CN116735156A - 一种多自由度望远镜测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种多自由度望远镜测试系统，包括：激光器、声光调制器、分束镜、横向分束镜、平面反射镜、半波片、四分之一波片、角锥回射器、半反镜、光电探测器、四象限探测器和数字相位计；借助外差干涉测量，结合外差干涉信号、差分波前相位探测信号、差分功率探测信号，提供多自由度的高精度测量，得到待测样品结构在各自由度上的变化。该方法所采用干涉仪结构紧凑，具有高精度，高效的特点。在多个自由度上，有效保证了望远镜结构稳定性测试的高精度要求。

Description

一种多自由度望远镜测试系统

技术领域

本发明涉及一种多自由度望远镜测试系统，可高效、高精度的测量待测样品在多个自由度上的结构变化。

背景技术

为顺利完成空间测量任务，星载光学器件，如望远镜，需要具有高稳定性、轻便和不宜形变等特点，以应对温度变化、震动等外界影响，保证测量精度。因此，对于星载光学器件结构稳定性的预先测试就显得尤为重要。光学干涉仪以其高精度、高信噪比等特点，常作为望远镜结构稳定性测试的首选。目前所采用的测试光路或局限于单个自由度方向测量，或受制于测量精度。因此需要研究一种排列紧凑、高效、高精度以及多自由度的测试方法。

故此提出该种高精度、多自由度的测试方法，借助横向分束镜，使得参考光和测量光尽量沿同一路径行进，由此尽可能的消除共模噪声；结合差分波前相位探测信号、差分功率探测信号和相位信息，可同时测量待测样品结构在各自由度上的变化，具有高效的特点；此外，将回射器、四分之一波片和半反镜结合，可以在保证光路结构紧凑的同时，有效测量望远镜在滚转自由度上的变化。因此，该测试系统可以很好的满足星载光学器件结构稳定性测试需求，保证测试高效，精确的进行。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，常见的结构稳定性测试方法中精度不足，以及局限于单一自由度等问题，对已有方案进行优化，提出了一种高精度、高效的多自由度望远镜测试方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种多自由度望远镜测试系统，包括第一激光器、第二激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第一横向分束镜、第二横向分束镜、第三横向分束镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、半波片、四分之一波片、角锥回射器、半反镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一四象限探测器、第二四象限探测器和数字相位计；

第一激光器和第二激光器各输出一束波长为1064nm的激光，此后分别对应经过第一声光调制器和第二声光调制器后，得到频率为f₁的参考光和频率为f₂的测量光，此后两光束均进入干涉仪；

由第一激光器输出，经第一声光调制器移频后频率为f₁的参考光首先入射第一分束镜，经分束镜分束后分为反射分量与透射分量；透射分量入射第一横向分束镜，经第一横向分束镜透射及反射后，出射光为两束平行光；两光束经第二分束镜透射后，又经过第二平面镜反射，将再次入射第二分束镜；此后，两光束经第二分束镜反射至第二横向分束镜，再经过两次反射后分别由第一四象限探测器和第一光电探测器接收；反射分量将透过半波片入射至第一平面镜，此后经第三横向分束镜反射至第三分束镜；该光束经过第三分束镜后，透射分量由第二四象限探测器接收；其反射分量由第二光电探测器接收；

由第二激光器输出，后由第二声光调制器移频后频率为f₂的测量光首先经过第一横向分束镜透射及反射形成两平行分量；两光束均透射过第二分束镜后，其中由第一横向分束镜反射至第二分束镜的分量经过第三平面镜反射后再次入射第二分束镜，此后经第二分束镜反射至第二横向分束镜，经第二横向分束镜透射后由第一光电探测器接收；由第一横向分束镜透射至第二分束镜的分量将首先经过半反镜，此后一部分光束经由半反镜反射回第二分束镜，再由第二分束镜反射至第二横向分束镜，之后透射第二横向分束镜，由第一四象限探测器接收；另一部分分量透过半反镜至回射器；入射回射器的光束分量，经由回射器反射后，将透过四分之一波片再次入射第二分束镜，此后由分束镜反射至第三分束镜；该光束经过第三分束镜后，透射分量将由第二光电探测器接收，反射分量将由第二四象限探测器接收；入射第一光电探测器和第一四象限探测器的光束将分别发生干涉，形成光拍，此后分别由第一光电探测器和第一四象限探测器接收；入射第二光电探测器和第二四象限探测器的光束将分别干涉形成光拍，此后分别由第二光电探测器和第二四象限探测器接收；

