立式大量程高精度光學平面測試裝置的製作方法

2023-04-25 07:17:16 3

專利名稱：立式大量程高精度光學平面測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學測試儀器研究領域，涉及一種立式大量程高精度光學平面測試裝置，用於大口徑平面鏡面形的檢測。
背景技術：
對光學成像系統波前的檢驗是光學系統成像質量檢測的重要手段。高解析度可見光成像偵察相機的光學成像系統口徑達到I. Om以上。由於在採用自準法對光學系統波面檢測時(光軸水平)，需要對立式大口徑平面鏡面形情況進行複測和監測，而現有方法對光學平面鏡的檢測需要幹涉儀和基準平面鏡，目前沒有設備可滿足對這類大口徑光學平面鏡測試要求的幹涉儀。
如圖I所示，幹渉儀測試光學成像系統的波相差測試過程是由幹涉儀3發出球面光波，球面光波的球心調試到被測試光學成像系統2的像面上,球面光波通過被測試光學成像系統2後轉為平面波(平行光)，此光束經平面反射鏡I反射後，按原路返回，進入被測試光學成像系統2，經被測試光學成像系統2後形成球面波，在其像面上會聚後進入幹涉儀3，與幹涉儀3的基準光學波面幹渉，產生幹涉條紋，經過其內部圖象採集、測試與計算處理後，給出被測試光學成像系統光學波面相差。採用幹渉儀測試平面鏡的方法是把需要測試的平面反射鏡5對準幹涉儀7，經由幹涉儀的基準平面鏡6發出的基準平面光波照射到平面反射鏡5後返回到幹涉儀7，通過幹涉儀內部的光學系統產生幹涉圖，經過幹涉儀的圖像採集分析系統獲得平面反射鏡的面形誤差。常規高精度測量光學平面鏡面形的方法是幹涉測量法，如圖2所示，需要幹涉儀口徑不小於被測試平面鏡口徑；同時，需要提供至少同等口徑的平面基準鏡。目前國外可測試最大口徑平面幹涉儀為800_ ;國內沒有此類設備。現有的測量方法對設備的加工要求高，且環境擾動對測量結果影響大。

發明內容
本發明的目的是提供一種立式大量程高精度光學平面測試裝置，可實現大口徑光學平面反射鏡在使用過程中的面形校準與監測，且測試精度高。為了達到上述目的，本發明的技術方案如下立式大量程高精度光學平面測試裝置，包括升降支腿、支撐底臺、水平轉臺、配重塊、精密轉臺、連接軸、長導軌承載板、第一反射鏡、第二反射鏡、第一測角裝置、第二測角裝置、長導軌、電控系統和數據採集分析系統，支撐底臺固定在升降支腿上，水平轉臺置幹支撐底臺上，精密轉臺置於水平轉臺上，配重塊固定在精密轉臺的一端，連接軸的一端固定在精密轉臺的另一端，長導軌承載板固定在連接軸的另一端，長導軌固定在長導軌承載板上；電控系統與垂直精密轉臺和長導軌的內部電路驅動部件連接，用於控制垂直精密轉臺的轉動角度和長導軌上承載的第一反射鏡、第二反射鏡的直線移動位置；數據採集分析系統與第一測角裝置和第二測角裝置連接，用於採集與計算分析測角數據；第一反射鏡與第二反射鏡分別滑動連接在長導軌上，第一測角裝置與第二測角裝置均固定在長導軌承載板上，被測試平面反射鏡位於長導軌的前方，第一測角裝置發出的光線經過第一反射鏡反射後入射到被測試平面反射鏡上，經被測試平面反射鏡反射後由第一測角裝置接收；第二測角裝置發出的光線經過第二反射鏡反射後入射到被測試平面反射鏡上，經被測試平面反射鏡反射後由第二測角裝置接收。工作原理由兩個測角裝置發出基準光線經兩個反射鏡折轉到被測試平面反射鏡上，然後經反射由原路返回，通過兩個測角裝置接收和測試獲得各自光線偏轉角度，兩個測角裝置的角度差值變化量即為測試點之間的角度變化值；通過兩個反射鏡在高精度大行程長導軌上的等間隔移動而獲得測試點之間的角度變化值，用此角度變化值和間隔量的乘積可獲得測試點間的高度變化值，從而測試出平面鏡在此方向上的輪廓形狀；同時，經過精密轉臺的不同角度轉動定位實現對平面鏡在不同方向上的輪廓形狀測試，最後對測試數據進行分析計算而獲得平面鏡整體、全口徑面形輪廓圖。本發明的有益效果如下 (I)本發明採用直接測量方式，避免了傳統的相對測量方法所需要採用口徑相當的基準平面鏡和幹涉儀；( 2)本發明利用了哈德曼波前測試儀在測試光學波前質量的同時可精確提供波前傾斜信息的特點，採用帶有単色光源的哈德曼波前測試儀作為高精度測角工具，由於哈德曼波前測試儀與傳統的自準直測角儀相比，體積小、重量輕、精度高，數位化程度高，不同姿態使用不影響測試結果，可靈活方便使用，設備承載量減小，精度易於保證。(3)本發明採用兩套哈德曼測試儀和五稜鏡相組合的方式測試角度變化量，從而大幅度降低設備結構不穩定性對測試精度的影響，也降低了對測試環境的要求，由於五稜鏡的光學特性，在測試方向上對機械擾動不敏感，因此，對導軌加工精度要求不高，較易達到穩定性的要求。


