CN114137736B - 大口径光学元件装调装置及其装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径光学元件装调装置，包括：激光器、衍射光栅、待测元件、分光元件和装调相机，激光器发射出的光束进入衍射光栅中，经过衍射光栅的衍射后生成出射方向相同的均匀光束，衍射光栅位于待测元件的物方焦点处，衍射后的光束进入待测元件中，经过待测元件和分光元件后在装调相机内成像；通过计算机提取装调相机中的成像位置和计算光束与装调相机的位置关系来建立失调量与像差之间的关系，且通过失调量指导大口径光学元件装调装置进行高精度装调。本发明根据相机的反馈值对校正镜组的相对位置和倾斜量进行调整，直到满足透镜装调的公差要求。实现对光学系统残余的彗差、像散、色差和畸变等的消除，最终提高光学系统的成像质量。

Description

大口径光学元件装调装置及其装调方法

技术领域

本发明涉及光学装调技术领域，特别涉及大口径光学元件装调装置及其装调方法。

背景技术

望远镜口径的增加不仅可以有效地提高对临近目标的分辨能力，同时还以平方规律提升望远镜的集光能力，可有效提升暗弱目标成像信噪比、拓展极限探测能力，最终实现对更加深远的宇宙的探索。因此，大口径大视场望远镜是未来验证宇宙学最新理论、增加时域天文等领域学术话语权的关键。

大口径大视场望远镜在近二十年来发展获得了飞速发展，为了获得更高的巡天效率与集光能力，其口径与视场都在不断扩大。主动光学作为大口径大视场望远镜的关键技术，已经获得了广泛的应用。国外已经研制并成功运行多台大口径大视场望远镜，8米级的LSST已经投入建设，而国内尚未开展两米以上的大视场望远镜研究。不论是在占领“太空高地”保障国土安全方面，还是在探测存在撞击威胁的小行星等天文学邻域，均存在较大的差距。

校正镜组是望远镜成像前光束处理的重要组件，消除系统残余的彗差、像散、色差和畸变，提高成像质量。虽然不同的大口径大视场望远镜采用的光学形式不同，但是校正镜组中透镜口径较传统望远镜均有明显的增加。本文主要研究的透镜口径和重量较大且工况较为复杂，并且透射式光学系统与反射式主镜成像质量评价方式较为不同，在温度和重力变化情况下，考虑透镜表面变形的同时还要考虑成像质量的影响，因此为了保证在重力和温度变化下透镜的面形精度和成像质量。其大口径透镜光学设计以一面凹为主，一面凸为主。传统对于凸面的检测以摆臂轮廓仪与子孔径拼接为主。但是，以上两种方法均无法实现实时检测，同时，检测过程也需要精密位移机构辅助。

一般来说，透镜装调的主要工具为定心仪，但是由于传统定心仪的尺寸较大，难以满足装调需要。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种大口径光学元件装调装置及其装调方法，根据相机的反馈值对校正镜组的相对位置和倾斜量进行调整，直到满足透镜装调的公差要求。实现对光学系统残余的彗差、像散、色差和畸变等的消除，最终提高光学系统的成像质量。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的一种大口径光学元件装调装置，包括：激光器、衍射光栅、待测元件、处理单元、分光元件和装调相机，激光器发射出的光束进入衍射光栅中，经过衍射光栅的衍射后生成出射方向相同的均匀光束，衍射光栅位于待测元件的物方焦点处，衍射后的光束进入待测元件中，经过待测元件和分光元件后在装调相机内成像；

通过处理单元提取装调相机中的成像位置和计算光束与装调相机的位置关系来建立失调量与像差之间的关系，且通过失调量指导大口径光学元件装调装置进行高精度装调。

优选地，分光元件包括第一分光元件和第二分光元件，装调相机包括中心装调相机、第一装调相机和第二装调相机；光束经过待测元件后，一部分光束透过第一分光元件和第二分光元件后在中心装调相机内成像；一部分光束经过第一分光元件的折射后在第一装调相机内成像；另一部分光束经过第二分光元件的折射后在第二装调相机内成像。

