基于重力卸载的大口径非球面反射镜几何参数测试方法与流程

1.本发明属于光学测量技术领域，特别涉及一种基于重力卸载的大口径非球面反射镜几何参数测试方法。


背景技术：

2.随着空间光学遥感器分辨率的要求不断提高，大口径反射式光学系统在遥感器设计中被频繁应用。在该类系统的装调测试过程中,各个反射镜的几何参数是光学系统装调的关键参数,直接影响光学遥感器的在轨成像质量。通常情况下，大口径反射镜采用离散支撑竖直装调的方式，这种支撑方式会导致反射镜在重力场下产生形变，这些形变量与反射镜的本身面形质量组合，影响了非球面反射镜非球面系数k的测试，从而影响了地面装调的精度判断，直接影响遥感器的在轨质量。
3.传统的大口径反射镜的几何参数依靠三坐标测量机等轮廓扫描方式测试拟合的方式求得，存在以下不足：坐标测试精度随反射镜的口径增大而降低，导致反射镜非球面系数k值拟合精度较低。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于重力卸载的大口径非球面反射镜几何参数测试方法，有效解决了离散支撑设计光轴竖直光轴大口径反射镜几何参数测试精度低的问题。
5.本发明的技术解决方案是：
6.基于重力卸载的大口径非球面反射镜几何参数测试方法，包括以下步骤：
7.1)建立测试光路的仿真模型，所述测试光路包括沿光轴依次设置的激光干涉仪、光学补偿器和非球面反射镜，所述激光干涉仪出射球面波，通过光学补偿器将球面波前补偿为非球面波前，而后入射至非球面反射镜，经反射后通过光学补偿器将非球面波前补偿为球面波前，再回射至激光干涉仪与出射球面波发生干涉，形成干涉条纹；在所述仿真模型中，非球面反射镜不受重力作用，非球面反射镜的非球面系数设置为其理论值；
8.获取仿真模型中测试光路像差为0时的光学补偿器参数和测试光路的短轴距和长轴距；所述短轴距为激光干涉仪出射的球面波的球心与光学补偿器的第一顶点之间的距离，长轴距为光学补偿器的第二顶点与非球面反射镜的顶点之间的距离；所述第一顶点为光学补偿器面对激光干涉仪一侧的顶点，第二顶点为光学补偿器面对非球面反射镜一侧的顶点；
9.2)根据步骤1)中获取的光学补偿器参数构造光学补偿器，结合获取的测试光路的短轴距和长轴距，搭建实际测试光路；
10.3)根据激光干涉仪的干涉条纹解算实际测试光路的像差，通过调整光学补偿器与激光干涉仪的位姿使实际测试光路的像差为0，获取重力卸载前实际测试光路的长轴距和短轴距；
11.4)在非球面反射镜背面架设重力卸载装置，消除非球面反射镜的自身重力对实际测试光路的像差的影响；
12.5)根据激光干涉仪的干涉条纹解算实际测试光路的像差，通过调整光学补偿器与激光干涉仪的位姿使重力卸载后的实际测试光路的像差为0，获取重力卸载后实际测试光路的长轴距和短轴距；
13.6)将重力卸载前实际测试光路的长轴距和短轴距以及重力卸载后实际测试光路的长轴距和短轴距带入测试光路的仿真模型，进行仿真计算，得到非球面反射镜非球面系数的实际值。
14.优选的，所述步骤3)中，测量实际测试光路的长轴距和短轴距，具体包括以下步骤：
15.31)将靶球1置于激光干涉仪出射处，调整靶球1的位置使其球心对准出射的球面波中心且其干涉条纹为0条纹，利用激光跟踪仪测得靶球1球心坐标；
16.32)将靶球2置于光学补偿器第一顶点处，利用激光跟踪仪测得靶球2球心坐标；
17.33)将靶球3置于光学补偿器第二顶点处，利用激光跟踪仪测得靶球3球心坐标；
18.34)将靶球4置于非球面反射镜的顶点处，利用激光跟踪仪测得靶球4球心坐标；
19.35)根据靶球1和靶球2的球心坐标计算实际测试光路的短轴距，根据靶球3和靶球4的球心坐标计算实际测试光路的长轴距。
20.优选的，所述步骤35)根据靶球1和靶球2的球心坐标计算测试光路的短轴距，根据靶球3和靶球4的球心坐标计算测试光路的长轴距，具体为：
