CN110779443B - 基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器及其工作方法，特征是在被测拼接镜面的子镜拼缝上放置平晶或者球面透镜，其前表面完全增透，后表面设置镀膜；在被测拼接镜面的子镜和平晶或球面透镜的另一侧放置平行光源，其光线经过半透半反棱镜垂直入射到平晶或者球面透镜后表面一部分光束返回，另一部分经过子镜表面沿原路反射，两束反射光形成干涉条纹，经半透半反棱镜进入显微放大成像系统，用CCD或CMOS探测器进行靶面接受和数字化成像，即可处理处相邻子镜的拼接误差。本发明避免了星光和波前传感器占用和浪费光学系统的有限的高成像质量视场，价格便宜、性能稳定、不受环境因素影响。适用于各种光学拼接镜面的相邻子镜之间拼接误差检测。

Description

基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于干涉原理的拼接镜面用接触式边缘传感器，用于各类拼接镜面光学系统，尤其是用于需要实现拼接天文望远镜镜面拼接误差检测(包括共焦和共相拼接镜面主动光学系统)的场合。本发明还涉及这种基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器的工作方法。

背景技术

高精度传感器技术是科学技术高度发展的必然选择。常见可用于拼接天文望远镜镜镜面时检测镜面高低的传感器有很多种，主要分为接触式和非接触式，直接检测式和间接检测式等等；接触式主要包括在镜面背面或者侧面安装的电容、电感、电涡流等位移传感器，通过预先定标来检测镜面高低；而非接触式主要有光纤位移传感器和其它基于光学系统的瞳孔检测和像面检测方法；直接检测是指直接获得高低差的位移表达，而间接检测则需要检测角度或者其它物理量通过公式或者方法间接获得位移。

上述多种方法及其所实现的位移传感器，都有各种各样的缺点。接触式测量在镜面背面或者侧面安装位移传感器，需要经常需要使用其它仪器来进行高低位置的传感器标定，比如Keck、SALT、LAMOST望远镜拼接主镜等，不能直接反映镜面拼接的绝对误差状态；而光纤位移传感器虽然能直接反映镜面的高低，但是因为采用光学能量检测，所以会给光学系统带来杂光等多种因素的影响(当然可以通过密封措施避免)，此外光纤端面与镜面距离会影响测量精度；基于光学检测系统的瞳孔面检测和像面检测方法，会受到大气湍流、温度变化、噪声等等各种环境因素变化的影响，精度有限并且检测批量有限，使用场合有限。

非接触直接检测镜面高低差的高精度电容式位移传感器(CN201010120779.2)，虽然能直接测量镜面高低差，精度高，但是电容传感器受环境影响较大，价格昂贵，且只能测量镜面高低差，无法同时获得镜面拼接误差的多个自由度误差(二面角误差和镜面高低差)。本申请还将提供这种基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器的工作方法。

发明内容

本发明目的是提供一种基于干涉原理的拼接镜面用接触式边缘传感器，通过在拼接镜面的拼缝上安装平行平晶或者小曲率半径球面透镜，利用人造准直光源和显微成像系统来观察拼缝两侧条纹的关系比较，通过图像处理能直接获取拼接镜面的拼接误差(二面角误差和活塞误差)。本发明具有原理清晰明了、结构紧凑、工艺简单等特点，可以采用人造光源，避免了在光学系统焦面上使用星光和波前传感器，占用和浪费光学系统的有限的高成像质量视场，比起常规光学望远镜中边缘位移传感器，价格便宜、性能稳定、不受环境因素影响、安装、装配和调试极为方便，安装精度要求低。本发明适用于各种光学拼接镜面的相邻子镜之间拼接误差检测。

完成上述发明任务的方案是，一种基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器(特别是接触式边缘传感器)，被测的各子镜镜面安装在支撑系统的桁架上，其特征在于，在所述被测拼接镜面的子镜拼缝上放置一个平晶或者球面透镜，所述平晶或者球面透镜前表面完全增透，其后表面按照一定的比例设置镀膜后的透过率和反射率；在所述被测拼接镜面的子镜和平晶或球面透镜的另一侧放置一个平行光源，该平行光源的光线经过半透半反棱镜垂直入射到平晶或者球面透镜后表面，一部分光束返回(平晶或者球面透镜后表面按照一定的比例设置镀膜后的透过率和反射率，通常不考虑被测镜反射率的时候，该后表面镀膜反射率设置为38％反射和62％透射，使得最终干涉的两束光光强接近1:1，如果被测镜反射率稍低，那后表面镀膜反射率也要随之下降)，另一部分光束继续经过被测拼接子镜表面再沿原路反射回来，两束反射光之间有固定光程差，从而形成干涉条纹，经过半透半反棱镜后进入显微放大成像系统，在后接成像面用CCD或者CMOS探测器对条纹进行靶面高分辨接收和数字化成像，通过对高分辨条纹进行数字图像处理和推导即可处理出相邻子镜的拼接误差。

