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硕士论文基于五棱镜扫描法的大口径光学准直系统出射波前的检测 摘要 近年来，大口径光学系统在天文光学、空间光学、地基空间目标的探测与识别以 及惯性约束聚变( i c f ) 等高技术领域都得到了越来越广泛的应用。但大口径光学系统波 面的检测却一直受到庞大的设备费用与测量设备较长加工周期的限制而没有得到很 好的解决。为了以低成本、高分辨率检测光学系统中大口径光学元件，对于大口径光 学系统波面检测技术的研究受到越来越多的重视。 文章中提出一种利用五棱镜扫描对大口径光学准直系统出射波前进行检测的方 案。该方案对扩大空间测量范围、保持高空间分辨率、降低成本等方面都有重要意义。 文章研究用五棱镜扫描法检测大口径光学准直系统的出射波前。根据五棱镜使光 线折转9 0 度的特性使激光束精确转向，并对波面各采样点进行扫描。利用位置敏感探 测器( p s d ) 探测扫描到的光斑，并计算得到光斑质心坐标。借助a d 卡采集数据，把 质心坐标读入计算机，利用m a t l a b 编制的界面程序，实时处理并显示拟合的波面图。 本文中，同时对波前检测中的各种误差源进行了详细的分析和讨论，包括导轨误差、 五棱镜制造误差、p s d 的误差以及环境扰动引入的误差，并给出了分离误差的方法， 有利于五棱镜扫描法在大口径光学准直系统出射波前的检测中发挥最大性能。 关键词：大口径光学准直系统，波前检测，五棱镜扫描法，p s d a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，l a r g ea p e r t u r eo p t i c a ls y s t e mp l a y sq u i t ea ni m p o r t a n tr o l ei nt h e h i g h - t e c hf i e l d si n c l u d i n ga s t r o n o m i c a lo p t i c s ，s p a c eo p t i c s ，i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ( i c f ) ，t h ed e t e c t i n ga n dr e c o g n i z i n go fs p a c et a r g e t h o w e v e r ，t h ep r o b l e m so ft h e w a v e f r o n ts e n s i n ga b o u tl a r g ea p e r t u r eo p t i c a ls y s t e mh a v e n tb e e nt o t a l l ys o l v e dy e t b e c a u s eo fe q u i p m e n te x p e n s e sa n dl o n gm a n u f a c t u r i n gp e r i o d s i no r d e rt o t e s tt h el a r g e a p e r t u r ee l e m e n t si no p t i c a ls y s t e mw i t hc h e a p e rc o s t sa n dh i g h e rr e s o l u t i o n ，m o r ea n d m o r ea t t e n t i o n sa r ep a i di n t ot h ew a v e f r o n ts e n s i n go fl a r g ea p e r t u r eo p t i c a ls y s t e m s t h ep e n t a p r i s ms c a n n i n gm e t h o di ss t u d i e dt o t e s tw a v e f r o n to fl a r g ea p e r t u r eo p t i c a l s y s t e m ，w h i c hi su s e f u lt oe x p a n dt h em e a s u r i n gr a n g e ，t ok e e ph i g hs p a t i a lr e s o l u t i o na n d t or e d u c ec o s te t c t h el a s e rb e a mc a nb ed e f l e c t e db yt h ep e n t a p r i s mw h i c hh a st h ea d v a n t a g eo ft u r n i n g t h el i g h tb y9 0d e g r e e t h ep e n t a p r i s ms c a n st h ew a v e f r o n tt