CN103335819A - 一种用于高精度角锥棱镜光学检测的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高精度角锥棱镜光学检测的装置与方法，所述装置包括平行光源系统、远场成像系统、用于安置待测角锥的旋转支撑、用于检测光束分光调整的分光镜架和反射镜架、以及用于数据分析的远场数据采集系统。所述方法分析了角锥棱镜加工误差对角锥棱镜光学特性的影响关系，并对角锥棱镜自准反射光束的聚焦光斑特性参数进行分析，根据测量结果可以确定高精度角锥棱镜的加工精度以及成像质量，通过本发明的测量装置和方法，可以克服现有检测设备测量精度的不足，实现对角锥棱镜的高精度检测与筛选。

Description

一种用于高精度角锥棱镜光学检测的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种用于高精度角锥棱镜光学检测的装置与方法，属于光学元器件光学质量检测技术领域。

背景技术

在全光路像差校正自适应光学系统中，角锥棱镜阵列作为伪相位共轭器件，是一个非常关键的器件。角锥棱镜的加工质量直接影响由其组成阵列的伪相位共轭的能力，从而影响自适应光学系统波前探测器的探测精度和自适应光学系统的校正能力。角锥棱镜的加工误差主要由加工棱镜光学材料不均匀、棱镜侧面间二面角误差以及棱镜侧面的面形加工误差等构成。这些加工误差引起出射波前相对入射波前的波前相位误差。由于存在加工误差的角锥棱镜在整个阵列上随机排列，使得整个角锥棱镜阵列会产生一定的波前相位误差，最终影响自适应光学系统的校正能力。因此需要对角锥棱镜加工精度进行详细的检测，筛选出精度较高角锥棱镜组成角锥棱镜阵列，满足自适应光学校正系统的需求。

对角锥棱镜进行自准直的光学数字化检测是目前应用较多的一种方法，角锥棱镜的光路是一个空间分布的光路，检测时需和使用时一样，使入射光线从底面人射，经三个直角面反射后再经底面射出。从锥体棱镜的底面看去，可以看到三条棱线和三条棱的像。它们将底面分割成六个区域，一束光在六个区域形成六个像。图像传感器可以直观地获取目视图像，通过配备优良的光学系统和设计优化算法可达到自准直的目标分析和比较，来对角锥棱镜进行高精度数字化检测。目前广泛采用的自准直图像有十字丝和圆光斑，通过调节平行光管的焦距，如果无法将六个反射回像重叠，造成如雪花般的重影，则视为角锥棱镜加工不合格。如果六个反射回像能够基本重叠(准重叠)，则视为角锥棱镜加工合格。上述检测方法对于常规用途的角锥棱镜检测是可行的，但是对于自适应光学系统用到的由角锥棱镜阵列作为高保真伪相位共轭器件，其测量精度远远不够。角锥棱镜个体之间微小差异严重影响到自适应光学系统的探测精度和校正能力。以往系统中的应用已充分证明这一点。因此急需一种新的高精度角锥棱镜检测装置和测量方法来满足对角锥棱镜的高精度检测和筛选。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于高精度角锥棱镜光学检测的装置与方法，实现对高精度角锥棱镜的光强衰减，光斑偏移，光斑弥散等光学参数的检测，能够克服现有角锥棱镜检测设备精度不足的问题，满足特殊应用领域中对角锥棱镜的的高精度检测和筛选的需求。

本发明解决其技术问题所采用的解决方案：一种用于高精度角锥棱镜光学检测的装置，包括以下主要部分：光源101、扩束系统102、1:1分光镜103、自准直反射镜104、旋转台上待测角锥棱镜105、45°反射镜106、成像系统107、用于数据采集和分析的探测器108；其特点在于：光源101产生光束经过扩束系统102扩束为平行光照射到1:1分光镜103上进行分光，一路反射光束经过自准直反射镜104后透过1:1分光镜103，经45°反射镜106进入成像系统107，会聚成聚焦光斑由探测器108进行数据采集和分析。透过1:1分光镜103的另一路分光束经旋转台上待测角锥棱镜105后原路返回，经1:1分光镜103反射后通过45°反射镜106进入成像系统（107），会聚成聚焦光斑由探测器108进行数据采集和分析。最终探测器108上可以同时探测到自准值反射回的理想聚焦光斑和经过待测角锥棱镜后的实测聚焦光斑。通过对比分析可以计算出角锥棱镜的光强衰减，光斑偏移，光斑弥散等重要的光学参数。

