專利名稱：立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測試儀器研究領(lǐng)域，涉及一種立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置，用于大口徑平面鏡面形的檢測。
背景技術(shù)：
對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)波前的檢驗(yàn)是光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量檢測的重要手段。高分辨率可見光成像偵察相機(jī)的光學(xué)成像系統(tǒng)口徑達(dá)到I. Om以上。由于在采用自準(zhǔn)法對(duì)光學(xué)系統(tǒng)波面檢測時(shí)(光軸水平)，需要對(duì)立式大口徑平面鏡面形情況進(jìn)行復(fù)測和監(jiān)測，而現(xiàn)有方法對(duì)光學(xué)平面鏡的檢測需要干涉儀和基準(zhǔn)平面鏡，目前沒有設(shè)備可滿足對(duì)這類大口徑光學(xué)平面鏡測試要求的干涉儀。
如圖I所示，干渉儀測試光學(xué)成像系統(tǒng)的波相差測試過程是由干涉儀3發(fā)出球面光波，球面光波的球心調(diào)試到被測試光學(xué)成像系統(tǒng)2的像面上,球面光波通過被測試光學(xué)成像系統(tǒng)2后轉(zhuǎn)為平面波(平行光)，此光束經(jīng)平面反射鏡I反射后，按原路返回，進(jìn)入被測試光學(xué)成像系統(tǒng)2，經(jīng)被測試光學(xué)成像系統(tǒng)2后形成球面波，在其像面上會(huì)聚后進(jìn)入干涉儀3，與干涉儀3的基準(zhǔn)光學(xué)波面干渉，產(chǎn)生干涉條紋，經(jīng)過其內(nèi)部圖象采集、測試與計(jì)算處理后，給出被測試光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)波面相差。采用干渉儀測試平面鏡的方法是把需要測試的平面反射鏡5對(duì)準(zhǔn)干涉儀7，經(jīng)由干涉儀的基準(zhǔn)平面鏡6發(fā)出的基準(zhǔn)平面光波照射到平面反射鏡5后返回到干涉儀7，通過干涉儀內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生干涉圖，經(jīng)過干涉儀的圖像采集分析系統(tǒng)獲得平面反射鏡的面形誤差。常規(guī)高精度測量光學(xué)平面鏡面形的方法是干涉測量法，如圖2所示，需要干涉儀口徑不小于被測試平面鏡口徑；同時(shí)，需要提供至少同等口徑的平面基準(zhǔn)鏡。目前國外可測試最大口徑平面干涉儀為800_ ;國內(nèi)沒有此類設(shè)備。現(xiàn)有的測量方法對(duì)設(shè)備的加工要求高，且環(huán)境擾動(dòng)對(duì)測量結(jié)果影響大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置，可實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)平面反射鏡在使用過程中的面形校準(zhǔn)與監(jiān)測，且測試精度高。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置，包括升降支腿、支撐底臺(tái)、水平轉(zhuǎn)臺(tái)、配重塊、精密轉(zhuǎn)臺(tái)、連接軸、長導(dǎo)軌承載板、第一反射鏡、第二反射鏡、第一測角裝置、第二測角裝置、長導(dǎo)軌、電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，支撐底臺(tái)固定在升降支腿上，水平轉(zhuǎn)臺(tái)置干支撐底臺(tái)上，精密轉(zhuǎn)臺(tái)置于水平轉(zhuǎn)臺(tái)上，配重塊固定在精密轉(zhuǎn)臺(tái)的一端，連接軸的一端固定在精密轉(zhuǎn)臺(tái)的另一端，長導(dǎo)軌承載板固定在連接軸的另一端，長導(dǎo)軌固定在長導(dǎo)軌承載板上；電控系統(tǒng)與垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)和長導(dǎo)軌的內(nèi)部電路驅(qū)動(dòng)部件連接，用于控制垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和長導(dǎo)軌上承載的第一反射鏡、第二反射鏡的直線移動(dòng)位置；數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)與第一測角裝置和第二測角裝置連接，用于采集與計(jì)算分析測角數(shù)據(jù)；第一反射鏡與第二反射鏡分別滑動(dòng)連接在長導(dǎo)軌上，第一測角裝置與第二測角裝置均固定在長導(dǎo)軌承載板上，被測試平面反射鏡位于長導(dǎo)軌的前方，第一測角裝置發(fā)出的光線經(jīng)過第一反射鏡反射后入射到被測試平面反射鏡上，經(jīng)被測試平面反射鏡反射后由第一測角裝置接收；第二測角裝置發(fā)出的光線經(jīng)過第二反射鏡反射后入射到被測試平面反射鏡上，經(jīng)被測試平面反射鏡反射后由第二測角裝置接收。