一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置制造方法
【專利摘要】一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償方法，包括：大口徑長焦距平行光管和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；大口徑長焦距平行光管包括反射鏡組件和窗口玻璃；自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)包括光源組件、分束片、第一離軸反射鏡、第二離軸反射鏡、第三離軸反射鏡、波前探測器、波前校正器和折轉(zhuǎn)反射鏡；本發(fā)明可以實時探測由于加工裝調(diào)、溫度變化、溫度梯度、氣流擾動、平臺振動等因素給大口徑長焦距平行光管引入的波前像差，并且可以將這些波前像差實時高精度地校正掉，進而大大提高大口徑長焦距平行光管的檢校精度和效率，大幅降低大孔徑長焦距平行光管的研制難度，并節(jié)省大量試驗時間和成本。
【專利說明】一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種平行光管波前像差預(yù)補償裝置，特別是一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置，屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]平行光管是最常用光學(xué)系統(tǒng)檢校設(shè)備，可以發(fā)出平行光，用來模擬無限遠目標(biāo)。高精度的平行光管通常是照相物鏡和望遠物鏡等無限共軛成像光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)校和像質(zhì)檢驗不可缺少的測量基準(zhǔn)。過去的平行光管口徑較小，焦距較短，加工裝調(diào)誤差較小，受溫度變化、溫度梯度、氣流擾動、平臺振動等環(huán)境因素的影響較小，因而一般無需對波前像差進行實時補償校正。隨著口徑、焦距的增大，上述環(huán)境因素對平行光管的影響也越來越大，引入的波前像差不可忽略。
[0003]目前，大口徑、長焦距的平行光管通常是在抽真空的狀態(tài)下進行測試，以避免氣流擾動等因素對平行光管造成的不利影響。此外，需要對平行光管進行高精度溫度控制、高性能隔振、高穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)支撐以避免平行光管自身產(chǎn)生面形誤差進而給系統(tǒng)引入波前像差，影響檢校精度。傳統(tǒng)的大口徑、長焦距平行光管具有較大的局限性，主要在于:
[0004]I)大口徑、長焦距平行光管氣流擾動影響較大，需要抽真空加以消除，而抽真空的過程較長，影響測試進度，增加測試成本；
[0005]2)傳統(tǒng)方案中，通常需要在平行光管出口處放置一塊面形精度高、材料均勻性良好的窗口玻璃以實現(xiàn)密封，而在抽真空過程中內(nèi)外的氣壓差會使窗口玻璃發(fā)生變形并引入新的波前像差，影響平行光管的檢校精度；
[0006]3)如果不用窗口玻璃，則一般需將平行光管與真空罐對接，將被檢光學(xué)系統(tǒng)置于真空罐里,并將平行光管和真空罐一同抽真空,然而被檢光學(xué)系統(tǒng)處于真空罐中,裝調(diào)檢測很不方便；
[0007]3)傳統(tǒng)方案中，抽真空、溫度變化、平臺振動等因素給平行光管引入的波前像差難以消除，影響平行光管的檢校精度；
[0008]4)傳統(tǒng)方案中，難以在工作過程中實時監(jiān)測平行光管的自身的波前像差和檢校精度；
[0009]5)傳統(tǒng)方案中，要保證高精度溫度控制，需要環(huán)境溫度始終控制在一定范圍內(nèi)，如果環(huán)境溫度發(fā)生較大變化后需要較長時間才能實現(xiàn)溫度平衡，降低檢校效率。
[0010]光子學(xué)報文章編號1004-4213 (2008) 05—1020—3,發(fā)表日期為2008年5月，名稱為“平行光管氣流擾動的液晶自適應(yīng)光學(xué)校正”中介紹了一種用于平行光管氣流校正的液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，主要是開展了液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正平行光管氣流擾動試驗，該方案采用采用夏克-哈特曼探測器探測波前像差、采用LCOS液晶校正器校正波前像差、用透鏡光學(xué)系統(tǒng)進行光路調(diào)整，將平面反射鏡置于平行光管出口處以實現(xiàn)光路返回。