CN113607385A - 一种用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，涉及光学成像技术领域，能够对子镜的位置误差进行检测，完成子镜位置误差的校正，使得拼接主镜光学系统能正常成像，且改善分光束干涉法的不足；该方方法通过在光路上依次设置第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜和微透镜阵列使光线产生像点干涉现象并在焦面成像，根据成像结果得到所述第一拼接反射主镜中子镜的位置误差并校正。本发明提供的技术方案适用于拼接主镜的子镜位置误差检测和校正的过程中。

Description

一种用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统。

背景技术

为了获得目标物体更多的细节信息，需要更高分辨率的光学系统。而光学系统的分辨率与波长成反比，与系统孔径成正比，当系统的使用波长一但确定，则需要增大系统孔径来提高分辨率。在光学系统的发展史上，从最早的毫米级孔径到现在的米级孔径，孔径越来越大，因此随着未来发展的需要，光学系统的孔径会越来越大，如2.4m口径哈勃望远镜以及6.5m口径的詹姆斯韦伯望远镜，30m口径的MMT等。

而组成大口径光学系统，一般通过拼接子镜的形式来实现。由于子镜在展开的过程中会产生相对于理想位置的偏移，因此存在一定的共相误差，即因此会沿着坐标轴存在六个自由度上的不同位置误差。倾斜误差会使像点移动，容易检测校正，而沿着光轴方向的位移误差相对难校正。为了检测子镜间位置误差，通过多年的探索研究，常用的几种方法可以概括为：电学类检测方法，哈特曼-夏克波前传感器，相位差波前传感，四棱锥波前传感器，色散条纹传感技术，衍射法，分光束干涉技术等光学类检测方法。夏克-哈特曼传感器可以很好的检测倾斜误差，但是光路中使用的微透镜阵列制作难度大，位置精度要求高，需要使用宽/窄带算法交互使用，增大了检测的复杂性。四棱锥波前传感器具有灵敏度和光能利用率高、采样分区方式灵活等优点。但四棱锥镜的棱必须锋利，底角小及锥面光滑来降低光能损失，同时在使用过程中四棱锥顶点需要与光学系统焦点进行严格重合。色散条纹传感器对光源要求低，测量范围大，但算法复杂，微透镜阵列与棱栅精度与位置要求高。相位差法无需复杂的硬件装置，算法同样复杂。分光束干涉法随被广泛应用，但是其存在对于环境影响要求高，震动影响大，需要分光束元件等不足，依然无法很好的适应所有测量环境。

因此，有必要研究一种新的用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，采用像点干涉的方式进行测量，能够对子镜的位置误差进行检测，完成子镜位置误差的校正，使得拼接主镜光学系统能正常成像，且改善分光束干涉法的不足。

一方面，本发明提供一种用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，其特征在于，所述方法通过在光路上依次设置第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜和微透镜阵列使光线产生像点干涉现象并在焦面成像，根据成像结果得到所述第一拼接反射主镜中子镜的位置误差并校正。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜和所述第二反射镜相对而设，且均为聚焦反射，两者之间的距离大于所述第二反射镜的焦距；

所述第三反射镜和所述折轴镜分设在所述第一拼接反射主镜的两侧，且所述折轴镜设置在所述第二反射镜的焦点与所述第一拼接反射主镜之间；

所述微透镜阵列设置在所述第三反射镜的外侧。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜由若干子镜拼接而成，每个子镜相互独立；所有子镜对称分布。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜的光学特性为-0.2f′＜f₁′＜-0.05f′，-0.4f′＜R₁＜-0.1f′；所述第二反射镜的光学特性为：-0.02f′＜f₂′＜-0.004f′，-0.045f′＜R₂＜-0.008f′；所述第三反射镜的光学特性为：-0.02f′＜f₃′＜-0.0075f′，-0.045f′＜R₃＜-0.015f′；所述折轴镜的光学特性为：f₄′＝∞，R₄＝∞；所述微透镜阵列的光学特性为：3mm＜f₅′＜10mm，3mm＜R₅＜10mm，-10mm＜R₆＜-3mm；

