基于CGH补偿器的离轴三反相机的装调测试方法及系统与流程

基于cgh补偿器的离轴三反相机的装调测试方法及系统
技术领域
1.本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及基于cgh补偿器的离轴三反相机的装调测试方法及系统。


背景技术：

2.随着空间科学研究的不断深入与发展，空间光学载荷向高分辨率、大幅宽以及多传感器复合等方向发展，光学载荷的口径不断增大，视场也越来越大。三反射镜消像散(three
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mirror anastigmat，tma)形式的光学系统具有较大的视场，同时具有高成像质量，其中离轴tma(简称离轴三反)还具有中频调制传递函数高、结构紧凑和杂光特性好等优势，在空间相机中应用越来越广泛。然而随着离轴三反相机的口径越来越大，各反射镜相对独立且跨距大、各反射镜空间可调节自由度多等特性，导致离轴三反成像光学系统装调时，出现各反射镜相对精确位置难以确定、反射镜空间姿态难以精确调节、反射镜空间姿态调节不连续等现象。其装调检测难度也越来越大，并制约着离轴三反相机的发展。
3.cgh即计算机生成的全息图(computer
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generated holograms，cgh)，全息图的独特性质在于它能同时记录信息的强度和相位，为拓展经典干涉测量提供了一个非常有用的特性：数值传输与重构波前。计算全息和零位光学系统的组合补偿检测非球面的方法的提出，不仅克服对于复杂的大波差的非球面元件检测困难，而且对于器件的制作难度和价格也大幅减低。cgh补偿器因其独特的波前变换能力，以及结构简便、装调简单等突出优点被引入到非球面干涉检测领域。cgh补偿器用于接收干涉仪发送的干涉光，发生衍射后经光学透镜汇聚后垂直入射到待测自由曲面反射镜上，从而对待测自由曲面反射镜实现零位补偿检测。
4.传统cgh补偿器常用来检测单一光学元件的，很少用一个cgh补偿器对多反射镜同时检测，因此基于传统cgh补偿器对离轴三反相机光学系统的装调测试系统复杂、装调方法繁琐、装调效率低。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提供基于cgh补偿器的离轴三反相机的装调测试方法及系统。
6.本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
7.基于cgh补偿器的离轴三反相机的装调测试方法，包括如下步骤：
8.步骤一、提供cgh补偿器和第一反射镜，将所述第一反射镜安装在离轴三反相机主背板上，第一反射镜作为离轴三反相机光学系统的安装基准；所述cgh补偿器包括补偿器基板，所述补偿器基板的一侧上设有第一反射镜衍射区域、干涉仪衍射区域、第三反射镜衍射区域和第二激光跟踪仪靶球，第二激光跟踪仪靶球和补偿器基板可拆卸连接；将第一激光跟踪仪靶球安装在第一反射镜上；利用激光跟踪仪、第二激光跟踪仪靶球和第一激光跟踪仪靶球，通过调整cgh补偿器位置，初步标定cgh补偿器位置和第一反射镜的相对位置；