由第一光电探测器、第二光电探测器、第一四象限探测器、第二四象限探测器输出的信号经模数转换后输入到数字相位计中，经处理后可得到相位信息、差分波前相位探测信号以及差分功率探测信号；

对所得到的差分波前相位探测信号进行处理，得到样品在方位方向的变化θ_y以及在俯仰方向的变化θ_x；通过对差分功率探测信号进行处理，得到样品在x轴的变化Δx以及在y轴的变化Δy；通过对输出相位结果的处理得到样品在轴向的变化Δz以及在滚动自由度的变化θ_z；由此，在三个平移自由度和三个旋转自由度上对待测样品的形变及偏移进行检测，达到多自由度结构稳定性测量的目的。

所述参考光和测量光之间的频差Δf＝f₁-f₂＝1MHz。

采用的分束镜和横向分束镜均为非偏振分束镜，且透反比为50:50。

所述回射器表面分别粘有半反镜和四分之一波片，二者各占一半面积。

所述第三平面反射镜和回射器分别固定于待测样品两端，由此可测量待测样品的尺寸沿各自由度的变化。

所述经处理后得到相位信息、差分波前相位探测信号以及差分功率探测信号，包括：

第一四象限探测器表面的四个探测象元分别接收的光拍信号，经过数字相位计处理后可得到四个相位结果，分别记为Φ_A、Φ_B、Φ_C和Φ_D；第一四象限探测器总的相位结果可以定义为：

计算差分波前相位探测信号；差分波前相位探测信号用于测量两光束波前偏角，可分为水平信号DWS_h和竖直信号DWS_v，计算方式为：

通过对接收光强进行面积分，得到第二四象限探测器各象限接收到的平均光功率大小

其中Z为介质阻抗；E_R为参考光电场分量；E_M为测量光电场分量；将各象限平均功率记为DPS信号可分为水平和竖直信号，分别记为DPS_h和DPS_v，定义为：

所述样品在方位方向的变化θ_y以及在俯仰方向的变化θ_x，通过处理差分波前相位探测信号得到；样品在x轴的变化Δx以及在y轴的变化Δy，通过差分功率探测信号得到；样品在轴向的变化Δz以及在滚动自由度的变化θ_z，通过对输出相位结果的处理得到，具体计算步骤如下：

轴向变化Δz由第一光电探测器和第一四象限探测器所得相位信号和求出:

Δx，Δy由差分功率探测信号得到；由于采用回射器反射光束，当样品结构在水平或竖直方向上发生改变时，回射器位置会随之改变，由此造成测量光束在第二四象限探测器的表面上的位置发生移动，进而造成DPS信号发生改变；对于小范围的改变，有：

Δx＝C₁·DPS_h

Δy＝C₂·DPS_v

其中，C₁、C₂为比例系数；

θ_y，θ_x由差分波前相位探测信号得到；对于小范围的偏移，DWS信号与对应偏角成比例关系，由此可得到：

θ_y∝DWS_h

θ_x∝DWS_v

可预先对差分波前相位探测信号进行标定，以找到差分波前相位探测信号与变化量θ关系，由此可在之后的测量中计算出变化量；

θ_z的计算如下：当待测样品沿滚动方向变化时，回射器会随之转动，进而带动回射器表面的四分之一波片发生转动；故四分之一波片的快轴与水平方向的夹角会发生变化；若入射四分之一波片的激光为线偏振光，当入射线偏振光偏振方向与四分之一波片快轴成一定夹角α，且时，出射光为椭圆偏振光；旋转四分之一波片，出射椭偏光的椭偏率会随之发生变化；对于小范围的角度变化，偏角与椭偏率近似于线性关系，由此可得：

k为比例系数，a为椭偏光长半轴，b为椭偏光短半轴；由分束镜1反射的参考光为线偏振光，旋转半波片使得参考光偏振方向与椭圆偏振光的长轴呈45°夹角，偏振方向可由偏振测量仪得到；此时，由第二光电探测器得到的相位信号变化可写为：

