一种用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统，包括计算装置、第一、二激光光源、与光源等高的平面分光镜、分光棱镜、第一、二、三复消色差双胶合透镜、目标反射镜和图像传感器，并组成准直共轭光路：准直光路、检测反射镜光路、参考光路，图像传感器输出与计算装置相连。本发明专利技术解决了反射镜在光学系统的定心装调和球面反射镜的曲率半径精密检测的难题，以一种光路同时搭建两种光学应用检测的系统，减小检测成本及测量误差；同时引入原装调光路实现三轴共基准；实现检测光斑图像判定和装调反馈在线检测；提高复杂离轴系统搭建及检测效率，实现实时在线装调及高精度面形的测量效果。量效果。量效果。

【技术实现步骤摘要】
一种用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统及方法


[0001]本专利技术涉及球面反射镜及非球面反射镜在光学系统的定心装调和球面反射镜的曲率半径精密检测，特别是涉及一种用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统。

技术介绍

[0002]球面反射镜是光学系统中应用非常广泛的基础光学元件，非球面反射镜在优化光线传播结构、减小轴外像差、提升系统成像质量性能上作用显著，因此被光学设计者广泛应用于同轴、离轴反射系统的应用中。对于反射式光学系统，装调测试系统时的一项关键问题是将反射镜的曲率顶点准确定位至系统的光轴上。当反射镜光轴与光学系统的基准轴发生微小相对倾斜(60分)或偏移时(10微米)，成像系统出瞳位置会引入由于离轴光轴失调产生的高低阶轴上轴外像差(偏移、像散、彗差等)，造成系统图像退化，观测像面成像质量下降。对于球面反射镜而言，其曲率半径作为系统成像重要的一阶参数，检测反射镜曲率半径和反射镜面面形精度对评估光学系统的成像质量至关重要。在现有的方法中，反射光路光轴对准与反射镜面形曲率检测通常作为两种技术需分别独立进行。本专利技术提供了一种用于反射光路光轴对准与面形曲率检测的包含硬件光路和软件平台的集成模块系统。其中系统硬件光路部分解决了球面及非球面反射镜在光学系统的定心装调和球面反射镜的曲率半径精密检测的难题，同时引入原装调光路实现三轴共基准；软件平台实现了检测光斑图像判定和装调反馈在线监测。以一种光路同时搭建了实现两种光学应用检测的系统，减小了检测成本及测量误差；同时模块集成化系统提高复杂离轴系统搭建及检测效率，实现实时在线装调及高精度面形的测量效果。
[0003]针对离轴系统装调的问题而言，传统的光学系统光轴对准调节依赖有装调经验的技术人员反复试验调节，通过经验及手动调整反射光路中光束与反射镜光轴的同轴度，或建立辅助检测光路较为常见，但装调精度难以保证。借助经纬仪、干涉仪、六轴调整器件等大型精密进行装调的精度较高，但操作复杂，安装周期长，且不利于桌面型中小口径的光学系统检测装调。针对检测反射镜面形曲率半径的问题，轮廓检测法以及传统的利用球径仪的机械测量法等接触式曲率半径测量方法容易对被测面造成损伤，且前者的设备和测试成本较高，后者的测量精度有限。非接触式测量方法为干涉仪与测长系统结合的测量方法，这种方法的测量精度较高，尤其是对于大曲率半径的球面镜而言可达微米量级，但易受测量环境的影响，性价比不高。本专利提出了一种对球面反射镜和非球面反射镜组成的系统光轴对准方法及装置，实现光轴对准和面形曲率的检测功能集成。该系统有助于指导技术人员精密装调桌面级由中小口径下的球面、非球面反射镜组成的离轴反射系统，实现反射镜的装调自由度定量化和在线装调过程的可视化，进一步提高装调精度，提升装调检测一体化的效率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决传统离轴系统装调和反射镜面形曲率半径无法同时保证
较高的效率、较低的成本和精确度的技术问题，提供一种用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统。
[0005]本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
[0006]一种用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统，包括计算装置、第一激光光源、第二激光光源，与所述第一激光光源、第二激光光源等高的平面分光镜、分光棱镜、第一复消色差双胶合透镜、第二复消色差双胶合透镜、第三复消色差双胶合透镜、目标反射镜和图像传感器，组成包含如下光路的准直共轭光路：准直光路，光由第一激光光源发出，沿直线依次经过平面分光镜、分光棱镜、第二复消色差双胶合透镜到达目标反射镜，经180
°
反射后，经过第二复消色差双胶合透镜到达分光棱镜，经90
°
反射后经第三复消色差双胶合透镜到达图像传感器形成第一光斑；检测反射镜光路，光由第二激光光源发出，经过第一复消色差双胶合透镜到达分光棱镜，经其分光，90
°
偏移反射至平面分光镜，经其180
°
反射后，沿直线依次经过分光棱镜、第二复消色差双胶合透镜到达目标反射镜，经其180
°
反射后，经过第二复消色差双胶合透镜到达分光棱镜，经其90
°
偏移反射后，经过第三复消色差双胶合透镜到达图像传感器形成第二光斑；参考光路，光由第二激光光源发出，沿直线依次经过第一复消色差双胶合透镜、分光棱镜、第三复消色差双胶合透镜到达图像传感器形成第三光斑；其中，图像传感器输出与计算装置相连，目标反射镜可根据需要设置为球面反射镜或非球面反射镜。
