本發(fā)明涉及光學(xué)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在深空探測(cè)應(yīng)用中，光學(xué)系統(tǒng)采用大口徑鏡片，比如目前構(gòu)建的三十米望遠(yuǎn)鏡，其使用鏡片由492塊對(duì)角線為1.4米的子鏡構(gòu)成。大口徑鏡片裝調(diào)難度也較大。

在裝調(diào)中，先對(duì)平面鏡子鏡進(jìn)行面形檢測(cè)，而后根據(jù)面形進(jìn)行拼接和裝調(diào)，然而由于平面鏡自身不具有光線匯聚功能，使其面形檢測(cè)也十分困難，現(xiàn)有技術(shù)中是采用等口徑的平面干涉儀對(duì)其進(jìn)行面形檢測(cè)，但大口徑平面干涉儀成本較高，在實(shí)際檢測(cè)中并不實(shí)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)及方法?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)大口徑平面鏡的低階面形檢測(cè)，與現(xiàn)有方法相比更為實(shí)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)，包括點(diǎn)光源探測(cè)裝置和定位裝置；

所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置，用于向鏡面產(chǎn)生直徑在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的、與鏡面垂直的準(zhǔn)直光束，并采樣由鏡面返回的反射光束的波前斜率；

所述定位裝置，用于定位所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置在鏡面的采樣位置，以根據(jù)所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率計(jì)算得到鏡面的低階面形。

可選地，所述定位裝置包括機(jī)械臂，用于連接所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置，控制并定位所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置在鏡面的采樣位置。

可選地，在所述機(jī)械臂的頂端設(shè)置有用于安裝所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置的接口。

可選地，還包括激光跟蹤測(cè)量裝置，用于定位所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置在鏡面的采樣位置。

可選地，所述激光跟蹤測(cè)量裝置包括：

設(shè)置在所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置上的反射靶球，用于反射由測(cè)量裝置發(fā)出的測(cè)量光束；

所述測(cè)量裝置，用于向所述反射靶球發(fā)出測(cè)量光束，并接收反射回的光束以測(cè)量所述反射靶球的位置。

可選地，采用與所述反射靶球尺寸匹配的滾珠軸承安裝所述反射靶球。

一種平面鏡面形檢測(cè)方法，包括：

控制點(diǎn)光源探測(cè)裝置在鏡面預(yù)設(shè)位置采樣數(shù)據(jù)，所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置用于向鏡面產(chǎn)生直徑在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的、與鏡面垂直的準(zhǔn)直光束，并采樣由鏡面返回的反射光束的波前斜率；

根據(jù)所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率，計(jì)算獲得鏡面的低階面形。

可選地，所述控制點(diǎn)光源探測(cè)裝置在鏡面預(yù)設(shè)位置采樣數(shù)據(jù)包括：

控制點(diǎn)光源探測(cè)裝置在鏡面沿預(yù)設(shè)方向掃描，在掃描中所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置在預(yù)設(shè)位置采樣數(shù)據(jù)。

可選地，以極坐標(biāo)系描述所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置的掃描路程，控制所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置分別沿X軸、Y軸及其角平分線掃描；

或者，以直角坐標(biāo)系描述所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置的掃描路程，控制所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置分別沿X軸、Y軸掃描。

可選地，所述根據(jù)所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率，計(jì)算獲得鏡面的低階面形包括：

波前以離散指數(shù)基底表示為：

Φ(m,n)＝∑a_uvW_uv(m,n) (1)

其中，a_uv表示基底擬合系數(shù)，W_vu(m,n)表示離散指數(shù)基底；對(duì)于N×N的采樣孔徑，N表示采樣點(diǎn)數(shù)，m、n為整數(shù)；

離散指數(shù)基底W_uv(m,n)的表達(dá)式為：

對(duì)波前某一方向求導(dǎo)，得到波前斜率表示為：

Φ'(m,n)＝∑a_uvW_uv'(m,n) (2)

并具有如下表達(dá)式：

或者，

通過(guò)公式(2)求得基底擬合系數(shù)a_uv，再根據(jù)公式(1)計(jì)算獲得波前輪廓。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明所提供的平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)及方法，其中系統(tǒng)包括點(diǎn)光源探測(cè)裝置和定位裝置。通過(guò)控制點(diǎn)光源探測(cè)裝置在鏡面預(yù)設(shè)位置采樣數(shù)據(jù)，點(diǎn)光源探測(cè)裝置向鏡面產(chǎn)生與鏡面垂直的準(zhǔn)直光束，并采樣由鏡面返回的反射光束的波前斜率，由定位裝置定位點(diǎn)光源探測(cè)裝置的采樣位置，從而根據(jù)點(diǎn)光源探測(cè)裝置在鏡面上的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率計(jì)算獲得鏡面的低階面形。