其中a为椭偏光长半轴；b为椭偏光短半轴；γ为参考光偏振方向与椭圆偏振光的长轴夹角；为共模部分；当初始夹角为45°，此时偏振造成的相位变化部分有：

即相位变化等同于椭偏率变化；又因为角度变化较小，可视为在测量过程中，相位变化等同于椭偏率变化；由此可得：

其中由第一光电探测器得到，减去可去除声光调制器引入的噪声，由此得到进而得到θ_z。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种多自由度的望远镜结构稳定性测试方法，借助外差干涉测量，结合相位信息，差分波前相位探测(DWS)信号以及差分功率探测(DPS)信号，测量待测样品在三个平移自由度和三个转动自由度上的结构变化，具有高精度，高效的特点；

(2)本发明采用了将回射器、半反镜和四分之一波片相结合的方式，使得在满足测量需求的同时，令光路设计更为紧凑，减小占用体积，由此得到更为稳定的光路结构。有效提高测量系统的稳定性和对环境变化的应对能力。

附图说明

图1为本发明流程框图；

图2为本发明光路示意图；

图3为本发明光路示意图俯视图；

具体实施方法

本发明一种多自由度望远镜测试系统，包括第一激光器、第二激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第一横向分束镜、第二横向分束镜、第三横向分束镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、半波片、四分之一波片、角锥回射器、半反镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一四象限探测器、第二四象限探测器和数字相位计；

首先将回射器RR和平面镜M3固定在待测样品两端，此后分别由激光器1、2引入参考光和测量光。参考光和测量光分别通过声光调制器，由此得到1MHz的频差。

参考光首先入射分束镜BS1，经分束镜分束后分为反射分量与透射分量。其中透射分量入射横向分束镜LBS1，经横向分束镜LBS1透射及反射后，出射光为两束平行光。两光束经分束镜BS2透射后，又经过平面镜M2反射，将再次入射分束镜BS2。此后，两光束经分束镜BS2反射至横向分束镜LBS2，再经过两次反射后分别由四象限探测器QPD1和光电探测器PD1接收；参考光经过分束镜BS1后形成的反射分量将透过半波片HWP入射平面镜M1，此后经横向分束镜LBS3反射至分束镜BS3。该光束经过分束镜BS3后，透射分量由四象限探测器QPD2接收；其反射分量由光电探测器PD2接收；

测量光首先经过横向分束镜LBS1透射及反射形成两平行分量。两光束透射过分束镜BS2后，其中由横向分束镜LBS1反射至分束镜BS2的分量经过平面镜M3反射后再次入射分束镜BS2，此后经分束镜BS2反射至横向分束镜LBS2，经横向分束镜BS2透射后由光电探测器PD1接收；由横向分束镜LBS1透射至分束镜BS2的分量将首先经过半反镜SRM，此后一部分光束经由半反镜反射回BS分束镜2，再由分束镜BS2反射至横向分束镜LBS2，之后透射横向分束镜LBS2，由四象限探测器QPD1接收；另一部分分量透过半反镜至回射器RR；入射回射器的光束分量，经由回射器反射后，将透过四分之一波片QWP再次入射分束镜BS2，此后由分束镜反射至分束镜BS3。该光束经过分束镜BS3后，透射分量将由光电探测器PD2接收；反射分量将由四象限探测器QPD2接收；

入射光电探测器PD1和四象限探测器QPD1的光束将分别发生干涉，形成光拍，此后分别由光电探测器PD1和四象限探测器QPD1接收；入射光电探测器PD2和四象限探测器QPD2的光束将分别干涉形成光拍，此后分别由光电探测器PD2和四象限探测器QPD2接收；

经相位计处理后，可得到相位信息，差分波前相位探测DWS信号以及差分功率探测DPS信号，差分波前相位探测信号用于测量两光束波前偏角，可分为水平信号DWS_h和竖直信号DWS_v，计算方式为：

差分功率探测DPS信号分为水平和竖直信号，分别记为DPS_h和DPS_v，定义为：

Δz可由光电探测器PD1和四象限探测器QPD1所得相位信号和求出:

θ_y，θ_x可由差分波前相位探测DWS信号得到。对于小范围的偏移，DWS信号与对应偏角成比例关系，由此可得到：

θ_y∝DWS_h

θ_x∝DWS_v

可预先对差分波前相位探测信号进行标定，以找到差分波前相位探测信号与变化量θ关系，由此可在之后的测量中计算出变化量；Δx，Δy可由差分功率探测DPS信号得到，对于小范围的改变，有：

