一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统及其测量方法

1.本发明涉及光学检测技术领域，具体为一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统及其测量方法。


背景技术：

2.光轴平行度是所有光学设备中最为重要的指标参数之一，只有确保各光轴平行度在一定精度内，才能保证光学设备参数信息的准确性。为了最大限度地发挥光学装备的效能，除对零部件的设计、加工及整机的装调采取一系列的工艺措施外，对光轴平行度的测量变得尤为重要。目前常用的光轴平行度测量方法主要有:投影靶法、激光相纸检测法、五棱镜法、小口径平行光管法和大口径平行光管法等。
3.投影靶法和激光相纸检测法结构简单,成本低,但随机误差较大,精度受限；五棱镜法常用于检测双筒望远镜光轴平行性,通用性不强；小口径平行光管法,口径小,误差环节较多,精度不高；而大口径平行光管法常采用离轴抛物面反射镜产生平行光束,具有口径大,没有中心遮拦,透过率高、像质好的优点，通用性好，应用比较广泛，但系统焦距受限，基准系统轴选定不够精确，轴外相差没有较好矫正，测量精度不高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：提供一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统及其测量方法，以解决以上缺陷。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统，包括:高精度五维调整架、标准平面反射镜、离轴抛物面主镜、双曲面次镜、第一分光镜、干涉仪、第二分光镜、第三分光镜、激光器、积分球、第一光楔、第二光楔、ccd相机和计算机；所述标准平面反射镜安装在高精度五维调整架上，所述离轴抛物面主镜、双曲面次镜、第一分光镜组成离轴卡式平行光管装置；所述第一分光镜、干涉仪组成干涉仪支路；所述第二分光镜、第三分光镜、激光器、积分球组成激光器支路；所述第二分光镜、第一光楔、第二光楔、ccd相机、计算机组成ccd支路；
7.所述干涉仪支路中的干涉仪发射的光线，依次经离轴卡式平行光管装置的第一分光镜、双曲面次镜、离轴抛物面主镜，在经标准平面反射镜反射后，再经离轴卡式平行光管装置的离轴抛物面主镜、双曲面次镜、第一分光镜，以及ccd支路中的第二分光镜、第一光楔、第二光楔、ccd相机，并在计算机上显示，实现对入射光轴平行度的测量检验；
8.所述激光器支路中的激光器发射的激光，经积分球均匀光源后，依次经第三分光镜、第二分光镜，离轴卡式平行光管装置中的第一分光镜、双曲面次镜、离轴抛物面主镜，再经标准平面反射镜后，再依次经离轴卡式平行光管装置中的离轴抛物面主镜、双曲面次镜、第一分光镜，以及ccd支路中的第二分光镜、第一光楔、第二光楔、ccd相机，并在计算机上显示，实现对出射光轴平行度的测量检验。
9.优选地，所述干涉仪发射的光线经离轴抛物面主镜，再经标准平面反射镜反射后
原路返回至干涉仪上，实现对离轴抛物面主镜的检测；所述干涉仪发射的光线依次经第一分光镜、双曲面次镜射入标准球面上，经标准球面反射后原路返回至干涉仪上，实现对双曲面次镜的检测。
10.优选地，所述干涉仪发射的光线依次经离轴卡式平行光管装置的第一分光镜、双曲面次镜、离轴抛物面主镜后，再经标准平面反射镜反射后原路返回至干涉仪上，实现对离轴卡式平行光管装置自准直检验。
11.优选地，所述高精度五维调整架的精度为1urad。
12.优选地，所述标准平面反射镜的面型精度为λ/60。
13.优选地，所述离轴卡式平行光管装置的通光口径为400mm，焦距为5000mm，视场角范围为1mrad。
14.优选地，所述干涉仪为4d干涉仪，其测量精度为λ/100。