圖I是現有幹渉儀測試光學系統波相差原理示意圖。圖2是現有幹渉儀測試平面鏡面形原理示意圖。圖3是本發明立式大量程高精度光學平面測試裝置結構示意圖。圖4是由本發明獲得的光學波面輪廓圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進ー步詳細說明。如圖3所示，本發明的立式大量程高精度光學平面測試裝置包括四個升降支腿9、支撐底臺10、水平轉臺11、配重塊12、垂直精密轉臺13、連接軸14、長導軌承載板15、第一五稜鏡16、第二五稜鏡17、帶有自準光源的第一哈德曼波前測試儀18、帶有自準光源的第二哈德曼波前測試儀19、長導軌20、電控系統23和數據採集分析系統22 ;四個升降支腿9均布在支撐底臺10的四個邊角處，水平轉臺11置於支撐底臺10上，垂直精密轉臺13置於水平轉臺11上，配重塊12固定在垂直精密轉臺13的一端，連接軸14的一端固定在垂直精密轉臺13的另一端，長導軌承載板15固定在連接軸14的另一端，長導軌20固定在長導軌承載板15上；電控系統23與垂直精密轉臺13和長導軌20的內部電路驅動部件連接，用於控制垂直精密轉臺13的轉動角度和長導軌20上承載的第一五稜鏡16、第二五稜鏡17的直線移動位置；數據採集分析系統與第一哈德曼波前測試儀18和第二哈德曼波前測試儀19連接，用於採集與計算分析測角數據；第一五稜鏡16與第二五稜鏡17分別滑動連接在長導軌20上，帶有自準光源的第一哈德曼波前測試儀18和第二哈德曼波前測試儀19均固定在長導軌承載板15上，被測試平面反射鏡21位於長導軌20的前方。本發明採用兩個五稜鏡與兩臺帶有自準光源的哈德曼波前測試儀相結合組成高精度角度測試系統。通過第一五稜鏡16與第二五稜鏡17在大量程直線長導軌20上的等間隔移動，獲得不同測試點上沿移動方向的角度變化量，此角度變化量與移動間隔的乘積即為被測試平面反射鏡21在此方向上的兩間隔點之間的高度差。隨著第一五 稜鏡16與第ニ五稜鏡17在長導軌20上的多次等間隔同步移動獲得在此方向上的被測試平面反射鏡21條帶區域面形輪廓。通過把固定在精密轉臺13上的大量程長導軌20轉動不同角度，即可實現對被測試平面反射鏡21不同條帶區域的輪廓測試。本發明採用的帶有自準光源的哈德曼波前測試儀實現了高精度測角功能，由於採用兩套五稜鏡與哈德曼波前測試儀的組合模式最大限度地降低了機械結構和環境的不穩定性對測試結果的影響，保證測試的高精度。大量程高精度長導軌20和立式精密轉臺13實現了對光軸水平的大口徑平面鏡即被測試平面反射鏡21測試範圍的要求。通過水平轉臺11的轉動和升降支腿9的高低調整實現測試光線垂直入射到被測試平面反射鏡21表面的要求。配重塊12保證了裝置的穩定性。本發明的測試裝置結構簡單，易於設計加工，可測試口徑主要取決於長導軌20的有效量程,對於I. 5m量程的導軌，由於五稜鏡的光學特性，在測試方向上對機械擾動不敏感，因此，對導軌加工精度要求不高，較易達到。本發明的測試裝置中採用的哈德曼波前測試儀實現了高精度測角，其是利用了哈德曼波前測試儀可高精度地測試光束的波前傾斜角度特點，並加入了自準光源，從而可以高精度、數位化的實現光束角度變化量測試。由於哈德曼波前測試儀與傳統的自準直測角儀相比，體積小、重量輕、精度高，不同姿態使用不影響測試結果，在本發明中使用顯示出極大的優勢。通過電控系統23實現設備的自動控制，數據採集分析系統22實現數據擬合處理。本發明立式大量程高精度光學平面測試裝置的測量方法如下I)將經由第一哈德曼波前測試儀18、第二哈德曼波前測試儀19發出的平行光分別對準第一五稜鏡16、第二五稜鏡17,平行光經第一五稜鏡16、第二五稜鏡17折轉90° ,分別入射到被測試的大口徑平面反射鏡21上，調整平面反射鏡21，使得經平面反射鏡21反射後的平行光分別返回到第一哈德曼波前測試儀18、第二哈德曼波前測試儀19 ；2)轉動垂直精密轉臺13使得長導軌20轉動到所要測試的平面反射鏡21的待測條帶區域22，轉動水平轉臺11和調整升降支腿9，使得平行光垂直入射到被測平面反射鏡21上，完成對測試系統的校準；3)開始測試在長導軌20上以等間隔(一般取50mm)同時移動第一五稜鏡16和第ニ五稜鏡17，在每ー個間隔點處讀取第一哈德曼波前測試儀18、第二哈德曼波前測試儀19顯示的角度值，記錄二者角度差值變化量；通過在長導軌20上的全程移動第一五稜鏡16、第二五稜鏡17和讀取角度數據，完成對被測平面反射鏡21在該條帶區域的輪廓測試；4)重複操作步驟2)和步驟3)，可依次完成被測平面反射鏡21的多個條帶區域的輪廓測試。