ob et e s t e da l o n gt h ep a t h p e r p e n d i c u l a rt ot h et r a n s m i t t i n gd i r e c t i o no ft h ew a v e f r o n t t h ed a t ac a nb ea c q u i r e db y a dc a r d ，t h ec e n t r o i dc o o r d i n a t e sc a nb er e a di n t oc o m p u t e r m a t l a bp r o g r a mi sw r i t t e n a n dt op r o c e s sa n dd i s p l a yt h er e a l - t i m er e t r i e v e dw a v e f r o n td i a g r a m m e a n w h i l e ，t h ee r r o r s o u r c e sa r e a n a l y z e d a n dd i s c u s s e di n d e t a i l ，i n c l u d i n g t h es l i d e w a y e r r o r , t h e m a n u f a c t u r i n g e r r o ro fp e n t a p r i s m ，p o s i t i o ns e n s i t i v e d e v i c e ( p s d ) e l r o r a n d e n v i r o n m e n t a ld i s t u r b a n c e am e t h o dt os e p a r a t et h ee r r o r si sp r e s e n t e dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fp e n t a p r i s ms c a n n i n gs e t u pf o rl a r g ea p e r t u r ec o l l i m a t e dw a v e f r o n ts e n s i n g k e yw o r d s ：l a r g ea p e r t u r ec o l l i m a t i n go p t i c a ls y s t e m ，w a v e f i o n ts e n s i n g ，p e n t a p r i s m s c a n n i n gm e t h o d ，p s d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：j 刃彦年月工矿日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：归g 年6 月必日 硕士论文 基于五棱镜扫描法的大口径光学准直系统出射波前的检测 1 绪论 1 1 大口径光学系统的发展及检测的必要性 近些年来，随着空间科技、国防军事等领域的发展，大口径光学元件的制造技术 水平有了长足的进步，特别是在大口径光学加工设备与工艺技术方面取得了较大的进 展，使大口径光学元件向着更高精度、更大口径方向发展，达到了提高空间分辨率、 集光能力、信噪比，以及增大视场等要求。 大口径光学镜面在军事领域、航天领域以及大型地面、空间天文望远镜等科研领 域中都得到了广泛的应用【2 】。例如，要观测天体剧烈活动对人类的危害与影响；探索宇 宙的形成与演变；探索宇宙中是否有生命体；探索人类能否在月球与火星上进行无重 力、无污染的生产；探索宇宙中存在的金矿和贵金属能否开采等，都需要采用更大口 径的望远系统，用来测量天体的大小、位置和物理性质，探测新天体和地球以外生命 以及适宜人类生活的新空间，进而促进人类进一步开发和利用宇宙【3 j 。 另外，大口径光学系统在天文光学、空间光学、地基空间目标探测与识别、惯性 约束聚变( i c f ) 等高技术领域都得到了越来越广泛的应用【4 】。如世界上最大的激光核聚 变系统美国“国家点火装置”有1 9 2 束激光同时会聚到靶球上，末级光束口径为 4 0 0 4 0 0 m m ，每条光路包括前置放大器、辅助放大器和多通主放太器，需要8 0 0 0 多 个大型精密光学元件和3 万多个小型精密光学元件，末级磷玻璃放大器的尺寸为 4 5 0 8 0 0 m m 。每个元件都有严格的质量要求。钕玻璃放大器全口径透射波前畸变为 2 6 ( p v 值) ，梯度极大值为每厘米2 , 3 0 ，元件表面粗糙度的均方根为0 6 n m 。这 些要求既含有材料的内在因素也包括元件的加工质量影响。同时，对光学元件的检测 提出了更高的要求。法国原子能委员会也在建造兆焦尔强激光系统。该系统共有2 4 0 束激光，预计2 0 1 0 年建成。