[发明专利]用于两镜反射系统的多自由度自适应调整装置及调整方法

说明书

本发明公开了一种用于两镜反射系统的多自由度自适应调整装置，其包括干涉仪、多自由度自适应调整机构、标准平晶；多自由度自适应调整机构包括多自由度调整模块和闭环控制器，两镜反射系统安装在多自由度调整模块上，干涉仪同轴布置在两镜反射系统前方，标准平晶同轴布置在两镜反射系统后方，两镜反射系统的次镜与次镜框粘接构成次镜组件，次镜组件安装在多自由度调整模块上；闭环控制器读取干涉仪对两镜反射系统波像差的实时测试数据，根据所设波像差目标值进行计算自动寻优，驱动多自由度调整模块带动次镜组件进行位姿调整，直至像差测试量达到目标值。本发明效率高、准确性好、通用性强。

技术领域

本发明属于高成像质量光学系统精密装调技术领域，涉及一种用于两镜反射系统的多自由度自适应调整装置及调整方法。

背景技术

多光谱共光路光学系统凭借其探测距离远、分辨能力强的特点，在光电系统中得到了快速的发展。作为共光路光学系统的核心组件，两镜反射系统的装调控制精度尤为重要。两镜反射系统由非球面主反射镜与次反射镜组成，最典型的光学形式为卡塞格林光学系统，如图1所示。次镜相对于主镜具有六个自由度，其空间位姿与设计模型的符合程度直接决定着系统的光学成像性能。除绕光轴(z轴)旋转自由度外，次镜的其余五个自由度均会对系统波像差产生影响，换句话说，次镜在装调环节存在五个维度的失调量。针对该系统的常规装调方法，是利用干涉仪进行基于波像差测量的装调：操作者根据干涉仪测量得到像差信息，初步判断失调方向与失调量，通过螺钉过孔平移调整次镜组件的装配位置、或通过增加垫片改变次镜的空间角度，从而改变系统的波前状态，再次测量后再次调校，直至系统波像差趋于最佳值。例如2011年于《激光与红外工程》发表的《小F数卡赛格林系统装调技术》论文等，均介绍了此类关于两镜反射系统的装调方法。

但通过对多个项目的实际装调，以及对装调后系统的成像质量与设计值进行对比，申请人发现利用常规方法装调的产品，系统波像差尽管达到了装调可控范围内的“最佳值”，但距离系统设计值仍存在20％以上的差距，也就是说，系统并未真正装调至最佳状态。产生该现象的主要原因为：

1)人工判别操作的方法对失调方向的判断较为准确，但对失调量的判断很难精确，需要通过多次试错完成，而有限次的试错只能使系统状态趋于最佳，却无法达到最佳；

2)人工操作可现实的调整量的灵敏度为：平移最小调整量大于0.05mm、倾斜最小调整量大于1′，对于长焦高压缩比两镜系统来说，该灵敏度比光学设计对次镜的位置误差允差大1个量级以上，也就无法保证系统实现近衍射极限的装调；

3)次镜组件调整完成后采用螺钉连接方式紧固，紧固的过程又带来了次镜的微量位姿变化，加之紧固接触应力的影响，使系统的波像差相对调整完毕后状态又一次向着最佳值的反方向偏离。

为了解决人工操作存在的试错问题，许多同行提出了计算机辅助装调的思想并进行了大量研究，如2010年公开的硕士论文《两镜系统计算机辅助装调研究》、《基于矢量波像差理论的两镜系统装调技术研究》等。计算机辅助装调通过构建失调量与像差之间的灵敏度矩阵，通过实测像差求解失调量，指导操作者装调，可在一定程度上解决上述试错的问题，但受限于灵敏度矩阵的线性近似，该方法仅适用于小视场小像差装调过程，且实际调整过程仍是人工操作，同样存在上述调整精度与紧固的问题。

针对两镜卡式系统，还有一种常用装调方法是基于光学定心的思想，如2017年公开的专利《一种卡式光学系统装调方法》、2019年公开的专利《卡塞格林光学系统主次反射镜的装调方法》、2020年公开的专利《一种基于卡式光学系统的装调方法》等，定心装调法其精度受限于定心仪器，进口仪器对单个球面的球心偏测量精度约为0.01mm、对间隔的测量精度约为0.02mm，加之对非球面采用球面定心法引入的误差，误差累积后装调结果对红外光学系统尚可接受，但远无法满足含可见光的长焦共光路两镜系统对主次镜相对位姿微米级与秒级的要求，相对于干涉仪波像差装调方法，在精度与直观性上均存在差距。

发明内容

(一)发明目的