一种基于自适应光学的平行光管波前像差预补偿装置

摘要

一种基于自适应光学的平行光管波前像差预补偿方法，包括：大口径长焦距平行光管和自适应光学系统；大口径长焦距平行光管包括反射镜组件和窗口玻璃；自适应光学系统包括光源组件、分束片、第一离轴反射镜、第二离轴反射镜、第三离轴反射镜、波前探测器、波前校正器和折转反射镜；本发明可以实时探测由于加工装调、温度变化、温度梯度、气流扰动、平台振动等因素给大口径长焦距平行光管引入的波前像差，并且可以将这些波前像差实时高精度地校正掉，进而大大提高大口径长焦距平行光管的检校精度和效率，大幅降低大孔径长焦距平行光管的研制难度，并节省大量试验时间和成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种平行光管波前像差预补偿装置，特别是一种基于自适应光 学的平行光管波前像差预补偿装置，属于光学检测领域。

背景技术

平行光管是最常用光学系统检校设备，可以发出平行光，用来模拟无限远 目标。高精度的平行光管通常是照相物镜和望远物镜等无限共轭成像光学系统 的调校和像质检验不可缺少的测量基准。过去的平行光管口径较小，焦距较短， 加工装调误差较小，受温度变化、温度梯度、气流扰动、平台振动等环境因素 的影响较小，因而一般无需对波前像差进行实时补偿校正。随着口径、焦距的 增大，上述环境因素对平行光管的影响也越来越大，引入的波前像差不可忽略。

目前，大口径、长焦距的平行光管通常是在抽真空的状态下进行测试，以 避免气流扰动等因素对平行光管造成的不利影响。此外，需要对平行光管进行 高精度温度控制、高性能隔振、高稳定的结构支撑以避免平行光管自身产生面 形误差进而给系统引入波前像差，影响检校精度。传统的大口径、长焦距平行 光管具有较大的局限性，主要在于：

1)大口径、长焦距平行光管气流扰动影响较大，需要抽真空加以消除，而 抽真空的过程较长，影响测试进度，增加测试成本；

2)传统方案中，通常需要在平行光管出口处放置一块面形精度高、材料均 匀性良好的窗口玻璃以实现密封，而在抽真空过程中内外的气压差会使窗口玻 璃发生变形并引入新的波前像差，影响平行光管的检校精度；

3)如果不用窗口玻璃，则一般需将平行光管与真空罐对接，将被检光学系 统置于真空罐里，并将平行光管和真空罐一同抽真空，然而被检光学系统处于 真空罐中，装调检测很不方便；

3)传统方案中，抽真空、温度变化、平台振动等因素给平行光管引入的波 前像差难以消除，影响平行光管的检校精度；

4)传统方案中，难以在工作过程中实时监测平行光管的自身的波前像差和 检校精度；

5)传统方案中，要保证高精度温度控制，需要环境温度始终控制在一定范 围内，如果环境温度发生较大变化后需要较长时间才能实现温度平衡，降低检 校效率。

光子学报文章编号1004-4213(2008)05—1020—3，发表日期为2008年 5月，名称为“平行光管气流扰动的液晶自适应光学校正”中介绍了一种用于 平行光管气流校正的液晶自适应光学系统，主要是开展了液晶自适应光学系统 校正平行光管气流扰动试验，该方案采用采用夏克-哈特曼探测器探测波前像 差、采用LCOS液晶校正器校正波前像差、用透镜光学系统进行光路调整，将 平面反射镜置于平行光管出口处以实现光路返回。这种技术方案初步实现的平 行光管的气流扰动校正，但其不足之处在于：波前探测器仅能探测平行光管的 波前像差，不能探测自适应光学系统自身的波前像差，具有较大的非共光路像 差，影响波校正精度和检校精度；LCOS液晶校正器，只能对线偏振光进行校 正，对于自然光能量利用率低于50％；LCOS液晶校正器的校正频率低于 100Hz，只能进行低频像差校正；LCOS液晶校正器具有色散效应、适用谱段 窄(小于50nm)，不能用于白光校正；采用透镜系统，存在色散效应、光路体 积较大，有镜头表面反射杂散光等局限性；采用平面反射镜替代窗口玻璃，仅 可以用于自适应光学系统对气流的校正实验，无法同时保证平行光管正常检校 工作，无法在工程上实际应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于自适应 光学的平行光管波前像差预补偿装置，克服了目前基于抽真空方法大口径长焦 距的平行光管抽真空的缺点，有效解决了温度变化、温度梯度、气流扰动、平 台振动等环境因素对大口径长焦距的平行光管检校精度的影响，实现了波前像 差的实时探测与预补偿，节省了大量试验时间和成本，显著提高了检校性能。