本发明还提供一种用于高精度角锥棱镜光学检测装置的检测方法，其利用远场成像系统检测到角锥棱镜出射光束的聚焦光斑质心的偏差，并根据不同角锥棱镜旋转状态下的聚焦光斑质心变化计算角锥棱镜的综合角误差，具体实现步骤如下：

（1）利用标准平行光源对本发明的测量设备进行精确标定，并记录下成像系统对理想平行光束下的聚焦光斑峰值斯特列尔比；

（2）将待测角锥棱镜放置在测量旋转台上，微调标准平行光源的自准直反射镜方位，使得在远场成像系统的探测器上同时记录下待测角锥出射光束聚焦光斑和标准光源的聚焦光斑图像；

（3）分别计算两个聚焦光斑的在一定光斑半径内的总能量的比值，以表征待测角锥棱镜的聚焦光斑光强衰减性能；

（4）分别计算两个聚焦光斑的峰值斯特列尔比数据。用待测角锥棱镜出射光束聚焦光斑峰值斯特列尔比和标准光源的聚焦光斑峰值斯特列尔比的比值来表征待测角锥棱镜的光斑弥散性能；

（5）启动测量旋转台，使其绕光轴方向均匀转动，采集并计算待测角锥棱镜出射光束聚焦光斑的质心位置变化情况。聚焦光斑质心的计算公式为：

$x_{\mathrm{ck}}=\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}},$ $y_{\mathrm{ck}}=\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{y}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}}$

其中x_ij,y_ij是探测器靶面内各象素点的x和y方向的坐标值，I_ij为对应象素点的光强；

（6）以待测角锥棱镜出射光束聚焦光斑的质心位置变化的峰谷值（PV值）来表征待测角锥棱镜的反射综合角误差；

（7）以待测角锥棱镜出射光束聚焦光斑的质心偏移最大的位置表征待测角锥棱镜的反射综合角误差最大的方位。

本发明与现有技术相比的优点在于：一种用于高精度角锥棱镜光学检测的装置与方法

（1）本发明用于高精度角锥棱镜检测的装置，用于检测作为高保真伪相位共轭器件的高精度角锥棱镜，传统角锥测量方法无法满足其测量精度要求，具有很强的应用价值。本发明测量装置中，待测高精度角锥棱镜安装在旋转台上，带动角锥棱镜沿入射光轴旋转，通过检测角锥棱镜出射光斑的质心旋转半径可以准确得到角锥棱镜的综合角误差以及最大偏转角方向；本发明装置针对自适应光学系统对伪相位共轭器件的要求，通过对角锥棱镜的反射光束聚焦光斑进行高精度的检测和分析，计算出角锥棱镜的光强衰减、光斑偏移、光斑弥散等多种光学参数。

（2）本发明解决了全程自适应光学系统对高精度伪相位共轭器件的要求。通过对角锥棱镜的反射光束聚焦光斑的高精度的检测和分析，计算出角锥棱镜反射光束的光强衰减、光斑偏移、光斑弥散等重要的光学参数。结合不同系统的需求，挑选出检测合格的角锥棱镜组成高保真伪相位共轭阵列。

（3）本发明能够实现对高精度角锥棱镜的光强衰减，光斑偏移，光斑弥散等光学参数的检测，能够克服现有角锥棱镜检测设备精度不足的问题，可以满足特殊应用领域中对角锥棱镜的的高精度检测和筛选的需求。

