一种高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学元件和光学系统的超高精度波前检测及计算机辅助装调领域，特 别涉及一种高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法。
【背景技术】
[0002] 光学系统的装调就是通过对光学系统成像质量的实时检测，得到整个光学系统的 波像差，通过CCD图像采集、计算机软件等辅助工具对所得到的波像差进行分析并优化，给 出各个光学元件明确的最优调整方向和具体的量值，然后根据给出的量值，运用各种装配 和调整工具使得光学元件达到其实际最佳位置，从而使得光学系统中各个元件的相对位置 可以接近于理论设计值，进而使得光学系统的真实成像质量更加完美的过程。光学系统的 装调过程是光学系统设计的实现过程，涵盖了对光学材料均匀性、折射率等的控制，光学元 件面形、几何尺寸的检测，装调过程空间位置的控制及装调后系统性能的检测多个环节。光 学系统装调技术正向智能化、超高精度的方向发展，以期让光学设计者在系统设计时尽量 减小为光学装调预留的公差范围，从而可以更加充分的发挥光学系统的性能。
[0003] 从上世纪80年代ITEK公司提出了利用了计算机等辅助工具实现光学系统装调的 设想。从那以后，伴随着光学波前检测技术的不断进步以及光学系统结构的逐渐复杂化， 国内外大量的研究人员都在致力于对光学系统装调技术的研究，并推进着这项技术不断发 展。
[0004] 时至今日，光学系统的装调技术已经作为一种重要的核心技术普遍的应用于各种 高精度的光学系统的研制中。例如：国际上美国的亚利桑那州立大学的Hobby-Eberly望远 镜；南非大型望远系统；Ball公司的Quick-Bird离轴三反射镜光学系统；日本Nikon公司 的离轴三反射镜光学刻录系统；俄罗斯圣彼得堡光机所的投影光刻物镜；韩国Standards and Science研究所和YONSEI大学的R-C望远系统、CASSEGRAIN系统和KORSCH望远镜以 及法国以色列等国的空间望远镜计划都开展了关于光学系统装调技术的研究。其中美国、 日本等国已经将该技术成功应用于国防以及商业等领域，并取得了不错的效果。
[0005] 与国外相比，国内的计算机辅助装调技术还处于起步阶段，水平较低，但由于国内 对于高分辨率的地基、空基望远镜以及光刻机等高水平光学系统的巨大需求，国内相关人 员也对此进行了很多努力，装调的理论和技术水平成快速发展的上升之势。例如：中国科学 院长春光机所的韩昌元等对计算机辅助装调技术的优化方法、公差等方面的研究；朱时雨 等对计算机辅助装调与传统基准传递技术相结合的方法的研究；刘志祥等对软件实现等方 面的研究；中国科学院西安光机所的樊学武等对与装调相关的矢量波像差理论等方面的研 究；陈钦芳等对离轴非球面反射镜补偿检验等方面的研究；北京理工大学的张庭成等对反 射变焦系统的计算机辅助装调等方面的研究；以及中国科学院光电技术研究所等单位的研 究人员做的各项相关的研究。但总的来说，国内对于计算机辅助装调领域的涉足尚浅，相关 研究的起步也比较晚，并且开展相关研究的机构数量也不多，多数是研究所以及高校等机 构，针对利用计算机等辅助设备进行装调的技术开展研究的企业几乎没有。
[0006] 目前所采用的工业装调方法可以称之为细光束准直法，方法简单介绍如下：首先 固定第一片透镜，然后用细光束从透镜的轴心穿过，此时会在接受屏上留下光斑，然后在接 入第二片透镜，使得由第一片透镜出射的光束经过第二片透镜的轴心，然后留意观察接受 屏的光板位置变化，据此来判断两片光学透镜的同轴情况，以此类推知道完成整个系统的 装调，即可根据最后的光斑得到装调结果和波前偏差。然而，这种方法的明显缺点就是，当 光学元件的某一面曲率过大（甚至于趋近于无穷大，或者为平行平板时），由于细光束很 细，那么此时细光束准直法失效，无法有效的检测出系统的同轴性。另外，当光学元件的口 径过大时，细光束准直法虽然不存在NA匹配的问题，但此刻依然无法完成装调，其失效原 理与前述相似，即口径变大，元件的某一曲率半径变大，装调法不适用于这种情况。