CN114354132B

CN114354132B - 一种用于光学系统竖直状态系统波像差测试的立式检测系统

Info

Publication number: CN114354132B
Application number: CN202111510223.9A
Authority: CN
Inventors: 王克军; 董吉洪; 王晓东
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2041-12-10
Also published as: CN114354132A

Abstract

本申请属于光学遥感器系统性能检测技术领域，特别涉及一种用于光学系统竖直状态系统波像差测试的立式检测系统，包括：桁架主体、二维平移调整台、平面反射镜组件，所述桁架主体用于承载二维平移调整台和所述平面反射镜组件；所述二维平移调整台安装在所述桁架主体的上端，所述平面反射镜组件安装在所述二维平移调整台上，所述平面反射镜组件用于反射光学系统射出的平行光，所述二维平移调整台带动所述平面反射镜实现二维平移运动。实现了大口径光学系统竖直状态的光路自准直，检测多个子孔径的系统波像差，继而拼接获取全口径的系统波像差，完成光学系统竖直极限工况下的系统像质测试，有效解决了以往只能用仿真实现验证的问题。

Description

一种用于光学系统竖直状态系统波像差测试的立式检测系统

技术领域

本申请属于光学遥感器系统性能检测技术领域，涉及一种用于光学系统竖直状态系统波像差测试的立式检测系统。

背景技术

光学遥感器在对地观察、太空探测等领域的应用具有重要的科学和经济意义。光学遥感器系统性能的优劣评价指标是系统波像差和传递函数，在安装探测器器之前，主光机装调期间的评价指标主要是系统波像差，系统波像差的检测原理见图1，干涉仪置于焦面位置附近，发出球面波，汇聚于系统焦面位置，点光源经过光学系统(主光机结构承载)变为平行光，照射到平面镜上，经平面镜反射镜回光学系统，汇集到到焦面位置，出射光与反射会聚光干涉形成干涉图，即获得系统的系统波像差，用来评估光学系统的系统性能。

对于天基的空间遥感器来说，装调、检测状态都为水平，只评估检测光轴水平状态的系统像质即可，如图1所示，但是，对于多俯仰观测工况的地基望远镜和空间遥感器来说，就需要测试光轴水平和光轴竖直两个极限工况(多俯仰角度观测工况的天基的空间遥感器需要在地面开展环模试验)。

在光轴水平时，主要考察垂直光轴承受载荷时的系统像质；光轴竖直时，主要考察沿光轴方向承受载荷时的系统像质；处于中间位置时，系统像质应该介于两者之间，中间工作状态的系统像质合成见公式(1)。图2表示了系统处于不同工作状态时系统的像质(波像差)指标变化趋势。只要光轴竖直和光轴水平两种工况满足系统像质指标要求，其它各个工况均能满足指标要求。

δ_θ＝[(δ_A sinθ)²+(δ_R cosθ)²]^1/2

(1)

鉴于上述的原理，对光机系统分别检测极限工况光轴水平状态和光轴竖直状态的系统波像差，来间接验证望远镜在多工位下的系统动态像质的指标满足度。

光轴水平和光轴竖直两个极限工况的系统波像差检测都要需要用到一块大于光学系统通光口径的高精度面形的平面反射镜，我们知道，“圆饼形”镜体的径向刚度远远大于其轴向刚度，光轴水平，承受重力载荷时，面形容易保证，但是光轴竖直时，镜体承受重力载荷时，镜面面形很难保证，口径越大越不容易。

常规的做法就是只检测光轴水平工况的系统波像差，光轴竖直状态的系统波像差不检测，只通过仿真来验证。但是，仿真是由局限性的，对于装配误差等边界条件无法真实模拟，不能通过真实的环模试验对系统的成像性能进行验证，始终是该领域的一个技术难题。

发明内容

基于此，本申请提供一种用于光学系统竖直状态系统波像差测试的立式检测系统。

一种用于光学系统竖直状态系统波像差测试的立式检测系统，包括：桁架主体、二维平移调整台、平面反射镜组件，

所述桁架主体用于承载二维平移调整台和所述平面反射镜组件；

所述二维平移调整台安装在所述桁架主体的上端，

所述平面反射镜组件安装在所述二维平移调整台上，所述平面反射镜组件用于反射光学系统射出的平行光，

所述二维平移调整台带动所述平面反射镜实现二维平移运动。

进一步的，所述桁架主体采用桁架杆形式的桥式结构，被检测的主光机结构竖直放置于所述桁架主体内部空间。

进一步的，还包括调平底座，所述调平底座设置在所述桁架主体的两侧，每侧各有四个，通过调整不同位置的所述调平底座的高度，实现桁架主体的角度调整。

进一步的，所述二维平移调整台包括横向平移单元和纵向平移单元，

所述横向平移单元包括基板、横向平移丝杠、横向平移导轨副、横向移动平台，所述基板安装在桁架主体顶部内侧，所述横向平移导轨副平行安装于所述基板上，所述横向平移丝杠安装于所述横向平移导轨副之间，所述横向移动平台安装在所述横向平移导轨副上；