工作原理由兩個(gè)測角裝置發(fā)出基準(zhǔn)光線經(jīng)兩個(gè)反射鏡折轉(zhuǎn)到被測試平面反射鏡上，然后經(jīng)反射由原路返回，通過兩個(gè)測角裝置接收和測試獲得各自光線偏轉(zhuǎn)角度，兩個(gè)測角裝置的角度差值變化量即為測試點(diǎn)之間的角度變化值；通過兩個(gè)反射鏡在高精度大行程長導(dǎo)軌上的等間隔移動(dòng)而獲得測試點(diǎn)之間的角度變化值，用此角度變化值和間隔量的乘積可獲得測試點(diǎn)間的高度變化值，從而測試出平面鏡在此方向上的輪廓形狀；同時(shí)，經(jīng)過精密轉(zhuǎn)臺(tái)的不同角度轉(zhuǎn)動(dòng)定位實(shí)現(xiàn)對(duì)平面鏡在不同方向上的輪廓形狀測試，最后對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算而獲得平面鏡整體、全口徑面形輪廓圖。本發(fā)明的有益效果如下 (I)本發(fā)明采用直接測量方式，避免了傳統(tǒng)的相對(duì)測量方法所需要采用口徑相當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)平面鏡和干涉儀；( 2)本發(fā)明利用了哈德曼波前測試儀在測試光學(xué)波前質(zhì)量的同時(shí)可精確提供波前傾斜信息的特點(diǎn)，采用帶有単色光源的哈德曼波前測試儀作為高精度測角工具，由于哈德曼波前測試儀與傳統(tǒng)的自準(zhǔn)直測角儀相比，體積小、重量輕、精度高，數(shù)字化程度高，不同姿態(tài)使用不影響測試結(jié)果，可靈活方便使用，設(shè)備承載量減小，精度易于保證。(3)本發(fā)明采用兩套哈德曼測試儀和五棱鏡相組合的方式測試角度變化量，從而大幅度降低設(shè)備結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性對(duì)測試精度的影響，也降低了對(duì)測試環(huán)境的要求，由于五棱鏡的光學(xué)特性，在測試方向上對(duì)機(jī)械擾動(dòng)不敏感，因此，對(duì)導(dǎo)軌加工精度要求不高，較易達(dá)到穩(wěn)定性的要求。


圖I是現(xiàn)有干渉儀測試光學(xué)系統(tǒng)波相差原理示意圖。圖2是現(xiàn)有干渉儀測試平面鏡面形原理示意圖。圖3是本發(fā)明立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是由本發(fā)明獲得的光學(xué)波面輪廓圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)說明。如圖3所示，本發(fā)明的立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置包括四個(gè)升降支腿9、支撐底臺(tái)10、水平轉(zhuǎn)臺(tái)11、配重塊12、垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)13、連接軸14、長導(dǎo)軌承載板15、第一五棱鏡16、第二五棱鏡17、帶有自準(zhǔn)光源的第一哈德曼波前測試儀18、帶有自準(zhǔn)光源的第二哈德曼波前測試儀19、長導(dǎo)軌20、電控系統(tǒng)23和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)22 ;四個(gè)升降支腿9均布在支撐底臺(tái)10的四個(gè)邊角處，水平轉(zhuǎn)臺(tái)11置于支撐底臺(tái)10上，垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)13置于水平轉(zhuǎn)臺(tái)11上，配重塊12固定在垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)13的一端，連接軸14的一端固定在垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)13的另一端，長導(dǎo)軌承載板15固定在連接軸14的另一端，長導(dǎo)軌20固定在長導(dǎo)軌承載板15上；電控系統(tǒng)23與垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)13和長導(dǎo)軌20的內(nèi)部電路驅(qū)動(dòng)部件連接，用于控制垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)13的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和長導(dǎo)軌20上承載的第一五棱鏡16、第二五棱鏡17的直線移動(dòng)位置；數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)與第一哈德曼波前測試儀18和第二哈德曼波前測試儀19連接，用于采集與計(jì)算分析測角數(shù)據(jù)；第一五棱鏡16與第二五棱鏡17分別滑動(dòng)連接在長導(dǎo)軌20上，帶有自準(zhǔn)光源的第一哈德曼波前測試儀18和第二哈德曼波前測試儀19均固定在長導(dǎo)軌承載板15上，被測試平面反射鏡21位于長導(dǎo)軌20的前方。本發(fā)明采用兩個(gè)五棱鏡與兩臺(tái)帶有自準(zhǔn)光源的哈德曼波前測試儀相結(jié)合組成高精度角度測試系統(tǒng)。