系统将使用4 3 2 0 个片状激光放大器( 尺寸为4 2 0 7 6 0 m m ) ， 2 4 0 个起偏器、1 2 0 0 个反光镜等大量光学元件。此外英国、日本及俄罗斯也都在积极 研究和建造高功率激光器，其目的都是为了用于i c f 实验。我国政府也很重视i c f 系统 的研究和制造，国家8 6 3 4 1 6 计划就是该工程的具体实施。该系统中将有许多大尺寸 激光和光学元件，如6 0 0 x 3 0 0 4 0 m m 钕玻璃放大器等。上述各种高功率激光系统中 都要应用大量的大口径光学元件，而且对这些元件有很高的质量要求：如材料内部折 射率均匀性为( 1 2 ) 1 0 6 ，表面平整度为2 , 6 ，表面粗糙度优于l n m 等。为了满足上 述要求，对元件制造单位来说，大1 2 1 径卧式激光平面干涉仪、大口径差分式激光全息 干涉仪和干涉式表面粗糙度测量仪是必备的【5 】。 大口径光学系统由于具有较高的空间分辨率而受到人们的普遍重视。但大口径光 学系统波面的检测却直受到庞大的设备费用与测量设备较长加工周期的限制而没 1 l 绪论 硕士论文 有得到很好的解决。为了以低成本、高分辨率检测光学系统中大口径光学元件，对于 大口径光学系统波面检测技术的研究受到越来越多的重视。 本教研组承接的“6 0 0 m m l 3 径近红外数字波面干涉仪的国防项目需要对大口 径光学准直系统出射波前进行检测，以保证干涉仪的测量精度。该课题正是为了解决 这个问题而展开的。 1 2 大口径光学系统波前检测的国内外现状 随着科学技术和现代光学制造技术的发展，哈特曼检验，夏克哈特曼法已成为 大1 3 径光学系统波面检测的常用方法。1 9 8 7 年美国用哈特曼法检测了2 4 m 的光学系 统。1 9 9 2 年法国检测t 2 m 的望远镜系统。国内在1 9 9 7 年也使用了这种方法对2 1 6 m 望 远镜系统进行光学检测。用该方法进行平面束的标定原理简单、操作方便、非常可靠， 但当被测口径很大时，哈特曼光阑制作难度大，造价也很高，且这种常规的波面斜率 测量方法工作距离长，不适于中小项目光学系统的光束检测。而夏克哈特曼法只适 用于会聚球面波的检测，不能用于检测准直出射波前。 采用子孔径波面合成方法是实现大口径光学系统波前检测的另一种常用方法，其 本质是哈特曼方法的一种拓展。它针对常规波面斜率测量方法工作距离长、精度难以 进一步提高的情况，将被测区域划分成有限个子孔径，利用塔尔博特效应产生莫尔条 纹，平移测量每一子孔径上波面斜率，根据所测量子孔径上的波面斜率来拟合被测波 面。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所用子孔径波面合成方法检测了口径 5 0 0 m m ，焦距为1 3 m 的大口径光学系统波面。 数字波面干涉仪也是一种高精度光学元件检测设备，但目前传统的技术无法满 足检测大口径光学元件的要求。用干涉仪检测高精度的光学系统或波面的光学质量 时，要求有一块与被检元件尺寸相同或更大尺寸标准面形的镜面，这在检测大口径光 学系统或元件时，往往是很难办到的。所以，利用一般干涉仪全口径检验方法不能满 足对大平面镜检测的需要。因此，为了适应大口径镜面面形测试的需求，发展了子孔径 拼接检测技术。浙江大学现代光学仪器国家重点实验室在普通数字波面干涉仪的基础 上，采用目标函数多孔径拼接技术，解决了大口径光学元件的检测问题，获得了较完 整的波前信息【6 】。 此外，五棱镜法利用了五棱镜对入射光线折转9 0 度后出射的特性，将准直过程中 的纵向调焦转化为横向对准，可使准直精度相对于自准直法进一步提高，该方法需要 一个质量较好的五棱镜和平直性高的导轨，此方法适于调校大口径平行光管。五棱镜 法由于其本身固有的特性使得所需设备简单、检测精度较高从而得到广泛应用。 北京理工大学曹根瑞等人根据波前径向斜率测量原理，提出了一种利用五棱镜扫 描法实现的新型自基准哈特曼波前传感器，该法的特点是毋需任何外部信标或标准大 2 硕士论文基于五棱镜扫描法的大口径光学准直系统甘j 射波前的检测 平面反射镜提供工作基准，但哈特曼径向斜率法也有其适用局限性：第一，被测波面 必须光滑、连续，可以用泽尼克多项式准确表示；第二，径向斜率法的实现形式无法 测量波面中心处的斜率信息，这对可测量部分只有切向斜率变化，而无径向斜率变化 的特殊波面，将无法测量【7 j 。 四川大学常山、曹益平等人利用子孔径拼接法检测了大口径望远镜的出射波前， 他们将被测大口径波面划分成一系列独立的子孔径波面( 彼此间有重叠) ，设计子孔 径布局( 子孔径扫描路径) ，用夏克一哈特曼( s h a c k h a r t m a n ) 波前传感器探测各子 孔径获得各个子孔径波前的平均斜率，测出相应光线的相对方向，进行子孔径拼接，拟 合出被测大口径波面。 近年内，对于大口径光学元件出射波前的检验，国外多采用子孔径拼接法。如2 0 0 3 年，美国罗彻斯特大学，q e d 研究所，发明了一种通用的拼接干涉仪工作站，该工作 站能够自动执行适当孔径的平面、球面以及非球面的子孔径拼接。