本发明专利技术涉及一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统及其工作方法，属于精密测量的光学精密测试领域。本发明专利技术的平面波携带有拼接镜的共相误差信息，平面波与涡旋光束在CCD相机发生类零位干涉，采用四步相移法得到携带有共相误差的螺旋波前相位，解调螺旋波前相位获得拼接子镜误差信息，通过波前位错线的夹角和弯曲度分别得到平移误差和倾斜误差，实现共相误差的精确解析。本发明专利技术以中心参考镜的螺旋波前位错线为参考基准线，与所有拼接子镜上的螺旋波前位错线进行对比，并提取所有拼接子镜的共相误差信息，方法简便，检测效率高，可实时得到拼接子镜之间的平移误差和倾斜误差。移误差和倾斜误差。移误差和倾斜误差。
【技术实现步骤摘要】
一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统及其工作方法
[0001]本专利技术涉及一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统及其工作方法，属于精密测量的光学精密测试
技术介绍
[0002]随着科学技术的不断发展，大口径光学天线被广泛应用于环境监测、天文观测、军事侦察等诸多重要领域，在国家安全、空间碎片探测及宇宙天体研究等领域展现出越来越重要的作用。根据光学成像系统理论，在观测波长固定的情况下，光学系统空间角分辨率与光学天线的口径成反比，光学成像系统入瞳直径越大，则其角分辨率越小，集光本领越大，分辨能力越高，越接近衍射极限。增大光学天线的主镜口径是提高观测分辨率和集光能力的有效手段，因此，世界各国相继投入大量精力研究开发大口径光学天线。主镜口径的不断增大给光学天线的加工、检测、集成装调、运输等技术带来巨大的挑战。
[0003]采用若干个子镜面拼接合成主镜代替单一型主镜的方案可以有效解决大型望远镜口径限制问题。通过把整个镜面分割成多个小镜面,既能降低成本,又能降低镜面加工、运输装调的难度。拼接镜面通过调整各子镜的位姿状态，形成一个虚拟的、连续的单一型主镜光学面形，在提高集光能力与分辨本领的同时，减小了望远镜的造价与质量。
[0004]拼接型主镜的关键技术之一在于子镜间的共相位问题，因其特有的拼接结构，每块子镜不可避免的会产生倾斜误差和子镜之间的轴向(平移)误差，导致子镜之间不能达到光学上的共焦共相，各子镜的相位就无法保证一致，拼接共相误差就给主镜引入了波前像差，使得成像质量退化。拼接型主镜子镜之间的倾斜误差和轴向误差统称为共相误差。只有在实现所有子镜的严格共相，才能真正发挥其大口径的最大光学性能。
[0005]近年来，拼接镜高精度共相检测问题已经成为研究的热点，为了解决检测共相误差问题，各国科研人员做了大量的研究，并提出了很多有效的检测方法。然而，传统的共相误差检测存在各式的问题，并且对两个以上拼接子镜的检测过程通常繁琐复杂，单种共相检测方法难以实现大量程、高精度的检测，多种共相检测相结合的方法虽能达到大量程、高精度的检测，但其不仅会使仪器结构更复杂，还会导致过程繁琐异常，难以达到高效率的检测。实现大量程、高精度、高效率、检测过程简便的光学共相检测是一项极具挑战性的课题。
技术实现思路
[0006]针对目前大口径光学天线领域的共相检测的重大需求和技术瓶颈问题，本专利技术提供一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统及其工作方法，具有大量程、高精度、高效率、检测过程简便的优点，为大口径光学天线的在线检测与装调测试提供一种新的研究思路及技术途径。
[0007]本专利技术采用以下技术方案：
[0008]一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统，包括激光器、
扩束器、分束器A、分束器B、分束器C、分束器D、1/4波片、螺旋相位板、透镜组、拼接镜、反射镜和CCD相机；
[0009]激光器发出的线偏振平面波先经过扩束器，然后经分束器A分为参考光和测试光，参考光经1/4波片变为圆偏振光，然后经过螺旋相位板后生产涡旋光束，接着涡旋光束入射到分束器C上，并由分束器C反射至反射镜上后经过分束器C上原路返回并入射至分束器D上；
[0010]测试光经过分束器B透射、透镜组聚焦后变为球面波，并入射至拼接镜上，通过调节拼接镜的前后距离，当球面波曲率半径刚好与拼接镜曲率半径相等时，此时拼接镜表面反射的光束再次穿过透镜组后变为平面波，该平面波携带有拼接镜的共相误差信息，测试光即平面波经分束器D进入CCD相机，与参考光即涡旋光束在CCD相机发生类零位干涉，采用四步相移法得到携带有共相误差的螺旋波前相位，最终通过解调螺旋波前相位实现共相误差的精确解析。
[0011]优选的，所述反射镜设置于通过压电驱动的PZT位移平台上，用于相移。
[0012]一种上述基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，包括以下步骤：
[0013](1)激光器发出的线偏振平面波先经过扩束器，然后经分束器A分为参考光和测试光；
[0014](2)参考光经1/4波片变为圆偏振光，然后经过螺旋相位板后生产涡旋光束，接着涡旋光束入射到分束器C上，并由分束器C反射至反射镜上引入相移后经过分束器C上原路返回并入射至分束器D上；
[0015](3)测试光经过分束器B透射、透镜组聚焦后变为球面波，并入射至拼接镜上，通过调节拼接镜的前后距离，当球面波曲率半径刚好与拼接镜曲率半径相等时，此时拼接镜表面反射的光束再次穿过透镜组后变为平面波，该平面波携带有拼接镜的共相误差信息；
[0016](4)测试光即平面波与参考光即涡旋光束在CCD相机发生类零位干涉；