通過第一五棱鏡16與第二五棱鏡17在大量程直線長導(dǎo)軌20上的等間隔移動(dòng)，獲得不同測試點(diǎn)上沿移動(dòng)方向的角度變化量，此角度變化量與移動(dòng)間隔的乘積即為被測試平面反射鏡21在此方向上的兩間隔點(diǎn)之間的高度差。隨著第一五 棱鏡16與第ニ五棱鏡17在長導(dǎo)軌20上的多次等間隔同步移動(dòng)獲得在此方向上的被測試平面反射鏡21條帶區(qū)域面形輪廓。通過把固定在精密轉(zhuǎn)臺(tái)13上的大量程長導(dǎo)軌20轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測試平面反射鏡21不同條帶區(qū)域的輪廓測試。本發(fā)明采用的帶有自準(zhǔn)光源的哈德曼波前測試儀實(shí)現(xiàn)了高精度測角功能，由于采用兩套五棱鏡與哈德曼波前測試儀的組合模式最大限度地降低了機(jī)械結(jié)構(gòu)和環(huán)境的不穩(wěn)定性對(duì)測試結(jié)果的影響，保證測試的高精度。大量程高精度長導(dǎo)軌20和立式精密轉(zhuǎn)臺(tái)13實(shí)現(xiàn)了對(duì)光軸水平的大口徑平面鏡即被測試平面反射鏡21測試范圍的要求。通過水平轉(zhuǎn)臺(tái)11的轉(zhuǎn)動(dòng)和升降支腿9的高低調(diào)整實(shí)現(xiàn)測試光線垂直入射到被測試平面反射鏡21表面的要求。配重塊12保證了裝置的穩(wěn)定性。本發(fā)明的測試裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計(jì)加工，可測試口徑主要取決于長導(dǎo)軌20的有效量程,對(duì)于I. 5m量程的導(dǎo)軌，由于五棱鏡的光學(xué)特性，在測試方向上對(duì)機(jī)械擾動(dòng)不敏感，因此，對(duì)導(dǎo)軌加工精度要求不高，較易達(dá)到。本發(fā)明的測試裝置中采用的哈德曼波前測試儀實(shí)現(xiàn)了高精度測角，其是利用了哈德曼波前測試儀可高精度地測試光束的波前傾斜角度特點(diǎn)，并加入了自準(zhǔn)光源，從而可以高精度、數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)光束角度變化量測試。由于哈德曼波前測試儀與傳統(tǒng)的自準(zhǔn)直測角儀相比，體積小、重量輕、精度高，不同姿態(tài)使用不影響測試結(jié)果，在本發(fā)明中使用顯示出極大的優(yōu)勢。通過電控系統(tǒng)23實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)控制，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)22實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合處理。本發(fā)明立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置的測量方法如下I)將經(jīng)由第一哈德曼波前測試儀18、第二哈德曼波前測試儀19發(fā)出的平行光分別對(duì)準(zhǔn)第一五棱鏡16、第二五棱鏡17,平行光經(jīng)第一五棱鏡16、第二五棱鏡17折轉(zhuǎn)90° ,分別入射到被測試的大口徑平面反射鏡21上，調(diào)整平面反射鏡21，使得經(jīng)平面反射鏡21反射后的平行光分別返回到第一哈德曼波前測試儀18、第二哈德曼波前測試儀19 ；2)轉(zhuǎn)動(dòng)垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)13使得長導(dǎo)軌20轉(zhuǎn)動(dòng)到所要測試的平面反射鏡21的待測條帶區(qū)域22，轉(zhuǎn)動(dòng)水平轉(zhuǎn)臺(tái)11和調(diào)整升降支腿9，使得平行光垂直入射到被測平面反射鏡21上，完成對(duì)測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)；3)開始測試在長導(dǎo)軌20上以等間隔(一般取50mm)同時(shí)移動(dòng)第一五棱鏡16和第ニ五棱鏡17，在每ー個(gè)間隔點(diǎn)處讀取第一哈德曼波前測試儀18、第二哈德曼波前測試儀19顯示的角度值，記錄二者角度差值變化量；通過在長導(dǎo)軌20上的全程移動(dòng)第一五棱鏡16、第二五棱鏡17和讀取角度數(shù)據(jù)，完成對(duì)被測平面反射鏡21在該條帶區(qū)域的輪廓測試；4)重復(fù)操作步驟2)和步驟3)，可依次完成被測平面反射鏡21的多個(gè)條帶區(qū)域的輪廓測試。本發(fā)明測試裝置中影響測角精度的主要因素為測角儀測試精度、掃描導(dǎo)軌精度、轉(zhuǎn)臺(tái)精度與穩(wěn)定性。測角儀采用允許多種狀態(tài)使用的高精度哈德曼波前測試儀，由于其體積小、重量輕，可在不同姿態(tài)下使用，測試精度不受重力影響，因而，可實(shí)現(xiàn)該裝置中在不同方位角度上對(duì)光學(xué)波面條帶區(qū)域輪廓掃描測試的功能；由于五棱鏡的光學(xué)特性，在測試方向上對(duì)機(jī)械擾動(dòng)不敏感，因此，對(duì)導(dǎo)軌精度要求不過高，可實(shí)現(xiàn)加工，對(duì)I. 5米有效形成的 導(dǎo)軌，精度要求10 "。對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的要求主要是在對(duì)平面鏡測試條帶掃描測試過程中不要晃動(dòng)，因此，需要有良好的精度即3 "和鎖緊機(jī)構(gòu)即可。