9.步骤二、提供干涉仪，调整cgh补偿器和干涉仪的位置，直至通过干涉仪衍射区域和干涉仪完成干涉仪的对准通过第一反射镜衍射区域和干涉仪完成cgh补偿器位置的标定，cgh补偿器装调完毕；当干涉仪发出的测量光束经过干涉仪衍射区域返回到干涉仪，该光路的波像差满足使用要求且干涉仪上形成零条纹时，实现干涉仪的对准；当干涉仪发出的测量光束经过第一反射镜衍射区域和第一反射镜后返回到干涉仪，该光路的波像差满足使用要求且干涉仪上形成零条纹时，cgh补偿器位置的标定完成；
10.步骤三、将第三反射镜安装到离轴三反相机主背板上，调整第三反射镜的空间位置，直至干涉仪发出的测量光束经过第三反射镜衍射区域衍射再经第三反射镜反射后原路返回至干涉仪发生干涉，该光路的波像差满足使用要求且干涉仪上形成零条纹，第三反射镜装调完毕；
11.步骤四、移走cgh补偿器，安装第二反射镜，提供标准平面反射镜，调整干涉仪位置使得干涉仪焦点位于离轴三反相机光学系统的像面上，干涉仪出射测量光束，测量光束经离轴三反相机光学系统后入射到标准平面反射镜上，经标准平面反射镜反射后原路返回到干涉仪，干涉仪测得当前状态下离轴三反相机光学系统波像差，根据干涉仪测得的当前状态下相应视场的离轴三反相机光学系统波像差对第二反射镜的空间位置进行调整，直至离轴三反相机光学系统的波像差满足使用要求，第二反射镜装调完毕，离轴三反相机光学系统的装调和测试完成。采用所述的基于cgh补偿器的离轴三反相机的装调测试方法的装调测试系统，包括cgh补偿器、干涉仪、辅助工装、五维调整台、cgh补偿器安装架、激光跟踪仪、气浮平台、第一激光跟踪仪靶球和标准平面反射镜；辅助工装安装在气浮平台上、用于安装离轴三反相机主背板，cgh补偿器安装架能够安装在气浮平台上，五维调整台安装在cgh补偿器安装架上，cgh补偿器安装在五维调整台上，第一激光跟踪仪靶球可拆卸的安装在离轴三反相机光学系统的第一反射镜上，激光跟踪仪能够安装在气浮平台上，以第一反射镜为基准通过激光跟踪仪、第一激光跟踪仪靶球和第二激光跟踪仪靶球能够标定cgh补偿器和第一反射镜相对位置；标准平面反射镜和干涉仪均安装在气浮平台上，干涉仪能够出射测量光束，干涉仪能够根据测量光束经过离轴三反相机光学系统回射到干涉仪上得到的干涉条纹测量离轴三反相机光学系统波像差，测量光束经过cgh补偿器和/或离轴三反相机光学系统后的回射能够与干涉仪上独立的光学参考之间发生干涉；标准平面反射镜对应第一反射镜设置，干涉仪出射的测量光束依次经过第三反射镜、第二反射镜和第一反射镜后能够入射到标准平面反射镜上，标准平面反射镜的反射面与入射到其上的测量光束垂直。
12.本发明的有益效果是：
13.1、本发明设计的cgh补偿器结构不复杂、加工简单易实现，基于该cgh补偿器，再利用干涉仪以及激光跟踪仪实现空间离轴三反相机进行共基准装调测试，在cgh补偿器的指导下完成系统第一反射镜与第三反射镜的相对位置调整，再调整第二反射镜完成光学系统装调测试。装调测试系统装调便捷、高效、装调精度高，成本大大降低，通用性强，便于推广，装调方法简单。本发明的装调测试系统和方法能够满足对大幅宽、高分辨率、大口径的离轴三反相机在地面进行快速装调检测。
14.2、该装调测试方法及系统利用cgh补偿器对离轴三反相机的第一反射镜及第三反射镜进行共基准装调，降低了反射镜装调的自由度，后续仅需对次镜进行位置调整，自由度降至5个，节约装调成本及装调时间，提高装调效率。
15.3、本发明以干涉检测方法逐个实现光学元件的精确调整，各个光学元件之间的准确位置关系依赖与cgh补偿器生成多个相对位置精确波前生成能力，各元器件定位精度更高。
16.4、本发明利用cgh补偿器辅助进行光学装调测试的方法并不限于离轴三反相机光学系统，该方法的应用可以推广至其它类型光学系统中，包括反射光学系统和折射光学系统，并有望解决装调难度更大的自由曲面光学系统问题。