优选地，衍射光栅的位置、待测元件和装调相机的位置和倾斜角度通过激光跟踪仪或三坐标仪进行确定。

本发明还提供一种大口径光学元件装调方法，包括以下步骤：

S1、首先利用大口径定心仪对待测元件进行粗调；

S2、通过处理单元利用经验模态分解的方法获得不同周期尺度的变化；

S3、根据实际成像位置对灵敏度矩阵进行求解，建立失调量与像差之间的关系；

S4、待测元件根据失调量再次进行调整；

S5、重复上述步骤S2-S4，直到待测元件的迭代改变小于5％。

优选地，还包括预处理步骤：

S0、对衍射光栅和装调相机的位置进行固定，并分别安装靶球；

具体阐述如下：

通过激光跟踪仪或三坐标仪，将衍射光栅固定于待测元件前的物方焦点处，测量并确定装调相机和待测元件的坐标位置；

在待测元件的测量点处放置靶球，在装调相机上安装靶球，装调相机与靶球之间的距离由非接触式光学测量仪确定；

装调相机包括：中心装调相机、第一装调相机和第二装调相机。

优选地，步骤S2的具体过程如下：

经验模态分解将输入信号分解为本征模函数和残差：

IMF_m(n)+Res_M(n)I(n)＝m＝1ΣMIMF_m(n)+Res_M(n) (1.13)

其中，I(n)为输入信号，IMF_m(n)为本征模函数，Res_M(n)为残差。

经验模态分解的分解过程为：

S201、标出局部极值点；

S202、通过三次样条差值(cubic spline line)连接极大值点构成上包络线(uppper envelope)，连接极小值点构成下包络线(lower envelope)。

S203、求上下包络线的均值m₁。

S204、用输入信号减去上下包络线的均值：

X(t)-m₁＝h₁ (1.14)

上述过程的一次迭代不能保证h₁是本征模函数，需要重复上述过程，直到h₁是本征模函数。

优选地，步骤S3的具体过程如下：

将起始于原点X₀＝(x₀,y₀,z₀)^T并且具有方向X_d＝(x_d,y_d,z_d)^T的光线，表达为：

其中，方向矢量X_d是归一化矢量；

设装调相机所在平面的方程为：

ax+by+cz+d＝0

则入射光线与装调相机所在平面的交点为：

入射光线与第一装调相机和第二装调相机的两平面分别交于(0，y_b，0)、(x_b，0，0)两点，则第一装调相机和第二装调相机的轴线方程可以写为：

利用参数辨识模型对入射光线的位置及角度变化进行求解，参数辨识模型如下所示：

其中，X、Y、Z为参量；

求解后即可得到入射光线位置与角度的变化ΔZ：

失调量与像差之间的关系如下式所示：

AΔD＝ΔZ (1.20)

其中，A为灵敏度矩阵，ΔD为执行元件运动，Δu为像差，α、β为系数。

与现有的技术相比，本发明根据相机的反馈值对校正镜组的相对位置和倾斜量进行调整，直到满足透镜装调的公差要求。实现对光学系统残余的彗差、像散、色差和畸变等的消除，最终提高光学系统的成像质量。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的大口径光学元件装调装置的透射式结构示意图。

图2是根据本发明实施例提供的大口径光学元件装调装置的反射式结构示意图。

图3是根据本发明实施例提供的大口径光学元件装调装置的入射光线位置示意图。

其中的附图标记包括：激光器1、衍射光栅2、待测元件3、第一分光元件4-1、第二分光元件4-2、中心装调相机5-0、第一装调相机5-1和第二装调相机5-2。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的大口径光学元件装调装置的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的大口径光学元件装调装置包括：激光器1、衍射光栅2、待测元件3、第一分光元件4-1、第二分光元件4-2、中心装调相机5-0、第一装调相机5-1和第二装调相机5-2。