附图说明

图1为本发明的光路示意图；

图2为图1中成像系统探测器上得到的理想光束与待测角锥棱镜的聚焦光斑示意图；

图3为待测角锥棱镜旋转时出射光束聚焦光斑总能量变化曲线；

图4为待测角锥棱镜旋转时出射光束聚焦光斑峰值亮度变化曲线；

图5为待测角锥棱镜旋转时出射光束聚焦光斑质心位置坐标随时间变化曲线；

国6为待测角锥棱镜旋转时出射光束聚焦光斑质心旋转半径变化曲线；

图7为待测角锥棱镜旋转时出射光束聚焦光斑半高全宽和峰值斯特列尔比变化曲线。

具体实施方式

如图1所示，具体事例中采用HeNe激光器作为光源101，经过扩束系统102后产生直径18mm平行光束，传输到1:1分光镜103上进行分光，一路反射光束经过自准直反射镜104后透过1:1分光镜103和45°反射镜106进入成像系统107，会聚成聚焦光斑由探测器108进行数据采集和分析，透过1:1分光镜103的另一路分光束经旋转台上待测角锥棱镜105后原路返回，经1:1分光镜103反射，再通过45°反射镜106进入成像系统107，会聚成聚焦光斑由探测器108进行数据采集和分析，最终探测器108上能够同时探测到自准直反射回路的近似理想聚焦光斑和经过待测角锥棱镜105后的实测聚焦光斑，通过对比分析计算出角锥棱镜聚焦光斑的光强总零度，聚焦光斑峰值变化，聚焦光斑质心位置坐标变化、聚焦光斑质心偏移半径变化、聚焦光斑的半高全宽和峰值斯特列尔比变化特性。

具体操作步骤如下：

（1）利用标准平行光源对本发明的成像系统107进行精确标定，用3mm光栅标定成像系统焦距约为8.8m，记录下成像系统对理想平行光束下的聚焦光斑，经过计算平面反射光路的实测聚焦光斑半径与理想衍射光斑半径近似。表明本发明的测量设备状态良好，标定结果可信。

（2）将待测角锥棱镜105放置在测量旋转台上，微调标准平行光源的自准直反射镜方位，使得在远场成像系统的探测器108上同时记录下待测角锥出射光束聚焦光斑和标准光源的聚焦光斑图像。

（3）启动测量旋转台，使待测角锥棱镜105绕光轴方向均匀转动，计算聚焦光斑的总能量变化，通过与平行光路中的近似理想聚焦光斑对比，以表征待测角锥棱镜的聚焦光斑光强衰减性能；角锥棱镜聚焦光斑在旋转测试过程中光强总能量变化曲线如图3所示。

（4）计算聚焦光斑的峰值亮度变化，以表征待测角锥棱镜的聚光性能，角锥棱镜聚焦光斑在旋转测试过程中峰值光强变化曲线如图4所示。

（5）启动测量旋转台，使其绕光轴方向均匀转动，采集并计算待测角锥棱镜（105）出射光束聚焦光斑的质心位置变化情况。聚焦光斑质心的计算公式为：

$x_c=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\Σ}{I}_{\mathrm{ij}}},$ $y_c=\frac{\mathrm{\Σ}{y}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\Σ}{I}_{\mathrm{ij}}},$

其中x_ij,y_ij是探测器（108）靶面内各象素点的x和y方向的坐标值，I_ij为对应象素点的光强。角锥棱镜出射光束聚焦光斑的质心坐标变化如图5所示，待测角锥棱镜105出射光束聚焦光斑的质心位置旋转半径计算公式为：

聚焦光斑质心位置旋转半径变化如图6所示。

（6）分别计算出两个聚焦光斑的峰值光强数据。设定理想聚焦光斑的峰值亮度为max(I)，待测角锥棱镜105的反射聚焦光斑峰值亮度max(I')，则待测角锥棱镜105的峰值光强比为峰值光强比可以间接表征待测角锥棱镜105反射聚焦光斑的弥散特性，称为峰值斯特列尔比。2#角锥棱镜测量结果如图7所示，聚焦光斑峰值比约为0.54。

（7）以待测角锥棱镜（105）出射光束聚焦光斑的质心位置变化的峰谷值（PV值）来计算待测角锥棱镜的反射综合角误差；公式表示为：R_c＝(max(R_ci)-min(R_ci))/2。2#角锥棱镜测量结果如图4所示，反射光束综合角误差约为2urad。

（8）以待测角锥棱镜出射光束聚焦光斑的质心偏移最大的位置表征待测角锥棱镜的反射综合角误差最大的方位。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (2)