所述纵向平移单元包括纵向平移丝杠、纵向平移导轨副、纵向移动平台、反射镜安装法兰；所述纵向平移导轨副安装在所述横向移动平台上，所述纵向平移丝杠设置在所述纵向平移导轨副之间，所述纵向移动平台安装在所述纵向平移导轨副上，所述反射镜安装法兰安装在所述纵向移动平台上。

进一步的，所述平面反射镜组件包括镜座、一对组件转接块、压盖、平面反射镜，

所述平面反射镜设置在所述镜座内，所述一对组件转接块呈倒L型对称的安装在所述镜座的两侧，所述一对组件转接块的法兰面与所述反射镜安装法兰连接，所述压盖设置在所述镜座的端面上。

进一步的，所述镜座内腔的前部内孔边缘边缘设置有止口，用于支撑所述反射镜，所述平面反射镜外缘与所述镜座内表面之间留有间隙，所述间隙内用于局部涂胶，固定所述平面反射镜。

进一步的，所述调平底座的调整范围是100-180mm。

进一步的，所述一对组件转接块的两个法兰面共面度优于0.01mm。

本申请的技术方案相对于现有技术的有益效果是：本申请的立式检测系统可以在避免设计大口径的光轴竖直状态使用的平面反射镜，利用二维调整台的二维平移调整功能和调平底座的二维角度调整功能，实现大口径光学系统竖直状态的光路自准直，检测多个子孔径的系统波像差，继而拼接获取全口径的系统波像差，完成光学系统竖直极限工况下的系统像质测试，有效解决了以往只能用仿真实现验证的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为光轴水平工况系统波像差测试原理图；

图2为光学系统俯仰观测变化时的系统像质变化趋势示意图；

图3为光学系统竖直工况的系统波像差检测示意图；

图4为本申请实施例提供的立式检测系统的结构组成示意图；

图5为本申请实施例提供的二维平移调整台的三维结构示意图；

图6为本申请实施例提供的平面反射镜组件的三维结构示意图。

附图标记说明：

101、1m口径平面反射镜；102、主光机结构；103、干涉仪；

1、滚轮；2、调平地脚；3、桁架主体；4、二维平移调整台；5、平面反射镜组件；

41、基板；42、横向平移丝杠；43、横向平移导轨副；44、横向移动动平台；45、纵向平移丝杠；46、纵向平移导轨副；47、纵向移动动平台；48、反射镜安装法兰板；

51、镜座；52、组件转接块；53、压盖；54、330mm口径平面反射镜。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本发明用于实现大口径光学系统光轴竖直状态的系统波像差测试。系统主要包括5个部分，图4所示：1、滚轮；2、调平地脚；3、桁架主体；4、二维平移调整台；5、平面反射镜。其中的桁架主体是这个系统中提及最大的一部分。

实施过程参照图4，首选利用铝型材，通过螺钉和多种类型的型材接头紧固在一起，螺钉上标准力矩，保证桁架主体的整体刚度，形成桁架主体3。接下来安装调平底座2，将桁架主体用八个垫块垫起，桥式桁架的两侧支腿各有四个，放置在每个调平地脚的旁边，每个调平地脚的调整范围是100-180mm，八个垫块的高度是110mm，将每个调平地脚用四个M10的螺钉紧固于桁架，螺钉上标准力矩。

安装滚轮1，滚轮1的高度是150mm，将调平地脚2的高度调整到最大高度180mm，安装滚轮1，滚轮1包括：4个万向滚轮，4个固定滚轮，四个万向滚轮安装在桁架主体3的两侧支腿中的左侧支腿，固定滚轮安装在桁架主体3的两侧支腿中的右侧支腿。

接下来，通过桁架主体3的8个调整地脚2，使得桁架主体3上与二维平移调整台4连接的法兰面水平，将二维平移调整台4用四根吊绳起吊，每根吊绳上设置调长螺杆，通过调整调长螺杆，使得二维平移调整台4上与桁架主体3连接的法兰面水平，将二维平移调整台4整体升起与桁架主体3的对外连接法兰面接触，倒置安装于桁架主体3，采用15个M10的螺钉，螺钉采用标准力矩紧固。二维平移调整台4与平面反射镜组件连接法兰的共面度要优于0.01mm。

接下来，将平面反射镜5倒置安装于二维平移调整台4，平面反射镜组件采用了框式支撑结构，在框的直径方向有两个法兰面，该法兰面的共面度要研磨至平面度优于0.01mm。每个法兰面上有四个直径为5mm的螺孔，平面反射镜5通过这10个螺钉紧固于二维平移调整台4上，螺钉上标准力矩。