附图说明
17.图1为本发明的cgh补偿器的结构示意图。
18.图2为本发明的装调测试方法的流程图。
19.图3为本发明的装调测试方法的步骤一所搭建的光路结构图。
20.图4为本发明的步骤一中第一反射镜的结构图。
21.图5为本发明的利用cgh补偿器以及干涉仪对第一反射镜和第三反射镜装调原理图。
22.图6为本发明的装调测试方法的步骤四对离轴三反相机光学系统进行装调及测试的光路及结构示意图。
23.图7为本发明装调测试后的离轴三反相机光学系统的三反示意图。
24.图中：1、第一反射镜，2、第三反射镜，3、离轴三反相机主背板，4、辅助工装，5、干涉仪，6、干涉仪标准镜头，7、cgh补偿器，701、第一反射镜衍射区域，702、干涉仪衍射区域，703、第三反射镜衍射区域，704、补偿器基板，8、五维调整台，9、干涉仪安装架，10、cgh补偿器安装架，11、大理石气浮平台，12、第二反射镜，13、离轴相机焦面位置，14、第二激光跟踪仪靶球，15、激光跟踪仪，16、标准平面反射镜，17、第一激光跟踪仪靶球。
具体实施方式
25.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
26.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
27.cgh补偿器7，用于离轴三反相机光学系统装调测试。cgh补偿器7包括补偿器基板704和安装在补偿器基板704上的第二激光跟踪仪靶球14，补偿器基板704的同一侧上设有第一反射镜衍射区域701、干涉仪衍射区域702和第三反射镜衍射区域703。第一反射镜衍射区域701、干涉仪衍射区域702、第三反射镜衍射区域703和第二激光跟踪仪靶球14位于补偿器基板704的同一侧面上，第二激光跟踪仪靶球14和补偿器基板704可拆卸连接，第二激光跟踪仪靶球14的数量通常不少于3个。第一反射镜衍射区域701用于配合干涉仪5实现第一反射镜1的装调，第一反射镜衍射区域701能够对从干涉仪5发出并照射到其上干涉光(干涉光即测量光束)发生衍射，得到用于入射到离轴三反相机的第一反射镜1上的衍射光。第三反射镜衍射区域703用于配合干涉仪5实现第三反射镜2的装调，第三反射镜衍射区域703能够对从干涉仪5发出并照射到其上干涉光发生衍射，得到用于入射到离轴三反相机的第三
反射镜2上的衍射光。干涉仪衍射区域702用于与干涉仪5对准，对从干涉仪5发出并照射到其上干涉光发生反射，反射得到用于入射到干涉仪5且和干涉仪5上独立的光学参考发生干涉的光束。第二激光跟踪仪靶球14用于配合激光跟踪仪15实现cgh补偿器7空间位置的标定。如图1，第一反射镜衍射区域701、干涉仪衍射区域702、第三反射镜衍射区域703从上至下顺次设置，但不限定该种顺序。
28.cgh补偿器7的衍射区域固定，那么从第一反射镜衍射区域701出射的光波和第三反射镜衍射区域703出射的光波之间的位置关系确定。cgh补偿器7板上同时设有第一反射镜衍射区域701和第三反射镜衍射区域703，同时满足经过第一反射镜衍射区域701和第三反射镜衍射区域703的波前与离轴三反相机光学系统的光束走向相同。将chg补偿器作为基准，确定离轴三反相机光学系统三镜的空间位置，从而对待测自由曲面反射镜实现零位补偿检测。基于本发明的cgh补偿器7板能够实现对离轴三反相机装调测试。根据光学设计软件设计，在补偿器基板704上刻画所需衍射区域等即得到cgh补偿器7，cgh补偿器7能准确地生成多个几乎任意形状的波前，cgh补偿器7生成的任意两个波前之间的相对位置关系是确定的，这种准确性和设计上的灵活性赋予了cgh补偿器7在指导光学元件调整方面的强大能力。
