CN111999037A - 用于光学望远镜系统的光学检测设备及方法 - Google Patents

用于光学望远镜系统的光学检测设备及方法 Download PDF

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付兴
岳娟
丑小全
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王鹏
康世发
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    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations

Abstract

本发明公开了一种用于光学望远镜系统的光学检测设备及方法，旨在解决现有技术中存在的无法明确光学望远系统在经过应力试验后其内部结构是否稳固，且无法明确不稳固是因为应力释放引起还是镜组松动引起的技术问题。本发明的光学检测设备包括激光器、分光镜、光管、汇聚反射镜、精密回转台、六维调整盘、自准直平面反射镜、CCD以及出光口平面反射镜；本发明的光学检测方法包括：步骤1)未安装光学望远系统的精密回转台自身晃动量的测量；步骤2)判断光学望远系统的稳固性。本发明的检测设备和检测方法简单且可靠，可以明确光学望远系统检测中引起镜片及镜组松动是因为应力释放引起的还是镜组松动引起的。

Description

用于光学望远镜系统的光学检测设备及方法
技术领域
本发明涉及光学检测设备及方法，具体涉及一种用于光学望远镜系统的光学检测设备及方法。
背景技术
在航天精密光学系统正式发射之前，必须对装校完成的光机组件进行环境力学试验，通过试验验证光学系统结构设计、制造质量及装配工艺潜在的缺陷及不稳定性。这样才能使光学系统在发射运载中承受火箭发动机，箭星(船)穿越大气摩擦及分离所产生的机械动态载荷扰动，从而保证光学系统在轨的可靠性。
本发明主要针对已完成光机装配调试的光学望远系统，当光学系统通过环境力学试验后，判断是否存在由于各种原因引起的镜片及镜组松动问题。现有的判断方法都是在固定的一个姿态下，如通过检测力学试验前后系统的波像差、MTF等，虽然能判断光学系统是否发生变化，但却无法明确定位是因为应力释放引起的还是镜组松动引起的。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的无法明确光学望远系统在经过应力试验后其内部结构是否稳固，且无法明确不稳固是因为应力释放引起还是镜组松动引起的技术问题，而提供一种用于光学望远镜系统的光学检测设备及方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于光学望远镜系统的光学检测设备，其特殊之处在于：包括激光器、分光镜、光管、汇聚反射镜、精密回转台、六维调整盘、自准直平面反射镜、CCD以及出光口平面反射镜；
所述激光器用于发射检测激光束；
所述分光镜用于将检测激光束透射至汇聚反射镜；
所述汇聚反射镜设置在光管内，用于将透射的检测激光束反射并形成平行光束；
所述光管用于调整汇聚反射镜的姿态；
所述六维调整盘上安装自准直平面反射镜或光学望远系统的目镜端；
所述自准直平面反射镜用于反射平行光束；
所述出光口平面反射镜设置在光学望远系统的出光口处，并与光学望远系统的主光轴垂直；
所述六维调整盘用于调整自准直平面反射镜或调整光学望远系统；
所述精密回转台驱动六维调整盘°旋转；
所述分光镜还用于将自准直平面反射镜或光学望远系统反射的平行光束经汇聚反射镜汇聚后，反射至CCD；
所述CCD用于记录光斑轨迹。
进一步地，还包括千分表；所述千分表用于测量自准直平面反射镜旋转时的背面跳动量。
进一步地，所述自准直平面反射镜及出光口平面反射镜的波相差均优于1/30λ。
进一步地，所述自准直平面反射镜通过第一平面反射镜工装安装于六维调整盘上；
所述出光口平面反射镜通过第二平面反射镜工装设置在光学望远系统的出光口处；
所述光学望远系统的目镜端通过目镜端法兰及连接工装设置于六维调整盘上。
进一步地，所述CCD为全波段CCD。
进一步地，所述激光器为光纤激光器。