15.优选地，所述ccd支路中，第一光楔、第二光楔用于消除轴外像差，校正焦点到垂直于主光轴的同一焦平面，成像质量小于λ/20；
16.所述ccd相机选型根据系统焦距和收发全角确定相机靶面大小，根据系统焦距和最小分辨角度确定像元尺寸，
17.相机靶面尺寸＝系统焦距
×
收发全角，
18.像元尺寸＝系统焦距
×
最小分辨角度，
19.所述ccd相机靶面尺寸要大于计算尺寸，ccd相机像元尺寸要小于计算尺寸，所述计算机连接在ccd相机上并对ccd相机采集数据进行图像处理。
20.优选地，一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统的测量方法，其具体步骤如下：
21.s1、离轴抛物面主镜的检测：
22.标准平面反射镜放置于离轴卡式平行光管装置前，选用合适焦距的镜头，利用干涉仪发射的光线经离轴抛物面主镜，再经标准平面反射镜反射后原路返回至干涉仪上，通过干涉仪检测离轴抛物面主镜是否符合要求；
23.s2、双曲面次镜的检测：
24.利用干涉仪发射的光线依次经第一分光镜、双曲面次镜射入标准球面上，经标准球面反射后原路返回至干涉仪上，通过干涉仪检测双曲面次镜是否符合要求；
25.s3、离轴卡式平行光管装置自准直检验：
26.利用干涉仪发射的光线依次经离轴卡式平行光管装置的第一分光镜、双曲面次镜、离轴抛物面主镜后，再经标准平面反射镜反射后原路返回至干涉仪上，通过干涉仪对离轴卡式平行光管装置自准直检验。
27.s4、基准轴的确定：
28.调整干涉仪的焦点与离轴卡式平行光管装置焦点重合，根据泽尼克系数调整干涉条纹，直至干涉图样满足λ/40，此时默认为主光轴与机械轴重合，作为系统基准轴；
29.s5、ccd相机调整：
30.在系统基准轴确定后，调整ccd相机，使焦点大致处于ccd相机中心，利用matlab对图像进行实时处理，计算光斑的半径和圆心坐标，当光斑半径不再减小时，调整ccd相机使圆心坐标位于靶面正中心；
31.s6、入射光轴平行度测量检验：
32.将干涉仪支路中的干涉仪发射的光线，依次经离轴卡式平行光管装置的第一分光镜、双曲面次镜、离轴抛物面主镜，在经标准平面反射镜反射后，再经离轴卡式平行光管装置的离轴抛物面主镜、双曲面次镜、第一分光镜，以及ccd支路中的第二分光镜、第一光楔、第二光楔、ccd相机，并在计算机上显示；通过调整高精度五维调整架的俯仰，即可模拟改变入射光角度，使得光斑位置发生变化，实现对入射光轴平行度的测量检验；
33.s7、出射光轴平行度测量检验：
34.将激光器支路中的激光器发射的激光，经积分球均匀光源后，依次经第三分光镜、第二分光镜，离轴卡式平行光管装置中的第一分光镜、双曲面次镜、离轴抛物面主镜，再经标准平面反射镜后，再依次经离轴卡式平行光管装置中的离轴抛物面主镜、双曲面次镜、第一分光镜，以及ccd支路中的第二分光镜、第一光楔、第二光楔、ccd相机，并在计算机上显示；通过使用积分球作为均匀光源，调整激光器改变出射平行光的角度，从而使得光斑发生变化，实现对出射光轴平行度的测量检验。
35.优选地，在s6、s7步骤中，所述入射光轴平行度、出射光轴平行度，其光轴平行度偏差
△
α的计算公式为：
[0036][0037]
其中，(x1,y1)为系统基准轴对应的圆心坐标，(x2,y2)为不同角度对应的圆心坐标，f为系统总焦距。
[0038]
本发明的有益效果在于：
[0039]
本发明一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统及其测量方法，采用离轴卡式平行光管装置作为提供入射光和出射光的共用支路，结构焦距长，焦平面焦点位置变化明显，检测方法精度高；干涉仪支路用于平面镜自准直法检测，提供系统基准轴，同时可以通过调整平面镜的俯仰的方式，达到改变入射平行光的角度；激光器支路用于提供出射平行光，积分球均匀光源，方便后续图像处理；ccd支路用于对焦点进行图像处理，采用易于加工的光楔设计，两个光楔校正焦点到垂直于主光轴的同一焦平面，减小了轴外相差对测量结果的影响。本发明一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统及其测量方法，不仅具有口径大,没有中心遮拦,透过率高、像质好的优点，而且系统焦距受限小，基准系统轴选定精确，轴外相差能够较好矫正，测量精度高，操作简单方便。