29.基于cgh补偿器7的离轴三反相机光学系统的装调测试方法，如图2，包括如下步骤：
30.步骤一、搭建光路，如图3，安装第一反射镜1，以第一反射镜1为基准，调整cgh补偿器7使得第一反射镜衍射区域701和第一反射镜1相对应，利用第二激光跟踪仪球靶14和第一跟踪仪球靶17标定cgh补偿器7的初步位置。具体为：将第一反射镜1安装在离轴三反相机主背板3上，离轴三反相机主背板3安装在辅助工装4上。将本发明的cgh补偿器7安装在五维调整台8上，五维调整台8用于调整cgh补偿器7的空间姿态。五维调整台8安装在cgh补偿器安装架10上。辅助工装4、cgh补偿器安装架10、激光跟踪仪15放置在大理石气浮平台11上；相机地面装调过程对环境的稳定性要求较高，大理石气浮平台11可以有效的减弱微振动对检测光路的影响。将第一激光跟踪仪靶球17安装在第一反射镜1上如图4，确保cgh补偿器7的第二激光跟踪仪靶球14安装在cgh补偿器7上。通过调整五维调整台8对cgh补偿器7进行粗定位，即通过调整五维调整台8使得cgh补偿器7的第一反射镜衍射区域701和第一反射镜1相对应，利用激光跟踪仪15初步标定cgh补偿器7位置和第一反射镜1位置，即标定cgh补偿器7和第一反射镜1的相对位置，至此完成了标定cgh补偿器7的初步位置。标定后将第一反射镜1上的第一激光跟踪仪靶球17和cgh补偿器7上的第二激光跟踪仪靶球14拆下。后续过程中第一反射镜1、离轴三反相机主背板3、辅助工装4位置保持不变。
31.步骤二、对cgh补偿器7的位置进行精确定位，同时对干涉仪5的位置进行精度定位。步骤二中利用第一反射镜1、干涉仪5对cgh补偿器7位置进行精确标定(通过调整五维调整台8调整cgh补偿器7以实现对cgh补偿器7位置的标定)，搭建光路如图5，将干涉仪安装架9放置在大理石气浮平台11上，干涉仪5安装在干涉仪安装架9上，干涉仪5对应干涉仪衍射区域702，干涉仪安装架9、cgh补偿器安装架10和辅助工装4顺次设置。干涉仪5上具有干涉仪标准镜头6，干涉仪5出射的光和入射到其上的光束均经过干涉仪标准镜头6。调整cgh补偿器7和干涉仪5的位置，直至能够同时满足下述两个条件，条件一、干涉仪5发出的干涉光能够经过干涉仪衍射区域702反射后返回到干涉仪5发生干涉，这一光路(干涉仪5发出的测
量光束打到干涉仪衍射区域702返回到干涉仪5的这一光路)的波像差满足要求，且干涉仪5上形成零条纹；条件二、干涉仪5发出的干涉光能够经过第一反射镜衍射区域701衍射后传输到第一反射镜1，经第一反射镜1反射后原路返回至干涉仪5发生干涉，这一光路(干涉仪5发出的测量光束经过第一反射镜衍射区域701达到第一反射镜1，经第一反射镜反射镜1反射，再经过第一反射镜衍射区域701返回到干涉仪5的这一光路)的波像差满足要求，且干涉仪5上形成零条纹。后续步骤三过程中保持cgh补偿器7和干涉仪5的位置不变。干涉仪5上形成零条纹也就是干涉条纹为零条纹状态，干涉仪5上观察到的暗条纹之间系数排列分布、不密集，条纹数量接近于零。