[0017](5)采用四步相移法得到携带有共相误差的螺旋波前相位；
[0018](6)解调螺旋波前相位获得拼接子镜误差信息，通过波前位错线的夹角和弯曲度分别得到平移误差和倾斜误差，实现共相误差的精确解析。
[0019]优选的，拼接镜包括中心参考镜和拼接子镜，步骤(6)之后，将平移误差和倾斜误差信息作为反馈引导促动器来实时调节拼接子镜，直至双波长测量下的拼接子镜的螺旋波前位错线都与中心参考镜共线，此处共相误差得到校正。
[0020]优选的，光学零位干涉测试是一种相对测量方法，已经广泛应用在光学元件的高精度检测中，其中零位干涉指的是参考波前与测试波前在干涉区域内任意一点处的相位差为零或都等于某一常数。涡旋光是一种特殊的光场，具有螺旋形波前相位(正螺旋面)，该波前的显著特点是在径向是等相位的，因此涡旋光与平面波在每一个径向上是零位干涉，在整个干涉区域上为类零位干涉。在校正时先选择一对中心参考镜和拼接子镜进行校正，对于多组中心参考镜和拼接子镜分别进行校正。
[0021]沿z方向传播的拓扑荷为l的涡旋光束的电场表达式为：
[0022][0023]沿z方向传播的平面波的电场表达式为：
[0024]E
p
＝E
p
·
exp(ikz)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0025]沿z方向传播的携带有拼接镜共相误差的平面波电场表达式为：
[0026]E
error
＝E
p
·
exp{i[k(z+Δz)
·
cosδ]}
ꢀꢀꢀ
(3)
[0027]其中，i为虚部，为涡旋光携带的相位，k＝2π/λ、z表示z方向上的传输距离；
[0028]取E
v
＝E
p
＝E0,CCD相机上捕获的涡旋光与平面波类零位干涉光强为：
[0029][0030]其中，Δz是中心参考镜和拼接子镜之间的平移误差，δ是中心参考镜和拼接子镜之间的倾斜误差。
[0031]优选的，在被测镜未被加载时采集一幅参考图像，其光强表达式为：
[0032]I0＝a+bcosα
ꢀ本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统，其特征在于，包括激光器、扩束器、分束器A、分束器B、分束器C、分束器D、1/4波片、螺旋相位板、透镜组、拼接镜、反射镜和CCD相机；激光器发出的线偏振平面波先经过扩束器，然后经分束器A分为参考光和测试光，参考光经1/4波片变为圆偏振光，然后经过螺旋相位板后生产涡旋光束，接着涡旋光束入射到分束器C上，并由分束器C反射至反射镜上后经过分束器C上原路返回并入射至分束器D上；测试光经过分束器B透射、透镜组聚焦后变为球面波，并入射至拼接镜上，通过调节拼接镜的前后距离，当球面波曲率半径刚好与拼接镜曲率半径相等时，此时拼接镜表面反射的光束再次穿过透镜组后变为平面波，该平面波携带有拼接镜的共相误差信息，测试光即平面波经分束器D进入CCD相机，与参考光即涡旋光束在CCD相机发生类零位干涉。2.根据权利要求1所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统，其特征在于，所述反射镜设置于通过压电驱动的PZT位移平台上，用于相移。3.一种权利要求1所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)激光器发出的线偏振平面波先经过扩束器，然后经分束器A分为参考光和测试光；(2)参考光经1/4波片变为圆偏振光，然后经过螺旋相位板后生产涡旋光束，接着涡旋光束入射到分束器C上，并由分束器C反射至反射镜上引入相移后经过分束器C上原路返回并入射至分束器D上；(3)测试光经过分束器B透射、透镜组聚焦后变为球面波，并入射至拼接镜上，通过调节拼接镜的前后距离，当球面波曲率半径刚好与拼接镜曲率半径相等时，此时拼接镜表面反射的光束再次穿过透镜组后变为平面波，该平面波携带有拼接镜的共相误差信息；(4)测试光即平面波与参考光即涡旋光束在CCD相机发生类零位干涉；(5)采用四步相移法得到携带有共相误差的螺旋波前相位；(6)解调螺旋波前相位获得拼接子镜误差信息，通过波前位错线的夹角和弯曲度分别得到平移误差和倾斜误差，实现共相误差的精确解析。4.根据权利要求3所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，其特征在于，拼接镜包括位于中央的中心参考镜和位于边缘的拼接子镜，步骤(6)之后，将平移误差和倾斜误差信息作为反馈引导促动器来实时调节拼接子镜，直至双波长测量下的拼接子镜的螺旋波前位错线都与中心参考镜共线，此处共相误差得到校正。5.根据权利要求4所述的基于涡旋光类零位干涉的大口径光学天线共相误差检测系统的工作方法，其特征在于，沿z方向传播的拓扑荷为l的涡旋光束的电场表达式为：沿z方向传播的平面波的电场表达式为：E
p
＝E
p
·
exp(ikz)
ꢀꢀꢀ
(2)沿z方向传播的携带有拼接镜共相误差的平面波电场表达式为：E
error
＝E
p
·
exp{i[k(z+Δz)
·
cosδ]}
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(3)其中，i为虚部，为涡旋光携带的相位，k＝2π/λ、z表示z方向...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨忠明，高宏伟，杨丽丽，刘兆军，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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