一種高精度共軸光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)及波前檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)的超高精度波前檢測(cè)及計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)領(lǐng)域，特 別涉及一種高精度共軸光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)及波前檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)就是通過對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)，得到整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的 波像差，通過CCD圖像采集、計(jì)算機(jī)軟件等輔助工具對(duì)所得到的波像差進(jìn)行分析并優(yōu)化，給 出各個(gè)光學(xué)元件明確的最優(yōu)調(diào)整方向和具體的量值，然后根據(jù)給出的量值，運(yùn)用各種裝配 和調(diào)整工具使得光學(xué)元件達(dá)到其實(shí)際最佳位置，從而使得光學(xué)系統(tǒng)中各個(gè)元件的相對(duì)位置 可以接近于理論設(shè)計(jì)值，進(jìn)而使得光學(xué)系統(tǒng)的真實(shí)成像質(zhì)量更加完美的過程。光學(xué)系統(tǒng)的 裝調(diào)過程是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過程，涵蓋了對(duì)光學(xué)材料均勻性、折射率等的控制，光學(xué)元 件面形、幾何尺寸的檢測(cè)，裝調(diào)過程空間位置的控制及裝調(diào)后系統(tǒng)性能的檢測(cè)多個(gè)環(huán)節(jié)。光 學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)技術(shù)正向智能化、超高精度的方向發(fā)展，以期讓光學(xué)設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)盡量 減小為光學(xué)裝調(diào)預(yù)留的公差范圍，從而可以更加充分的發(fā)揮光學(xué)系統(tǒng)的性能。
[0003] 從上世紀(jì)80年代ITEK公司提出了利用了計(jì)算機(jī)等輔助工具實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)的 設(shè)想。從那以后，伴隨著光學(xué)波前檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的逐漸復(fù)雜化， 國內(nèi)外大量的研究人員都在致力于對(duì)光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)技術(shù)的研究，并推進(jìn)著這項(xiàng)技術(shù)不斷發(fā) 展。
[0004] 時(shí)至今日，光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)技術(shù)已經(jīng)作為一種重要的核心技術(shù)普遍的應(yīng)用于各種 高精度的光學(xué)系統(tǒng)的研制中。例如：國際上美國的亞利桑那州立大學(xué)的Hobby-Eberly望遠(yuǎn) 鏡；南非大型望遠(yuǎn)系統(tǒng)；Ball公司的Quick-Bird離軸三反射鏡光學(xué)系統(tǒng)；日本Nikon公司 的離軸三反射鏡光學(xué)刻錄系統(tǒng)；俄羅斯圣彼得堡光機(jī)所的投影光刻物鏡；韓國Standards and Science研究所和YONSEI大學(xué)的R-C望遠(yuǎn)系統(tǒng)、CASSEGRAIN系統(tǒng)和KORSCH望遠(yuǎn)鏡以 及法國以色列等國的空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃都開展了關(guān)于光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)技術(shù)的研究。其中美國、 日本等國已經(jīng)將該技術(shù)成功應(yīng)用于國防以及商業(yè)等領(lǐng)域，并取得了不錯(cuò)的效果。
[0005] 與國外相比，國內(nèi)的計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)還處于起步階段，水平較低，但由于國內(nèi) 對(duì)于高分辨率的地基、空基望遠(yuǎn)鏡以及光刻機(jī)等高水平光學(xué)系統(tǒng)的巨大需求，國內(nèi)相關(guān)人 員也對(duì)此進(jìn)行了很多努力，裝調(diào)的理論和技術(shù)水平成快速發(fā)展的上升之勢(shì)。