以上方案中，需要针对被测拼接镜面的面型选择形成干涉条纹的器件，如果是球面或者非球面被测镜，可以采用平晶(图1和图2实现形式)获得等厚干涉的同心圆形条纹，如果是平面被测镜或者大曲率半径被测镜则采用球面透镜(图3和图4实现形式)获得等厚干涉的同心圆形条纹；此外可以根据需要选择不同的入射光波长，以提高条纹密度，提高检测精度；可以根据需要选择探测器的像素单元的分辨率大小，改进条纹位置检测精度。这里的入射光波长可以根据探测器的灵敏度范围选择可见光区域，波长越短条纹越密，检测精度越高；而探测器像素单元的分辨率大小范围，根据国际市场上探测器产品不同，有几微米至几十微米不等，像素分辨率大小越小，测量精度越高。

本发明的工作原理是：

首先，提出一种基于干涉原理的拼接镜面用接触式边缘传感器，我们称之为干涉边缘传感器。用平晶或球面透镜(平凹或者平凸透镜)放置于被测拼接镜面的相邻子镜的拼缝上，呈现接触式测量(为避免接触损坏，可以用薄软垫隔离)，该光学元件的前表面上镀透射增透膜，后表面上镀一定比例的反射膜，使得反射光和透射过去并再次返回经过该光学元件的光的光强基本一致(1:1)。在光学元件放置到位后，光学元件前放置一个半透半反棱镜，一束准直的平行光从侧向入射半透半反棱镜，然后经过平晶或球面透镜，部分反射回，另一部分透射出去然后被被测的拼接子镜反射回头经过平晶或球面透镜后，两束光具有稳定的光程差，形成等厚干涉条纹，再经过半透半反棱镜后，成像在高分辨的探测器上，通过数字图像处理，获得条纹的圆心和半径分布，根据条纹信息，就可以重建出拼接子镜拼接误差信息。

下面以图1对干涉边缘传感器的等厚原理和特性进一步说明(图2、图3、图4原理类似，只是光程差表达略有区别、图像处理方法类似)。对于理想拼接的拼接子镜而言，上述等厚干涉原理和特征会形成明暗相间的同心圆条纹(牛顿环)，如图5的左图，对应公式如下：图1干涉边缘传感器的条纹的整体光强分布可以表示为：

r₀为平晶的半径，R为被测镜曲率半径，λ为测试光波长,θ_x为相邻拼接镜面的旋转误差(绕X轴，Tip误差)，θ_y为相邻拼接镜面的旋转误差(绕Y轴，Tilt误差)，p为相邻拼接镜面的镜面高低差(Piston，活塞误差)，tan(θ_y)y+tan(θ_x)x+p为拼接误差表达，x和y分别为平晶/被测镜上坐标系直角坐标。

但是当相邻子镜发生拼接误差：倾斜误差(Tip/Tilt误差，分别是绕X轴旋转和绕Y轴旋转，XY坐标系在子镜面内)和活塞误差(Piston误差，镜面高低差)，上述明暗相间的同心圆条纹，就会对应相邻子镜切分成两部分，两部分的各自同心圆弧(不再是整圆)条纹的圆心坐标(X,Y)、亮暗纹条纹半径分布均有所不同，如图5的右图。

从左右圆弧条纹，通过图像处理算法，可以按照条纹光强公式，根据光强分布分别拟合出左右两个区的同心圆圆弧对应的上述拼接误差：倾斜误差(Tip/Tilt误差，分别是绕X轴旋转和绕Y轴旋转，XY坐标系在子镜面内)和活塞误差(Piston误差，镜面高低差)，也可以标定出上述拼接误差与圆心位置变化和条纹半径变化的关系，后续每次测量通过条纹拟合出左右两区的圆心位置和条纹半径分布的差别，反推出倾斜误差和活塞误差。

干涉边缘传感器可以放在拼接镜面上相邻子镜的拼缝上，测量两个子镜间的拼接误差，如图8，也可以放在拼接镜面的角点上，测量2-3个子镜间的拼接误差，如图9。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器的工作方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.根据被测拼接镜面子镜的面型选择不同的形成干涉条纹的器件；

所述被测拼接镜面的子镜是球面或者非球面被测镜时，采用平晶获得等厚干涉的同心圆形条纹；所述被测拼接镜面的子镜是平面或者是大曲率半径球面透镜时，则采用球面透镜获得等厚干涉的同心圆形条纹。

⑵.平行光源的光线经过半透半反棱镜垂直入射到平晶或者球面透镜后表面，一部分光束返回，另一部分光束继续经过被测拼接子镜表面再沿原路反射回来，两束反射光之间有固定光程差，从而形成干涉条纹；