其中，f′为光学系统焦距；f₁′、f₂′、f₃′、f₄′、f₅′依次为第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜、微透镜阵列的焦距；R₁、R₂、R₃、R₄依次为第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜的曲率半径；R₅、R₆为微透镜阵列的曲率半径。

一般认为一个光学系统产生的波前在二十分之一个波长(指入射光线的波长)以下可以进行完善成像，而现在的大口径光学系统的成像波段一般是红外波段，不能进行可见光波段成像，包括著名的詹姆斯韦伯望远镜(JWST)，在可见光波段形成的波像差大小为五分之一个波长左右，只能成像在短波红外到中波红外波段，因此对于大口径光学系统在可见光波段进行成像，需要对系统的结构参数进行重新优化，包括每个反射镜的曲率半径，二次项系数和镜子之间的距离等，得到一个全新结构参数的光学系统，形成的波像差大小小于二十分之一个波长，上述光学特性是优化后的光学特性，能够是系统具有很好的误差检测结果。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述微透镜阵列由19块圆形微透镜排列而成，相邻微透镜均为相切连接；所述微透镜的口径尺寸为5-10mm，焦距为3-10mm。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，光阑位于所述第一拼接反射主镜上，且采用平行光线入射。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一拼接反射主镜由18块子镜组成，所有子镜的结构参数相同。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，根据在焦面成像的干涉条纹的位置相对于标准位置的移动信息实现100nm到半个波长(指入射光线的波长)之间位置误差的校正。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，根据在焦面成像的干涉条纹两侧次级条纹的变化信息将子镜误差校正到30nm以内。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，次级条纹的变化信息为次级条纹的亮度变化。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：系统光路直接采用像点产生干涉，没有使用色散棱镜，结构简单；系统光路前段中没有采用微透镜阵列，避免了每个微透镜必须平分在两个子镜上的要求；根据像点的偏移情况可以很好的校正子镜因为倾斜误差而产生的像点偏移；子镜两两之间可以在焦面上产生干涉条纹，根据条纹信息变化可以得到多个子镜发生的位移误差大小；

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：主要用于大口径拼接主镜光学系统、稀疏孔径光学系统子镜间位置误差的检测，实现所有子镜间可以共焦共相，从而使得拼接系统或稀疏口径系统能够得到一个较好的成像质量，得到等效于单块同等孔径主镜的成像质量。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的子镜位置误差检测光路图；

图2是本发明一个实施例提供的微透镜阵列示意图；

图3是本发明一个实施例提供的微透镜阵列尺寸示意图；

图4是本发明一个实施例提供的不同位置误差对应的干涉条纹图(从左到右依次为0nm,50nm,100nm的干涉条纹图)。

其中，图中：

1、主镜反射镜；2、第二反射镜；3、第三反射镜；4、折轴镜；5、微透镜阵列。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

针对现有技术的不足，本发明提供一种大口径拼接主镜光学系统/稀疏孔径光学系统子镜位置误差的检测方法，光学系统包括沿着光线传播方向依次设置的主镜反射镜1、第二反射镜2、第三反射镜3、折轴镜4和微透镜阵列5；光阑位于主镜上，为了压缩系统的尺寸，采用折轴镜缩短整个系统的尺寸。主镜反射镜由18块子镜组成，结构参数相同，光线经过子镜传播在焦面上发生像点干涉，产生干涉条纹。第二反射镜2设置在主镜反射镜1的对侧，第三反射镜3设置在第二反射镜2的对侧，也就是和主镜反射镜1同侧，折轴镜4设置在第三反射镜3的对侧。具体地，第三反射镜3设置在主镜反射镜1的后侧，折轴镜4设置在主镜反射镜1的前侧，第三反射镜3和折轴镜4到主镜反射镜1的距离均远远小于第二反射镜2到主镜反射镜1的距离。微透镜阵列5设置在第三反射镜3的后侧，第三反射镜3、折轴镜4和微透镜阵列5的位置呈折线形。