例如：中國科學(xué) 院長春光機(jī)所的韓昌元等對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)的優(yōu)化方法、公差等方面的研究；朱時(shí)雨 等對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)與傳統(tǒng)基準(zhǔn)傳遞技術(shù)相結(jié)合的方法的研究；劉志祥等對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)等方 面的研究；中國科學(xué)院西安光機(jī)所的樊學(xué)武等對(duì)與裝調(diào)相關(guān)的矢量波像差理論等方面的研 究；陳欽芳等對(duì)離軸非球面反射鏡補(bǔ)償檢驗(yàn)等方面的研究；北京理工大學(xué)的張庭成等對(duì)反 射變焦系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)等方面的研究；以及中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所等單位的研 究人員做的各項(xiàng)相關(guān)的研究。但總的來說，國內(nèi)對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)領(lǐng)域的涉足尚淺，相關(guān) 研究的起步也比較晚，并且開展相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)數(shù)量也不多，多數(shù)是研究所以及高校等機(jī) 構(gòu)，針對(duì)利用計(jì)算機(jī)等輔助設(shè)備進(jìn)行裝調(diào)的技術(shù)開展研究的企業(yè)幾乎沒有。
[0006] 目前所采用的工業(yè)裝調(diào)方法可以稱之為細(xì)光束準(zhǔn)直法，方法簡單介紹如下：首先 固定第一片透鏡，然后用細(xì)光束從透鏡的軸心穿過，此時(shí)會(huì)在接受屏上留下光斑，然后在接 入第二片透鏡，使得由第一片透鏡出射的光束經(jīng)過第二片透鏡的軸心，然后留意觀察接受 屏的光板位置變化，據(jù)此來判斷兩片光學(xué)透鏡的同軸情況，以此類推知道完成整個(gè)系統(tǒng)的 裝調(diào)，即可根據(jù)最后的光斑得到裝調(diào)結(jié)果和波前偏差。然而，這種方法的明顯缺點(diǎn)就是，當(dāng) 光學(xué)元件的某一面曲率過大（甚至于趨近于無窮大，或者為平行平板時(shí)），由于細(xì)光束很 細(xì)，那么此時(shí)細(xì)光束準(zhǔn)直法失效，無法有效的檢測(cè)出系統(tǒng)的同軸性。另外，當(dāng)光學(xué)元件的口 徑過大時(shí)，細(xì)光束準(zhǔn)直法雖然不存在NA匹配的問題，但此刻依然無法完成裝調(diào)，其失效原 理與前述相似，即口徑變大，元件的某一曲率半徑變大，裝調(diào)法不適用于這種情況。并且傳 統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)方法很大程度上依賴的是裝調(diào)人員的經(jīng)驗(yàn)，這就決定了傳統(tǒng)裝調(diào)方法不 可視、不定量、隨機(jī)、裝配周期長等缺點(diǎn)。隨著現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)精度越來越 高的要求，傳統(tǒng)的裝調(diào)法己無法滿足現(xiàn)代高精度光學(xué)系統(tǒng)的要求了。為了適應(yīng)空間光學(xué)以 及國防、科技的發(fā)展，可視化、可定量化的高精度光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)的計(jì)算機(jī)等設(shè)備的輔助裝調(diào) 技術(shù)成為趨勢(shì)。對(duì)于光學(xué)元件數(shù)量較少、成像質(zhì)量要求高且有特殊要求的光學(xué)系統(tǒng)而言，釆 用計(jì)算機(jī)等工具輔助的裝調(diào)技術(shù)可以定量的、有目的性地指導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)，有效提高光 學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)，但計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)不僅需要有專門的輔助儀器，還要對(duì)光學(xué)檢測(cè)結(jié)果 進(jìn)行深入仔細(xì)的分析，需要裝調(diào)人員對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的像差理論知識(shí)需要有較深刻的理解，當(dāng) 用于光學(xué)元件數(shù)量較多的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，裝調(diào)過程十分復(fù)雜，缺點(diǎn)顯著。