并且传 统的光学系统装调方法很大程度上依赖的是装调人员的经验，这就决定了传统装调方法不 可视、不定量、随机、装配周期长等缺点。随着现代光学领域对光学系统的装调精度越来越 高的要求，传统的装调法己无法满足现代高精度光学系统的要求了。为了适应空间光学以 及国防、科技的发展，可视化、可定量化的高精度光学系统装调的计算机等设备的辅助装调 技术成为趋势。对于光学元件数量较少、成像质量要求高且有特殊要求的光学系统而言，釆 用计算机等工具辅助的装调技术可以定量的、有目的性地指导光学系统装调，有效提高光 学系统的像质，但计算机辅助装调技术不仅需要有专门的辅助仪器，还要对光学检测结果 进行深入仔细的分析，需要装调人员对光学系统的像差理论知识需要有较深刻的理解，当 用于光学元件数量较多的光学系统时，装调过程十分复杂，缺点显著。
[0007] 近年来，各式各样的光学系统越来越多的用于各种领域，用以完成各种不同的任 务。随着各方面科学技术的进步，各领域对光学系统的性能要求也是越来越高。在光学设 计方面，非球面、自由曲面、二元光学面等现代光学技术的发展和成熟，给予光学设计者极 大的便利，使得他们可以针对任务指标，更容易的设计出性能优良的光学系统。但与此同 时，由于加工、检测、装调等技术的限制，使得好的方案无法完美的得以实现，超高精度的光 学系统装调技术成为限制光学和光学工程领域的瓶颈。
【发明内容】
[0008] 本发明为了突破装调技术对于光学和光学工程领域限制这一瓶颈，解决现有装调 手段过程复杂、普适度低、精度不足等问题，提供一种以杨氏双缝干涉模型为基础，结合物 理光学体系中透镜的位相调制和傅立叶变换性质研发得到的超高精度波前检测技术及超 高精度计算机辅助装调技术，适用于空间相机等星载光学系统以及光刻机等超精密光学仪 器的高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
[0010] -种高精度共轴光学系统计算机辅助装调及波前检测方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤一：以点光源、双缝连线的中心点、0级干涉条纹中心点三点为一条基准直线 来调整设备的光轴的理论位置；
[0012] 步骤二：将待装调光学元件放置在靠近双缝位置的装调台上，调整装调台的高度 和水平位置，使得双缝出射后的光线可穿过将待装调光学元件的光学孔径；
[0013] 步骤三：以图像接收系统接收经过待装调光学元件后，在像面处所形成的干涉条 纹；
[0014] 步骤四：装调补偿参数，直至0级干涉条纹恢复到中心位置。
[0015] 在上述技术方案中，所述图像接收系统包括：C⑶接收器和调整架。
[0016] 在上述技术方案中，所述步骤四包括：以信号处理系统对图像接收系统接收的干 涉条纹进行分析处理，然后根据分析结果装调补偿参数，直至〇级干涉条纹恢复到中心位 置。
[0017] 在上述技术方案中，所述信号处理系统包括：数据线和PC机。
[0018] 本发明具有以下的有益效果：
[0019] (1)本发明是一种高精度的光学系统装调技术，对于光学元件偏心的敏感度达到 10 8°量级以上，对于光学元件的平移偏差敏感度达到λ/10以上。
[0020] (2)本发明基于简单的几何光学和物理光学原理，简单实用，易于完成，对操作人 员要求低，易于实现工程化。
[0021] (3)相较于目前现有的装调方法而言，普适性更好，不仅适用于小数值孔径的光学 系统，更适用于大数值孔径的光学系统装调。
【附图说明】
[0022] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0023] 图1为本发明所述的装调方法，装调系统的示意图（未加入待装调系统）；
[0024] 图2为本发明所述的装调方法，装调系统的示意图（加入待装调系统）；
[0025] 图3为本发明所述的装调方法，没加入光学元件时干涉条纹的效果图；
[0026] 图4为本发明所述的装调方法，PC显示的效果图；
[0027] 图5为本分明所述的装调方法，光学元件偏心示意图；
[0028] 图6为本发明所述的装调方法，光学元件产生偏心时干涉条纹的效果图