基于平行光管的在轨工况下非球面光学元件波前测量系统及方法

本发明涉及波前测量系统及方法，具体涉及一种基于平行光管的在轨工况下非球面光学元件波前测量系统及方法。

背景技术：

1、空间非球面光学元件是卫星光学载荷、深空探测相机、红外探测系统等航天光电设备的核心基础部件。该类光学元件在轨服役期间，长期处于高真空、大范围高低温交变等极端复杂工况环境中，环境引发的温度梯度、气压波动会导致光学镜面产生面形畸变、曲率偏移等问题，直接降低光电整机的成像精度与探测性能。因此，在光学元件出厂交付前，必须完成真空、高低温耦合极端工况下的波前检测与面形精度标定，以此保障其在轨服役的稳定性与可靠性。

2、目前行业内已开发多款针对空间光学元件的环境检测技术及相关专利，但均存在明显技术短板，无法满足高精度、集成化、易装调的工程检测需求，具体缺陷如下：

3、中国专利cn201711252416公开了一种真空光学检测系统，该方案可匹配空间光学遥感器的真空检测工程需求，突破了传统干涉仪仅能在大气常压环境下工作的局限。但该系统仅可实现单一真空环境检测，设备整体密闭性强，测试人员无法进入设备内部开展作业，不支持非球面光学系统的实时装调工作，功能适配性有限。

4、中国专利cn202111336220提出一种真空干涉仪装置及其光学检测方法，该方案将干涉仪本体布置于常温常压环境，将相移器、标准镜及被测光学元件置于真空/低气压检测环境，有效消除了平行平板窗口对干涉检测光路造成的随机误差与系统误差，可实现无大气扰动条件下的光学精密检测。但该方案仅针对干涉仪结构进行优化改进，未集成光学装调功能，无法实现非球面光学系统的一体化集成检测，适用场景单一。

5、中国专利cn202510347665提供了一种大口径反射式低温光学系统波前检测系统和方法，可通过低温环境检测获取大口径反射式光学系统的波前参数，精准评估光机结构的低温环境适配性与低温性能指标，解决了传统常温检测无法判定光学系统低温形变、受力失真等性能缺陷的难题。但该方案设备结构复杂、装调难度极大，对被测元件的适配性较差，且无法精准模拟在轨高低温梯度交变的真实工况，检测精度与工况还原度不足。

6、中国专利cn202510615058公开了一种低温光学镜面面型检测系统和方法，可搭建稳定的低温检测环境，结合配套支撑结构与检测装置，实现低温工况下的光学镜片面型检测。但该检测方案会引入额外的光学检测误差，同时受限于设备窗口尺寸，无法适配大尺寸、高精度非球面光学元件的检测需求，检测范围与检测精度均存在短板。

7、除上述专用检测设备外，目前众多中小型实验室均配备了长焦距水平平行光管、干涉仪等通用光学检测设备，可作为高精度检测的基础设备。但市面通用平行光管的出厂透射波前精度仅为λ/20左右，受自身内部透镜装配偏差、镜片面形固有误差等因素影响，精度无法满足高精度非球面面形检测要求。若直接采用该类通用设备开展空间光学元件环境检测，整体测量误差偏大，难以达到航天级空间光学元件的检测标准。

8、综上，现有检测技术中，专用技术方案均存在明显技术短板，无法满足高精度、集成化、易装调的工程检测需求，且成本较高，而通用光学检测设备的整体测量误差偏大，无法满足高精度非球面面形检测要求；结合行业内目前所具有的通用光学检测设备资源，缺乏一种可复用现有平行光管设备、改造成本低、无需定制专用镜头、可有效消除窗口误差的高精度非球面光学元件波前检测方案。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有技术中，专用技术方案均存在明显技术短板，通用光学检测设备无法满足高精度非球面面形检测要求，缺乏一种可复用现有平行光管设备、改造成本低、可满足高精度非球面面形检测要求检测方案的技术问题，而提出了一种基于平行光管的在轨工况下非球面光学元件波前测量系统及方法。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于平行光管的在轨工况下非球面光学元件波前测量系统，其特殊之处在于：

4、包括用于出射测量激光的干涉仪、沿出射方向依次设置在测量激光所在光路上的平行光管组件和真空罐体、设置在测量激光所在光路上且位于真空罐体内的加热笼组件、沿出射方向依次设置在测量激光所在光路上且位于加热笼组件内的cgh计算全息补偿元件和标准球面反射镜；

