一种激光跟踪仪配合CGH测量非球面反射镜光轴的方法与流程

本发明属于遥感领域光学相机镜头的装调测试技术领域，尤其涉及一种激光跟踪仪配合cgh测量非球面反射镜光轴的方法。

背景技术：

在光学遥感领域，为了达到良好的成像性能，光学镜头的公差分配要求各主要光学元件的光轴保证严格的角度关系，因此需要进行光学元件的光轴测量。而光轴并非实体，难以直接进行测量。为了解决这个问题，通常采用的解决方案有两种，一是用干涉仪对反射镜面形进行无像差点法测试，并以相同口径的平面镜作为辅助测量光学元件，在测量光路中严格控制像差，最后用经纬仪测出平面镜法线，即可表征光轴。这种方法仅对抛物面或接近抛物面有效，而且需要高精度面形的相同口径平面镜，造成反射镜光轴测量成本太高。第二种方案是用三坐标测量非球面的面形，得到的离散点数据经过多项式拟合处理后计算出光轴角度。这种方法依赖三坐标的测量精度和重复性，在测量大口径反射镜时，由于测量过程长达几个小时，容易受温度、振动影响，所以最终光轴测量精度和重复性也不理想。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种激光跟踪仪配合cgh测量非球面反射镜光轴的方法，利用cgh补偿器(即计算全息片)同时具有平面基底和衍射特性，使用中心偏测量仪、激光跟踪仪和跟踪仪靶球测量并记录cgh光轴和靶球的相对位置关系，之后在cgh作为补偿器测量非球面反射镜面形的光路中，使用激光跟踪仪、靶球复现cgh光轴，在此光路中即等效于非球面反射镜的光轴，使得测量精度更高。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种激光跟踪仪配合cgh测量非球面反射镜光轴的方法，所述方法包括如下步骤：(1)给出以平行平板为基底，能检测大口径非球面反射镜面形的cgh补偿器；(2)利用cgh补偿器基底的平面法线和衍射会聚焦点，在中心偏测量仪上将cgh补偿器的光轴调整到与中心偏测量仪的转台同轴；(3)保持cgh补偿器在中心偏测量仪转台上的位置不变，用激光跟踪仪测量中心偏测量仪的转轴，即cgh补偿器的光轴，并测量cgh补偿器光轴和设置于cgh补偿器边角的个第一跟踪仪靶球的相对位置关系；(4)搭建cgh补偿器测量非球面反射镜面形的测试光路；(5)激光跟踪仪架设在测试光路中，测试cgh补偿器上的4个第一跟踪仪靶球位置，利用激光跟踪仪的坐标转换复现cgh补偿器的光轴，在此测试光路中即等效于非球面反射镜的光轴。

上述激光跟踪仪配合cgh测量非球面反射镜光轴的方法中，在步骤(2)中，将cgh补偿器放置在中心偏测量仪的转台上；中心偏测量仪的自准直光管经物镜发射的球面波激光照射到cgh补偿器上，由于衍射效应，激光会被cgh补偿器反射并会聚成焦点；同时cgh补偿器的基底本身是抛光后的平面，可以用中心偏测量仪测量到平面法线方向，平行于平面法线并过衍射光线会聚焦点的直线就是cgh补偿器的光轴，将此光轴调至与中心偏测量仪的转台同轴。

上述激光跟踪仪配合cgh测量非球面反射镜光轴的方法中，在步骤(3)中，在cgh补偿器的边角粘贴4个第一跟踪仪靶球，在中心偏测量仪的转台上稳定放置一个铝金属细杆，避免接触cgh补偿器，铝金属细杆的两端各固定安装一个第二跟踪仪靶球；让铝金属细杆在中心偏测量仪的转台上旋转一周，用激光跟踪仪测量铝金属细杆两端的第二跟踪仪靶球旋转不同角度时的相对位置关系，根据铝金属细杆两端的第二跟踪仪靶球旋转不同角度时的相对位置关系拟合成两个圆，两个圆的圆心连线即表征中心偏测量仪的转轴，也即cgh补偿器光轴；然后在cgh补偿器稳定不动时测量cgh补偿器边角上4个第一跟踪仪靶球的位置，这样在激光跟踪仪里就记录了cgh补偿器光轴和第一跟踪仪靶球的相对位置关系。

上述激光跟踪仪配合cgh测量非球面反射镜光轴的方法中，在步骤(4)中，测试光路包括激光干涉仪、cgh补偿器和非球面反射镜；其中，激光干涉仪发射的球面波激光透过cgh补偿器，照射到非球面反射镜上并被反射，沿原光路返回，再次透过cgh补偿器，被激光干涉仪接收，用激光干涉仪实时测量测试光路像差，直至测试光路像差达到要求。