基于上述的用于光学望远镜系统的光学检测设备的检测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1)未安装光学望远系统的精密回转台自身晃动量的测量：
1.1)在六维调整盘上安装自准直平面反射镜，精密旋转台360°旋转，调整六维调整盘使自准直平面反射镜背面跳动量≤5μm；
1.2)激光器发射检测激光束，检测激光束经分光镜透射至汇聚反射镜，汇聚反射镜所反射的平行光束经自准直平面反射镜反射；
1.3)调整光管相对精密回转台的姿态，使自准直平面反射镜反射的平行光束再次经汇聚反射镜和分光镜的两次反射后，在CCD上形成第一光斑；
1.4)精密回转台360°旋转，通过调节六维调整盘使第一光斑的画圆量达到最小，选取精密回转台上i个定点，i≥4，记录每个定点的第一光斑坐标值d1i；
步骤2)判断光学望远系统的稳固性：
2.1)标定光学望远系统的主光轴，在光学望远系统的出光口处安装出光口平面反射镜，使出光口平面反射镜的反射面与光学望远系统的主光轴垂直；
2.2)拆除六维调整盘上的自准直平面反射镜，再将光学望远系统的目镜端安装在六维调整盘上；精密旋转台360°旋转，调整六维调整盘使光学望远系统的目镜端跳动量＜0.01mm；
2.3)激光器再次发射检测激光束，检测激光束经分光镜透射至汇聚反射镜，所反射的平行光束从光学望远系统的目镜端进入光学望远系统后，经光学望远系统内部结构以及出光口平面反射镜作用后，从光学望远系统的目镜端出射；
2.4)由目镜端出射的平行光束经汇聚反射镜和分光镜的两次反射后，在CCD上形成第二光斑；
2.5)精密回转台360°旋转；
若第二光斑在CCD上呈现明显的跳动或呈不规则画圆，则调节六维调整盘，如果调节时其跳动或呈不规则画圆仍然没有改善，则判断光学望远系统内部结构出现松动；
若第二光斑在CCD上规则的画圆，则调节六维调整盘使第二光斑的画圆量达到最小，记录步骤1.4)中选取的每个定点的第二光斑坐标值d2i；当d1i＝d2i时，则判断光学望远系统内部结构稳固；当d1i＝xd2i且随着i的变化x为固定值时，则判断光学望远系统因应力释放导致其内部结构不稳固。
进一步地，步骤1.1)通过千分表测量自准直平面反射镜背面跳动量。
进一步地，步骤1.1)中在六维调整盘上安装自准直平面反射镜是通过第一平面反射镜工装安装自准直平面反射镜；
步骤2.1)中在光学望远系统的出光口处安装出光口平面反射镜是通过第二平面反射镜工装安装出光口平面反射镜。
进一步地，步骤2.2)中通过目镜端法兰及连接工装将光学望远系统的目镜端安装在六维调整盘上。
本发明的有益效果是：
本发明将被检光学望远系统与精密回转台连接，通过调节六维调整盘使使光学望远系统的主光轴与精密回转轴垂直，利用激光器发出的检测激光束依次通过分光镜、汇聚反射镜、光学望远系统内部光学元件到达出光口平面反射镜，再由出光口平面反射镜(与光学系统主光轴垂直)回到分光镜，经分光镜的反射被CCD接收，随着精密回转台的旋转，通过CCD上接收到的光斑画圆轨迹与对应角度轴系自身画圆轨迹的比对，可以判断出光学系统内部结构是否稳固。本发明的检测设备和检测方法简单且可靠，可以明确光学望远系统检测中引起镜片及镜组松动是因为应力释放引起的还是镜组松动引起的。
附图说明
图1是本发明一种用于光学望远镜系统的光学检测设备的六维调整盘上安装自准直平面反射镜时的结构示意图；
图2是本发明一种用于光学望远镜系统的光学检测设备的六维调整盘上安装光学望远镜系统时的结构示意图。
附图说明：
1-激光器，2-分光镜，3-光管，4-汇聚反射镜，5-精密回转台，6-六维调整盘，7-自准直平面反射镜，8-CCD，9-出光口平面反射镜，10-光学望远系统，11-第一平面反射镜工装，12-第二平面反射镜工装，13-主光轴。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于光学望远镜系统的光学检测设备及方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
本发明一种用于光学望远镜系统的光学检测设备，如图1、图2所示，包括激光器1、分光镜2、光管3、汇聚反射镜4、精密回转台5、六维调整盘6、自准直平面反射镜7、千分尺、CCD 8以及出光口平面反射镜9；