Δx＝C₁·DPS_h

Δy＝C₂·DPS_v

C₁、C₂为比例系数；当待测样品沿滚动方向变化时，对于小范围的角度变化，偏角与椭偏率近似于线性关系，由此可得：

k为比例系数，a为椭偏光长半轴，b为椭偏光短半轴。由分束镜BS1反射的参考光为线偏振光，旋转半波片使得参考光偏振方向与椭圆偏振光的长轴呈45°夹角，偏振方向可由偏振测量仪得到。此时，由探测器PD2得到的相位信号变化可写为：

其中a为椭偏光长半轴；b为椭偏光短半轴；γ为参考光偏振方向与椭圆偏振光的长轴夹角；为共模部分。当初始夹角为45°，此时偏振造成的相位变化部分有：

即相位变化等同于椭偏率变化；又因为角度变化较小，可视为在测量过程中，相位变化等同于椭偏率变化。由此可得：

可由探测器PD1得到，减去可去除声光调制器引入的噪声，由此可得到进而得到θ_z。

由此可得到待测样品在x，y，z方向的变化Δx，Δy，Δz；以及在方位，俯仰，滚动方向的变化θ_y，θ_x，θ_z。

Claims (7)

1.一种多自由度望远镜测试系统，其特征在于，包括第一激光器、第二激光器、第一声光调制器、第二声光调制器、第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第一横向分束镜、第二横向分束镜、第三横向分束镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、半波片、四分之一波片、角锥回射器、半反镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一四象限探测器、第二四象限探测器和数字相位计；

第一激光器和第二激光器各输出一束激光，此后分别对应经过第一声光调制器和第二声光调制器后，得到频率为f₁的参考光和频率为f₂的测量光，此后两光束均进入干涉仪；

由第一激光器输出，经第一声光调制器移频后频率为f₁的参考光首先入射第一分束镜，经分束镜分束后分为反射分量与透射分量；透射分量入射第一横向分束镜，经第一横向分束镜透射及反射后，出射光为两束平行光；两光束经第二分束镜透射后，又经过第二平面镜反射，将再次入射第二分束镜；此后，两光束经第二分束镜反射至第二横向分束镜，再经过两次反射后分别由第一四象限探测器和第一光电探测器接收；反射分量将透过半波片入射至第一平面镜，此后经第三横向分束镜反射至第三分束镜；该光束经过第三分束镜后，透射分量由第二四象限探测器接收；其反射分量由第二光电探测器接收；

由第二激光器输出，后由第二声光调制器移频后频率为f₂的测量光首先经过第一横向分束镜透射及反射形成两平行分量；两光束均透射过第二分束镜后，其中由第一横向分束镜反射至第二分束镜的分量经过第三平面镜反射后再次入射第二分束镜，此后经第二分束镜反射至第二横向分束镜，经第二横向分束镜透射后由第一光电探测器接收；由第一横向分束镜透射至第二分束镜的分量将首先经过半反镜，此后一部分光束经由半反镜反射回第二分束镜，再由第二分束镜反射至第二横向分束镜，之后透射第二横向分束镜，由第一四象限探测器接收；另一部分分量透过半反镜至回射器；入射回射器的光束分量，经由回射器反射后，将透过四分之一波片再次入射第二分束镜，此后由分束镜反射至第三分束镜；该光束经过第三分束镜后，透射分量将由第二光电探测器接收，反射分量将由第二四象限探测器接收；入射第一光电探测器和第一四象限探测器的光束将分别发生干涉，形成光拍，此后分别由第一光电探测器和第一四象限探测器接收；入射第二光电探测器和第二四象限探测器的光束将分别干涉形成光拍，此后分别由第二光电探测器和第二四象限探测器接收；

由第一光电探测器、第二光电探测器、第一四象限探测器、第二四象限探测器输出的信号经模数转换后输入到数字相位计中，经处理后可得到相位信息、差分波前相位探测信号以及差分功率探测信号；