采用一个六轴电机 来控制平台，用4 w , 6 。孔径的通用菲索干涉仪，配合测量软件，电机控制，数学分析 进行拼接8 】 9 】 1 0 1 。 1 3 大口径光学系统波前检测的常用方法及其局限性 波面光学测试方法有两种：直接检测和间接检测。在直接检测中，待测波面通过 光学装置产生一个标准参考波面，待测波面与标准参考波面的干涉图能够直接反映出 待测波面存在的波差；间接检测是基于测量波面的变化率来估算波面的，传统上有两 种方式：一种是几何型，通过测量待测波面上离散取样点的等效折射角来表达波面的 变化率，另一种是剪切干涉型，通过待测波面与自身复制面的干涉来比较求得波面的 变化率。在通常情况下，得到波前信息远远要比测量像质来得容易得多，所以间接检 测有着很广泛的应用前景。下面简单介绍几种常用的波前测量方法的基本原理和测量 方法。 1 3 1 哈特曼检验法 哈特曼法是由德国光学工作者哈特曼( h a r t m a n n ) f 1 9 0 0 年首先提出的，已有一百 多年的历史，经常被用于检测大型天文望远镜的主镜。其原理简单，精度较高，由于 其采样累积时间较长，对空气扰动和震动的影响有平均效应，因此，很适合大型光学 镜面和光学系统的像质检验。随着计算机技术和固体摄像器件的使用，古老的哈特曼 法又获得了新的活力，成为当今大型天文光学望远镜镜面、系统，以及其它各类光学 系统像质检验的一种重要手段【l1 1 。 哈特曼法( h a r t m a n ns e n s i n g ) 是一种通过利用取样光阑测量波面取样点在像面 上的横向像面偏差t ，来得知波面在取样点局部偏差的一种波面检测方式。其原理为： 3 1 绪论硕士论文 按预定的方式，在波面通过的若干位置处，用带有小孔的光阑对波面取样，当取样点 之间彼此保持一定关系时，就能够得出波面像差的大小和再现波面。图1 3 1 为用哈特 曼法的基本原理图，如图可见，准直物镜的焦点处装有一小孔光阑，光源通过滤光片、 聚光镜照明小孔光栏。在准直物镜与被测系统之间放有哈特曼光阑，这样由准直物镜 出射的平行光经过哈特曼光阑后被分割成许多具有不同方位和不同入射高的细光束， 再射向被测系统。如果被测系统存在像差，则不同入射高的细光束将聚焦于不同的焦 点位置【1 1 儿1 2 j 。通过测量焦前和焦后两截面上对应光斑( 如图1 3 2 ，1 3 3 ) 的质心坐 标位置，以及两截面间的距离，就可计算出球差、彗差和最佳焦面处的点列图分布等。 光 源 滤光 片r 聚光镜 小孔光阑 i i x i 被检系统 前截面 后截面 哈特曼 光阑 图1 3 i 哈特曼法检验光路原理图 图1 3 2 哈特曼测试图 图1 3 3 抛物面的哈特曼光斑图 哈特曼法的主要原理是采用阵列孔径进行波面采样，类似平行光管测量，每一采 样点波面斜率测量，均受采样孔径衍射极限角分辨能力的限制，因为采样孔径远远小 于被测波面直径，采样孔径的衍射极限角远远大于哈特曼阵列全口径( 被测波面1 3 径) 的衍射极限【l 引。 用哈特曼法检测波面，需假设待测波面在各取样点之间的变化是渐变而非突变 4 o o o o 、0 o o o o o 上0 o o o o o ，o o o o o o石y 勿 直镜 准 硕士论文基于五棱镜扫描法的大口径光学准直系统出射波前的检测 的。哈特曼法检测波面的主要难点之一是在横向像面偏差t 的数据处理过程中引入了 误差。如果所用的检测方法能通过几个互不相干的手段得到给定结果，则误差可以大 大减小解决可靠性问题的最好方法就是通过多次重复测量求平均值。由于哈特曼检验 时截面处所得的光斑直径较大，光斑质心坐标的测量精度较低，而且只利用了光阑上 开孔部分的光线，光能损失较大【1 4 】。 1 3 2 夏克一哈特曼检测法 1 9 7 1 年，夏克( r k s h a c k ) 对h a r t m a n n 法作了改进：在入射光路上置一小透镜阵列， 并在其焦点后安置一探测器，用探测得到的光斑点阵，来标定平面光束。这种方法叫 做夏克哈特曼方法( h s ) 。h s 法是哈特曼检验法原理的一个重大改进。夏克把哈 特曼光阑换成一阵列透镜后，既可提高光斑质心坐标的测量精度，又大大提高了光能 利用率。图1 3 4 为夏克哈特曼法的基本原理图。通过在阵列透镜的焦面上测出畸变 波前所成像斑的质心坐标与参考波前质心坐标之差，根据简单的几何关系就可以求出 畸变波前在被各阵列透镜分割的子孔径范围内波前的平均斜率，继而可求得被测系统 全孔径的波像差。 参考波前 阵列透镜位敏传感器 图1 3 4h - s 法检验原理图 与传统哈特曼法相比，h s 法的检测精度更高，但需阵列透镜和引入参考波面， 因此系统相对复杂。另外，哈特曼法既可以检验准直波前，也可用来检测会聚球面波， 而h s 法只能用来检测会聚球面波。 1 3 3 剪切干涉法 剪切干涉法是干涉法中一种很重要的方法，已在很多领域有广泛的应用，特别是在 现场测试中。人们通常按剪切方向或剪切方法对其进行分类。按剪切方向，可分为横 向剪切、径向剪切、旋转剪切、反转剪切；按剪切方法，可分为平板剪切干涉、萨瓦 偏光镜剪切干涉、渥拉斯登棱镜剪切干涉和光栅剪切干涉。