這種技術(shù)方案初步實現(xiàn)的平行光管的氣流擾動校正，但其不足之處在于:波前探測器僅能探測平行光管的波前像差，不能探測自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)自身的波前像差，具有較大的非共光路像差，影響波校正精度和檢校精度；LCOS液晶校正器，只能對線偏振光進行校正，對于自然光能量利用率低于50% ；LCOS液晶校正器的校正頻率低于100Hz，只能進行低頻像差校正；LC0S液晶校正器具有色散效應(yīng)、適用譜段窄(小于50nm)，不能用于白光校正；采用透鏡系統(tǒng)，存在色散效應(yīng)、光路體積較大，有鏡頭表面反射雜散光等局限性；采用平面反射鏡替代窗口玻璃，僅可以用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對氣流的校正實驗，無法同時保證平行光管正常檢校工作，無法在工程上實際應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置，克服了目前基于抽真空方法大口徑長焦距的平行光管抽真空的缺點，有效解決了溫度變化、溫度梯度、氣流擾動、平臺振動等環(huán)境因素對大口徑長焦距的平行光管檢校精度的影響，實現(xiàn)了波前像差的實時探測與預(yù)補償，節(jié)省了大量試驗時間和成本，顯著提高了檢校性能。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置，包括:大口徑長焦距平行光管和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；
[0013]大口徑長焦距平行光管包括反射鏡組件和窗口玻璃；
[0014]自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)包括光源組件、分束片、第一離軸反射鏡、第二離軸反射鏡、第三離軸反射鏡、波前探測器、波前校正器和折轉(zhuǎn)反射鏡；
[0015]光源組件位于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的焦點處；光源組件發(fā)出的光線一部分經(jīng)分束片透射出去，另一部分經(jīng)分束片反射后達到第二離軸反射鏡，第二離軸反射鏡將分束片反射的發(fā)散光反射變成準(zhǔn)平行光后達到波前校正器；
[0016]波前校正器對第二離軸反射鏡反射的準(zhǔn)平行光進行波前校正后反射至第三離軸反射鏡；第三離軸反射鏡將波前校正器反射的校準(zhǔn)后準(zhǔn)平行光會聚于平行光管的焦點后進入平行光管；
[0017]入射到平行光管的光線經(jīng)反射鏡組件反射變成平行光后達到平行光管的窗口玻璃，平行光到達平行光管的窗口玻璃后，一部分透射，用來進行光學(xué)系統(tǒng)的檢測，另一部分被平行光管的窗口玻璃反射后逆著入射光路依次經(jīng)過反射鏡組件、第三離軸反射鏡、波前校正器和第二離軸反射鏡后返回至分束片；
[0018]返回至分束片的光線一部分經(jīng)分束片反射至光源組件，另一部分經(jīng)分束片透射后到達第一離軸反射鏡，經(jīng)第一離軸反射鏡反射后變?yōu)闇?zhǔn)平行光，該準(zhǔn)平行光經(jīng)過折轉(zhuǎn)反射鏡進行角度折轉(zhuǎn)后進入波前探測器；
[0019]波前探測器獲得入射光線的波前相位信息，并將波前相位信息轉(zhuǎn)換為波前校正器的輸入電壓信號，波前校正器根據(jù)輸入電壓信號產(chǎn)生相應(yīng)的面形，進行波前像差的校正，提高平行光管輸出光線的波前精度。
[0020]所述反射鏡組件包括一個或兩個非球面反射鏡，或者包括一個或兩個非球面反射鏡和一個或兩個折轉(zhuǎn)反射鏡。
[0021]所述光源組件為單個光源或者由光源和靶標(biāo)組成的組件。
[0022]所述窗口玻璃位于平行光管內(nèi)部的表面反射率小于1%，位于平行光管外部的表面反射率為20%?50% ;位于平行光管外部的表面的面形精度優(yōu)于X/50rms，所述λ為入射光線的波長。
[0023]所述波前探測器為夏克-哈特曼波前探測器，波前探測精度優(yōu)于λ /50rmso
[0024]所述波前校正器為MEMS變形鏡，波前校正精度優(yōu)于λ /20rms。
[0025]所述波前校正器與波前探測器滿足物像關(guān)系，且二者有效口徑相匹配。
[0026]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0027](I)本發(fā)明波前探測器能夠探測包括平行光管和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在內(nèi)的整個光學(xué)系統(tǒng)的波前像差，可以消除波前探測支路與光源照明支路之間的非共光路像差，提高了波前像差的校正精度和平行光管的檢校精度；現(xiàn)有文獻中所述的波前探測器僅能探測平行光管的波前像差，不能探測自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)自身的波前像差，具有較大的非共光路像差，影響波校正精度和檢校精度；
[0028](2)本發(fā)明的波前校正器采用MEMS變形鏡，具有光能利用率高(95%以上)、校正頻率高(1000Hz以上)、無色散效應(yīng)、校正譜段寬(全光學(xué)譜段)等優(yōu)點；現(xiàn)有文獻中所述方案，采用LCOS液晶校正器，只能對線偏振光進行校正，對于自然光能量利用率低于50%，校正頻率低于100Hz，只能進行低頻像差校正，具有色散效應(yīng)、適用譜段窄(小于50nm)，不能用于白光校正，因而具有較大的局限性；
[0029](3)本發(fā)明的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)采用離軸反射光學(xué)系統(tǒng)，具有無色散效應(yīng)、結(jié)構(gòu)緊湊、無鏡頭表面反射雜散光等優(yōu)點；現(xiàn)有文獻中所述方案，采用透鏡系統(tǒng)，存在色散效應(yīng)、光路體積較大，有鏡頭表面反射雜散光等局限性；