激光器1用于发射检测激光束，该激光器1为光纤激光器；
分光镜2用于将检测激光束透射至汇聚反射镜4；
汇聚反射镜4设置在光管3内，用于将透射的检测激光束反射并形成平行光束；
光管3用于调整汇聚反射镜4的姿态；
六维调整盘6上通过第一平面反射镜工装11安装自准直平面反射镜7或通过连接工装及目镜端法兰安装光学望远系统10的目镜端；
自准直平面反射镜7用于反射平行光束，其波相差优于1/30λ；
千分表用于测量自准直平面反射镜7旋转时的背面跳动量；
出光口平面反射镜9通过第二平面反射镜工装12设置在光学望远系统10的出光口处，并与光学望远系统10的主光轴13垂直；出光口平面反射镜9的波相差优于1/30λ；
六维调整盘6用于调整自准直平面反射镜7与平行光束垂直，或者调整光学望远系统10；
精密回转台5驱动六维调整盘6 360°旋转；
分光镜2还用于将自准直平面反射镜7或出光口平面反射镜9反射的平行光束经汇聚反射镜4汇聚后，反射至CCD 8；
CCD 8用于记录平行光束的光斑轨迹，该CCD 8为全波段CCD。
本发明一种用于光学望远镜系统的光学检测设备，其检测步骤如下：
步骤1)未安装光学望远系统的精密回转台自身晃动量的测量：
1.1)通过第一平面反射镜工装11在六维调整盘6上安装波相差优于1/30λ的自准直平面反射镜7，精密旋转台5 360°旋转，调整六维调整盘6，并用千分表测量自准直平面反射镜7背面最大跳动量，使自准直平面反射镜7背面跳动量≤5μm，即自准直平面反射镜7与精密旋转台5的回转轴近似垂直；
1.2)光纤激光器1发射检测激光束，检测激光束经分光镜透射2至汇聚反射镜4，汇聚反射镜4所反射的平行光束经自准直平面反射镜7反射；
1.3)调整光管3相对精密回转台5的姿态，使自准直平面反射镜7反射的平行光束再次经汇聚反射镜4和分光镜2的两次反射后，在CCD 8上形成第一光斑，第一光斑会随回转台旋转在CCD 8上静止或做画圆运动；
1.4)精密回转台5 360°旋转，记录旋转时第一光斑的晃动量，此刻的晃动量代表了精密转台5的轴系晃动情况，不断调光管3相对精密回转台5的姿态，使第一光斑落在CCD8中心像元处，即确保平行光束沿精密回转台5的回转轴入射至自准直平面反射镜7，通过调节六维调整盘6使第一光斑的画圆量达到最小，选取精密回转台上i个定点，i≥4，记录每个定点的第一光斑坐标值d1i；
步骤2)判断光学望远系统的稳固性：
2.1)标定光学望远系统10的主光轴13，光学望远系统10是由折返式望远物镜(包括主镜、次镜、折轴镜)和透射式目镜组成，在光学望远系统10的出光口处通过第二平面反射镜工装12安装出光口平面反射镜9，调整第二平面反射镜工装12使出光口平面反射镜9的反射面与主光轴13垂直；第二平面反射镜工装12既能将出光口平面反射镜9固定于光学望远系统10的出光口处，又能通过机械调节使出光口平面反射镜9的反射面倾角发生变化；
2.2)拆除六维调整盘6上的自准直平面反射镜7及第一平面反射镜工装11，再将光学望远系统10的目镜端通过目镜端法兰和连接工装安装在六维调整盘6上，采用两个百分表分别测量该连接工装及目镜端法兰的跳动量，并调整精密回转台5，使得两个百分表跳动量均＜0.01mm；
2.3)光纤激光器1再次发射检测激光束，检测激光束经分光镜2透射至汇聚反射镜4，所反射的平行光束进入光学望远系统10后，经光学望远系统10内部结构以及出光口平面反射镜9作用后，从光学望远系统10的目镜端出射；
2.4)由目镜端出射的平行光束经汇聚反射镜4和分光镜2的两次反射后，在CCD 8上形成第二光斑；
2.5)精密回转台5 360°旋转；
若第二光斑在CCD上呈现明显的跳动或呈不规则画圆，则调节六维调整盘，如果调节时其跳动或呈不规则画圆仍然没有改善，则判断光学望远系统内部结构出现松动；
若第二光斑在CCD上规则的画圆，则调节六维调整盘使第二光斑的画圆量达到最小，记录步骤1.4)中选取的每个定点的第二光斑坐标值d2i；当d1i＝d2i时，则判断光学望远系统内部结构稳固；当d1i＝xd2i且随着i的变化x为固定值时，则判断光学望远系统10内部出现了一个固定变化，此固定变化是由于力学试验后的应力释放导致其内部结构不稳固。