主镜反射镜的每个子镜之间的曲率、光心位置相同，且整体对称设置。主镜反射镜整体呈凹面形，以便于将照射来的平行光线全部反射到面积远小于主镜的第二反射镜2处。第二反射镜2的镜面也呈凹面形，将由主镜反射镜反射来的光线再次反射，所有经第二反射镜2反射后的光线在某一位置相交于一点后再次分开，并全部照射在第三反射镜3上。折轴镜4的设置位置在光线相交点的右侧，也就是靠近主镜反射镜的一侧，并接收第三反射镜3反射来的光线，经折轴镜4反射后的光线汇聚到微透镜阵列5上经透射后在焦面上进行像点干涉，形成干涉条纹。

主镜反射镜的光学特性为：-0.2f′＜f₁′＜-0.05f′，-0.4f′＜R₁＜-0.1f′；第二反射镜的光学特性为：-0.02f′＜f₂′＜-0.004f′，-0.045f′＜R₂＜-0.008f′；第三反射镜的光学特性为：-0.02f′＜f₃′＜-0.0075f′，-0.045f′＜R₃＜-0.015f′；折轴镜的光学特性为：f₄′＝∞，R₄＝∞；微透镜阵列的光学特性为：3mm＜f5′＜10mm，3mm＜R₅＜10mm，-10mm＜R₆＜-3mm；其中f′为系统焦距，f为微透镜阵列焦距，f₁′、f₂′、f₃′、f₄′、f₅′依次为系统反射镜的焦距；R₁、R₂、R₃、R₄依次为系统反射镜所对应的四个曲率半径；R₅、R₆为微透镜阵列的曲率半径。

大口径的光学设计一般是通过单块主镜进行设计，但不能分析由于子镜位置偏离理想位置而对系统成像质量的影响。本发明的主镜采用分块设计，通过若干较小尺寸子镜拼接得到大尺寸主镜，每个子镜相互独立，对系统成像产生的影响可以叠加，因此根据一个光学系统如果正常成像，其产生的波像差的大小要小于二十分之一个波长的理论，可以分解得到每个子镜在考虑到系统固有的无法校正的各种像差产生的波像差的基础上，其由于位置误差而引起的波像差大小，从而获得每个子镜的位置公差容限。子镜的位置为对称分布，每个子镜的位置误差容限相同。

焦面上的干涉条纹信息会随子镜间的位置误差大小而变化，即系统在不同子镜位置误差的条件下产生的条纹信息会存在变化，包括条纹位置的变化和条纹亮度的变化。对子镜的位置进行定量变化，可以获得条纹位置变化的多少以及条纹亮度大小，通过多次赋值后，通过数值拟合可以得到条纹位置误差与条纹移动距离大小以及条纹亮度大小的拟合公式。另外，焦面上的干涉条纹位置也会随子镜的位置误差的大小产生一定大小移动，通过条纹的移动距离与子镜位置误差之间的公式，可以求解计算得到子镜的位置误差大小，通过条纹的移动信息可以将子镜的位置误差调整到100nm到半个波长范围；焦面上的主极大两侧的次级亮条纹的亮度随着子镜的位置误差大小产生变化，通过主极大条纹两侧次级条纹亮度变化大小与子镜位置误差之间的公式进行计算得到子镜位置误差的大小，最终可以将子镜的位置误差调整到30nm左右范围。

如图1所示，为本发明光学系统的结构示意图，系统主镜由18块小尺寸子镜拼接而成，入射光线经过拼接主镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜反射、微透镜阵列透射后在像面上发生干涉，通过对干涉条纹信息的变化分析子镜间位置误差的大小。