本發(fā)明平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大口徑平面鏡低階面形的檢測(cè)，與現(xiàn)有方法相比更為實(shí)用，檢測(cè)方法更易操作。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明又一實(shí)施例提供的一種平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)的示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種平面鏡面形檢測(cè)方法的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)，可參考圖1，包括點(diǎn)光源探測(cè)裝置10和定位裝置11；

所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置10，用于向鏡面產(chǎn)生直徑在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的、與鏡面垂直的準(zhǔn)直光束，并采樣由鏡面返回的反射光束的波前斜率；

所述定位裝置11，用于定位所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置在鏡面的采樣位置，以根據(jù)所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率計(jì)算得到鏡面的低階面形。

其中，點(diǎn)光源探測(cè)裝置10的基本原理為：在鏡面某一位置處，向鏡面產(chǎn)生垂直于鏡面的平行光束，平行光束為小口徑光束。準(zhǔn)直光束照射到鏡面，返回的反射光束進(jìn)入點(diǎn)光源探測(cè)裝置10，點(diǎn)光源探測(cè)裝置10從反射光束采樣波前斜率。

由定位裝置11控制點(diǎn)光源探測(cè)裝置10在鏡面采樣，根據(jù)點(diǎn)光源探測(cè)裝置10在鏡面的采樣位置，以及點(diǎn)光源探測(cè)裝置10在各位置處采樣的波前斜率計(jì)算獲得鏡面的低階面形。

在鏡面檢測(cè)中，鏡面完整面形的低階數(shù)據(jù)蘊(yùn)含在離散孔徑的數(shù)據(jù)之中，因此可檢測(cè)鏡面離散孔徑的數(shù)據(jù)，利用離散孔徑的檢測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)計(jì)算得到整個(gè)孔徑的低階面形數(shù)據(jù)，本實(shí)施例系統(tǒng)就是基于此思想對(duì)平面鏡進(jìn)行面形檢測(cè)，通過(guò)獲得鏡面離散孔徑的斜率數(shù)據(jù)，基于斜率數(shù)據(jù)獲得平面鏡的低階面形，應(yīng)用于對(duì)大口徑平面鏡的初期裝調(diào)。

可以看出，本實(shí)施例平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大口徑平面鏡的低階面形檢測(cè)，與現(xiàn)有采用大口徑平面干涉儀檢測(cè)面形的方法，成本低相比更為實(shí)用，并且該檢測(cè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單易行。

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)施例平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)作進(jìn)一步說(shuō)明。

本實(shí)施例提供的平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)，點(diǎn)光源探測(cè)裝置10具體可采用點(diǎn)光源顯微鏡(point source microscope，PSM)，其基本原理是在盡可能小的體積下產(chǎn)生一束小口徑的準(zhǔn)直光束，垂直照射到鏡面。準(zhǔn)直光束可以是準(zhǔn)直激光或者LED光。示例性的，在應(yīng)用中可產(chǎn)生一束0.2mW的6mm直徑的準(zhǔn)直激光或者紅色LED光。

定位裝置11可采用機(jī)械臂，由機(jī)械臂連接所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置10，控制并定位所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置10在鏡面的采樣位置。

具體可在機(jī)械臂的頂端設(shè)置有用于安裝所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置10的接口。在檢測(cè)應(yīng)用時(shí)，將點(diǎn)光源探測(cè)裝置10安裝在機(jī)械臂頂端，通過(guò)伸展機(jī)械臂將點(diǎn)光源探測(cè)裝置10伸到平面鏡鏡面，由點(diǎn)光源探測(cè)裝置10在鏡面采樣，并定位其采樣位置。

優(yōu)選的，可參考圖2，在本實(shí)施例平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)的一種實(shí)施方式中，還包括激光跟蹤測(cè)量裝置12，用于定位所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置10在鏡面的采樣位置。激光跟蹤測(cè)量裝置12是一種精度較高的三維坐標(biāo)測(cè)量裝置，相比于機(jī)械臂，通過(guò)激光跟蹤測(cè)量裝置12可以實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)光源探測(cè)裝置位置更為精確的控制和定位。

具體的，激光跟蹤測(cè)量裝置12包括：

設(shè)置在所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置上的反射靶球，用于反射由測(cè)量裝置發(fā)出的測(cè)量光束；