[0007]在本专利技术一些实施例中，上述用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统，所述第一激光光源为氦氖激光器，第二激光光源为光纤激光器，所述氦氖激光器用于作为光源提供准直光路；所述光纤激光器用于作为光源提供检测反射镜光路和参考光路；所述计算装置为电脑。
[0008]在本专利技术一些实施例中，上述用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统，所述计算装置还通过电控装置与光路中的可调节部件相连，以实现自动调节。
[0009]在本专利技术一些实施例中，上述用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统，所述第一激光光源与所述平面分光镜之间还设置有可变光阑。
[0010]本专利技术还提出一种用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的方法，使用上述中任一项所述的用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统完成作业，包括以下步骤：
[0011]S1：调节所述目标反射镜的朝向，使得所述第一光斑位于图像传感器的相面位置中心；
[0012]S2：通过所述计算装置实时计算第二光斑和第三光斑的质心坐标，调整目标反射镜，直至PSF光斑重合，准直光路、检测反射镜光路、参考光路三条光路汇聚，实现光路定心装调；
[0013]S3：记录目标反射镜与第二复消色差双胶合透镜的轴向距离d1；
[0014]S4:将目标反射镜沿准直光路朝靠近第二复消色差双胶合透镜的方向轴向移动，直至图像传感器上光斑PSF最小；
[0015]S5：重复步骤S2；
[0016]S6：记录当前目标反射镜与第二复消色差双胶合透镜的的轴向距离d2；
[0017]S7：计算距离差ΔD＝d1‑
d2，得到目标反射镜的曲率半径。
[0018]在本专利技术一些实施例中，步骤S1中目标反射镜为平面反射镜，步骤S2至步骤S7中
目标反射镜为待装调反射镜。
[0019]在本专利技术一些实施例中，步骤S4和步骤S7中所述软件平台包括图像显示系统和图像处理系统，其中图像显示系统用于显示光斑的实时位置，图像处理系统用于计算光斑的中心位置坐标。
[0020]在本专利技术一些实施例中，所述图像处理系统的工作流程包括如下步骤：
[0021]A1：对图像传感器采集的光斑图像进行预处理，获得平滑的光斑图像；
[0022]A2：进行自适应阈值分割，去除图像背景像素；
[0023]A3：使用区域生长标记法实现多光斑分割，将多光斑的定位问题转化为多个ROI区域的单光斑定位问题；
[0024]A4：在各R本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统，包括计算装置、第一激光光源、第二激光光源，与所述第一激光光源、第二激光光源等高的平面分光镜、分光棱镜、第一复消色差双胶合透镜、第二复消色差双胶合透镜、第三复消色差双胶合透镜、目标反射镜和图像传感器，其特征在于组成包含如下光路的准直共轭光路：准直光路，光由第一激光光源发出，沿直线依次经过平面分光镜、分光棱镜、第二复消色差双胶合透镜到达目标反射镜，经180
°
反射后，经过第二复消色差双胶合透镜到达分光棱镜，经90
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反射后经第三复消色差双胶合透镜到达图像传感器形成第一光斑；检测反射镜光路，光由第二激光光源发出，经过第一复消色差双胶合透镜到达分光棱镜，经其分光，90
°
偏移反射至平面分光镜，经其180
°
反射后，沿直线依次经过分光棱镜、第二复消色差双胶合透镜到达目标反射镜，经其180
°
反射后，经过第二复消色差双胶合透镜到达分光棱镜，经其90
°
偏移反射后，经过第三复消色差双胶合透镜到达图像传感器形成第二光斑；参考光路，光由第二激光光源发出，沿直线依次经过第一复消色差双胶合透镜、分光棱镜、第三复消色差双胶合透镜到达图像传感器形成第三光斑；其中，图像传感器输出与计算装置相连，目标反射镜可根据需要设置为球面反射镜或非球面反射镜。2.如权利要求1所述的用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统，其特征在于，所述第一激光光源为氦氖激光器，第二激光光源为光纤激光器，所述氦氖激光器用于作为光源提供准直光路；所述光纤激光器用于作为光源提供检测反射镜光路和参考光路；所述计算装置为电脑。3.如权利要求1所述的用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统，其特征在于，所述计算装置还通过电控装置与光路中的可调节部件相连，以实现自动调节。4.如权利要求1所述的用于反射光路光轴对准和面形曲率检测的系统，其特征在于，所述第一激光光源与所述平面分光镜之间还设置有可变光阑。5.一种用于反射光路光轴对准和面形曲率检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：程雪岷，田雨轩，刘紫微，王金栋，叶恒志，郝群，张志庭，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：