上述激光跟踪仪配合cgh测量非球面反射镜光轴的方法中，cgh补偿器能够作为补偿器测量非球面反射镜面形，在测试光路里cgh补偿器的光轴与非球面反射镜光轴重合，测试光路测试理论波前误差不超过λ/10(pv)；其中，波长λ＝632.8nm。

上述激光跟踪仪配合cgh测量非球面反射镜光轴的方法中，铝金属细杆的长度为300～500mm。

上述激光跟踪仪配合cgh测量非球面反射镜光轴的方法中，测试光路像差达到要求为彗差系数控制在±0.01。

上述激光跟踪仪配合cgh测量非球面反射镜光轴的方法中，测试光路中非球面反射镜光轴垂直于cgh补偿器。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明利用cgh补偿器(即计算全息片)同时具有平面基底和衍射特性，使用中心偏测量仪、激光跟踪仪和跟踪仪靶球测量并记录cgh光轴和靶球的相对位置关系，之后在cgh作为补偿器测量非球面反射镜面形的光路中，使用激光跟踪仪、靶球复现cgh光轴，在此光路中即等效于非球面反射镜的光轴，使得成本低，测量误差可控，测量精度更高。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为cgh测量非球面反射镜面形的设计光路；

图2为中心偏测量仪标定cgh光轴的示意图；

图3为靶球固定在cgh上的示意图；

图4为激光跟踪仪复现cgh光轴的测试光路。。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例提供了一种激光跟踪仪配合cgh测量非球面反射镜光轴的方法，其特征在于，该包括如下步骤：

(1)给出以平行平板为基底，能检测大口径非球面反射镜面形的cgh补偿器；

(2)利用cgh补偿器基底的平面法线和衍射会聚焦点，在中心偏测量仪上将cgh补偿器的光轴调整到与中心偏测量仪的转台同轴；

(3)保持cgh补偿器在中心偏测量仪转台上的位置不变，用激光跟踪仪测量中心偏测量仪的转轴，即cgh补偿器的光轴，并测量cgh补偿器光轴和设置于cgh补偿器边角的个第一跟踪仪靶球的相对位置关系；

(4)搭建cgh补偿器测量非球面反射镜面形的测试光路；

(5)激光跟踪仪架设在测试光路中，测试cgh补偿器上的4个第一跟踪仪靶球位置，利用激光跟踪仪的坐标转换复现cgh补偿器的光轴，在此测试光路中即等效于非球面反射镜的光轴。

在步骤(1)中，cgh补偿器的具体设计过程为，在zemax光学设计软件里建立cgh补偿器测试非球面反射镜面形的光路，一般是用点光源发射球面波，通过cgh后照射到非球面反射镜上并被反射，然后光线沿原路返回。输入各光学元件参数及距离的初始值，以光学系统波前像差最小为优化目标，通过光线追迹原理，反复优化迭代得到cgh补偿器的参数。

在步骤(2)中，cgh补偿器一般是在4英寸或6英寸口径的正方形平板玻璃上加工而成，该平板玻璃就是cgh的基底，平板的两面基本平行。将cgh补偿器放置在中心偏测量仪的转台上。中心偏测量仪的自准直光管经物镜发射的球面波激光照射到cgh补偿器上，由于衍射效应，激光会被cgh补偿器反射并会聚成焦点。同时cgh补偿器的基底本身是抛光后的平面，可以用中心偏测量仪测量到平面法线方向。平行于平面法线并过衍射光线会聚焦点的直线就是cgh补偿器的光轴，将此光轴调至与中心偏测量仪的转台同轴。

在步骤(3)中，在cgh补偿器的边角粘贴4个第一跟踪仪靶球(如图3所示)，激光跟踪仪架设在中心偏测量仪附近。在中心偏测量仪的转台上稳定放置一个高约300～500mm的铝金属细杆，避免接触cgh补偿器，铝金属细杆的两端各固定安装一个第二跟踪仪靶球。让铝金属细杆在中心偏测量仪的转台上旋转一周，用激光跟踪仪测量铝金属细杆两端的第二跟踪仪靶球旋转不同角度时的相对位置关系，根据铝金属细杆两端的第二跟踪仪靶球旋转不同角度时的相对位置关系得到点位，用这些点位拟合成两个圆，两个圆的圆心连线即表征中心偏测量仪的转轴，也即cgh补偿器光轴；然后在cgh补偿器稳定不动时测量cgh补偿器边角上4个第一跟踪仪靶球的位置，这样在激光跟踪仪里就记录了cgh补偿器光轴和第一跟踪仪靶球的相对位置关系；在以后cgh补偿器测量非球面反射镜的光路里，激光跟踪仪能通过测量cgh补偿器上的4个第一跟踪仪靶球的位置，并利用坐标转换来复现cgh补偿器的光轴位置，如图2所示。