所述測(cè)量裝置，用于向所述反射靶球發(fā)出測(cè)量光束，并接收反射回的光束以測(cè)量所述反射靶球的位置。

反射靶球設(shè)置在點(diǎn)光源探測(cè)裝置10上，具體采用與所述反射靶球尺寸匹配的滾珠軸承安裝，基于滾珠軸承的剛度好、表面質(zhì)量高，用于安裝反射靶球可以滿足使用要求。測(cè)量裝置由支座安裝。

點(diǎn)光源探測(cè)裝置10由機(jī)械臂及激光跟蹤測(cè)量裝置控制定位，不僅可以在大尺度上確定位置，也可以在局部位置獲得較高的定位精度，可以使點(diǎn)光源探測(cè)裝置在五個(gè)自由度上進(jìn)行測(cè)量，可滿足多種測(cè)量要求。

相應(yīng)的，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種平面鏡面形檢測(cè)方法，可參考圖3，包括步驟：

S20：控制點(diǎn)光源探測(cè)裝置在鏡面預(yù)設(shè)位置采樣數(shù)據(jù)，所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置用于向鏡面產(chǎn)生直徑在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的、與鏡面垂直的準(zhǔn)直光束，并采樣由鏡面返回的反射光束的波前斜率。

在檢測(cè)過(guò)程中，可控制點(diǎn)光源探測(cè)裝置在鏡面沿預(yù)設(shè)方向掃描，在掃描中所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置在預(yù)設(shè)位置采樣數(shù)據(jù)。

其中，如果以極坐標(biāo)系描述所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置的掃描路程，可控制所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置10分別沿X軸、Y軸及其角平分線掃描。

或者，也可以直角坐標(biāo)系描述所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置的掃描路程，控制所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置10分別沿X軸、Y軸掃描。

具體的，在鏡面選取的采樣位置點(diǎn)以方形矩陣排布，每一行和每一列包含的位置點(diǎn)相同。如每一行或每一列包含N個(gè)采樣位置點(diǎn)，描述為N×N的采樣孔徑。

在掃描中如果采樣位置較為密集，可得到較為精細(xì)的面形。在實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用中，在檢測(cè)初期可使用較為稀疏的采樣，隨著測(cè)試的深入，可使用更加密集的采樣。

S21：根據(jù)所述點(diǎn)光源探測(cè)裝置的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率，計(jì)算獲得鏡面的低階面形。

基于波前斜率信息重構(gòu)波前分為區(qū)域法和模式法，對(duì)于區(qū)域法，由于誤差的累積效應(yīng)會(huì)影響最后的精度，故本實(shí)施例中使用模式法進(jìn)行重構(gòu)。具體為：

波前以離散指數(shù)基底表示為：

Φ(m,n)＝∑a_uvW_uv(m,n) (1)

其中，a_uv表示基底擬合系數(shù)，W_vu(m,n)表示離散指數(shù)基底；對(duì)于N×N的采樣孔徑，N表示采樣點(diǎn)數(shù)，m、n為整數(shù)；

離散指數(shù)基底W_uv(m,n)的表達(dá)式為：

對(duì)波前某一方向求導(dǎo)，得到波前斜率表示為：

Φ'(m,n)＝∑a_uvW_uv'(m,n) (2)

并具有如下表達(dá)式：

或者，

通過(guò)公式(2)求得基底擬合系數(shù)a_uv，再根據(jù)公式(1)計(jì)算獲得波前輪廓。

根據(jù)奈奎斯特，空間頻率最多可以達(dá)到采樣頻率的一半，通過(guò)控制采樣頻率即可控制檢測(cè)頻率范圍與時(shí)間效率。

利用此方法不僅可以由二維功率譜簡(jiǎn)單地得到其一維坍陷形式并可以通過(guò)設(shè)置環(huán)帶數(shù)量控制功率譜的分辨率。對(duì)于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)分析與工程應(yīng)用都是十分有利的。

本實(shí)施例平面鏡面形檢測(cè)方法，通過(guò)采樣鏡面各位置的波前斜率，根據(jù)點(diǎn)光源探測(cè)裝置的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率進(jìn)行波前重構(gòu)，獲得鏡面的低階面形。本實(shí)施例平面鏡面形檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大口徑平面鏡的低階面形檢測(cè)。

本實(shí)施例平面鏡面形檢測(cè)方法，可應(yīng)用在各種工況下，包括鏡面向下，實(shí)現(xiàn)大口徑平面鏡的低階面形檢測(cè)。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種平面鏡面形檢測(cè)系統(tǒng)及方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。