權(quán)利要求
1.立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置，其特征在于，該裝置包括升降支腿(9)、支撐底臺(tái)(10)、水平轉(zhuǎn)臺(tái)(11)、配重塊(12)、垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)(13)、連接軸(14)、長導(dǎo)軌承載板(15)、第一反射鏡(16)、第二反射鏡17)、第一測角裝置(18)、第二測角裝置(19)、長導(dǎo)軌(20)、電控系統(tǒng)(23)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)(22)，支撐底臺(tái)(10)固定在升降支腿(9)上，水平轉(zhuǎn)臺(tái)(11)置于支撐底臺(tái)(10)上，垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)(13)置于水平轉(zhuǎn)臺(tái)(11)上，配重塊(12)固定在精密轉(zhuǎn)臺(tái)(13)的一端，連接軸(14)的一端固定在精密轉(zhuǎn)臺(tái)(13)的一端，長導(dǎo)軌承載板(15)固定在連接軸(14)的另一端，長導(dǎo)軌(20)固定在長導(dǎo)軌承載板(15)上；電控系統(tǒng)(23)與垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)(13)和長導(dǎo)軌(20)的內(nèi)部電路驅(qū)動(dòng)部件連接，用于控制垂直精密轉(zhuǎn)臺(tái)(13)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和長導(dǎo)軌(20)上承載的第一反射鏡(16)和第二反射鏡(17)的直線移動(dòng)位置；數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)(22)與第一測角裝置(18)和第二測角裝置(19)連接，用于采集與計(jì)算分析測角數(shù)據(jù)；第一反射鏡(16)與第二反射鏡(17)分別滑動(dòng)連接在長導(dǎo)軌(20)上，第一測角裝置(18)與第二測角裝置(19)均固定在長導(dǎo)軌(20)上，被測試平面反射鏡(21)位于長導(dǎo)軌(20)的前方，第一測角裝置(18)發(fā)出的光線經(jīng)過第一反射鏡(16)反射后入射到被測試平面反射鏡(21)上，經(jīng)被測試平面反射鏡(21)反射后由第一測角裝置(18)接收；第二測角裝置(19)發(fā)出的光線經(jīng)過第二反射鏡(17)反射后入射到被測試平面反射鏡(21)上，經(jīng)被測試平面反射鏡(21)反射后由第二測角裝置(19)接收。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置，其特征在于，所述第ー測角裝置(18)與第二測角裝置(19)均為帶有自準(zhǔn)光源的哈德曼波前測試儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置，其特征在于，所述第一反射鏡(16)與第二反射鏡(17)均為五棱鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置，其特征在于，所述升降支腿(9)的數(shù)量為4個(gè)，均布在支撐底臺(tái)(10)的四個(gè)邊角處。
全文摘要
立式大量程高精度光學(xué)平面測試裝置屬于光學(xué)測試儀器研究領(lǐng)域，該裝置包括升降支腿、支撐底臺(tái)、水平轉(zhuǎn)臺(tái)、配重塊、精密轉(zhuǎn)臺(tái)、連接軸、長導(dǎo)軌承載板、兩個(gè)反射鏡、第一測角裝置、第二測角裝置、長導(dǎo)軌、電控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，兩個(gè)反射鏡在長導(dǎo)軌上等間隔移動(dòng)，通過兩個(gè)測角裝置獲得測試點(diǎn)之間的角度變化值，用此角度變化值和間隔量的乘積可獲得測試點(diǎn)間的高度變化值，從而測出平面鏡在此方向上的輪廓形狀；經(jīng)過精密轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)平面鏡在不同方向上的輪廓形狀測試，最后對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算而獲得平面鏡整體、全口徑面形輪廓圖。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)大口徑光學(xué)平面反射鏡在使用過程中的面形校準(zhǔn)與監(jiān)測，對(duì)測試環(huán)境敏感度低，可達(dá)到高測試精度。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102865829SQ20121031254
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者馬冬梅, 宋立維, 王濤 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所