一种用于大口径光学系统装调的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术的引入小口径平面反射镜替代传统的大口径平面反射镜，小口径平面反射镜具备俯仰和方位调整机构，通过电动远程控制可实现小口径平面镜的任意角度的调节。小口径平面反射镜被安装在一个二维平移机构上，控制器控制二维平面导轨，可实现小口径平面反射镜在二维空间内移动。在确保小口径平面反射镜在使用角度下的面形符合要求后，结合波前测试设备，进行系统的检测和装调。为提高装配效率，本发明专利技术提出单口径下的系统波前测量及装调、稀疏子孔径下的系统波前测量及装调以及全口径下的系统波前测量及装调三个步骤完成系统的装调。在各个步骤的装调中，波前测量结果到失调量的解算通过反向优化计算方法给出。通过反向优化计算方法给出。

【技术实现步骤摘要】
一种用于大口径光学系统装调的装置及方法


[0001]本专利技术属于光学检测及装配领域，涉及一种光学系统波前测量及系统装调的装置及方法。

技术介绍

[0002]大口径光学系统的检测与装调是当前硬科技的前沿项目之一，对空间远距离成像、激光武器聚焦等一系列应用具有重要的商业价值。而随着光学系统口径的不断增大，这对光学检测和装配也提出了更多的要求。
[0003]常用的像质测量方法有星点检测法、阴影法、平行光管测试法、哈特曼检测法、相位复原检测法、自准直检测法等。
[0004]其中，星点检测法是光学系统像质检测的最基本的方法，实际的检测过程需要经过肉眼和经验的判断，是一种半定量的检测方法，无法满足现代光学系统的像质检测及装调需求。
[0005]阴影法利用遮挡等手段检测光学系统由于像差引入的对预期轨迹的偏移，它结构简单，灵敏度高，但依然是一种半定量检测方法。
[0006]平行光管测试法主要是用来完成望远镜装配完成后的最终像质评价，在平行光管测试过程中，由大口径平行光管发出的准直光束通过光学系统并最终聚焦到光学系统的焦平面上，通过分析探测器上的焦斑像，计算出光斑的能量集中度或者系统的MTF来实现系统检测。这种检测方法需要一个大口径长焦距的平行光管，使得测试成本大幅度增加。
[0007]哈特曼检测法是从几何光学的观点来研究经过光学系统后光线偏离理想光束的程度，从而检验出光学系统的成像质量。传统的哈特曼法中探测器得出的光阑直径较大，光斑质心坐标的提取精度较低，光能损失大，分辨率低。通常，在实验室内使用哈特曼时，需要大口径平行光管等目标发生器提供目标光源，因此增加了测试成本，在外场使用哈特曼传感器时，它的测试结果易受到大气湍流等因素的影响，也不利于大口径光学系统的测试和装调。
[0008]相位复原检测法是一种基于图像处理的波前传感方法，它使用光学系统采集到的图像来估计系统的波前。这种方法不同于干涉测量方法在于干涉法需要与系统波前相匹配的参考波面来形成干涉条纹，从而预测系统的波前。不同于哈特曼和曲率传感器的地方在于不需要光学系统的出瞳图像就能测量波前。然而，这种方法非常依赖于处理算法，通常非常耗时，而且不一定能得到系统波面信息的收敛解。
[0009]自准直检测法使用干涉测量方法进行检测，通常使用一大口径标准平面镜作为参考镜。这种方法测试精度高，在实际的应用非常广泛，然而，在部分情况下难以适用。比如，有些光学系统在跟踪目标运行时，光线入射方向和系统光轴方向不为0
°
，在该状态下主镜的面形检测是一项关键问题。此时用大口径平面镜检测和装调系统时，平面反射镜呈倾斜状态，此时难以保证平面镜的面形精度。因此也无法使用该方法进行大口径系统高精度的检测和装调。