附图说明
[0040]
图1：本发明的大口径长焦距光轴平行度的测量系统的结构示意图；
[0041]
图2：本发明的离轴抛物面主镜的自准直法检测原理图；
[0042]
图3：本发明的双曲面次镜的无像差点法检测原理图；
[0043]
图4：本发明的离轴卡式平行光管装置的自准直法检测原理图；
[0044]
图5：本发明的入射平行光光轴平行度测量原理图；
[0045]
图6：本发明的出射平行光光轴平行度测量原理图；
[0046]
图7：本发明的离轴卡式平行光管装置自准直检验的波前图；
[0047]
图8：本发明的离轴卡式平行光管装置自准直检验的点列图；
[0048]
图9：本发明的ccd支路中心视场和边缘视场三个视场的波前图；
[0049]
图10：本发明的ccd支路中心视场和边缘视场三个视场的点列图。
具体实施方式
[0050]
结合附图1-10，对本发明的具体实施方式作如下说明：
[0051]
如图1-6所示，一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统，包括:高精度五维调整架1、标准平面反射镜2、离轴抛物面主镜3、双曲面次镜4、第一分光镜5、干涉仪6、第二分光镜7、第三分光镜8、激光器9、积分球10、第一光楔11、第二光楔12、ccd相机13和计算机14。标准平面反射镜2安装在高精度五维调整架1上，高精度五维调整架1的精度为1urad；标准平面反射镜2的面型精度为λ/60；干涉仪6为4d干涉仪，其测量精度为λ/100。
[0052]
离轴抛物面主镜3、双曲面次镜4、第一分光镜5组成离轴卡式平行光管装置，离轴卡式平行光管装置的通光口径为400mm，焦距为5000mm，视场角范围为1mrad。
[0053]
第一分光镜5、干涉仪6组成干涉仪支路。第二分光镜7、第三分光镜8、激光器9、积分球10组成激光器支路；
[0054]
激光器支路中，激光器通过光纤将激光光束耦合至平行光管，为对激光器和光纤选型，需要对相关参数进行计算。根据激光器光束发散全角和系统焦距，计算光纤芯径为：光纤芯径＝发散全角
×
系统焦距，采用积分球作为光源，用于均匀激光器发出的激光光束的强度。
[0055]
第二分光镜7、第一光楔11、第二光楔12、ccd相机13、计算机14组成ccd支路。ccd支路中，第一光楔11、第二光楔12用于消除轴外像差，校正焦点到垂直于主光轴的同一焦平面，成像质量小于λ/20。
[0056]
ccd相机13选型根据系统焦距和收发全角确定相机靶面大小，根据系统焦距和最小分辨角度确定像元尺寸，
[0057]
相机靶面尺寸＝系统焦距
×
收发全角，
[0058]
像元尺寸＝系统焦距
×
最小分辨角度，
[0059]
ccd相机13靶面尺寸要大于计算尺寸，ccd相机13像元尺寸要小于计算尺寸，计算机14连接在ccd相机13上并对ccd相机13采集数据进行图像处理。
[0060]
图2为本发明的离轴抛物面主镜的自准直法检测原理图。如图2所示，干涉仪6发射的光线经离轴抛物面主镜3，再经标准平面反射镜2反射后原路返回至干涉仪6上，实现对离轴抛物面主镜3的检测。
[0061]
图3为本发明的双曲面次镜的无像差点法检测原理图。如图3所示，干涉仪6发射的光线依次经第一分光镜5、双曲面次镜4射入标准球面上，经标准球面反射后原路返回至干涉仪6上，实现对双曲面次镜4的检测。
[0062]