本发明的技术解决方案是：一种基于自适应光学的平行光管波前像差预补 偿装置，包括：大口径长焦距平行光管和自适应光学系统；

大口径长焦距平行光管包括反射镜组件和窗口玻璃；

自适应光学系统包括光源组件、分束片、第一离轴反射镜、第二离轴反射 镜、第三离轴反射镜、波前探测器、波前校正器和折转反射镜；

光源组件位于自适应光学系统的焦点处；光源组件发出的光线一部分经分 束片透射出去，另一部分经分束片反射后达到第二离轴反射镜，第二离轴反射 镜将分束片反射的发散光反射变成准平行光后达到波前校正器；

波前校正器对第二离轴反射镜反射的准平行光进行波前校正后反射至第三 离轴反射镜；第三离轴反射镜将波前校正器反射的校准后准平行光会聚于平行 光管的焦点后进入平行光管；

入射到平行光管的光线经反射镜组件反射变成平行光后达到平行光管的窗 口玻璃，平行光到达平行光管的窗口玻璃后，一部分透射，用来进行光学系统 的检测，另一部分被平行光管的窗口玻璃反射后逆着入射光路依次经过反射镜 组件、第三离轴反射镜、波前校正器和第二离轴反射镜后返回至分束片；

返回至分束片的光线一部分经分束片反射至光源组件，另一部分经分束片 透射后到达第一离轴反射镜，经第一离轴反射镜反射后变为准平行光，该准平 行光经过折转反射镜进行角度折转后进入波前探测器；

波前探测器获得入射光线的波前相位信息，并将波前相位信息转换为波前 校正器的输入电压信号，波前校正器根据输入电压信号产生相应的面形，进行 波前像差的校正，提高平行光管输出光线的波前精度。

所述反射镜组件包括一个或两个非球面反射镜，或者包括一个或两个非球 面反射镜和一个或两个折转反射镜。

所述光源组件为单个光源或者由光源和靶标组成的组件。

所述窗口玻璃位于平行光管内部的表面反射率小于1％，位于平行光管外 部的表面反射率为20％～50％；位于平行光管外部的表面的面形精度优于λ/50 rms，所述λ为入射光线的波长。

所述波前探测器为夏克-哈特曼波前探测器，波前探测精度优于λ/50rms。

所述波前校正器为MEMS变形镜，波前校正精度优于λ/20rms。

所述波前校正器与波前探测器满足物像关系，且二者有效口径相匹配。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明波前探测器能够探测包括平行光管和自适应光学系统在内的整 个光学系统的波前像差，可以消除波前探测支路与光源照明支路之间的非共光 路像差，提高了波前像差的校正精度和平行光管的检校精度；现有文献中所述 的波前探测器仅能探测平行光管的波前像差，不能探测自适应光学系统自身的 波前像差，具有较大的非共光路像差，影响波校正精度和检校精度；

(2)本发明的波前校正器采用MEMS变形镜，具有光能利用率高(95％ 以上)、校正频率高(1000Hz以上)、无色散效应、校正谱段宽(全光学谱段) 等优点；现有文献中所述方案，采用LCOS液晶校正器，只能对线偏振光进行 校正，对于自然光能量利用率低于50％，校正频率低于100Hz，只能进行低频 像差校正，具有色散效应、适用谱段窄(小于50nm)，不能用于白光校正，因 而具有较大的局限性；

(3)本发明的自适应光学系统采用离轴反射光学系统，具有无色散效应、 结构紧凑、无镜头表面反射杂散光等优点；现有文献中所述方案，采用透镜系 统，存在色散效应、光路体积较大，有镜头表面反射杂散光等局限性；

(4)本发明的自适应光学系统可以对加工装调、温度变化、温度梯度、气 流扰动、平台振动等各因素给大口径长焦距平行光管引入的各种波前像差进行 补偿校正；现有文献中所述方案仅能用于低频气流扰动引入波前像差的补偿校 正，对于高频气流扰动或其他因素引入的波前像差无能为力；