当待测元件3为大口径透镜时，激光器1发射出的光束进入衍射光栅2中，经过衍射光栅2的衍射后生成5个出射方向相同的均匀光束。衍射后的光束进入待测元件3中，衍射光栅2位于待测元件3的物方焦点处，经过待测元件3的折射后，一部分光束透过第一分光元件4-1和第二分光元件4-2后在中心装调相机5-0内成像；一部分光束经过第一分光元件4-1的折射后在第一装调相机5-1内成像；另一部分光束经过第二分光元件4-2的折射后在第二装调相机5-2内成像。

图2示出了根据本发明实施例提供的大口径光学元件装调装置的反射式结构。

如图2所示，本发明实施例提供的大口径光学元件装调装置包括：激光器1、衍射光栅2、待测元件3、第一装调相机5-1和第二装调相机5-2。

当待测元件3为大口径反射镜时，激光器1发射出的光束进入衍射光栅2中，经过衍射光栅2的衍射后生成5个出射方向相同的均匀光束。衍射后的光束经过待测元件3的反射后，一部分光束第一装调相机5-1内成像；另一部分光束在第二装调相机5-2内成像。

通过激光跟踪仪或三坐标仪，将衍射光栅2固定于待测元件3前方的物方焦点处；衍射光栅2可使用不同的波长的激光进行观测，因此可利用湖、绿、蓝等不同模式的激光对系统进行检测，使以实现对系统光谱响应的标价与检测。

由于点光源不位于无穷远点，因此，会聚点焦较远，光束的F数相应增加。可通过单次曝光的方法进行分光与光点位置计算。基于光线沿直线传播的假设，通过不同位置的解算，可获得入射光线的角度。从而增加数据的维度。

在待测元件3的测量点处放置靶球，在中心装调相机5-0、第一装调相机5-1和第二装调相机5-2上分别安装靶球，装调相机与靶球之间的距离由非接触式光学测量仪确定。

在固定激光跟踪仪位置后，通过激光跟踪仪测量并确定装调相机和待测元件3的坐标位置，激光跟踪仪还可以记录装调相机和待测元件3的平移量和倾斜角度等信息。

通过计算机辅助装调的方法指导进行光学元件高精度装调，使光学系统成像质量接近理论设计指标。

计算机辅助装调是建立光学系统装调过程中产生的像差和装调量间关系的过程，计算机处理波像差数据计算得到光学元件在各方向的失调量，指导进行光学元件高精度装调，使光学系统成像质量接近理论设计指标，因此该方法对装调大口径透射式光学系统具有独特优势。