Claims (10)

1.一种用于光学望远镜系统的光学检测设备，其特征在于：包括激光器(1)、分光镜(2)、光管(3)、汇聚反射镜(4)、精密回转台(5)、六维调整盘(6)、自准直平面反射镜(7)、CCD(8)以及出光口平面反射镜(9)；
所述激光器(1)用于发射检测激光束；
所述分光镜(2)用于将检测激光束透射至汇聚反射镜(4)；
所述汇聚反射镜(4)设置在光管(3)内，用于将透射的检测激光束反射并形成平行光束；
所述光管(3)用于调整汇聚反射镜(4)的姿态；
所述六维调整盘(6)上安装自准直平面反射镜(7)或光学望远系统(10)的目镜端；
所述自准直平面反射镜(7)用于反射平行光束；
所述出光口平面反射镜(9)设置在光学望远系统(10)的出光口处，并与光学望远系统(10)的主光轴(13)垂直；
所述六维调整盘(6)用于调整自准直平面反射镜(7)或调整光学望远系统(10)；
所述精密回转台(5)驱动六维调整盘(6)360°旋转；
所述分光镜(2)还用于将自准直平面反射镜(7)或光学望远系统(10)反射的平行光束经汇聚反射镜(4)汇聚后，反射至CCD(8)；
所述CCD(8)用于记录光斑轨迹。
2.根据权利要求1所述的用于光学望远镜系统的光学检测设备，其特征在于：还包括千分表；所述千分表用于测量自准直平面反射镜(7)旋转时的背面跳动量。
3.根据权利要求1或2所述的用于光学望远镜系统的光学检测设备，其特征在于：所述自准直平面反射镜(7)及出光口平面反射镜(9)的波相差均优于1/30λ。
4.根据权利要求1所述的用于光学望远镜系统的光学检测设备，其特征在于：所述自准直平面反射镜(7)通过第一平面反射镜工装(11)安装于六维调整盘(6)上；
所述出光口平面反射镜(9)通过第二平面反射镜工装(12)设置在光学望远系统(10)的出光口处；
所述光学望远系统(10)的目镜端通过目镜端法兰及连接工装设置于六维调整盘(6)上。
5.根据权利要求1所述的用于光学望远镜系统的光学检测设备，其特征在于：所述CCD(8)为全波段CCD。
6.根据权利要求1所述的用于光学望远镜系统的光学检测设备，其特征在于：所述激光器(1)为光纤激光器。
7.基于权利要求1所述的用于光学望远镜系统的光学检测设备的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)未安装光学望远系统的精密回转台自身晃动量的测量：
1.1)在六维调整盘上安装自准直平面反射镜，精密旋转台360°旋转，调整六维调整盘使自准直平面反射镜背面跳动量≤5μm；
1.2)激光器发射检测激光束，检测激光束经分光镜透射至汇聚反射镜，汇聚反射镜所反射的平行光束经自准直平面反射镜反射；
1.3)调整光管相对精密回转台的姿态，使自准直平面反射镜反射的平行光束再次经汇聚反射镜和分光镜的两次反射后，在CCD上形成第一光斑；
1.4)精密回转台360°旋转，通过调节六维调整盘使第一光斑的画圆量达到最小，选取精密回转台上i个定点，i≥4，记录每个定点的第一光斑坐标值d1i；
步骤2)判断光学望远系统的稳固性：
2.1)标定光学望远系统的主光轴，在光学望远系统的出光口处安装出光口平面反射镜，使出光口平面反射镜的反射面与光学望远系统的主光轴垂直；
2.2)拆除六维调整盘上的自准直平面反射镜，再将光学望远系统的目镜端安装在六维调整盘上；精密旋转台360°旋转，调整六维调整盘使光学望远系统的目镜端跳动量＜0.01mm；
2.3)激光器再次发射检测激光束，检测激光束经分光镜透射至汇聚反射镜，所反射的平行光束从光学望远系统的目镜端进入光学望远系统后，经光学望远系统内部结构以及出光口平面反射镜作用后，从光学望远系统的目镜端出射；
2.4)由目镜端出射的平行光束经汇聚反射镜和分光镜的两次反射后，在CCD上形成第二光斑；
2.5)精密回转台360°旋转；
若第二光斑在CCD上呈现明显的跳动或呈不规则画圆，则调节六维调整盘，如果调节时其跳动或呈不规则画圆仍然没有改善，则判断光学望远系统内部结构出现松动；
若第二光斑在CCD上规则的画圆，则调节六维调整盘使第二光斑的画圆量达到最小，记录步骤1.4)中选取的每个定点的第二光斑坐标值d2i；当d1i＝d2i时，则判断光学望远系统内部结构稳固；当d1i＝xd2i且随着i的变化x为固定值时，则判断光学望远系统因应力释放导致其内部结构不稳固。
8.根据权利要求7所述的用于光学望远镜系统的光学检测方法，其特征在于：步骤1.1)通过千分表测量自准直平面反射镜背面跳动量。
9.根据权利要求7或8所述的用于光学望远镜系统的光学检测方法，其特征在于：步骤1.1)中在六维调整盘上安装自准直平面反射镜是通过第一平面反射镜工装安装自准直平面反射镜；
步骤2.1)中在光学望远系统的出光口处安装出光口平面反射镜是通过第二平面反射镜工装安装出光口平面反射镜。
10.根据权利要求9所述的用于光学望远镜系统的光学检测方法，其特征在于：步骤2.2)中通过目镜端法兰及连接工装将光学望远系统的目镜端安装在六维调整盘上。
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