本發明測試裝置中影響測角精度的主要因素為測角儀測試精度、掃描導軌精度、轉臺精度與穩定性。測角儀採用允許多種狀態使用的高精度哈德曼波前測試儀，由於其體積小、重量輕，可在不同姿態下使用，測試精度不受重力影響，因而，可實現該裝置中在不同方位角度上對光學波麵條帶區域輪廓掃描測試的功能；由於五稜鏡的光學特性，在測試方向上對機械擾動不敏感，因此，對導軌精度要求不過高，可實現加工，對I. 5米有效形成的 導軌，精度要求10 "。對轉臺的要求主要是在對平面鏡測試條帶掃描測試過程中不要晃動，因此，需要有良好的精度即3 "和鎖緊機構即可。
權利要求
1.立式大量程高精度光學平面測試裝置，其特徵在於，該裝置包括升降支腿(9)、支撐底臺(10)、水平轉臺(11)、配重塊(12)、垂直精密轉臺(13)、連接軸(14)、長導軌承載板(15)、第一反射鏡(16)、第二反射鏡17)、第一測角裝置(18)、第二測角裝置(19)、長導軌(20)、電控系統(23)和數據採集分析系統(22)，支撐底臺(10)固定在升降支腿(9)上，水平轉臺(11)置於支撐底臺(10)上，垂直精密轉臺(13)置於水平轉臺(11)上，配重塊(12)固定在精密轉臺(13)的一端，連接軸(14)的一端固定在精密轉臺(13)的一端，長導軌承載板(15)固定在連接軸(14)的另一端，長導軌(20)固定在長導軌承載板(15)上；電控系統(23)與垂直精密轉臺(13)和長導軌(20)的內部電路驅動部件連接，用於控制垂直精密轉臺(13)的轉動角度和長導軌(20)上承載的第一反射鏡(16)和第二反射鏡(17)的直線移動位置；數據採集分析系統(22)與第一測角裝置(18)和第二測角裝置(19)連接，用於採集與計算分析測角數據；第一反射鏡(16)與第二反射鏡(17)分別滑動連接在長導軌(20)上，第一測角裝置(18)與第二測角裝置(19)均固定在長導軌(20)上，被測試平面反射鏡(21)位於長導軌(20)的前方，第一測角裝置(18)發出的光線經過第一反射鏡(16)反射後入射到被測試平面反射鏡(21)上，經被測試平面反射鏡(21)反射後由第一測角裝置(18)接收；第二測角裝置(19)發出的光線經過第二反射鏡(17)反射後入射到被測試平面反射鏡(21)上，經被測試平面反射鏡(21)反射後由第二測角裝置(19)接收。
2.根據權利要求I所述的立式大量程高精度光學平面測試裝置，其特徵在於，所述第ー測角裝置(18)與第二測角裝置(19)均為帶有自準光源的哈德曼波前測試儀。
3.根據權利要求I所述的立式大量程高精度光學平面測試裝置，其特徵在於，所述第一反射鏡(16)與第二反射鏡(17)均為五稜鏡。
4.根據權利要求I所述的立式大量程高精度光學平面測試裝置，其特徵在於，所述升降支腿(9)的數量為4個，均布在支撐底臺(10)的四個邊角處。
全文摘要
立式大量程高精度光學平面測試裝置屬於光學測試儀器研究領域，該裝置包括升降支腿、支撐底臺、水平轉臺、配重塊、精密轉臺、連接軸、長導軌承載板、兩個反射鏡、第一測角裝置、第二測角裝置、長導軌、電控系統和數據採集分析系統，兩個反射鏡在長導軌上等間隔移動，通過兩個測角裝置獲得測試點之間的角度變化值，用此角度變化值和間隔量的乘積可獲得測試點間的高度變化值，從而測出平面鏡在此方向上的輪廓形狀；經過精密轉臺實現對平面鏡在不同方向上的輪廓形狀測試，最後對測試數據進行分析計算而獲得平面鏡整體、全口徑面形輪廓圖。本發明可實現大口徑光學平面反射鏡在使用過程中的面形校準與監測，對測試環境敏感度低，可達到高測試精度。
文檔編號G01B11/24GK102865829SQ20121031254
公開日2013年1月9日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者馬冬梅, 宋立維, 王濤 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所