计算机辅助装调的重点是构建系统像差与失调量间数学模型间的关系，构建方法主要分为阻尼最小二乘法，反向优化法，下山单纯形法。

阻尼最小二乘法是建立装调量与像质变化间的灵敏度矩阵，该线性组方程的最小二乘解就是失调量。

反向优化法是将失调量人为加入理论光学系统中，建立失调量与像差的数学模型，在实际装调过程中对比实际结果与理论模型结果间关系，反向确定偏心或倾斜所需要的装调参量。

下山单纯形法只需要计算评价函数，而不是和其他三种方法一样建立灵敏度矩阵，通过函数下降方向寻找极小值。

如今装调光学系统主要采用建立Zernike系数多项式与每个失调量的函数关系，求解灵敏度矩阵，再将求解得出的失调量反馈回光学系统，进行计算机辅助装调迭代计算。

在以上元件都不动的情况下，如果这个光点发生了移动，这种移动可以用功率谱等统计学方法来表征，此时获得数据，大概率为气流导致的。

本发明涉及一种大口径光学元件装调方法，包括以下步骤：

S0、对衍射光栅和装调相机的位置进行固定，并分别安装靶球；

通过激光跟踪仪或三坐标仪，将衍射光栅固定于待测元件前的物方焦点处。由于最终需要计算系统的五维自由度，因此经由衍射光栅出射的光束至少需要五束。

通过激光跟踪仪或三坐标仪，测量并确定装调相机和待测元件的坐标位置，激光跟踪仪还可以记录装调相机和待测元件的平移量和倾斜角度等信息。

在待测元件的测量点处放置靶球，在中心装调相机、第一装调相机和第二装调相机上分别安装靶球，装调相机与靶球之间的距离由非接触式光学测量仪确定。

S1、首先利用大口径定心仪进行粗调；

S2、通过处理单元利用经验模态分解的方法获得不同周期尺度的变化；

通过对光点位置的统计学测量获得波前的稳定性。采用经验模态分解的方法获得不同周期尺度的变化。

经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)是依据数据自身的时间尺度特征来进行信号分解，无需预先设定任何基函数，是一种时频域信号处理方式。EMD在处理非平稳及非线性数据上具有明显的优势，适合分析非线性非平稳的信号序列，具有较高的信噪比。

平稳信号：分布参数(均值，方差，协方差等)或者分布规律随着时间不发生变化

非平稳信号：分布参数(均值，方差，协方差等)或者分布规律随着时间发生变化

该方法关键是经验模式分解，使复杂的信号分解为有限个本征模函数(IntrinsicMode Function,IMF)，分解出来的各个IMF分量包含了原信号的不同时间尺度的局部特征信息。

任何信号都是由若干个本征模函数组成，一个本征模函数必须满足以下两个条件：

1、函数再整个时间范围内，局部极值点和过零点的数目必须相等或最多相差一个。

2、在任意时刻点，局部最大值的上包络线和局部最小值的下包络线均值必须为零。

对于上述第二条说明：把经典的全局性要求修改为局部性要求，使瞬时频率不再受不对称波形所形成的不必要的波动所影响，实际上，第二个条件应为“数据的局部极值是零”。但是对于非平稳数据来说，计算局部均值涉及到“局部时间尺度”的概念，而这是很难定义的。因此，在第二个条件中使用了局部极大值包络和局部极小值包络的平均为零来代替，使信号的波形局部对称。

EMD将输入信号分解为几个本征模函数和一个残差，即由下列公式组成。

IMF_m(n)+Res_M(n)I(n)＝m＝1ΣMIMF_m(n)+Res_M(n) (1.24)

其中，I(n)为输入信号，IMF_m(n)为本征模函数，Res_M(n)为残差。

EMD的分解过程即为提取IMF的过程，又叫做筛选过程：

S201、标出局部极值点；

S202、通过三次样条差值(cubic spline line)连接极大值点构成上包络线(uppper envelope)，连接极小值点构成下包络线(lower envelope)。

S203、求上下包络线的均值m₁。

S204、用输入信号减去上下包络线的均值：

X(t)-m₁＝h₁ (1.25)

上述过程的一次迭代不能保证h₁是本征模函数，需要重复上述过程，直到h₁是本征模函数。

S3、根据实际成像位置灵敏度矩阵进行求解，建立失调量与像差之间的关系；

图3示出了根据本发明实施例提供的大口径光学元件装调装置的入射光线位置；通过入射直线求解获得矩阵ΔZ。

如图3所示，起始于某一原点X₀＝(x₀,y₀,z₀)^T并且具有方向X_d＝(x_d,y_d,z_d)^T的光线，可以表达为：

这里方向矢量X_d是归一化矢量。

设装调相机所在平面的方程为：

ax+by+cz+d＝0

则入射光线与装调相机所在平面的交点为：

入射光线与第一装调相机和第二装调相机的两平面分别交于(0，y_b，0)、(x_b，0，0)两点，则第一装调相机和第二装调相机轴线方程可以写为：

利用参数辨识模型对入射光线的位置及角度变化进行求解，参数辨识模型如下所示：

其中，X、Y、Z为参量；

求解后即可得到入射光线位置与角度的变化ΔZ：

失调量与像差之间的关系如下式所示：

AΔD＝ΔZ (1.31)