其中，横向剪切干涉( 如 图1 3 5 ) 在光学测试领域占有重要的地位，其主要优点在于它是待测波面与其自身产 s 1 绪论 硕士论文 生的横向剪切波面相干涉，不需另外引入参考波，因而不需配备高精度参考镜。但需要 引入大小至少与被检系统口径相当的剪切板，对于剪切板的尺寸和均匀性有较高的要 求。 激光束 平行的或稍成楔形 两个横向错位波面 图1 3 5 使用激光和平行平面玻璃板的横向错位干涉仪 在剪切干涉中，可给平行光一个小的离焦量或使平行光以一个小角度入射剪切 镜，这样来自被测系统实际波面的光束进入波面剪切干涉仪，从干涉仪射出两束与实 际波面形状相同但位置错开的光束，因为这两束光是由同一入射光分开的，因而只要 具有一定的空间相干性，就会产生干涉，形成干涉条纹。干涉条纹的形状和位置与实 际波面和剪切波面之间因错位后的光程差有关，可以从光程差的变化情况直接知道实 际波面的情况，也就知道了被测系统的波象差。 剪切干涉的优点是对机械振动、温度扰动、以及空气流动都不敏感。同时，剪切 干涉解决了待测波面与参考波面之间偏离大时，干涉条纹过密而使测量分辨率降低的 问题。但剪切干涉也有其局限性，如难以形成相移、不易进行定量分析、要得到完整 信息还需进行二维剪切、以及不易进行自动处理等缺点。 1 3 4 子孔径拼接法 大口径光学元件检测过程往往成本高、空间分辨率低。用子孔径拼接法检测大口 径透镜的方案，对扩大空间测量范围、保持高空间分辨率、高测量精度和低成本有重 要意义。子孔径拼接利用小1 ：3 径干涉仪，用干涉方法分多次分别检测大口径光学镜面 的各个部位( 每一个部位就是一个子孔径) ，使这些子孔径几乎完全覆盖整个大光学镜 面，且两相邻子孔径之间有重叠区域。从重叠区域提取出相邻子孔径参考面之间的相 对平移和旋转信息，并依次将这些子孔径的参考面拼接到同一个参考面上，从而恢复出 全口径波面的完整面形 1 5 】。 多个子孔径的拼接方法与两个子孔径的拼接方法是相同的，也就是说以某一子孔 径为基准，依次与相邻的子孔径进行拼接，逐步推进，直至完成所有子孔径的拼接工作。 6 硕士论文 基于五棱镜扫描法的大口径光学准直系统出射波前的检测 为了避免两两拼接所造成的误差传递和积累，必须确定一个基准坐标系，将每次子孔径 的测量数据都统- n 该基准坐标系上，将各子孔径数据拼接到全口径坐标系下。最后 将这些已经统- n 基准坐标系下的多个子孔径数据进行拟合，重建连续波面，即可得到 所求的大口径光学平面的面型数据，以便精确地确定出大平面镜的面形和不平度i l 引。 利用小口径干涉仪进行子孔径拼接，机械结构相当复杂，若机械结构控制不当，传递 误差和积累误差很大，增加了算法的难度。 1 4 基于五棱镜扫描法的大口径光学准直系统出射波前的检测方案 大口径光学波面检测过程往往成本高、空间分辨率低。大口径准直光学系统检测 通常采用波前检测法，即用一标准平面波正入射到大口径光学系统，如果系统无任何像 差，出射光也应是平行于光轴的理想平面波，否则，该出射波前会发生畸变，通过检测该 波前轮廓，综合分析大口径光学元件的制造误差和安装误差。然而，由于系统口径较大， 要产生一大口径标准平面波非常困难。 由1 3 节分析可见，几种常用的大口径波前检测法各有利弊。用哈特曼法检测出 射波前，每检测一个系统就要制造一个匹配的哈特曼光阑，成本很高，不适宜中小项 目的检测；h s 法只能用于检测会聚球面波而不能检测准直波前；剪切干涉法必须引 入至少和被检系统口径相当且材料均匀性高的剪切板，造价非常高；而子孔径拼接法 其机械结构非常复杂，传递误差和积累误差很大，算法难度大。因此，为了以低成本、 高分辨率进行大口径光学准直系统的检测，本文采用了五棱镜扫描法。 本文采用五棱镜扫描法逐条测试大口径某一方向上出射波面法线的微小变化量， 从而实现大口径波前质量的测试。五棱镜扫描法本质上是一种串行的哈特曼法，是哈 特曼方法的一种拓展。利用五棱镜一维转角的不变性，将准直过程中的纵向调焦转化 为横向对准，可使准直精度相对于自准直法进一步提高。此方案对扩大空间测量范围、 保持高空间分辨率、高测量精度和低成本都有重要意义。 本论文研究五棱镜扫描法检测大口径光学准直系统的出射波前。利用五棱镜使光 线折转9 0 度的特性，采用五棱镜光束转向系统使激光束精确转向，激光束按扫描路径 依次扫描各波面采样点，用位置传感器p s d 对扫描的光斑探测，进行采集计算，得到 光斑质心坐标，然后通过a d 卡对数据进行采集，把质心坐标读入计算机，利用 m a t l a b 编制的界面程序，实时处理波面，显示拟合的波面图。其中，“精确地探测 各波面采样点的质心坐标”和“有效而精确的拟合算法”是本课题的关键。该方案对测 量口径的大小没有限制，对降低测量成本、增加测量灵活度有重要意义。 1 5 本论文的研究重点 本论文将以下四个方面为重点展开研究。 7 l 绪论硕上论文 1 ) 对五棱镜调整理论及调整方程的研究：在掌握五棱镜调整理论和方程的基础 上，分析五棱镜制造和运动误差对波前测量的影响，以及五棱镜因其平面度的影响和 导轨的运动误差引起的光束质心的偏移。 