其中，二维平移调整台4的实施见图5。二维平移调整台包括：41、基板；42、横向平移丝杠；43、横向平移导轨副；44、横向移动动平台；45、纵向平移丝杠；46、纵向平移导轨副；47、纵向移动动平台；48、反射镜安装法兰板。基板是整个二维平移调整台4安装于桁架主体3的基准，两对横向平移导轨副43平行安装于基板41上，用来承载和导向，横向平移导轨副43安装于两组导轨副之间，用于实现横向移动动平台的移动驱动。两组纵向平移导轨副46，固定安装于横向移动动平台44上，两组平行安装，与横向平移导轨副垂直布置，实现纵向移动动平台47的承载和导向，纵向平移丝杠45安装于两组纵向平移导轨46之间，实现纵向移动移动平台47的纵向驱动。反射镜安装法兰板48用于纵向移动移动平台47和平面反射镜5的连接。反射镜安装法兰板48与平面反射镜5的连接法兰面共面度要优于0.01mm。

其中，平面反射镜组件5的实施见图6。平面反射镜组件5包括：51、镜座；52、组件转接块；53、压盖；54、330mm口径平面反射镜。镜座51内腔的前部内孔边缘有单边2mm宽度的止口，用于支撑反射镜54，反射镜54外缘与镜座51内表面有0.5mm的间隙，用于涂GD414胶，周围多点局部涂抹，对镜体进行周向固定，压盖53与镜座51用6个M4的螺钉固定，压盖53与平面反射镜之间有空隙，用于涂GD414胶，也是采用多点局部涂抹，用于将平面反射镜54与镜座51轴向固定。组件转接块52两个成组使用，180度对称布置于镜座51周边。组件转接块52通过镜体背部一侧的两个法兰面与二维平移调整台4上的反射镜安装法兰板48连接，组件转接块52的两个法兰面的共面度要优于0.01mm。

光机系统立式检测的实施见图3。首先将被检系统光轴竖直放置。将立式检测系统的调平地脚2升起，滚轮1接触地面，滚动移动到被测系统上方使得被测系统的主反射镜与平面反射镜5基本同轴。将立式检测系统的调平地脚2升高，使得滚轮1离地。在被检系统的前方或者后方，放置一台干涉仪，通过调整干涉仪的方位，保证干涉仪发出光束的焦点与系统的焦点重合，正样光束经过系统成为平行光。通过调节各个地脚的不同高低，使得平面完成镜5与被测系统的主反射镜完全同轴，保证被测系统射出的平行光垂直照射到立式检测系统的平面反射镜5上，平行光经过平面反射镜反射重新照射入光学系统中，汇聚到系统焦点处，与入射光干涉形成系统波像差，由于平面反射镜仅为330mm，对于大口径的被测光学系统，必须借助于立式检测系统的二维平移调整台4实现二维平动扩展检测范围，多个子口径的系统波像差拼接获得全口径的系统波像差(子口径的个数取决于被检测光学系统的通光口径大小)，用于评价系统在光轴竖直状态的系统性能。

本申请的立式检测系统可以在避免设计大口径的光轴竖直状态使用的平面反射镜，利用二维调整台的二维平移调整功能和调平底座的二维角度调整功能，实现大口径光学系统竖直状态的光路自准直，检测多个子孔径的系统波像差，继而拼接获取全口径的系统波像差，完成光学系统竖直极限工况下的系统像质测试，有效解决了以往只能用仿真实现验证的问题。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种用于光学系统竖直状态系统波像差测试的立式检测系统，其特征在于，包括：桁架主体、二维平移调整台、平面反射镜组件，

所述二维平移调整台安装在所述桁架主体的上端，

所述二维平移调整台带动所述平面反射镜组件实现二维平移运动；

所述二维平移调整台包括横向平移单元和纵向平移单元，

所述纵向平移单元包括纵向平移丝杠、纵向平移导轨副、纵向移动平台、反射镜安装法兰；所述纵向平移导轨副安装在所述横向移动平台上，所述纵向平移丝杠设置在所述纵向平移导轨副之间，所述纵向移动平台安装在所述纵向平移导轨副上，所述反射镜安装法兰安装在所述纵向移动平台上；

所述桁架主体采用桁架杆形式的桥式结构，被检测的主光机结构竖直放置于所述桁架主体的内部空间；

还包括调平底座，所述调平底座设置在所述桁架主体的两侧，每侧各有四个，通过调整不同位置的所述调平底座的高度，实现所述桁架主体的角度调整；

所述平面反射镜组件包括镜座、一对组件转接块、压盖、平面反射镜，

所述平面反射镜设置在所述镜座内，所述一对组件转接块呈倒L型对称的

安装在所述镜座的两侧，所述一对组件转接块的法兰面与所述反射镜安装法兰连接，所述压盖设置在所述镜座的端面上。

2.根据权利要求1所述的一种用于光学系统竖直状态系统波像差测试的立式检测系统，其特征在于，所述镜座的内腔的前部内孔边缘设置有止口，用于支撑所述平面反射镜，所述平面反射镜的外缘与所述镜座的内表面之间留有间隙，所述间隙内用于局部涂胶，固定所述平面反射镜。

3.根据权利要求1所述的一种用于光学系统竖直状态系统波像差测试的立式检测系统，其特征在于，所述调平底座的调整范围是100-180mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于光学系统竖直状态系统波像差测试的立式检测系统，其特征在于，所述一对组件转接块的两个法兰面共面度优于0.01mm。