图4为本发明的离轴卡式平行光管装置的自准直法检测原理图。如图4所示，干涉仪6发射的光线依次经离轴卡式平行光管装置的第一分光镜5、双曲面次镜4、离轴抛物面主镜3后，再经标准平面反射镜2反射后原路返回至干涉仪6上，实现对离轴卡式平行光管装置自准直检验。
[0063]
图5为本发明的入射平行光光轴平行度测量原理图。如图5所示，干涉仪支路中的干涉仪6发射的光线，依次经离轴卡式平行光管装置的第一分光镜5、双曲面次镜4、离轴抛物面主镜3，在经标准平面反射镜2反射后，再经离轴卡式平行光管装置的离轴抛物面主镜
3、双曲面次镜4、第一分光镜5，以及ccd支路中的第二分光镜7、第一光楔11、第二光楔12、ccd相机13，并在计算机14上显示，实现对入射光轴平行度的测量检验。
[0064]
图6为本发明的出射平行光光轴平行度测量原理图。如图6所示，激光器支路中的激光器9发射的激光，经积分球10均匀光源后，依次经第三分光镜8、第二分光镜7，离轴卡式平行光管装置中的第一分光镜5、双曲面次镜4、离轴抛物面主镜3，再经标准平面反射镜2后，再依次经离轴卡式平行光管装置中的离轴抛物面主镜3、双曲面次镜4、第一分光镜5，以及ccd支路中的第二分光镜7、第一光楔11、第二光楔12、ccd相机13，并在计算机14上显示，实现对出射光轴平行度的测量检验。
[0065]
一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统的测量方法，其具体步骤如下：
[0066]
s1、离轴抛物面主镜3的检测：
[0067]
标准平面反射镜2放置于离轴卡式平行光管装置前，选用合适焦距的镜头，利用干涉仪6发射的光线经离轴抛物面主镜3，再经标准平面反射镜2反射后原路返回至干涉仪6上，通过干涉仪6检测离轴抛物面主镜3是否符合要求；
[0068]
s2、双曲面次镜4的检测：
[0069]
利用干涉仪6发射的光线依次经第一分光镜5、双曲面次镜4射入标准球面上，经标准球面反射后原路返回至干涉仪6上，通过干涉仪6检测双曲面次镜4是否符合要求；
[0070]
s3、离轴卡式平行光管装置自准直检验：
[0071]
利用干涉仪6发射的光线依次经离轴卡式平行光管装置的第一分光镜5、双曲面次镜4、离轴抛物面主镜3后，再经标准平面反射镜2反射后原路返回至干涉仪6上，通过干涉仪6对离轴卡式平行光管装置自准直检验。
[0072]
s4、基准轴的确定：
[0073]
调整干涉仪6的焦点与离轴卡式平行光管装置焦点重合，根据泽尼克系数调整干涉条纹，直至干涉图样满足λ/40，此时默认为主光轴与机械轴重合，作为系统基准轴；
[0074]
s5、ccd相机13调整：
[0075]
在系统基准轴确定后，调整ccd相机13，使焦点大致处于ccd相机13中心，利用matlab对图像进行实时处理，计算光斑的半径和圆心坐标，当光斑半径不再减小时，调整ccd相机13使圆心坐标位于靶面正中心；
[0076]
s6、入射光轴平行度测量检验：
[0077]
将干涉仪支路中的干涉仪6发射的光线，依次经离轴卡式平行光管装置的第一分光镜5、双曲面次镜4、离轴抛物面主镜3，在经标准平面反射镜2反射后，再经离轴卡式平行光管装置的离轴抛物面主镜3、双曲面次镜4、第一分光镜5，以及ccd支路中的第二分光镜7、第一光楔11、第二光楔12、ccd相机13，并在计算机14上显示；通过调整高精度五维调整架的俯仰，即可模拟改变入射光角度，使得光斑位置发生变化，实现对入射光轴平行度的测量检验；
[0078]
s7、出射光轴平行度测量检验：
[0079]
将激光器支路中的激光器9发射的激光，经积分球10均匀光源后，依次经第三分光镜8、第二分光镜7，离轴卡式平行光管装置中的第一分光镜5、双曲面次镜4、离轴抛物面主镜3，再经标准平面反射镜2后，再依次经离轴卡式平行光管装置中的离轴抛物面主镜3、双曲面次镜4、第一分光镜5，以及ccd支路中的第二分光镜7、第一光楔11、第二光楔12、ccd相