2 ) 对位置传感器p s d 的研究：掌握p s d 的工作原理和测试使用方法，利用p s d 对子孔径扫描的光斑质心进行采集计算，直接得出光斑质心坐标。 3 ) 波前重构模型的建立及波前重构算法的研究：对波前重构理论进行学习，建 立波前重构的模型，利用最小二乘法进行多项式拟合，恢复波面。 4 ) 测试环境对光斑质心影响的研究：观察会聚激光束在大气中传输时的光斑漂 移情况，分析光斑漂移的原因，减小实验中光斑漂移引起的误差。 1 6 本章小结 本章对大口径光学系统及其检测方法的发展现状作了简要概括，阐述了大口径波 前检测的必要性和意义。并对目前采用的大口径光学系统波前检测方法的优缺点进行 了简单说明，指出了大口径光学准直系统出射波前检测的难点和问题，提出了一种基 于五棱镜扫描法的大口径光学准直系统出射波前的检测方案，并阐述了本论文的研究 重点。 硕士论文基于五棱镜扫描法的大口径光学准直系统出射波前的检测 2 基于五棱镜扫描法的大口径光学准直系统出射波前的检测 2 1 像质评价的基本依据和光学检验的一般方法 2 1 1 像质评价的基本依据 评定光学系统的像质，就是在与光学系统实际使用相同条件下，观察或测定其像 方的光束结构、波面形状或成像情况，根据观测结果分析像质的好坏或者确定缺陷的 部位和大小【l 刀。评定像质的依据很多，每种依据各有其特点，常采用的有几何像差、 波像差、瑞利判据、斯特列尔( s t r e h l ) 判据，点列图、光学传递函数等【l 引。 2 1 1 1 几何像差 共轴系统一般来说成像并不理想，由同一物点发出的光线经过系统以后，出射光 线并不聚焦于理想像点，实际光线与理想像面的交点和理想像点之间位置的差就是像 差。像差越大，成像质量就越差。由于光学系统的成像具有一定的孔径和视场，对不 同孔径的入射光线其成像位置不同，不同视场的入射光线其成像的倍率也不尽相同。 因此，单色光成像会产生性质不同的五种像差，即球差、彗差( 正弦差) 、像散、场 曲和畸变，统称为单色像差。同一光学介质对不同的色光有不同的折射率，因此，白 光进入系统后，由于折射率不同而有不同的光程，这样就导致了不同色光成像的大小 和位置也不相同，这种不同色光的成像差异称为色差。色差有两种，即位置色差和倍 率色差。以上七种像差称为几何像差。 2 1 1 2 波像差 若基于波动光学理论，在近轴区内一个物点发出的球面波经过光学系统后仍然是 一球面波，由于衍射现象的存在，一个物点的理想像是一个复杂的艾里斑。对于实际 的光学系统，由于像差的存在，经光学系统形成的波面已不是球面，这种实际波面与 理想球面的偏差称为波像差，简称波差。 2 1 1 3 瑞利判据 瑞利判据是根据成像波面相对理想球面波的变形程度来判断光学系统成像质量 的。瑞利认为“实际波面与参考球面波之间的最大波像差不超过2 4 时，此波面可看 作是无缺陷的”，此判据称为瑞利判据。该判据提出了光学系统成像时所允许存在的 最大波像差公差，即认为波像差缈 2 4 时，光学系统的质量是良好的。 2 1 1 4 斯特列尔( s t r e h l ) 判据 k s r t e h l 于1 9 8 4 年提出了判断像差光学系统像质的标准。光学系统有像差时，衍 射图样中心亮斑( 艾里斑) 占有的光强度要比理想成像时有所下降，两者的光强度比 称为斯特列尔强度比，又称为中心点亮度，以s d 表示。斯特列尔判据认为，中心点 9 2 基于五棱镜扫描法的人口径光学准直系统出射波前的检测 硕士论文 亮度s d 0 8 时，系统是完善的。 2 1 1 5 点列图 在几何光学的成像过程中，由一点发出的许多条光线经光学系统成像后，由于像 差的存在，使其与像面不再集中于一点，而是形成一个分布在一定范围内的弥散图形， 称之为点列图。在点列图中利用这些点的密集程度来衡量光学系统的成像质量。 2 1 1 6 光学传递函数 利用光学传递函数来评价光学系统的成像质量，是基于把物体看作由各种频率的 谱组成的，也就是把物体的光场分布函数展开成傅立叶级数( 物函数为周期函数) 或 傅立叶积分( 物函数为非周期函数) 的形式。若把光学系统看作是线性不变的系统， 那么物体经光学系统成像，可视为物体经过光学系统传递后，其传递效果是频率不变， 但其对比度下降，相位要发生推移，并在某一频率处截止，即对比度为零。这种对比 度的降低和相位推移是随频率不同而不同的，其函数关系称之为光学传递函数。由于 光学传递函数既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，故用它来评 价光学系统的成像质量，具有客观和可靠的优点，并能同时运用于小像差光学系统和 大像差光学系统【1 9 】。 2 1 2 光学检验的一般方法 光学检验需要针对不同的检验对象和检验要求采用适宜的原理、方法和手段，为 此发展了很多光学检验的方法。如干涉法、阴影法、光阑法、星点检验法、全息法、 莫尔法等。 2 1 2 1 干涉法 干涉技术和干涉仪在光学测量中一直占有重要的地位。