[0007] 近年來，各式各樣的光學(xué)系統(tǒng)越來越多的用于各種領(lǐng)域，用以完成各種不同的任 務(wù)。隨著各方面科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)系統(tǒng)的性能要求也是越來越高。在光學(xué)設(shè) 計(jì)方面，非球面、自由曲面、二元光學(xué)面等現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展和成熟，給予光學(xué)設(shè)計(jì)者極 大的便利，使得他們可以針對(duì)任務(wù)指標(biāo)，更容易的設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的光學(xué)系統(tǒng)。但與此同 時(shí)，由于加工、檢測(cè)、裝調(diào)等技術(shù)的限制，使得好的方案無法完美的得以實(shí)現(xiàn)，超高精度的光 學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)技術(shù)成為限制光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域的瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明為了突破裝調(diào)技術(shù)對(duì)于光學(xué)和光學(xué)工程領(lǐng)域限制這一瓶頸，解決現(xiàn)有裝調(diào) 手段過程復(fù)雜、普適度低、精度不足等問題，提供一種以楊氏雙縫干涉模型為基礎(chǔ)，結(jié)合物 理光學(xué)體系中透鏡的位相調(diào)制和傅立葉變換性質(zhì)研發(fā)得到的超高精度波前檢測(cè)技術(shù)及超 高精度計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)，適用于空間相機(jī)等星載光學(xué)系統(tǒng)以及光刻機(jī)等超精密光學(xué)儀 器的高精度共軸光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)及波前檢測(cè)方法。
[0009] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下：
[0010] -種高精度共軸光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)及波前檢測(cè)方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟一：以點(diǎn)光源、雙縫連線的中心點(diǎn)、0級(jí)干涉條紋中心點(diǎn)三點(diǎn)為一條基準(zhǔn)直線 來調(diào)整設(shè)備的光軸的理論位置；
[0012] 步驟二：將待裝調(diào)光學(xué)元件放置在靠近雙縫位置的裝調(diào)臺(tái)上，調(diào)整裝調(diào)臺(tái)的高度 和水平位置，使得雙縫出射后的光線可穿過將待裝調(diào)光學(xué)元件的光學(xué)孔徑；
[0013] 步驟三：以圖像接收系統(tǒng)接收經(jīng)過待裝調(diào)光學(xué)元件后，在像面處所形成的干涉條 紋；
[0014] 步驟四：裝調(diào)補(bǔ)償參數(shù)，直至0級(jí)干涉條紋恢復(fù)到中心位置。
[0015] 在上述技術(shù)方案中，所述圖像接收系統(tǒng)包括：C⑶接收器和調(diào)整架。
[0016] 在上述技術(shù)方案中，所述步驟四包括：以信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)圖像接收系統(tǒng)接收的干 涉條紋進(jìn)行分析處理，然后根據(jù)分析結(jié)果裝調(diào)補(bǔ)償參數(shù)，直至〇級(jí)干涉條紋恢復(fù)到中心位 置。
[0017] 在上述技術(shù)方案中，所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)線和PC機(jī)。
[0018] 本發(fā)明具有以下的有益效果：
[0019] (1)本發(fā)明是一種高精度的光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)技術(shù)，對(duì)于光學(xué)元件偏心的敏感度達(dá)到 10 8°量級(jí)以上，對(duì)于光學(xué)元件的平移偏差敏感度達(dá)到λ/10以上。
[0020] (2)本發(fā)明基于簡單的幾何光學(xué)和物理光學(xué)原理，簡單實(shí)用，易于完成，對(duì)操作人 員要求低，易于實(shí)現(xiàn)工程化。
[0021] (3)相較于目前現(xiàn)有的裝調(diào)方法而言，普適性更好，不僅適用于小數(shù)值孔徑的光學(xué) 系統(tǒng)，更適用于大數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)。
【附圖說明】
[0022] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023] 圖1為本發(fā)明所述的裝調(diào)方法，裝調(diào)系統(tǒng)的示意圖（未加入待裝調(diào)系統(tǒng)）；
[0024] 圖2為本發(fā)明所述的裝調(diào)方法，裝調(diào)系統(tǒng)的示意圖（加入待裝調(diào)系統(tǒng)）；
[0025] 圖3為本發(fā)明所述的裝調(diào)方法，沒加入光學(xué)元件時(shí)干涉條紋的效果圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明所述的裝調(diào)方法，PC顯示的效果圖；
[0027] 圖5為本分明所述的裝調(diào)方法，光學(xué)元件偏心示意圖；
[0028] 圖6為本發(fā)明所述的裝調(diào)方法，光學(xué)元件產(chǎn)生偏心時(shí)干涉條紋的效果圖