其中，通过求解广义拟获得执行元件运动ΔD：

Δu为像差，α、β为系数，通过多次求解获得；

执行元件运动ΔD为最终执行元件待运动量，通过实际测量可以得到。

其中，A为灵敏度矩阵；

根据灵敏度矩阵对失调量进行求解。

S4、待测元件根据失调量再次进行调整。

S5、重复上述步骤S2-S4，直到待测元件的迭代改变小于5％。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种大口径光学元件装调装置的装调方法，大口径光学元件装调装置包括：激光器、衍射光栅、待测元件、处理单元、分光元件和装调相机，所述激光器发射出的光束进入所述衍射光栅中，经过所述衍射光栅的衍射后生成出射方向相同的均匀光束，所述衍射光栅位于所述待测元件的物方焦点处，所述衍射后的光束进入所述待测元件中，经过所述待测元件和所述分光元件后在所述装调相机内成像；

通过处理单元提取所述装调相机中的成像位置和计算所述光束与所述装调相机的位置关系来建立失调量与像差之间的关系，且通过所述失调量指导所述大口径光学元件装调装置进行高精度装调；

所述分光元件包括第一分光元件和第二分光元件，所述装调相机包括中心装调相机、第一装调相机和第二装调相机；所述光束经过待测元件后，一部分光束透过所述第一分光元件和所述第二分光元件后在所述中心装调相机内成像；一部分光束经过所述第一分光元件的折射后在所述第一装调相机内成像；另一部分光束经过所述第二分光元件的折射后在所述第二装调相机内成像；

其特征在于，所述装调方法包括以下步骤：

S1、首先利用大口径定心仪对待测元件进行粗调；

S2、通过处理单元利用经验模态分解的方法获得不同周期尺度的变化；所述步骤S2的具体过程如下：

所述经验模态分解将输入信号分解为本征模函数和残差：

其中，I(n)为输入信号，IMF_m(n)为本征模函数，Res_M(n)为残差；

所述经验模态分解的分解过程为：

S201、标出局部极值点；

S202、通过三次样条差值连接极大值点构成上包络线，连接极小值点构成下包络线；

S203、求上下包络线的均值m₁；

S204、用输入信号减去上下包络线的均值：

X(t)-m₁＝h₁ (1.2)；

S3、根据实际成像位置对灵敏度矩阵进行求解，建立失调量与像差之间的关系；

S4、所述待测元件根据所述失调量再次进行调整；

S5、重复上述步骤S2-S4，直到所述待测元件的迭代改变小于5％。

2.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件装调装置的装调方法，其特征在于，还包括预处理步骤：

S0、对衍射光栅和装调相机的位置进行固定，并分别安装靶球；

具体阐述如下：

通过激光跟踪仪或三坐标仪，将所述衍射光栅固定于所述待测元件前的物方焦点处，测量并确定所述装调相机和所述待测元件的坐标位置；

在所述待测元件的测量点处放置所述靶球，在所述装调相机上安装所述靶球，所述装调相机与所述靶球之间的距离由非接触式光学测量仪确定；

所述装调相机包括：中心装调相机、第一装调相机和第二装调相机。

3.根据权利要求1所述的一种大口径光学元件装调装置的装调方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程如下：

将起始于原点X₀＝(x₀,y₀,z₀)^T并且具有方向X_d＝(x_d,y_d,z_d)^T的光线，表达为：

其中，方向矢量X_d是归一化矢量；

设所述装调相机所在平面的方程为：

ax+by+cz+d＝0

则入射光线与所述装调相机所在平面的交点为：

所述入射光线与所述第一装调相机和所述第二装调相机的两平面分别交于(0，y_b，0)、(x_b，0，0)两点，则所述第一装调相机和所述第二装调相机的轴线方程可以写为：

利用参数辨识模型对所述入射光线的位置及角度变化进行求解，所述参数辨识模型如下所示：

其中，X、Y、Z为x、y、z坐标所对应测出来的数值；

求解后即可得到入射光线位置与角度的变化ΔZ：

失调量与像差之间的关系如下式所示：

AΔD＝ΔZ (1.8)

其中，A为灵敏度矩阵，ΔD为执行元件运动，Δu为像差，α、β为系数，T为矩阵转制。

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