按光波分光的方法，干涉 仪有分振幅式和分波阵面式两类，光学测量常用的是分振幅式。按用途又可将干涉仪 分为两类，一类是通过测量干涉场指定点的干涉条纹移动数或光程差的变化量，求试 样的尺寸大小、位移量和物质折射率等；另一类是通过测量被测波面与参考标准波面 产生的干涉条纹的变形量或条纹分布，进而求得试样表面的微观几何形状、气流密度 分布和光学系统波像差等。干涉测量是基于光波叠加原理，在干涉场中产生亮暗交替 的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹获取被测量的有关信息【2 0 】。 2 1 2 2 阴影法 由傅科( f o u c a u l t ) 所提出的刀口检验法和所有阴影技术在检验光学表面方面是 极其有用的。光学像差、衍射或变形的粗糙面可能使光线偏离原来的轨迹( 或可能使 波面发生变形) 。阴影法的基本概念是通过遮挡或变更这些位移的光线来测定光线的 横向位移。把遮拦物放在被检验光学表面透射或反射的光线所会聚的任意一个平面 上，即可遮挡或变更光线【1 2 】 2 i 】。 1 0 硕士论文 基于五棱镜扫描法的大口径光学准直系统出射波前的检测 2 1 2 3 光阑法 所有光阑检验法都包含这样一个基本概念，就是可以按照预定的方式在波面通过 的若干位置处对波面取样，当取样点之间保持一定关系时，就能够再现波面。这类方 法都是建立在纯几何光学原理基础上的。其前提是：当波面上的某一部分相对该处的 理想波面倾斜时，就会使光线聚焦在别的某一位置处，而不是在预定的焦点处，或者 是使光线与某一平面在别的某一位置处相交，而不是在从理想波面发出的光线与该平 面的相交处相交。反过来，通过确定区域光线上某平面的交点位置以及该交点位置与 理想波面所对应的交点位置间的差值，就能够求出波面上某一部分的倾斜误差。 2 1 2 4 星点检验法 星点检验法从概念上来讲可能在所有检验成像光学系统的方法中是最基本、最简 单的一种方法。检查由光学系统形成的点光源的像，并按照对理想像形状的偏离情况 来判断像的质量。原则上，这种检验可通过光电测量技术成为定量的，但是实际上在 车间里几乎总是使用直观和半定量的星点检验法。因此，要从中得到最好的结果还需 要大量的经验，尽管如此，这种检验技术在有经验的人手中是既迅速又可靠且灵敏度 很高，所以它仍是一个重要的检验技术。 2 1 2 5 全息法 全息法最有价值的应用之一是检验光学零件和光学系统。为了以后能再现和使用 波前，而把记录下来的波前有效地存 储在全息图上。正是由于全息术的存 储特性和延时特性才使全息术比其 它常规的干涉测量技术更有独特优 点。全息法是利用干涉原理将来自被 检光学元件和系统的光波波前以干 涉条纹的形式记录到介质上形成全 息图中作为判断像质的根据【2 2 】。 2 1 2 6 莫尔法 任何两组( 或多组) 几何线族的 叠合均能产生按新规律分布的莫尔 条纹。在莫尔测量术中，通常利用两 块光栅或光栅的两个像重叠产生莫 尔条纹，以获取各种被测量的信息。 莫尔测量技术具有适应范围广，方法 较简便，可直接获得全场信息，便于 应用光电接收和图像处理等优点，作 图2 2 1 五棱镜扫描法原理示意图 2 基十五棱镜扫描注的大【】径光学准直系统射波前的检测 颤士论立 为一种重要的实验方法得到了广泛的应用。 2 2 五棱镜扫描法的基本原理 如图22 1 所示，采用个质量较好的五棱镜和直线度高的导轨，将被测区域划分 成有限个子波前，利用一个小口径的五棱镜依次地测量并计算出各子波前的光斑质 心，得到各子波前的质心偏移后就可以计算出波面上各采样点的斜率，而这些斜率值 就是待测波面在采样点的阶导数值，再通过一重积分，就可求得待测波面【2 3 】。 2 3 五棱镜扫描法检测示意图 本课题研究五棱镜扫描法检测大口径光学准直系统的出射波前。利用五棱镜能使 光线折转9 0 ：的特性，采用五棱镜光束转向系统使激光束精确转向 ，激光束按扫描 路径依次扫描各波面采样点，用位置传感器p s d 对扫描的光斑探测，进行采集计算， 得到光斑质心坐标，然后通过a d 卡对数据进 亍采集，把质心坐标读入计算机，利用 m a t l a b 编制的界面程序，实时处理波面，显示拟合的波面图。其中，“精确地探测 各波面采样点的质心坐标”和“有效而精确的拟合算法”是本课题的关键。图231 是用 五棱镜扫描法测量大口径光学准直系统出射波前的简图。 口 锄 囤+ 一圉一圈 栅， 图2 3l 用五棱镜扫描法测量夫口径光学准直系统出射波前简图 硕士论文基于五棱镜扫描法的大口径光学准直系统出射波前的检测 2 4 五棱镜扫描法检测流程 6 5 0 n m 的单频半导体激光器输出激光，经过扩束 镜准直后成为激光平面波 1 r 调整置于导轨托台上的五棱镜，使激光转向后沿y 轴出射，通过五 棱镜激光转向系统，转向后的激光束按子波前布局依次扫描，直至 完成对整个大口径出射波前的扫描 1r 在激光束扫描的同时，用会聚透镜把激光光束光斑会聚到靶面 上，用a d 卡采集数据，并读入计算机 1 r 把数据读入计算机中用由m a t l a b 事先编制好的界面程序，先 根据每个子波前光斑质心的偏移量计算出每个子波前的平均波 前斜率，再据此拟合计算出波面，从而分析波面的情况和参 数，女n r m s ，p v 值等 图2 4 1 五棱镜法检测大1 2 1 径光学准直系统出射波前流程图 2 5 检测装置简介和参数设计 2 5 1 扫描转向系统 实验中，采用波长为6 5 0 n m ，功率为6 0 m w 的半导体激光器作为光源，其波长正好 落在p s d 光谱响应区相对灵敏的极值附近，因此是用于大口径光学准直系统出射波 前检测的理想光源。