21.实际测试光路的短轴距为靶球1与靶球2的球心距离与靶球2半径之和；实际测试光路的长轴距为靶球3与靶球4的球心距与靶球3半径、靶球4半径之和。
22.优选的，所述步骤6)中，将重力卸载前实际测试光路的长轴距和短轴距以及重力卸载后实际测试光路的长轴距和短轴距带入测试光路的仿真模型，进行仿真计算，得到非球面反射镜非球面系数的实际值，具体为：
23.调整仿真模型中非球面反射镜的非球面系数，使得仿真模型中测试光路的长轴距、短轴距分别为重力卸载前实际测试光路的长轴距、短轴距时，仿真模型中测试光路的像差等于非球面反射镜的自身重力给仿真模型中测试光路带来的像差；且仿真模型中测试光路的长轴距、短轴距分别为重力卸载后实际测试光路的长轴距、短轴距时，仿真模型中测试光路的像差等于0，此时仿真模型中非球面反射镜的非球面系数即为非球面反射镜非球面系数的实际值。
24.优选的，所述步骤3)还包括：
25.将非球面反射镜绕光轴旋转n次，每次旋转的角度为每次旋转后通过调整光学补偿器与激光干涉仪的位姿使实际测试光路的像差为0，获取实际测试光路在非球面反射镜不同旋转角度下的长轴距和短轴距；计算实际测试光路在非球面反射镜不同旋转角度下的长轴距平均值和短轴距平均值将作为重力卸载前实际测试光路的长轴距，将作为重力卸载前实际测试光路的短轴距。
26.优选的，所述步骤5)还包括：
27.将非球面反射镜绕光轴旋转n次，每次旋转的角度为每次旋转后通过调整光学补偿器与激光干涉仪的位姿使实际测试光路的像差为0，获取重力卸载后实际测试光路在非球面反射镜不同旋转角度下的长轴距和短轴距；计算重力卸载后实际测试光路在非球面反射镜不同旋转角度下的长轴距平均值和短轴距平均值将作为重力卸载后实际测试光路的长轴距，将作为重力卸载后实际测试光路的短轴距。
28.优选的，所述步骤4)中，n取2。
29.优选的，所述步骤4)中，n取5。
30.优选的，所述步骤5)中，所述重力卸载装置的设计参数通过有限元计算获取。
31.优选的，所述测试光路的仿真模型通过code v光学设计软件建立。
32.本发明与现有技术相比的优点在于：
33.(1)本发明通过建立测试光路理论模型，获取光路理论参数搭建实际测试光路，测量实际测试光路在重力卸载前后光路像差为0时光路长、短轴距的变化，再带入测试光路理论模型进行优化计算，从而获取大口径非球面反射镜的非球面系数，测试与仿真相结合，通用性强，提高了测试精度；
34.(2)本发明在测试过程中通过多次旋转非球面反射镜，区分测试光路的像差和非球面反射镜自身的像差，从而剔除光路像差，提升测试精度。
附图说明
35.图1为本发明实际测试光路示意图。
具体实施方式
36.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
37.基于重力卸载的大口径非球面反射镜几何参数测试方法，包括以下步骤：
38.s1：建立测试光路的理论模型，包括沿光轴依次设置的大口径非球面反射镜、光学补偿器和激光干涉仪，所述激光干涉仪发射标准球面波，经光学补偿器补偿后入射大口径非球面反射镜，经反射后光路返回至激光干涉仪；设置大口径非球面反射镜的非球面系数为待测试大口径非球面反射镜的非球面系数的设计值kd，通过设计光学补偿器参数，使光学补偿器将激光干涉仪球面波的球面波前补偿为反射镜相应的非球面波前，消除测试光路的像差；获取此时的光学补偿器设计参数和测试光路的理论轴距；所述测试光路的理论轴距包括理论短轴距ls和理论长轴距l
l
，短轴距为球面波的球心与光学补偿器的第一顶点之间的距离，长轴距光学补偿器的第二顶点与大口径非球面反射镜的顶点之间的距离；所述第一顶点为光学补偿器面对激光干涉仪一侧的顶点，第二顶点为光学补偿器面对大口径非球面反射镜一侧的顶点。在理论模型中，所述大口径非球面反射镜不受重力作用。
39.具体讲，测试光路的理论模型可以通过code v光学设计软件进行建立。