⑶.所述的干涉条纹经过半透半反棱镜后进入显微放大成像系统，在后接成像面用CCD或者CMOS探测器对条纹进行靶面高分辨接收和数字化成像；

(4).通过对高分辨条纹进行数字图像处理和推导即可处理出相邻子镜的拼接误差。

本发明的有益效果是：一种基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器，能直接实现拼接镜面误差测量，具有原理清晰明确，结构紧凑，工艺原理简单、安装精度要求低、造价便宜、易批量生产、安装调试测试方便。本发明适用于各种拼接镜面光学系统的拼接误差检测。

附图说明

图1针对凹球面或非球面拼接镜面，采用平晶搭建的拼接镜面用边缘传感器；

图2针对凸球面或非球面拼接镜面，采用平晶搭建的拼接镜面用边缘传感器；

图3针对平面拼接镜面，采用平凸透镜搭建的拼接镜面用边缘传感器；

图4针对大曲率球面或非球面拼接镜面，采用平凸透镜搭建的拼接镜面用边缘传感器；

图5是图1拼接镜面用边缘传感器的等厚干涉条纹(没有拼接误差和有拼接误差)；

图6和图7是图5有拼接误差时左右区域等厚干涉条纹圆弧的圆心的位置变化和半径变化；

图8是干涉边缘传感器放置于相邻子镜的拼缝上，测量相邻两子镜拼接误差；

图9是干涉传感器放置于相邻子镜的角点上，可测相邻多个子镜的拼接误差。

图1中，1、光源，2、准直镜，3、半透半反棱镜，4、显微镜，5、探测器，6、平晶，7、被测凹球面拼接镜面。

图2中，1、光源，2、准直镜，3、半透半反棱镜，4、显微镜，5、探测器，6、平晶，8、被测凸球面拼接镜面。

图3中，1、光源，2、准直镜，3、半透半反棱镜，4、显微镜，5、探测器，9、平凸透镜，10、被测平面拼接镜面。

图4中，1、光源，2、准直镜，3、半透半反棱镜，4、显微镜，5、探测器，9、平凸透镜，7、被测凹球面拼接镜面。

具体实施方式

实施例1，参照图1:在图中凹球面拼接镜面7的拼缝上或者拼缝两端(角点)上放置平晶6(可以有简易薄垫，避免接触损坏，不影响测量和处理)，光源1和准直镜2形成准直平行光束，平行光束在光路外通过半透半反棱镜3进入光路后垂直入射到平晶6和拼接镜面7，平晶6前表面镀增透膜、后表面镀部分反射部分透射膜(使得最后从平晶6返回到半透半反棱镜3的两束反射光束能量接近，形成等厚干涉条纹)，干涉条纹经过显微镜4，成像在探测器5上，最后被计算机图像处理获得拼接镜面误差。

实施例2，参照图2，与实施例1基本相同，但拼接镜面8为凸球面或非球面反射镜；条纹成像在探测器5上，同样被计算机图像处理获得拼接镜面误差。本实例的等厚干涉条纹的光强分布与实例1有稍微区别，但是处理方法一样，通过拟合光强分布或通过图像圆心和半径变化求解。

实施例3，参照图3，与实施例1和实施例2基本相同，但拼接镜面10为平面反射镜，配套实现等厚干涉条纹的是平凸透镜9；平行光束在光路外通过半透半反棱镜3进入光路后垂直入射到平凸透镜9和拼接镜面10，平凸透镜9前表面镀增透膜、后表面镀部分反射部分透射膜(使得最后从平凸透镜9返回到半透半反棱镜3的两束反射光束能量接近，形成等厚干涉条纹)，条纹成像在探测器5上，同样被计算机图像处理获得拼接镜面误差。本实例的等厚干涉条纹的光强分布与实例1有稍微区别，与实例2类似，但是处理方法一样，通过拟合光强分布或通过图像圆心和半径变化求解。

实施例4，参照图4，与实施例1、实施例2和实施例3基本相同，但凹球面拼接镜面7为球面或者非球面反射镜，配套实现等厚干涉条纹的是平凸透镜9(曲率半径比拼接镜面7的曲率半径小)；平行光束在光路外通过半透半反棱镜3进入光路后垂直入射到平凸透镜9和拼接镜面7，平凸透镜9前表面镀增透膜、后表面镀部分反射部分透射膜(使得最后从平凸透镜9返回到半透半反棱镜3的两束反射光束能量接近，形成等厚干涉条纹)，条纹成像在探测器5上，同样被计算机图像处理获得拼接镜面误差。本实例的等厚干涉条纹的光强分布与实例1有稍微区别，与实例2和实例3类似，但是处理方法一样，通过拟合光强分布或通过图像圆心和半径变化求解。