5、所述平行光管组件的出光口与真空罐体的罐口密封连接，用于将测量激光转换为平行光，并导入真空罐体；

6、所述cgh计算全息补偿元件用于补偿平行光管组件固有的镜片误差与装配误差，同时将平行光调制为与待测非球面光学元件理想透射波前完全匹配的曲面波前；

7、所述加热笼组件内、cgh计算全息补偿元件远离标准球面反射镜的一侧用于放置待测非球面光学元件。

8、进一步地，所述加热笼组件包括沿出射方向依次设置在测量激光所在光路上的第一加热笼和第二加热笼；

9、所述第一加热笼用于放置待测非球面光学元件；

10、所述cgh计算全息补偿元件和标准球面反射镜均放置于第二加热笼内。

11、进一步地，所述平行光管组件包括光管管体和设置在光管管体内的折返反射镜、第一主镜和第二主镜；

12、所述光管管体的入光口处设有入射光窗，入射光窗与干涉仪的出射端对应；光管管体的出光口与真空罐体的罐口密封连接；

13、所述折返反射镜、第一主镜和第二主镜沿出射方向依次设置在测量激光所在光路上。

14、进一步地，所述光管管体和真空罐体一体化设置。

15、进一步地，还包括抽真空组件和计算机；

16、所述抽真空组件与真空罐体连接，用于抽真空；

17、所述计算机分别与干涉仪、第一加热笼、第二加热笼、抽真空组件电连接，用于工况参数控制与干涉条纹数据解算。

18、进一步地，所述干涉仪、折返反射镜、第一主镜、第二主镜、cgh计算全息补偿元件、标准球面反射镜分别固定安装在一个多自由度调整架上。

19、进一步地，所述第一加热笼和第二加热笼的控温精度范围为±0.05℃；

20、所述平行光管组件的焦距为7m。

21、一种基于平行光管的在轨工况下非球面光学元件波前测量方法，采用上述的基于平行光管的在轨工况下非球面光学元件波前测量系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：

22、步骤1、将待测非球面光学元件放置于加热笼组件内，使其位于cgh计算全息补偿元件远离标准球面反射镜的一侧；

23、步骤2、对真空罐体抽真空至在轨工况目标真空度，根据在轨工况设置加热笼组件的温度范围，之后恒温静置预设时间；

24、步骤3、启动干涉仪，干涉仪出射测量激光，平行光管组件将测量激光转换为平行光，并依次入射至待测非球面光学元件、cgh计算全息补偿元件和标准球面反射镜，然后经标准球面反射镜反射后原路返回至干涉仪，形成干涉条纹；

25、步骤4、解析所述干涉条纹获取待测非球面光学元件的波前。

26、进一步地，步骤1之前还包括，对真空罐体抽真空至在轨工况目标真空度，根据在轨工况设置加热笼组件的温度范围，之后恒温静置预设时间；启动干涉仪，干涉仪出射标定激光，标定激光经平行光管组件、cgh计算全息补偿元件和标准球面反射镜之后原路返回至干涉仪，形成标定干涉条纹，解析标定干涉条纹，得到系统固有波前误差；

27、步骤4具体为，基于所述系统固有波前误差，解析所述干涉条纹获取待测非球面光学元件的波前。

28、进一步地，步骤2中，所述预设时间为25min~35min；

29、步骤3中，所述干涉仪出射的测量激光波长为632.8nm。

30、本发明的有益效果：

31、1、低成本、现有设备可复用：本发明直接复用实验室现有干涉仪、平行光管组件，无需重新定制准直镜头、专用光路结构，仅配套小型真空罐体与cgh计算全息补偿元件即可完成系统搭建，设备投入成本相比定制式无窗口方案大大降低，适配预算有限的科研实验室。

32、2、无窗口误差，测量精度高：本发明将平行光管组件的光管管体与真空罐体一体化设置，并将全部光学元件内置于真空罐体，取消光学窗口结构，从根源消除窗口透射像差、窗口热畸变等问题；同时通过cgh计算全息补偿元件补偿平行光管组件固有的镜片误差与装配误差，并将入射平行光调制为与待测非球面理想透射波前相匹配的曲面波前，在实现待测非球面光学元件零位检测的基础上，校正通用平行光管的镜片误差与装配误差，将普通平行光管的检测精度提升至航天级标准。

33、3、工况模拟能力强：内置加热笼组件，可实现大范围高低温交变与高真空环境模拟，温度调控均匀，能够真实复刻空间光学元件在轨运行环境，检测数据真实性更高。

34、4、结构简单、通用性强：本发明整体光路结构简洁，误差源数量少，调试难度低；可兼容透射式非球面等多种类型光学元件，适配不同口径、不同焦距光学元件检测，工程推广价值高。