32.步骤三、将第三反射镜2安装到离轴三反相机主背板3上，调整第三反射镜2的空间位置，直至干涉仪5发出的干涉光经过第三反射镜衍射区域703衍射后传输到第三反射镜2，经第三反射镜2反射后原路返回至干涉仪5发生干涉，这一光路(干涉仪5发出的测量光束经过第三反射镜衍射区域703达到第三反射镜2，经第三反射镜2反射，再经过第三反射镜衍射区域703返回到干涉仪5的这一光路)的波像差满足要求，且干涉仪5上形成零条纹。至此，完成了第一反射镜1和第三反射镜2的共基准安装。
33.步骤四、利用标准平面反射镜16和干涉仪5搭建自准直检测光路，对第二反射镜12位置进行精确调整，搭建自准直检测光路如图6，拆掉cgh补偿器安装架10、cgh补偿器7和五维调整台8，安装第二反射镜12，第二反射镜12安装在框架上，框架安装在离轴三反相机主背板3上，在大理石气浮平台11上安装标准平面反射镜16，调整干涉仪5位置使得干涉仪5焦点位于离轴三反相机光学系统的像面上，采用自准直干涉方法检测离轴三反相机光学系统波像差，干涉光路由离轴三反相机光学系统、标准平面反射镜16和干涉仪5组成，由干涉仪5出射的球面波照射到离轴三反相机光学系统上，经离轴三反相机光学系统后转变为平面波出射，经标准平面反射镜16自准(标准平面反射镜16的镜面垂直于入射光线)后原路返回到干涉仪5，即再次通过离轴三反光学系统后会聚于离轴三反相机光学系统像面，该波前携带离轴三反相机光学系统的波像差信息回到干涉仪5，由干涉仪5可测得当前状态下相应视场的离轴三反相机光学系统波像差，根据干涉仪5测得的当前状态下相应视场的离轴三反相机光学系统波像差对第二反射镜12的空间位置进行调整，直至离轴三反相机光学系统的波像差满足使用要求，至此，完成了离轴三反相机光学系统的装调和测试，得到的离轴三反相机光学系统的三反示意图如图7。
34.基于cgh补偿器7的离轴三反相机光学系统的装调测试系统，装调测试系统包括：干涉仪5、辅助工装4、五维调整台8、cgh补偿器安装架10、上述cgh补偿器7、激光跟踪仪15、气浮平台、第一激光跟踪仪靶球17和标准平面反射镜16。气浮平台采用大理石气浮平台11。辅助工装4安装在气浮平台上，辅助工装4用于安装离轴三反相机主背板3。cgh补偿器安装架10能够安装在气浮平台上，五维调整台8安装在cgh补偿器安装架10上，cgh补偿器7安装在五维调整台8上，cgh补偿器安装架10用于承载五维调整台8和cgh补偿器7，五维调整台8用于调整cgh补偿器7的位置。第一激光跟踪仪靶球17用于可拆卸的安装在离轴三反相机光学系统的第一反射镜1上，激光跟踪仪15能够安装在气浮平台上，通过激光跟踪仪15、第一激光跟踪仪靶球17和第二激光跟踪仪靶球14能够标定cgh补偿器7和第一反射镜1相对位置。标准平面反射镜16安装在气浮平台上，标准平面反射镜16对应第一反射镜1设置，干涉仪5安装在气浮平台上，干涉仪5能够出射测量光束，测量光束经过cgh补偿器7和/或离轴三
反相机光学系统后的回射能够与干涉仪5上独立的光学参考之间发生干涉，干涉仪5通过测量光束的回射能够测量回射到其上的光路的波像差。测量光束经过干涉仪衍射区域702后的回射能够与干涉仪5上独立的光学参考之间发生干涉，即干涉仪5根据干涉条纹能够测量光路的波像差，能够根据测量光束经过干涉仪衍射区域702回射到干涉仪5上得到的干涉条纹测量该光路的波像差；测量光束经过第一反射镜衍射区域701与第一反射镜1后的回射能够与干涉仪5上独立的光学参考之间发生干涉，即干涉仪5根据干涉条纹能够测量光路的波像差，干涉仪5能够根据测量光束经过第一反射镜衍射区域701与第一反射镜1后回射到干涉仪5上得到的干涉条纹测量该光路的波像差；测量光束经过第三反射镜衍射区域703与第三反射镜2后的回射能够与干涉仪5上独立的光