实施例1和实施例4，可以在不同的拼接镜面曲率半径的时候，为了选择合适的条纹分布，避免条纹太密或者太稀疏，可以根据被测拼接镜面的曲率半径不同，选取一种合适的实施方式。

实施例1～4，还可以通过优化系统参数、光源波长和探测器像元大小等来进一步提高检测精度。

Claims (8)

1.一种基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器，被测的各子镜镜面安装在支撑系统的桁架上，其特征在于，在被测拼接镜面的子镜拼缝上放置一个平晶或者球面透镜，所述平晶或者球面透镜前表面完全增透，其后表面按照一定的比例设置镀膜，以控制其后表面的透过率和反射率；在所述被测拼接镜面的子镜和平晶或球面透镜的另一侧放置一个平行光源，该平行光源的光线经过半透半反棱镜垂直入射到平晶或者球面透镜后表面，一部分光束返回，另一部分光束继续经过被测拼接子镜表面再沿原路反射回来，两束反射光之间有固定光程差，从而形成干涉条纹，经过半透半反棱镜后进入显微放大成像系统，在后接成像面用CCD或者CMOS探测器对条纹进行靶面高分辨接收和数字化成像，通过对高分辨条纹进行数字图像处理和推导即可处理出相邻子镜的拼接误差。

2.根据权利要求1所述的基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器，其特征在于，所述被测拼接镜面的子镜是球面或者非球面被测镜时，采用平晶获得等厚干涉的同心圆形条纹；所述被测拼接镜面的子镜是平面或者是大曲率半径球面透镜时，则采用球面透镜获得等厚干涉的同心圆形条纹。

3.根据权利要求1所述的基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器，其特征在于，

干涉边缘传感器的条纹的整体光强分布表示为：

r₀为平晶的半径，R为被测镜曲率半径，λ为测试光波长,θ_x为相邻拼接镜面的旋转误差，θ_y为相邻拼接镜面的旋转误差，p为相邻拼接镜面的镜面高低差，tan(θ_y)y+tan(θ_x)x+p为拼接误差表达，x和y分别为平晶/被测镜上坐标系直角坐标。

4.根据权利要求3所述的基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器，其特征在于，当相邻子镜发生拼接误差：倾斜误差和活塞误差，明暗相间的同心圆条纹，就会对应相邻子镜切分成两部分，两部分的各自同心圆弧条纹的圆心坐标(X,Y)、亮暗纹条纹半径分布均有所不同；从左右圆弧条纹，通过图像处理算法，按照条纹光强公式，根据光强分布分别拟合出左右两个区的同心圆圆弧对应的上述拼接误差：倾斜误差和活塞误差，标定出上述拼接误差与圆心位置变化和条纹半径变化的关系，后续每次测量通过条纹拟合出左右两区的圆心位置和条纹半径分布的差别，反推出倾斜误差和活塞误差。

5.根据权利要求1-4之一所述的基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器，其特征在于，所述平晶或者球面透镜后表面镀膜反射率设置为38％反射和62％透射。

6.权利要求1所述的基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器的工作方法，其特征在于，步骤如下：

(1).根据被测拼接镜面子镜的面型选择不同的形成干涉条纹的器件；

(2).平行光源的光线经过半透半反棱镜垂直入射到平晶或者球面透镜后表面，一部分光束返回，另一部分光束继续经过被测拼接子镜表面再沿原路反射回来，两束反射光之间有固定光程差，从而形成干涉条纹；

(3).所述的干涉条纹经过半透半反棱镜后进入显微放大成像系统，在后接成像面用CCD或者CMOS探测器对条纹进行靶面高分辨接收和数字化成像；

(4).通过对高分辨条纹进行数字图像处理和推导处理出相邻子镜的拼接误差。

7.根据权利要求6所述的基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器的工作方法，其特征在于，步骤(1)所述的不同的形成干涉条纹的器件是指：所述被测拼接镜面的子镜是球面或者非球面被测镜时，采用平晶获得等厚干涉的同心圆形条纹；所述被测拼接镜面的子镜是平面或者是大曲率半径球面透镜时，则采用球面透镜获得等厚干涉的同心圆形条纹。

8.根据权利要求6或7所述的基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器的工作方法，其特征在于，干涉边缘传感器的条纹的整体光强分布表示为：

干涉边缘传感器的条纹的整体光强分布表示为：

r₀为平晶的半径，R为被测镜曲率半径，λ为测试光波长,θ_x为相邻拼接镜面的旋转误差，θ_y为相邻拼接镜面的旋转误差，p为相邻拼接镜面的镜面高低差，tan(θ_y)y+tan(θ_x)x+p为拼接误差表达，x和y分别为平晶/被测镜上坐标系直角坐标。

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