一種大口徑凹非球面反射鏡頂點法線光學引出方法
【專利摘要】一種大口徑凹非球面反射鏡頂點法線光學引出方法，將凹非球面置于出射平行光的光學干涉儀前方，在距非球面頂點約二分之一其頂點半徑的位置放置口徑很小的標準球面鏡，此三者基本同軸放置，用來將非球面鏡反射的光線反射回干涉儀。將干涉儀分析得到的光束波前數據代入光學設計軟件中仿真計算，得到非球面頂點法線和干涉儀平行光束之間的夾角。再通過經緯儀瞄干涉儀的平行光束，將其方向引到其余能表征方向的器件上。通過不停的調整凹非球面鏡及其小標準反射鏡和仿真軟件的分析反算，最終能將頂點法線方向的引出的角度精度控制在秒級。此方法簡單易行，并且精度高，在空間光學遙感器的裝調和測試中有著十分重要的應用。
【專利說明】一種大口徑凹非球面反射鏡頂點法線光學弓I出方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大口徑凹非球面反射鏡頂點法線光學引出的方法，特別是采用光學干涉技術來實現的方法。在涉及反射式空間光學遙感器的裝調和測試中有著重要的應用。
【背景技術】
[0002]大口徑凹非球面反射鏡頂點法線光學引出的方法在引出精度上有秒級的精度主要是利用了測試光路中干涉儀接收到的光波波前彗差對大口徑凹非球面反射鏡相對于干涉儀出射的平行光束的傾斜量非常敏感的特性，從而實現了頂點法線的高精度的引出。現有的技術一是利用比對由大口徑凹非球面反射鏡反射回去的光斑是否在干涉儀CCD的中心來判斷，精度受到人眼和C⑶像元尺寸的限制。二是通過定心儀加誒一傳感器的方式，將被測鏡放在定心儀上，位移傳感器測量鏡面邊緣處的位移，轉動轉臺并調整被測鏡使得位移傳感器的位移測量值變化量在允許的公差范圍內，達到這個要求之后，轉臺的轉軸方向就是被測鏡的頂點法線方向，最后將轉臺轉軸的方向引出即可。這種方法不足之處是引出精度受到轉臺端跳和徑跳精度的限制，光軸的引出精度一般在P左右。
【發明內容】
[0003]本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足之處，提供一種大口徑凹非球面反射鏡頂點法線光學引出的方法；該方法使用干涉儀接收到的光波波前彗差對被測凹非球面反射鏡的傾斜量非常敏感的特性，利用光學設計軟件仿真計算，還有經緯儀的高精度測角，提高了法線引出精度。
[0004]本發明的技術方案是:一種大口徑凹非球面反射鏡頂點法線光學引出方法，包括下列步驟:
[0005]I)將光學干涉儀、標準球面反射鏡、被測凹非球面反射鏡、經緯儀從左到右依次同軸放置，且標準球面反射鏡的球心與被測凹非球面反射鏡的焦點重合；
[0006]2)調整被測凹非球面反射鏡的俯仰、傾斜，在水平和豎直方向平移調整被測凹非球面反射鏡和標準球面反射鏡，使得光學干涉儀接收到由被測凹非球面反射鏡反射回來的光束波前的Zernike多項式擬合系數的第5、6項系數值為O?0.04 λ，第7、8項系數值為O?0.02 λ，其中λ為光學干涉儀發出的光的波長；
[0007]3)記錄光學干涉儀接收到的由被測凹非球面反射鏡反射回來的光束波前的Zernike多項式擬合系數的第5、6項系數和第7、8項系數的具體值；建立光路模型，將被測凹非球面反射鏡的俯仰角度、傾斜角度，以及被測凹非球面反射鏡和標準球面反射鏡的水平、豎直方向的平移量作為變量，將模型出瞳處的Zernike多項式擬合系數的第5、6項系數以及第7、8項系數作為優化操作數進行優化，得到被測凹非球面反射鏡相對于光學干涉儀出射的平行光束方向的俯仰和傾斜的實際角度，以及被測凹非球面反射鏡相對于光學干涉儀出射的平行光束方向的水平和豎直方向的實際平移量；[0008]4)對步驟3)優化得到的被測凹非球面反射鏡相對于光學干涉儀出射的平行光束方向的俯仰和傾斜的實際角度進行判斷；如果該實際角度不滿足法線引出精度閾值，則跳回至步驟2);直至得到滿足法線引出精度的角度，并進入步驟5)；
[0009]5)利用經緯儀瞄光學干涉儀出射的平行光束，記錄經緯儀的讀數，并作為被測凹非球面反射鏡頂點法線方向的水平和俯仰角度。
[0010]本發明與現有技術相比的有益效果是:
[0011]隨著空間遙感器的發展，大口徑、長焦距、高質量的像質已經成為了發展趨勢。這意味著對光學鏡頭的裝調精度提出了更高的要求。眾多反射式光學鏡頭的裝調基準就是其凹非球面主鏡的頂點法線，頂點法線方向的引出精度直接影響到了光學鏡頭像質的好壞，利用本方法保證了其引出精度，為反射式光學鏡頭高質量的裝調奠定了基礎。大口徑凹非球面反射鏡頂點法線光學引出的方法在引出精度上有秒級的精度主要是利用了測試光路中干涉儀接收到的光波波前彗差對大口徑凹非球面反射鏡相對于干涉儀出射的平行光束的傾斜量非常敏感的特性，因此大大增加了法線引出精度，本方法已經應用在了多個大口徑反射式光學鏡頭的裝調中，為期間的各種高精度的測試提供了基準，保證了裝調的質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明方法的實施示意圖。
【具體實施方式】
[0013]如圖1所示，本發明采用的硬件包括光學干涉儀1、標準球面反射鏡2、被測凹非球面反射鏡3、經緯儀4。