学参考之间发生干涉即干涉仪5根据干涉条纹能够测量光路的波像差，干涉仪5能够根据测量光束经过第三反射镜衍射区域703与第三反射镜2后回射到干涉仪5上得到的干涉条纹测量该光路的波像差；测量光束经过第一反射镜1、第二反射镜12和第三反射镜2后的回射能够与干涉仪5上独立的光学参考之间发生干涉即干涉仪5根据干涉条纹能够测量离轴三反相机光学系统波像差，即干涉仪能够根据测量光束经过离轴三反相机光学系统回射到干涉仪上得到的干涉条纹测量离轴三反相机光学系统波像差。
35.当cgh补偿器7和第一反射镜1都位于气浮平台上且第二反射镜12和第三反射镜2未位于气浮平台上时，通过调整cgh补偿器7和干涉仪5的位置，能够同时满足下述两个条件，条件一、干涉仪5发出的干涉光能够经过干涉仪衍射区域702反射后返回到干涉仪5发生干涉，且干涉仪5上形成零条纹，且该光路的波像差满足要求；条件二、干涉仪5发出的干涉光能够经过第一反射镜衍射区域701衍射后传输到第一反射镜1，经第一反射镜1反射后原路返回至干涉仪5发生干涉，且干涉仪5上形成零条纹，且该光路的波像差满足要求。
36.当cgh补偿器7、第一反射镜1和第三反射镜2都位于气浮平台上且第二反射镜12未位于气浮平台上时，通过调整第三反射镜2的空间位置，能够使干涉仪5发出的干涉光经过第三反射镜衍射区域703衍射后传输到第三反射镜2、经第三反射镜2反射后原路返回至干涉仪5发生干涉，干涉仪5上形成零条纹，且该光路的波像差满足要求。
37.当标准平面反射镜16、第一反射镜1、第二反射镜12和第三反射镜2都位于气浮平台上时(此时cgh补偿器7不需要位于气浮平台上)，由干涉仪5出射的球面波照射到离轴三反相机光学系统上，经离轴三反相机光学系统后转变为平面波出射，经标准平面反射镜16反射后原路返回到干涉仪5，即，由干涉仪5出射的测量光束，依次经第三反射镜2反射、第二反射镜12反射、第一反射镜1反射、标准平面反射镜16反射、第一反射镜1反射、第二反射镜12反射和第三反射镜2反射后回到干涉仪5中与干涉仪5上独立的光学参考之间发生干涉，此时干涉仪5可测得当前状态下相应视场的离轴三反相机光学系统波像差，可根据干涉仪5测得的当前状态下相应视场的离轴三反相机光学系统波像差对第二反射镜12的空间位置进行调整，直至离轴三反相机光学系统的波像差满足要求。
38.本发明设计的一种cgh补偿器7结构不复杂、加工简单易实现，基于本发明设计的一种cgh补偿器7，再利用干涉仪5以及激光跟踪仪15实现空间离轴三反相机进行共基准装调测试，在cgh补偿器7的指导下完成系统第一反射镜1与第三反射镜2的相对位置调整，再调整第二反射镜12完成光学系统装调测试。装调测试系统装调便捷、高效、装调精度高，成本大大降低，通用性强，便于推广，装调方法简单。本发明的装调测试系统能够满足对大幅
宽、高分辨率、大口径的离轴三反相机在地面进行快速装调检测。该装调测试系统利用cgh补偿器7对离轴三反相机的第一反射镜1及第三反射镜2进行共基准装调，降低了反射镜装调的自由度，后续仅需对次镜进行位置调整，自由度降至5个，节约装调成本及装调时间，提高装调效率；本发明以干涉检测方法逐个实现光学元件的精确调整，各个光学元件之间的准确位置关系依赖与cgh补偿器7生成多个相对位置精确波前生成能力，各元器件定位精度更高；本发明利用cgh补偿器7辅助进行光学装调测试的方法并不限于离轴三反相机光学系统，该方法的应用可以推广至其它类型光学系统中，包括反射光学系统和折射光学系统，并有望解决装调难度更大的自由曲面光学系统问题。