[0030](4)本發(fā)明的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)可以對加工裝調(diào)、溫度變化、溫度梯度、氣流擾動、平臺振動等各因素給大口徑長焦距平行光管引入的各種波前像差進行補償校正；現(xiàn)有文獻中所述方案僅能用于低頻氣流擾動引入波前像差的補償校正，對于高頻氣流擾動或其他因素引入的波前像差無能為力；
[0031](5)本發(fā)明對平光光管的窗口玻璃進行優(yōu)化設(shè)計，既保證自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對波前像差的高精度探測與補償校正，又保證平行光管正常檢校工作；現(xiàn)有文獻中所述方案采用平面反射鏡替代窗口玻璃，僅可以用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對氣流的校正實驗，無法同時保證平行光管正常檢校工作，無法在工程上實際應(yīng)用；
[0032](6)本發(fā)明利用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)將加工裝調(diào)、溫度變化、溫度梯度、氣流擾動、平臺振動等因素給大口徑長焦距平行光管引入的各種波前像差進實時補償校正掉，省去了大孔徑長焦距平行光管的抽真空、溫度平衡、調(diào)試、振動衰減等環(huán)節(jié)，大大降低大孔徑長焦距平行光管的溫度控制要求和加工裝調(diào)難度，節(jié)省了大量試驗時間和成本，并顯著提高了檢校精度；
[0033](7)本發(fā)明實現(xiàn)了在工作過程中波前像差的實時探測和預(yù)補償，也可以根據(jù)要求產(chǎn)生已知的滿足特殊波前要求的光束以滿足特殊檢測要求，顯著提高了大口徑長焦距平行光管的檢校性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明大口徑平行光管及自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行進一步地詳細闡述。
[0036]如圖1所示為本發(fā)明大口徑平行光管及自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)示意圖，由圖1可知，本發(fā)明提供的一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置，包括:大口徑長焦距平行光管和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)；
[0037]大口徑長焦距平行光管包括平行光組件10和窗口玻璃11，所述的平行光管通光口徑大于1.5m，焦距大于30m ;所述平行光組件10包括一個或兩個非球面反射鏡，或者包括一個或兩個非球面反射鏡和一個或兩個折轉(zhuǎn)反射鏡，所述窗口玻璃11位于平行光管內(nèi)部的表面反射率小于I %，位于平行光管外部的表面反射率為20%?50%,位于平行光管外部的表面的面形精度優(yōu)于X/50rms，所述λ為入射光線的波長。
[0038]自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)包括光源組件4、分束片5、第一離軸反射鏡3、第二離軸反射鏡6、第三離軸反射鏡9、波前探測器1、波前校正器7和折轉(zhuǎn)反射鏡2 ;所述光源組件4 一般為單個光源或者由光源和靶標(biāo)組成的組件，所述波前探測器I為波前探測精度優(yōu)于λ /50rms的夏克-哈特曼波前探測器；
[0039]光源組件4位于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的焦點處；光源組件4發(fā)出的光線一部分經(jīng)分束片5透射出去,另一部分經(jīng)分束片5反射后達到第二尚軸反射鏡6,第二尚軸反射鏡6將分束片5反射的發(fā)散光反射變成準(zhǔn)平行光后達到波前校正器7 ;所述的離軸反射鏡表面單次反射具有99%以上的反射率，所述的分束片5具有50%的反射率和50%的透射率。
[0040]波前校正器7對第二離軸反射鏡6反射的準(zhǔn)平行光進行波前校正后反射至第三離軸反射鏡9 ;第三離軸反射鏡9將波前校正器7反射的校準(zhǔn)后準(zhǔn)平行光會聚于平行光管的焦點8后進入平行光管；所述波前校正器7為波前校正精度優(yōu)于λ /20rms的MEMS變形鏡；
[0041]入射到平行光管的光線經(jīng)平行光組件10反射變成平行光后達到平行光窗口玻璃11，平行光到達平行光窗口玻璃11后，一部分透射，用來進行光學(xué)系統(tǒng)的檢測，另一部分被平行光窗口玻璃11反射后逆著入射光路依次經(jīng)過平行光組件10、第三離軸反射鏡9、波前校正器7和第二離軸反射鏡6后返回至分束片5 ；
[0042]返回至分束片5的光線一部分經(jīng)分束片5反射至光源組件4，另一部分經(jīng)分束片5透射后到達第一離軸反射鏡3，經(jīng)第一離軸反射鏡3反射后變?yōu)闇?zhǔn)平行光，該準(zhǔn)平行光經(jīng)過折轉(zhuǎn)反射鏡2進行角度折轉(zhuǎn)后進入波前探測器I ;
