一种基于小口径平面镜装调大口径光学系统的装调方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于小口径平面镜装调大口径光学系统的装调方法。本发明专利技术包括一个待装调光学系统、一块小口径平面反射镜和一台干涉仪；待装调光学系统完成粗定位后，将平面反射镜放置在待装调的光学系统前；光学系统、小口径平面反射镜和干涉仪构成干涉光路；通过干涉仪得到系统成像波像差均方根值和各项泽尼克多项式系数值后，使用光学软件进行逆向优化，得到光学元件的失调量，从而进行系统装调。与传统的全口径平面反射镜干涉装调方法相比，小口径平面反射镜造价低，大大降低装调设备的成本；并且小口径平面反射镜在特殊姿态下能较好的保证其面型精度，适用于特殊姿态的光学系统装调。统装调。统装调。

【技术实现步骤摘要】
一种基于小口径平面镜装调大口径光学系统的装调方法


[0001]本专利技术属于天文望远镜
，涉及一种光学系统装调方法及系统，具体为一种基于小口径平面镜装调大口径光学系统的装调方法。

技术介绍

[0002]为了满足更高的成像分辨率，光学系统的有效通光口径越来越大，同时也对系统装调提出了更高的要求。基于平面反射镜的干涉装调是一种典型的光学系统装调方法，因其装调精度高被广泛应用于各种类型的光学系统装调中。该装调方法通常使用一块与待装调光学系统相同口径的平面反射镜与待装调光学系统组成干涉光路进行系统装调。干涉仪放置在光学系统焦点处，发出点光源，经光学系统后形成平行光入射在标准平面反射镜上，平行光经平面反射镜反射后进入光学系统，反射的平行光经光学系统后汇聚在系统焦点处，与干涉仪出射点光源形成干涉。装调光路见附图1。平面反射镜是干涉装调中的基准元器件，其面型精度决定了光学系统的最高装调精度。为了满足高精度的系统装调，平面反射镜的面型精度RMS值需≤λ/50(λ为装调波长)。
[0003]但是，大口径标准平面镜制造成本很高，作为检测元件无疑会大大增加研制成本。另外，针对处于特殊姿态下(倾斜)的大口径光学系统，大口径平面反射镜因其自身重力和支撑结构，很难在特殊姿态下(倾斜)保证其面型精度。因此大口径平面反射镜越来越不适于大口径光学系统的装调。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于小口径平面镜装调大口径光学系统的装调方法。该方法解决了大口径平面反射镜不适于大口径光学系统干涉装调的技术问题。小口径平面反射镜与大口径平面反射镜相比造价低，降低了装调设备成本，且小口径平面反射镜质量轻且易于机械支撑，可以用于在倾斜状态下保持其面型精度的装调要求。本专利技术提出一种基于小口径平面镜装调大口径光学系统的评价方法，实现利用小口径平面反射镜装调大口径光学系统。
[0005]本专利技术包括一个待装调光学系统、一块小口径平面反射镜和一台干涉仪。将平面反射镜放置在待装调的光学系统前。光学系统、小口径平面反射镜和干涉仪构成干涉光路。通过干涉仪得到系统成像波像差均方根值(Root Mean Square:RMS)和各项泽尼克(Zernike)多项式系数值后，使用光学软件进行逆向优化，得到光学元件的失调量，从而进行系统装调。
[0006]本专利技术的工作原理：
[0007]光学系统在系统焦面处的波像差可以由Zernike多项式进行表示，具体形式如式(1)所示：
[0008][0009]其中A
i
为Zernike多项式第i项的系数，Z
i
(ρ,θ)为Zernike多项式的第i项，ρ为归一
化的径向距离(0≤ρ≤1)，θ为方位角(0≤θ≤2π)，n为Zernike多项式的项数。
[0010]在单位圆内，Zernike多项式各项连续正交。利用Zernike多项式的正交性，从全口径中单独取任一位置的小口径圆形区域的Zernike多项式系数具有唯一性，因此可以使用小口径圆形区域的Zernike多项式系数表征全口径波像差，指导系统装调。
[0011]Zernike多项式的第1
‑
4项表征位置、倾斜和离焦，Zernike多项式的第5
‑
11项表征像散、慧差、球差和三叶像散，Zernike多项式的第12项及以后表征高阶像差。在实际装调中，光学元件的位置误差对5
‑
11项的低阶像差的影响较大，对12项及以后的高阶像差影响较小，一般认为12项及以后的高阶像差由光学元件的面型造成，无法通过调整光学元件的位置进行消除。因此装调过程中，使用5
‑
11项低阶像差做为优化目标进行光学元件位置误差的计算。Zernike多项式的第5
‑
11项见式(2)。
[0012][0013]本专利技术的技术方案为：
[0014]一种基于小口径平面镜装调大口径光学系统的装调方法，其步骤包括：
[0015]1)将待装调的光学系统中各光学元件的实测参数信息输入光学仿真软件，建立光学系统模型，得到光学系统在焦点处的波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值；
[0016]2)在所述光学系统模型中截取一小口径圆形区域，获得光学系统焦点处在该小口径圆形区域内的波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值；