如图2和图3所示，微透镜阵列由19块圆形微透镜排列而成，相邻微透镜均为相切连接。单个微透镜的口径尺寸为5-10mm，焦距为3-10mm。

本实例所提供的光学焦距为70-80m，平行光入射，系统孔径大小为5.2-6.2m。如图4所示，入射光在没有位置误差时，干涉条纹的主条纹亮度最大，次级条纹，对称分布在中央亮条纹的两侧，位置与亮度大小均对称；当位置误差增大时，中央亮条纹的位置发生变化，亮度发生变化；次级亮条纹的亮度和位置发生变化。

通过对中央亮条纹位置变化的分析可以得到子镜位置发生100nm到半个波长的变化，并实现校正；通过对次级亮条纹亮度的变化，可以得到位置误差30nm大小的检测校正，最终实现所有子镜共相调节，实现拼接主镜的共相成像。

以上对本申请实施例所提供的一种用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，其特征在于，所述方法通过在光路上依次设置第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜和微透镜阵列使光线产生像点干涉现象并在焦面成像，根据成像结果得到所述第一拼接反射主镜中子镜的位置误差并校正。

2.根据权利要求1所述的用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，其特征在于，所述第一拼接反射主镜和所述第二反射镜相对而设，且均为聚焦反射，两者之间的距离大于所述第二反射镜的焦距；

所述第三反射镜和所述折轴镜分设在所述第一拼接反射主镜的两侧，且所述折轴镜设置在所述第二反射镜的焦点与所述第一拼接反射主镜之间；

所述微透镜阵列设置在所述第三反射镜的外侧。

3.根据权利要求1所述的用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，其特征在于，所述第一拼接反射主镜由若干子镜拼接而成，每个子镜相互独立；所有子镜对称分布。

4.根据权利要求1所述的用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，其特征在于，所述第一拼接反射主镜的光学特性为：-0.2f′＜f₁′＜-0.05f′，-0.4f′＜R₁＜-0.1f′；所述第二反射镜的光学特性为：-0.02f′＜f₂′＜-0.004f′，-0.045f′＜R₂＜-0.008f′；所述第三反射镜的光学特性为：-0.02f′＜f₃′＜-0.0075f′，-0.045f′＜R₃＜-0.015f′；所述折轴镜的光学特性为：f₄′＝∞，R₄＝∞；所述微透镜阵列的光学特性为：3mm＜f₅′＜10mm，3mm＜R₅＜10mm，-10mm＜R₆＜-3mm；

其中，f′为光学系统焦距；f₁′、f₂′、f₃′、f₄′、f₅′依次为第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜、微透镜阵列的焦距；R₁、R₂、R₃、R₄依次为第一拼接反射主镜、第二反射镜、第三反射镜、折轴镜的曲率半径；R₅、R₆为微透镜阵列两个面的曲率半径。

5.根据权利要求1所述的用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，其特征在于，所述微透镜阵列由19块圆形微透镜排列而成，相邻微透镜均为相切连接；所述微透镜的口径尺寸为5-10mm，焦距为3-10mm。

6.根据权利要求1所述的用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，其特征在于，光阑位于所述第一拼接反射主镜上，且采用平行光线入射。

7.根据权利要求3所述的用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，其特征在于，所述第一拼接反射主镜由18块子镜组成，所有子镜的结构参数相同。

8.根据权利要求1-7任一所述的用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，其特征在于，根据在焦面成像的干涉条纹的位置相对于标准位置的移动信息实现100nm到半个入射光波长之间位置误差的校正。

9.根据权利要求1-7任一所述的用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，其特征在于，根据在焦面成像的干涉条纹两侧次级条纹的变化信息将子镜误差校正到30nm以内。

10.根据权利要求9所述的用于拼接主镜光学系统子镜间位置误差检测系统，其特征在于，次级条纹的变化信息为次级条纹的亮度变化。

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