[0043]波前探測器I獲得入射光線的波前相位信息，并將波前相位信息轉(zhuǎn)換為波前校正器7的輸入電壓信號,波前校正器7根據(jù)輸入電壓信號產(chǎn)生相應(yīng)的面形,進行波前像差的校正，提高平行光管輸出光線的波前精度(優(yōu)于λ/Hrms)。所述波前校正器7與波前探測器I滿足物像關(guān)系，且二者有效口徑相匹配。
[0044]本發(fā)明的技術(shù)方案可以使大口徑、長焦距平行光管的檢校準(zhǔn)備時間(傳統(tǒng)方案包括抽真空、溫度穩(wěn)定等)由現(xiàn)在的8-12小時，縮短為30分鐘以內(nèi)；使平行光管輸出光線的波前精度由現(xiàn)在的λ/1rms以下，提高到λ/Hrms以上。
[0045]本發(fā)明可以用于通光口徑大于1.5m、焦距大于30m的大口徑長焦距平行光管的像差實時校正，可以顯著提高大口徑長焦距平行光管的檢校精度和檢校效率。
[0046]本發(fā)明未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置，其特征在于包括:大口徑長焦距平行光管和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)； 大口徑長焦距平行光管包括反射鏡組件(10)和窗口玻璃(11)； 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)包括光源組件(4)、分束片(5)、第一離軸反射鏡(3)、第二離軸反射鏡(6)、第三離軸反射鏡(9)、波前探測器(I)、波前校正器(7)和折轉(zhuǎn)反射鏡(2); 光源組件(4)位于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的焦點處；光源組件(4)發(fā)出的光線一部分經(jīng)分束片(5)透射出去，另一部分經(jīng)分束片(5)反射后達到第二離軸反射鏡(6)，第二離軸反射鏡(6)將分束片(5)反射的發(fā)散光反射變成準(zhǔn)平行光后達到波前校正器(7)； 波前校正器(X)對第二離軸反射鏡(6)反射的準(zhǔn)平行光進行波前校正后反射至第三離軸反射鏡(9);第三離軸反射鏡(9)將波前校正器(7)反射的校準(zhǔn)后準(zhǔn)平行光會聚于平行光管的焦點(8)后進入平行光管； 入射到平行光管的光線經(jīng)反射鏡組件(10)反射變成平行光后達到平行光管的窗口玻璃(11)，平行光到達平行光管的窗口玻璃(11)后，一部分透射，用來進行光學(xué)系統(tǒng)的檢測，另一部分被平行光管的窗口玻璃(11)反射后逆著入射光路依次經(jīng)過反射鏡組件(10)、第三離軸反射鏡(9)、波前校正器(7)和第二離軸反射鏡(6)后返回至分束片(5)； 返回至分束片(5)的光線一部分經(jīng)分束片(5)反射至光源組件(4)，另一部分經(jīng)分束片(5)透射后到達第一離軸反射鏡(3)，經(jīng)第一離軸反射鏡(3)反射后變?yōu)闇?zhǔn)平行光，該準(zhǔn)平行光經(jīng)過折轉(zhuǎn)反射鏡(2)進行角度折轉(zhuǎn)后進入波前探測器(I)； 波前探測器(I)獲得入射光線的波前相位信息，并將波前相位信息轉(zhuǎn)換為波前校正器(7)的輸入電壓信號，波前校正器(7)根據(jù)輸入電壓信號產(chǎn)生相應(yīng)的面形，進行波前像差的校正，提高平行光管輸出光線的波前精度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置，其特征在于:所述反射鏡組件(10)包括一個或兩個非球面反射鏡，或者包括一個或兩個非球面反射鏡和一個或兩個折轉(zhuǎn)反射鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置，其特征在于:所述光源組件(4)為單個光源或者由光源和靶標(biāo)組成的組件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置，其特征在于:所述窗口玻璃(11)位于平行光管內(nèi)部的表面反射率小于1%，位于平行光管外部的表面反射率為20%?50%;位于平行光管外部的表面的面形精度優(yōu)于X/50rms，所述λ為入射光線的波長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置，其特征在于:所述波前探測器(I)為夏克-哈特曼波前探測器，波前探測精度優(yōu)于X/50rms。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置，其特征在于:所述波前校正器(7)為MEMS變形鏡，波前校正精度優(yōu)于X/20rms。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)光學(xué)的平行光管波前像差預(yù)補償裝置，其特征在于:所述波前校正器(7)與波前探測器(I)滿足物像關(guān)系，且二者有效口徑相匹配。
【文檔編號】G02B26/08GK104238110SQ201410484018
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】程少園, 高衛(wèi)軍, 王勁強, 楊居奎, 姜偉 申請人:北京空間機電研究所