技术实现思路

[0010]为了解决现有的大口径光学系统在工作姿态下的波前检测检测难度大、成本高，装调困难等技术问题，本专利技术提供了一种用于大口径光学系统装调的装置及方法。
[0011]本专利技术的技术解决方案是：
[0012]该用于大口径光学系统装调的方法包括以下步骤：
[0013]1】搭建测量及装调光路
[0014]选用波前测量设备及面形完整的平面反射镜，并使波前测量设备的出射光经大口径光学系统后入射至平面反射镜，平面反射镜对入射光进行反射，反射光再经大口径光学系统后入射至波前测量设备；大口径光学系统包括主镜和次镜，其中次镜设置在六自由度调整装置上；
[0015]2】单口径下的系统波前测量及装调
[0016]2.1】调整平面反射镜俯仰姿态，使平面反射镜移动至大口径光学系统孔径的中央位置；
[0017]2.2】微调平面反射镜俯仰姿态，使得波前测量设备测量得到的波前x方向倾斜及y方向倾斜最小时，记录对应的Zernike多项式系数；
[0018]2.3】依据式(1)对步骤2.2】的测量数据进行优化：
[0019][0020]其中V
i
是步骤2.2】测得的系统波前对应的Zernike多项式系数，T
i
是不存在失调状态下的波前Zernike系数，ω
i
是加权因子；运行优化程序，得出大口径光学系统的次镜六个姿态的失调量；
[0021]2.4】根据步骤2.3】得出的大口径光学系统中次镜的六个姿态的失调量，对大口径光学系统中的次镜位置进行六自由度调整；调整完成后重复步骤2.2】至2.4】，直至低阶像差项系数小于阈值1/50λ后，进入步骤3处理；
[0022]3】稀疏子孔径下的系统波前测量及装调
[0023]3.1】更换稀疏子孔径，并调整平面反射镜俯仰姿态；
[0024]3.2】微调平面反射镜俯仰姿态，使得波前测量设备测量得到的各子孔径波前x方向倾斜及y方向倾斜最小；
[0025]3.3】将经步骤3.2】测量所得的各子孔径波前进行数据拼接为W，并获取到低阶项像差系数V
i
后代入式(1)：
[0026][0027]其中V
i
是稀疏子孔径拼接获得的低阶Zernike多项式系数，T
i
是不存在失调状态下的波前Zernike系数，ω
i
是加权因子；运行优化程序，得出大口径光学系统的次镜10六个姿态的失调量；
[0028]所述W
i
依据式(2)获取：
[0029][0030]其中NS是稀疏子孔径的个数，L是全口径Zernike多项式最高阶数，P
i
,T
xi
和T
yi
是第i个子孔径的平移、x方向倾斜、y方向倾斜的系数；A
m
是拼接重建出的波前系数，V
i
是A
m
的低阶部分。当在第i个子孔径时，χ(x,y；i)＝1，否则χ(x,y；i)＝0；
[0031]3.4】根据步骤3.3】得出的大口径光学系统的次镜六个姿态的失调量，对大口径光学系统中的次镜位置进行六自由度调整；调整完成后重复步骤3.2至3.4，直至低阶像差项系数小于阈值1/50λ后，进入步骤4处理；
[0032]4】全口径下的系统波前测量及装调
[0033]4.1】更换为全口径子孔径分布，并相应调整平面反射镜俯仰姿态；
[0034]4.2】微调平面反射镜俯仰姿态，使得波前测量设备测量得到的全口径波前x方向倾斜及y方向倾斜最小；
[0035]4.3】将经步骤3.2】测量所得的各子孔径波前进行数据拼接，并获取到低阶项像差系数V
i
后代入式(1)：
[0036][0037]其中V
i
是全口径子孔径获得的低阶Zernike多项式系数，T
i
是不存在失调状态下的波前Zernike系数，ω
i
是加权因子；运行优化程序，得出大口径光学系统的次镜10六个姿态的失调量；
[0038]所述W
i
依据式(2)获取：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于大口径光学系统装调的方法，其特征在于：1】搭建测量及装调光路选用波前测量设备及面形完整的平面反射镜，并使波前测量设备的出射光经大口径光学系统后入射至平面反射镜，平面反射镜对入射光进行反射，反射光再经大口径光学系统后入射至波前测量设备；2】单口径下的系统波前测量及装调2.1】调整平面反射镜俯仰姿态，使平面反射镜移动至大口径光学系统孔径的中央位置；2.2】微调平面反射镜俯仰姿态，使得波前测量设备测量得到的波前x方向倾斜及y方向倾斜最小时，记录对应的Zernike多项式系数；2.3】依据式(1)对步骤2.2】的测量数据进行优化：其中V
i
是步骤2.2】测得的系统波前对应的Zernike多项式系数，T
i
是不存在失调状态下的波前Zernike系数，ω
i
是加权因子；运行优化程序，得出大口径光学系统的次镜六个姿态的失调量；2.4】根据步骤2.3】得出的大口径光学系统中次镜的六个姿态的失调量，对大口径光学系统中的次镜位置进行六自由度调整；调整完成后重复步骤2.2】至2.4】，直至低阶像差项系数小于阈值1/50λ后，进入步骤3处理；3】稀疏子孔径下的系统波前测量及装调3.1】更换稀疏子孔径，并调整平面反射镜俯仰姿态；3.2】微调平面反射镜俯仰姿态，使得波前测量设备测量得到的各子孔径波前x方向倾斜及y方向倾斜最小；3.3】将经步骤3.2】测量所得的各子孔径波前进行数据拼接，并获取到低阶项像差系数V
i
后代入式(1)：其中V
i
是稀疏子孔径拼接获得的低阶Zernike多项式系数，T
i
是不存在失调状态下的波前Zernike系数，ω
i
是加权因子；运行优化程序，得出大口径光学系统的次镜10六个姿态的失调量；所述W
i
依据式(2)获取：其中NS是稀疏子孔径的个数，L是全口径Zernike多项式最高阶数，P
i
,T
xi
和T
yi
是第i个子孔径的平移、x方向倾斜、y方向倾斜的系数；A
m
是拼接重建出的波前系数，V
i
是A
m
的低阶部分。当在第i个子孔径时，x(x,y；i)＝1，否则x(x,y；i)＝0；3.4】根据步骤3.3】得出的大口径光学系统的次镜六个姿态的失调量，对大口径光学系
统中的次镜位置进行六自由度调整；调整完成后重复步骤3.2至3.4，直至低阶像差项系数小于阈值1/50λ后，进入步骤4处理；4】全口径下的系统波前测量及装调4.1】更换为全口径子孔径分布，并相应调整平面反射镜俯仰姿态；4.2】微调平面反射镜俯仰姿态，使得波前测量设备测量得到的全口径波前x方向倾斜及y方向倾斜最小；4.3】将经步骤3.2】测量所得的各子孔径波前进行数据拼接为W，并获取到低阶项像差系数V

【专利技术属性】
技术研发人员：鄂可伟，付兴，赵建科，昌明，焦璐璐，刘强，刘锴，周艳，李华，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：