对所得到的差分波前相位探测信号进行处理，得到样品在方位方向的变化θ_y以及在俯仰方向的变化θ_x；通过对差分功率探测信号进行处理，得到样品在x轴的变化Δx以及在y轴的变化Δy；通过对输出相位结果的处理得到样品在轴向的变化Δz以及在滚动自由度的变化θ_z；由此，在三个平移自由度和三个旋转自由度上对待测样品的形变及偏移进行检测，达到多自由度结构稳定性测量的目的。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度望远镜测试系统，其特征在于：所述参考光和测量光之间的频差Δf＝f₁-f₂＝1MHz。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度望远镜测试系统，其特征在于：采用的分束镜和横向分束镜均为非偏振分束镜，且透反比为50:50。

4.根据权利要求1所述的一种多自由度望远镜测试系统，其特征在于：所述回射器表面分别粘有半反镜和四分之一波片，二者各占一半面积。

5.根据权利要求1所述的一种多自由度望远镜测试系统，其特征在于：所述第三平面反射镜和回射器分别固定于待测样品两端，由此可测量待测样品的尺寸沿各自由度的变化。

6.根据权利要求1所述的一种多自由度望远镜测试系统，其特征在于：所述经处理后得到相位信息、差分波前相位探测信号以及差分功率探测信号，包括：

第一四象限探测器表面的四个探测象元分别接收的光拍信号，经过数字相位计处理后可得到四个相位结果，分别记为Φ_A、Φ_B、Φ_C和Φ_D；第一四象限探测器总的相位结果可以定义为：

计算差分波前相位探测信号；差分波前相位探测信号用于测量两光束波前偏角，可分为水平信号DWS_h和竖直信号DWS_v，计算方式为：

通过对接收光强进行面积分，得到第二四象限探测器各象限接收到的平均光功率大小

其中Z为介质阻抗；E_R为参考光电场分量；E_M为测量光电场分量；将各象限平均功率记为DPS信号可分为水平和竖直信号，分别记为DPS_h和DPS_v，定义为：

7.根据权利要求6所述的一种多自由度望远镜测试系统，其特征在于：所述样品在方位方向的变化θ_y以及在俯仰方向的变化θ_x，通过处理差分波前相位探测信号得到；样品在x轴的变化Δx以及在y轴的变化Δy，通过差分功率探测信号得到；样品在轴向的变化Δz以及在滚动自由度的变化θ_z，通过对输出相位结果的处理得到，具体计算步骤如下：

轴向变化Δz由第一光电探测器和第一四象限探测器所得相位信号和求出:

Δx，Δy由差分功率探测信号得到；由于采用回射器反射光束，当样品结构在水平或竖直方向上发生改变时，回射器位置会随之改变，由此造成测量光束在第二四象限探测器的表面上的位置发生移动，进而造成DPS信号发生改变；对于小范围的改变，有：

Δx＝C₁·DPS_h

Δy＝C₂·DPS_v

其中，C₁、C₂为比例系数；

θ_y，θ_x由差分波前相位探测信号得到；对于小范围的偏移，DWS信号与对应偏角成比例关系，由此可得到：

θ_y∝DWS_h

θ_x∝DWS_v

可预先对差分波前相位探测信号进行标定，以找到差分波前相位探测信号与变化量θ关系，由此可在之后的测量中计算出变化量；

θ_z的计算如下：当待测样品沿滚动方向变化时，回射器会随之转动，进而带动回射器表面的四分之一波片发生转动；故四分之一波片的快轴与水平方向的夹角会发生变化；若入射四分之一波片的激光为线偏振光，当入射线偏振光偏振方向与四分之一波片快轴成一定夹角α，且时，出射光为椭圆偏振光；旋转四分之一波片，出射椭偏光的椭偏率会随之发生变化；对于小范围的角度变化，偏角与椭偏率近似于线性关系，由此可得：

k为比例系数，a为椭偏光长半轴，b为椭偏光短半轴；由分束镜1反射的参考光为线偏振光，旋转半波片使得参考光偏振方向与椭圆偏振光的长轴呈45°夹角，偏振方向可由偏振测量仪得到；此时，由第二光电探测器得到的相位信号变化可写为：

其中a为椭偏光长半轴；b为椭偏光短半轴；γ为参考光偏振方向与椭圆偏振光的长轴夹角；为共模部分；当初始夹角为45°，此时偏振造成的相位变化部分有：

即相位变化等同于椭偏率变化；又因为角度变化较小，可视为在测量过程中，相位变化等同于椭偏率变化；由此可得：

其中由第一光电探测器得到，减去可去除声光调制器引入的噪声，由此得到进而得到θ_z。