[0017]3)所述光学系统中的各光学元件完成粗定位后，将干涉仪放置在所述光学系统的焦点处，将一小口径平面反射镜放置在粗装调所得光学系统前，所述光学系统、小口径平面反射镜和干涉仪构成干涉光路；其中所述小口径平面反射镜的口径和对准区域与所选小口径圆形区域对应一致；
[0018]4)使用干涉仪测量当前所述光学系统焦点处在该小口径圆形区域内的波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值；
[0019]5)将步骤4)测量得到的低阶像差作为优化目标值输入到所述光学系统模型中进行逆向优化，得到所述光学系统各光学元件的位置失调量；
[0020]6)根据步骤5)计算所得的各光学元件位置失调量对各光学元件进行装调到位后，使用干涉仪获得装调完成后光学系统焦点处该小口径圆形区域内的波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值，与步骤2)所得理论波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值进行核对；
[0021]7)步骤6)核对一致后，及完成系统装调；否则返回步骤4)。
[0022]进一步的，所述光学元件的实测参数信息包括：光学元件的曲率、非球面系数以及
面型；如果所述光学元件为折射光学元件，所述参数信息还包括光学元件的厚度、面偏心和面倾斜。
[0023]进一步的，所述低阶像差为Zernike多项式的第5
‑
11项系数，即像散、慧差、球差和三叶像散。
[0024]进一步的，步骤7)中，小口径圆形区域内Zernike多项式的5
‑
11项与理论值一致，则判定符合装调要求，完成系统装调。
[0025]进一步的，所述全口径区域为所述光学系统的有效口径。
[0026]一种基于小口径平面镜装调大口径光学系统的装调系统，其特征在于，包括小口径平面反射镜、干涉仪和一数据处理单元；其中
[0027]所述数据处理单元，用于根据待装调的光学系统中各光学元件的实测参数信息建立一光学系统模型，得到光学系统在焦点处的波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值；并在所述光学系统模型中截取一小口径圆形区域，获得光学系统焦点处在该子孔径区域内的波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值；其中所述小口径平面反射镜的口径和对准区域与所选小口径圆形区域对应一致；
[0028]所述小口径平面反射镜放置在粗装调后所得光学系统前；所述光学系统、小口径平面反射镜和干涉仪构成干涉光路；
[0029]所述小口径平面反射镜，用于依次扫描所述光学系统的全口径区域，得到光学系统焦点处各子孔径区域的波前数据并发送给所述数据处理单元；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于小口径平面镜装调大口径光学系统的装调方法，其步骤包括：1)将待装调的光学系统中各光学元件的实测参数信息输入光学仿真软件，建立光学系统模型，得到光学系统在焦点处的波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值；2)在所述光学系统模型中截取一小口径圆形区域，获得光学系统焦点处在该小口径圆形区域内的波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值；3)所述光学系统中的各光学元件完成粗定位后，将干涉仪放置在所述光学系统的焦点处，将一小口径平面反射镜放置在粗装调所得光学系统前，所述光学系统、小口径平面反射镜和干涉仪构成干涉光路；其中所述小口径平面反射镜的口径和对准区域与所选小口径圆形区域对应一致；4)使用干涉仪测量当前所述光学系统焦点处在该子孔径区域内的波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值；5)将步骤4)测量得到的低阶像差作为优化目标值输入到所述光学系统模型中进行逆向优化，得到所述光学系统各光学元件的位置失调量；6)根据步骤5)计算所得的各光学元件位置失调量对各光学元件进行装调到位后，使用干涉仪获得装调完成后光学系统焦点处该小口径圆形区域内的波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值，与步骤2)所得理论波像差RMS值和Zernike多项式各项系数值进行核对；7)步骤6)核对一致后，及完成系统装调；否则返回步骤4)。2.如权利要求1所述的装调方法，其特征在于，所述光学元件的参数信息包括：光学元件的曲率、非球面系数以及面型；如果所述光学元件为折射光学元件，所述参数信息还包括光学元件的厚度、面偏心和面倾斜。3.如权利要求1所述的装调方法，其特征在于，所述低阶像差为Zernike多项式的第5
‑
11项系数，即像散、慧差、球差和三叶像散。4.如权利要求1所述的装调方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈宇樑，王东光，侯俊峰，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：