(5)本发明对平光光管的窗口玻璃进行优化设计，既保证自适应光学系统 对波前像差的高精度探测与补偿校正，又保证平行光管正常检校工作；现有文 献中所述方案采用平面反射镜替代窗口玻璃，仅可以用于自适应光学系统对气 流的校正实验，无法同时保证平行光管正常检校工作，无法在工程上实际应用；

(6)本发明利用自适应光学系统将加工装调、温度变化、温度梯度、气流 扰动、平台振动等因素给大口径长焦距平行光管引入的各种波前像差进实时补 偿校正掉，省去了大孔径长焦距平行光管的抽真空、温度平衡、调试、振动衰 减等环节，大大降低大孔径长焦距平行光管的温度控制要求和加工装调难度， 节省了大量试验时间和成本，并显著提高了检校精度；

(7)本发明实现了在工作过程中波前像差的实时探测和预补偿，也可以根 据要求产生已知的满足特殊波前要求的光束以满足特殊检测要求，显著提高了 大口径长焦距平行光管的检校性能。

附图说明

图1为本发明大口径平行光管及自适应光学系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步地详细阐述。

如图1所示为本发明大口径平行光管及自适应光学系统示意图，由图1可 知，本发明提供的一种基于自适应光学的平行光管波前像差预补偿装置，包括： 大口径长焦距平行光管和自适应光学系统；

大口径长焦距平行光管包括平行光组件10和窗口玻璃11，所述的平行光 管通光口径大于1.5m，焦距大于30m；所述平行光组件10包括一个或两个非 球面反射镜，或者包括一个或两个非球面反射镜和一个或两个折转反射镜，所 述窗口玻璃11位于平行光管内部的表面反射率小于1％，位于平行光管外部的 表面反射率为20％～50％，位于平行光管外部的表面的面形精度优于λ/50rms， 所述λ为入射光线的波长。

自适应光学系统包括光源组件4、分束片5、第一离轴反射镜3、第二离轴 反射镜6、第三离轴反射镜9、波前探测器1、波前校正器7和折转反射镜2； 所述光源组件4一般为单个光源或者由光源和靶标组成的组件，所述波前探测 器1为波前探测精度优于λ/50rms的夏克-哈特曼波前探测器；

光源组件4位于自适应光学系统的焦点处；光源组件4发出的光线一部分 经分束片5透射出去，另一部分经分束片5反射后达到第二离轴反射镜6，第 二离轴反射镜6将分束片5反射的发散光反射变成准平行光后达到波前校正器 7；所述的离轴反射镜表面单次反射具有99％以上的反射率，所述的分束片5 具有50％的反射率和50％的透射率。

波前校正器7对第二离轴反射镜6反射的准平行光进行波前校正后反射至 第三离轴反射镜9；第三离轴反射镜9将波前校正器7反射的校准后准平行光 会聚于平行光管的焦点8后进入平行光管；所述波前校正器7为波前校正精度 优于λ/20rms的MEMS变形镜；

入射到平行光管的光线经平行光组件10反射变成平行光后达到平行光窗 口玻璃11，平行光到达平行光窗口玻璃11后，一部分透射，用来进行光学系 统的检测，另一部分被平行光窗口玻璃11反射后逆着入射光路依次经过平行光 组件10、第三离轴反射镜9、波前校正器7和第二离轴反射镜6后返回至分束 片5；

返回至分束片5的光线一部分经分束片5反射至光源组件4，另一部分经 分束片5透射后到达第一离轴反射镜3，经第一离轴反射镜3反射后变为准平 行光，该准平行光经过折转反射镜2进行角度折转后进入波前探测器1；

波前探测器1获得入射光线的波前相位信息，并将波前相位信息转换为波 前校正器7的输入电压信号，波前校正器7根据输入电压信号产生相应的面形， 进行波前像差的校正，提高平行光管输出光线的波前精度(优于λ/14rms)。 所述波前校正器7与波前探测器1满足物像关系，且二者有效口径相匹配。

本发明的技术方案可以使大口径、长焦距平行光管的检校准备时间(传统 方案包括抽真空、温度稳定等)由现在的8-12小时，缩短为30分钟以内；使 平行光管输出光线的波前精度由现在的λ/10rms以下，提高到λ/14rms以上。

本发明可以用于通光口径大于1.5m、焦距大于30m的大口径长焦距平行 光管的像差实时校正，可以显著提高大口径长焦距平行光管的检校精度和检校 效率。

本发明未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。