[0014](I)將光學干涉儀1、被測凹非球面反射鏡3、標準球面反射鏡2、經緯儀4同軸放置，且標準球面反射鏡2球心與被測凹非球面反射鏡3的焦點重合。用紙尺子測量光學干涉儀I出射的平行光束打在被測凹非球面反射鏡3上的光斑的左邊緣距離被測凹非球面反射鏡3左邊緣的值。用紙尺子測量光學干涉儀I出射的平行光束打在被測凹非球面反射鏡3上的光斑的右邊緣距離被測凹非球面反射鏡3右邊緣的值。用紙尺子測量光學干涉儀I出射的平行光束打在被測凹非球面反射鏡3上的光斑的上邊緣距離被測凹非球面反射鏡3上邊緣的值。用紙尺子測量光學干涉儀I出射的平行光束打在被測凹非球面反射鏡3上的光斑的下邊緣距離被測凹非球面反射鏡3下邊緣的值。保證這四個測量值的最大值減去最小值的差小于5mm。
[0015](2)調整被測凹非球面反射鏡3的俯仰、傾斜、水平、豎直方向的平移，調整標準球面反射鏡2的水平、豎直方向的平移，依據光學干涉儀I接收到的光斑形狀和位置，在光學干涉儀I專用的軟件中作出與光斑同心的圓環mask，繼續調整被測凹非球面反射鏡3的俯仰、傾斜、水平、豎直方向的平移，繼續調整標準球面反射鏡2的水平、豎直方向的平移，使得光學干涉儀I接收到反射回來的光束波前的Zernike多項式擬合系數的第5、6項系數值為O?0.04 λ，第7、8項系數值為O?0.02 λ，其中λ為光學干涉儀發出的光的波長。(有關Zernike多項式的介紹詳見《光學車間檢驗》)。
[0016](3)記錄光學干涉儀I接收到反射回來的光束波前的Zernike多項式擬合系數的第5、6項系數和第7、8項系數的具體值。在Zemax中建立此光路模型，利用其優化功能計算被測凹非球面反射鏡3相對理想光路的實際失調量。將被測凹非球面反射鏡3的俯仰、傾斜、水平、豎直方向的平移，標準球面反射鏡2的水平、豎直方向的平移作為變量，對模型出瞳處的Zernike多項式擬合系數的第5、6項系數和第7、8項系數作為優化操作數進行優化。最后優化得到被測凹非球面反射鏡3相對于光學干涉儀I出射的平行光束方向的俯仰和傾斜的實際角度，水平和豎直方向的實際平移量。
[0017](4)如果步驟(3)中優化得到的被測凹非球面反射鏡3相對于光學干涉儀I出射的平行光束方向的俯仰和傾斜的實際角度，不滿足法線引出精度閾值，則繼續執行步驟(2)，使得光學干涉儀I接收到反射回來的光束波前的Zernike多項式擬合系數的第5、6項系數值和第7、8項系數值繼續減小，直至得到想要的精度。
[0018](5)得到想要的精度后，光學干涉儀I出射的平行光束方向就代表了被測凹非球面反射鏡3頂點法線方向。利用經緯儀4瞄光學干涉儀I出射的平行光束，此時經緯儀4的讀數就是被測凹非球面反射鏡3頂點法線方向的水平和俯仰角度。
[0019]本發明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。
【權利要求】
1.一種大口徑凹非球面反射鏡頂點法線光學引出方法，其特征在于包括下列步驟: .1)將光學干涉儀(I)、標準球面反射鏡(2)、被測凹非球面反射鏡(3)、經緯儀(4)從左到右依次同軸放置，且標準球面反射鏡(2)的球心與被測凹非球面反射鏡(3)的焦點重合； .2)調整被測凹非球面反射鏡(3)的俯仰、傾斜，在水平和豎直方向平移調整被測凹非球面反射鏡(3)和標準球面反射鏡(2)，使得光學干涉儀(I)接收到由被測凹非球面反射鏡(3)反射回來的光束波前的Zernike多項式擬合系數的第5、6項系數值為O?0.04 λ，第7、8項系數值為O?0.02 λ，其中λ為光學干涉儀(I)發出的光的波長； .3)記錄光學干涉儀(I)接收到的由被測凹非球面反射鏡(3)反射回來的光束波前的Zernike多項式擬合系數的第5、6項系數和第7、8項系數的具體值；建立光路模型，將被測凹非球面反射鏡(3)的俯仰角度、傾斜角度，以及被測凹非球面反射鏡(3)和標準球面反射鏡(2)的水平、豎直方向的平移量作為變量，將模型出瞳處的Zernike多項式擬合系數的第5、6項系數以及第7、8項系數作為優化操作數進行優化，得到被測凹非球面反射鏡(3)相對于光學干涉儀(I)出射的平行光束方向的俯仰和傾斜的實際角度，以及被測凹非球面反射鏡(3)相對于光學干涉儀(I)出射的平行光束方向的水平和豎直方向的實際平移量； .4)對步驟3)優化得到的被測凹非球面反射鏡(3)相對于光學干涉儀(I)出射的平行光束方向的俯仰和傾斜的實際角度進行判斷；如果該實際角度不滿足法線引出精度閾值，則跳回至步驟2);直至得到滿足法線引出精度的角度，并進入步驟5)； .5)利用經緯儀(4)瞄光學干涉儀(I)出射的平行光束，記錄經緯儀的讀數，并作為被測凹非球面反射鏡(3)頂點法線方向的水平和俯仰角度。
【文檔編號】G01C1/00GK103499330SQ201310471180
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月10日 優先權日:2013年10月10日
【發明者】杜建祥, 宗肖穎 申請人:北京空間機電研究所