40.s2：根据测试光路理论模型搭建实际测试光路，如图1所示。
41.具体讲，根据步骤s1中的光学补偿器设计参数构建光学补偿器，根据测试光路的
理论轴距初步设置实际测试光路的轴距。
42.s3：激光干涉仪发射标准球面波，经光学补偿器补偿后入射大口径非球面反射镜，经反射后光路返回至激光干涉仪，形成干涉条纹，通过对激光干涉仪干涉条纹的解算，获取被测光路的像差，通过调整干涉仪和补偿器的位姿使被测光路的像差为0；测试此条件下的长轴距l
a1
、短轴距l
b1
。
43.具体讲，包括以下步骤：
44.s31：将靶球1置于激光干涉仪出射激光处，调整靶球1的位置使其球心对准出射的标准球面波且其干涉条纹为0条纹，利用激光跟踪仪测得靶球1球心坐标；
45.s32：将靶球2置于光学补偿器第一顶点处，利用激光跟踪仪测得靶球2球心坐标；
46.s33：将靶球3置于光学补偿器第二顶点处，利用激光跟踪仪测得靶球3球心坐标；
47.s34：将靶球4置于大口径非球面反射镜的顶点处，利用激光跟踪仪测得靶球4球心坐标；
48.s35：根据1、2、3、4的球心坐标计算短轴距l
a1
及长轴距l
b1
；具体讲，短轴距l
a1
为靶球1与靶球2的球心距离与靶球半径之和；长轴距l
b1
为靶球3与靶球4的球心距与靶球直径之和。
49.s4：绕光轴将大口径非球面反射镜旋转n次，每次旋转的角度为360
°
/(n 1)，n一般取2或5，每次旋转后重复步骤s3，获取测试光路在反射镜不同旋转角度条件下的短轴距l
ai
及长轴距l
bi
，其中i＝1、2、...n 1。通过旋转反射镜可区分光路的像差和反射镜自身像差,可剔除光路像差,提升测试精度。
50.s5：在大口径非球面反射镜背部架设重力卸载装置，消除大口径非球面反射镜自身重力对测试光路的影响。
51.具体讲，所述重力卸载装置的设计参数通过有限元计算获取。
52.s6：重复步骤s3、s4；获取重力卸载后测试光路在反射镜不同旋转角度条件下的短轴距l
ci
及长轴距l
di
。
53.s7：数据处理，根据卸载前测试光路在各旋转角度下的短轴距测量值获取卸载前长轴距测量值均值la；
54.根据卸载前测试光路在各旋转角度下的长轴距测量值获取卸载前短轴距测量值均值lb；
55.根据卸载后测试光路在各旋转角度下的短轴距测量值获取卸载后长轴距测量值均值lc；
56.根据卸载后测试光路在各旋转角度下的长轴距测量值获取卸载后短轴距测量值均值ld。
57.s8：将步骤s7计算得到的la、lb、lc、ld带入理论测试光路模型进行仿真计算，得到非球面反射镜非球面系数的实际值。
58.具体讲，调整大口径非球面反射镜的非球面系数，使得理论模型的长轴距、短轴距分别为la、lb时，测试光路的像差等于非球面反射镜的自身重力给测试光路带来的像差；
59.且理论模型的长轴距、短轴距分别为lc、ld时，测试光路的像差等于0，
60.此时的非球面系数即为被测大口径非球面反射镜的实际值。
61.在一具体实施例中，采用本发明方法对一φ1300mm口径的非球面反射镜进行非球
面系数测试。
62.反射镜非球面系数理论值为-0.9833，理论光路长轴距为3600.615mm，短轴距为164.28mm，重力卸载装置补偿球差-0.06λ(@632.8nm)。
63.在未进行重力卸载的条件下，实际测量光路不同旋转角度下的长轴距平均值为3600.69mm，短轴距平均值为为164.51mm；
64.在进行重力卸载的状态下，实际测量光路不同旋转角度下的长轴距平均值为3600.82mm，短轴距平均值为为164.37mm；
65.将实测值带入理论测试光路模型中进行仿真计算可得该非球面反射镜的非球面系数的实际值为-0.9836。
66.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。