机13，并在计算机14上显示；通过使用积分球10作为均匀光源，调整激光器9改变出射平行光的角度，从而使得光斑发生变化，实现对出射光轴平行度的测量检验。
[0080]
入射光轴平行度、出射光轴平行度，其光轴平行度偏差
△
α可通过计算公式进行计算，其中
△
α的计算公式为：
[0081][0082]
其中，(x1,y1)为系统基准轴对应的圆心坐标，(x2,y2)为不同角度对应的圆心坐标，f为系统总焦距。
[0083]
本发明的一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统，其系统镜面具体数据见表一：
[0084]
表一、系统镜面数据
[0085]
名称顶点曲率材料圆锥系数离轴量抛物面主镜-2000mirror-1-375双曲面次镜-567mirror-2.25-90第一分光镜无限silica
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第二分光镜无限silica
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第三分光镜无限silica
ꢀꢀ
第一光楔无限caf2
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第二光楔无限caf2
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[0086]
其中，通过检测可得，离轴卡式平行光管装置自准直检验的波前图，如图7所示；离轴卡式平行光管装置自准直检验的点列图，如图8所示。由图7、8可知，满足rms《λ/40的要求，光斑位于艾利斑内，满足检测要求。
[0087]
其中，通过检测可得，ccd支路中心视场和边缘视场三个视场波前图如图9所示，点列图如图10所示。由图9、10可知，都达到rms《λ/40的要求，光斑基本位于艾利斑内，达到衍射极限，满足系统要求。
[0088]
一般的平行度测量方法受到装置结构限制，焦距无法太长，精度可达几个秒级，大约在20-30urad左右。根据相机靶面尺寸＝系统焦距
×
收发全角，系统焦距5000mm，收发全角1mrad，测量靶面尺寸应大于5mm。以2/3英寸ccd相机为例，像元尺寸为3.45um*3.45um，分辨率2448*2048，靶面大小满足要求。光轴平行度具体测量精度和相机像元大小有关，2/3英寸ccd相机已可达urad级。本发明的一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统及其测量方法，通过检测，验证了这一结果。
[0089]
本发明一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统及其测量方法，采用离轴卡式平行光管装置作为提供入射光和出射光的共用支路，结构焦距长，焦平面焦点位置变化明显，检测方法精度高；干涉仪支路用于平面镜自准直法检测，提供系统基准轴，同时可以通过调整平面镜的俯仰的方式，达到改变入射平行光的角度；激光器支路用于提供出射平行光，积分球均匀光源，方便后续图像处理；ccd支路用于对焦点进行图像处理，采用易于加工的光楔设计，两个光楔校正焦点到垂直于主光轴的同一焦平面，减小了轴外相差对测量结果的影响。
[0090]
本发明一种大口径长焦距光轴平行度的测量系统及其测量方法，不仅具有口径大,没有中心遮拦,透过率高、像质好的优点，而且系统焦距受限小，基准系统轴选定精确，轴外相差能够较好矫正，测量精度高，操作简单方便。
[0091]
上述结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。