1.一种用于高精度角锥棱镜光学检测的装置，其特征在于：包括光源（101）、扩束系统（102）、1:1分光镜（103）、自准直反射镜（104）、旋转台上待测角锥棱镜（105）、45°反射镜（106）、成像系统（107）、用于数据采集和分析的探测器（108）；光源（101）产生光束经过扩束系统（102）扩束为平行光照射到1:1分光镜（103）上进行分光，一路反射光束经过自准直反射镜（104）后透过1:1分光镜（103），经45°反射镜（106）进入成像系统（107），会聚成聚焦光斑由探测器（108）进行数据采集和分析，透过1:1分光镜（103）的另一路分光束经旋转台上待测角锥棱镜（105）后原路返回，经1:1分光镜（103）反射后通过45°反射镜（106）进入成像系统（107），会聚成聚焦光斑由探测器（108）进行数据采集和分析，最终探测器（108）上能够同时探测到自准值反射回路的近似理想聚焦光斑和经过待测角锥棱镜（105）后的实测聚焦光斑，通过对比分析计算出角锥棱镜的光强衰减、光斑偏移和光斑弥散特性，聚焦光斑质心的计算公式为：

$x_c=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\Σ}{I}_{\mathrm{ij}}},$ $y_c=\frac{\mathrm{\Σ}{y}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\mathrm{\Σ}{I}_{\mathrm{ij}}},$

其中x_ij,y_ij是探测器靶面内各象素点的x和y方向的坐标值，I_ij为对应象素点的光强；计算出角锥棱镜（105）旋转一圈过程中每帧图像中聚焦光斑质心位置坐标x_ic,y_ic后，计算出聚焦光斑质心的旋转半径，计算公式为：

$R_{\mathrm{ic}}=\sqrt{x_{\mathrm{ic}}^2+y_{\mathrm{ic}}^2},$

以待测角锥棱镜（105）出射光束聚焦光斑的质心旋转半径的峰谷值（PV值）来计算待测角锥棱镜的反射光轴的最大旋转半径，即为角锥棱镜的综合角误差。公式表示为：

R_c＝(max(R_ci)-min(R_ci))/2

设定理想聚焦光斑的峰值亮度为max(I)，待测角锥棱镜（105）的反射聚焦光斑峰值亮度max(I')，则待测角锥棱镜（105）的峰值光强比为：

$\mathrm{str}=\frac{\max \left(I^{\text{'}}\right)}{\max \left(I\right)}$

峰值光强比可以间接表征待测角锥棱镜反射聚焦光斑的弥散特性，称为峰值斯特列尔比；峰值光强衰减越大，则待测角锥棱镜加工质量越高，弥散特性约小，反之则待测角锥加工精度越差。

2.采用权利要求1所述的用于高精度角锥棱镜光学检测装置的检测方法，其特征在于：利用远场成像系统检测到角锥棱镜出射光束的聚焦光斑质心的偏差，并根据不同角锥棱镜旋转状态下的聚焦光斑质心变化计算角锥棱镜的光斑偏移特性具体实现步骤如下：

（1）利用标准平行光源对权利要求1所述的检测设备成像系统（107）进行精确标定，并记录下成像系统（107）对理想平行光束下的聚焦光斑峰值强度比值；

（2）将待测角锥棱镜（105）放置在测量旋转台上，微调标准平行光源的自准直反射镜（104）方位，使得在远场成像系统的探测器（108）上同时记录下待测角锥出射光束聚焦光斑和标准光源的聚焦光斑图像；

（3）分别计算两个聚焦光斑的在一定光斑半径内的总能量的比值，以表征待测角锥棱镜的聚焦光斑光强衰减性能；

（4）分别计算两个聚焦光斑的峰值强度比值数据，用待测角锥棱镜（105）出射光束聚焦光斑峰值和标准光源的聚焦光斑峰值的比值来表征待测角锥棱镜的光斑弥散性能；

（5）启动测量旋转台，使其绕光轴方向均匀转动，采集并计算待测角锥棱镜（105）出射光束聚焦光斑的质心位置变化情况，聚焦光斑质心的计算公式为：

$x_{\mathrm{ck}}=\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}},$ $y_{\mathrm{ck}}=\frac{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{y}_{\mathrm{ij}}{I}_{\mathrm{ij}}}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{I}_{\mathrm{ij}}}$

其中x_ij,y_ij是探测器靶面内各象素点的x和y方向的坐标值，I_ij为对应象素点的光强；

（6）以待测角锥棱镜（105）出射光束聚焦光斑的质心位置变化的峰谷值（PV值）来计算待测角锥棱镜的反射综合角误差；公式表示为：R_c＝(max(R_ci)-min(R_ci))/2；

（7）以待测角锥棱镜（105）出射光束聚焦光斑的质心偏移最大的位置表征待测角锥棱镜的反射综合角误差最大的方位。

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