在步骤(4)中，如图4所示，测试光路由激光干涉仪、cgh补偿器、非球面反射镜及各部分的位置调整工装组成，激光干涉仪发射的球面波激光透过cgh补偿器，照射到非球面反射镜上并被反射，沿原光路返回，再次透过cgh补偿器，被激光干涉仪接收。各部分需要按照zemax里设计好的间距进行摆放，用激光干涉仪实时测量测试光路像差，直至测试光路像差达到要求(彗差系数控制在±0.01)。

cgh补偿器能够作为补偿器测量非球面反射镜面形，在设计光路里cgh补偿器的光轴与非球面反射镜光轴重合，系统测试理论波前误差不超过λ/10(pv)(λ＝632.8nm)。cgh补偿器的基底为平行平板，测试光路中非球面反射镜光轴垂直于cgh补偿器。

在中心偏测量仪上利用cgh补偿器基底的平面法线和衍射会聚焦点将cgh补偿器的光轴调整到与设备转台同轴。

实施例

1)非球面反射镜口径为φ1500mm，顶点曲率半径r0＝4500mm，非球面系数k＝-0.9。针对此参数设计并加工了cgh补偿器，用来测量非球面反射镜的面形。

在zemax软件中设计cgh测量非球面的光路，用于测试的cgh主全息测量区为φ80mm，cgh的二元光学多项式参数从二次项到十次项的偶次项系数分别为3.216e+004，-2.258e+004，3.198e+004，-5.439e+004，8.008e+004，奇次项系数全部为0。cgh光轴l2与反射镜光轴l1重合，且反射镜光轴l1垂直于cgh，理论波前误差小于λ/10(pv)(λ＝632.8nm)。测试光路如图1。实际加工的cgh基底为4英寸石英平行平板，两面平行度为1"，厚度为5mm。

2)在加工完成的cgh边角上选择非测量区，固定至少3个跟踪仪靶球，放在中心偏测量仪的转台上。利用cgh基底平面可以找到平面法线。cgh的衍射会聚焦点距离cgh约为300～350mm，用中心偏测量仪附带的焦距300mm的测量物镜找到会聚焦点较为清晰的位置，结合平面基底的法线，把cgh光轴l2调整至与中心偏测量仪转台同轴。其原理如图2。

3)把激光跟踪仪架设在中心偏测量仪附近，将中心偏测量仪转轴l3引出并进行记录，即等效于cgh光轴l2，并测量记录cgh光轴和它附带的跟踪仪靶球的相对位置关系。

在中心偏测量仪转台上稳定放置一个高约500mm的铝金属细杆，高低两端各固定安装一个跟踪仪靶球。让细杆在转台上旋转一周，用激光跟踪仪测量两端的靶球旋转不同角度时的相对位置关系，至少记录10个定点位置，用这些点位拟合成高低两个圆，其圆心连线即表征中心偏转轴l3，也即cgh光轴l2。然后在cgh稳定不动时测量cgh边角上4个跟踪仪靶球的位置，这样在激光跟踪仪里就记录了cgh光轴和跟踪仪靶球的相对位置关系。在以后cgh测量非球面反射镜的光路里，激光跟踪仪能通过测量cgh上靶球位置，并利用软件的坐标转换功能来复现cgh的光轴位置。

4)用激光干涉仪、cgh搭建测量非球面反射镜面形的测试光路，用干涉仪实时测量系统像差，用位置调整工装精确调整各部分，要求在干涉仪测量的zernike像差中彗差系数控制在±0.01，干涉条纹尽量控制到只有两三根。

5)利用激光跟踪仪复测cgh上的靶球，用跟踪仪测量软件的坐标转换功能复现cgh光轴l2，在此光路中即等效于非球面反射镜的光轴l1。激光跟踪仪复现cgh光轴的测量光路如图4。

本发明利用cgh补偿器(即计算全息片)同时具有平面基底和衍射特性，使用中心偏测量仪、激光跟踪仪和跟踪仪靶球测量并记录cgh光轴和靶球的相对位置关系，之后在cgh作为补偿器测量非球面反射镜面形的光路中，使用激光跟踪仪、靶球复现cgh光轴，在此光路中即等效于非球面反射镜的光轴，使得成本低，测量误差可控，测量精度更高。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。