检测方法中，只需通过调节位于光信号产生元件与待测光学系统之间的第一光路调节元件，即可改变所述第一出射光的传播方向，形成第二出射光，所述第二出射光与所述第一出射光的传播方向不同，从而在利用该检测方法对待测光学系统进行检测时，可以利用所述第一光路调节元件改变所述第一出射光的传播方向，测试所述待测光学系统在不同视场下的性能，实现多个视场下的待测光学系统性能的检测，从而一方面可以提高待测光学系统的装调成功率，另一方面还可以提高待测光学系统最终的装配性能，即提高待测光学系统装调成功的精度。

而且，本发明实施例所提供的检测方法只需要调节第一光路调节元件即可实现待测光学系统的视场调节，而无需转动体积笨重的光信号产生元件和待测光学系统，降低了视场调节的难度。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种光学系统的检测装置，其特征在于，包括：

光信号产生元件，所述光信号产生元件用于产生第一出射光；

第一光路调节元件，所述第一光路调节元件用于改变所述第一出射光的传播方向，形成第二出射光，射向待测光学系统，所述第二出射光经过所述待测光学系统形成第三出射光出射，以测试待测光学系统在不同视场下的性能，实现多个视场下的所述待测光学系统性能的检测，所述第一出射光和所述第二出射光的传播方向不同；当所述第二出射光与待测光学系统的中心轴线平行时，所述待测光学系统中的测试视场为中心视场；当所述第一光路调节元件出射的第二出射光与待测光学系统的中心轴线不平行，第二出射光与待测光学系统的中心轴线存在大于0的夹角时，所述待测光学系统的测试视场为轴外视场，从而实现待测光学系统所需要的特定视场下的性能检测；

第二光路调节元件，用于接收所述第三出射光，并对所述第三出射光进行反射，使其沿原光路返回到所述待测光学系统中；

其中，所述第一光路调节元件包括第一子光路调节元件和第二子光路调节元件，所述第一子光路调节元件包括第一反射结构，所述第一反射结构为平面反射镜，用于接收所述第一出射光，改变所述第一出射光的传播方向，形成第四出射光，所述第二子光路调节元件包括第二反射结构，所述第二反射结构为抛物面反射镜，用于接收所述第四出射光，改变所述第四出射光的传播方向，形成所述第二出射光；

所述第一子光路调节元件还包括第一位置调节结构，所述第二子光路调节元件还包括第二位置调节结构；

所述第一位置调节结构固定连接所述第一反射结构，用于调节所述第一反射结构在第一预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度；

所述第二位置调节结构固定连接所述第二反射结构，用于调节所述第二反射结构在第二预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述第一位置调节结构用于调节所述第一反射结构在第一预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个自由度。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述第四出射光的汇聚点与所述第二反射结构的焦点重合。

4.根据权利要求2-3任一项所述的检测装置，其特征在于，所述第二光路调节元件包括第三反射结构和第三位置调节结构；其中，

所述第三反射结构，用于接收所述第三出射光，改变所述第三出射的传播方向，使其按原光路返回到所述待测光学系统中；

所述第三位置调节结构固定连接所述第三反射结构，用于调节所述第三反射结构在第三预设坐标系中的多个转动自由度和多个平动自由度中的至少一个自由度。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，当所述第三出射光为平行光时，所述第三反射结构为平面反射镜，所述第三位置调节结构用于调节所述第三反射结构在第三预设坐标系中的多个转动自由度中的至少一个自由度。

6.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，当所述第三出射光为汇聚光时，所述第三反射结构为球面反射镜，所述第三位置调节结构用于调节所述第三反射结构在第三预设坐标系中的多个平动自由度中的至少一个自由度，使所述第三反射结构的焦点与所述待测光学系统的焦点重合。

7.一种光学系统的检测方法，其特征在于，应用于权利要求1-6任一项所述的光学系统的检测装置，该检测方法包括：

利用所述光信号产生元件产生第一出射光；

利用所述第一光路调节元件，改变所述第一出射光的传播方向，形成第二出射光，射向待测光学系统，所述第二出射光经过所述待测光学系统形成第三出射光出射，以测试待测光学系统在不同视场下的性能，实现多个视场下的所述待测光学系统性能的检测，所述第一出射光和所述第二出射光的传播方向不同；当所述第二出射光与待测光学系统的中心轴线平行时，所述待测光学系统中的测试视场为中心视场；当所述第一光路调节元件出射的第二出射光与待测光学系统的中心轴线不平行，第二出射光与待测光学系统的中心轴线存在大于0的夹角时，所述待测光学系统的测试视场为轴外视场，从而实现待测光学系统所需要的特定视场下的性能检测；

利用所述第二光路调节元件，对所述第三出射光进行反射，使其沿原光路返回到所述待测光学系统中，并经过所述第一光路调节进入所述光信号产生元件中，以便于产生检测数据，所述检测数据用于装配调试所述待测光学系统。

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