利用z y g o1 0 0 m m 口径的透镜和显微物镜构建准直系统对激光 光源进行准直，出射的光波为激光平面波。 扫描转向系统由高精度五棱镜和平直度很好的精密导轨组成。实验中，采用的导 轨长5 0 0 m m ，五棱镜棱长为8 r a m 。对于五棱镜尺寸的选择要在保证采样光束口径的 前提下，应尽量小，以增大采样范围，保证五棱镜每次扫描的都为平面波。虽然小尺 1 3 2 基于五棱镜扣描法的大口径光学准直系统 j 射波前的检测硕士论文 寸五棱镜的应用可以对待检光束进行更多更精确的采点，提高检验精度，但五棱镜的 大小受到待检光束照度的限制，五棱镜太小，采样光束太弱，不利于探测器的探测。 因此五棱镜的大小要根据实际情况权衡而定。 在用c c d 探测时，若五棱镜过小，则会造成严重的衍射，影响质心探测精度。由 于中央亮斑的半宽度为瓴= ( 2 a ) f ，a y 。= ( 2 b ) f ，因为要求质心，所以在程序编制 的时候要去掉衍射的次级大，只留下主极大。而用p s d 探测的是其上光斑的光能量中 心，中央主极大的光强最强，为光能量中心，即使五棱镜小也不会产生由于衍射而造 成不能测量的情况出现。 2 5 2 接收探测系统 接收探测系统由口径为5 5 m m ，焦距为5 5 0 m m 聚焦透镜、p s d 系统和a d 卡等组 成。本实验中采用位置敏感器p s d 代替c c d 来接收光斑，用p s d 可以直接得出光 斑质心坐标，无须再编程计算，减小了测量的工作量，提高了效率。 在该实验中，采用的是蚌埠市集成光电技术研究所生产的w 2 0 2 ( 2 d p s d ) 型 p s d ，其有效光敏面为1 5 1 5 m m ，分辨率为1 t m ，光谱响应范围为3 8 0 11 0 0 n m ，响 应时间为o 8 p s ，工作温度为一1 0 。c 一6 0 。c 。a d 卡采用北京中泰研创科技有限公司 生产的型号u s b 7 3 1 0 ，采样速度为1 0 0 k s 的采集模块。 2 5 2 1p s d 简介及其工作原理 位置敏感探测器( p s d ) 是一种基于横向光电效应的s i 光电器件，它是利用离子注 入技术制成的一种可确定光能量中心位置的特殊光敏二极管，有一维和二维两种，不 管一维还是二维，其基本构成和原理都是一样的。它的p n 结结构、工作状态、光电转 换机理与普通光电二极管类似，但它的工作原理与普通光电二极管完全不同，后者基 于p n 结或肖特基结的纵向光电效应，普通光电二极管通过光电流的大小反映入射光的 强弱，是光电转换和控制器件，而p s d 不仅是光电转换器，更重要的是光电流的分配器， 通过合理设置分流层和收集电流的电极，根据各电极上收集到电流信号的比例确定入 射光的位置【2 5 1 ，它以入射光斑在光敏面的位置为模拟信号输出，该信号只与光斑几何 重心有关，与光斑强度、分布、对称性和尺寸无关。 p s d 的几何分辨率远远高于c c d ，它能够连续检测光点位置，且具有频谱响应宽、 灵敏度高、响应速度快、信号处理简单、便于与微机接口等优点，其良好的瞬态响应 特性、紧凑的结构以及简单的处理电路备受工程界的青睐，在航空对接、振动测量、 精密尺寸测量、机器人定位系统、工业检测和监控、高能物理实验等领域，具有独到 之处和广泛的应用价值。 1 ) 横向电光效应 在半导体硅表面通过掺杂p 型层和n 型层形成面状的p n 结，并在敏感表面薄层电 1 4 硕。l ：论文 基于五棱镜手i 描法的人l j 径光学准直系统 i 射波前的检测 阻的线性均匀p 层边上引出收集光电流的电极。当入射光束落在光敏面上形成光点时， 光能将转换成穿过p n 结的光电流，光敏面的电阻使得光点位置距各电极的距离不同， 各电极收集到的电流强度也不同。不同强度光照射至i j p s d 光敏面上的不同位置，使半 导体内部电子一空穴对光生载流子浓度发生不同变化，电极之间流过的电流和电压也 随之变化，这种现象就是半导体的横向电光效应。p s d j 下是基于这一特性实现了对目 标位置的测量。 2 ) p s d 的光点特性分析 p s d 是连续型结构传感器，其分辨率取决于器件自身的噪声限和a d 转换的精度， 一般为微米量级。其原理为横向光电效应。然而，在实际应用中，理论上的光点变成 了具有一定大小的光斑，需要验证响应的位置量是光斑几何中心还是光强分布质心， 也即衍射统计中心。 当光照射：至i j p s d 敏感面上( 假设为p 型区表面) ，p s d 吸收辐射而在入射点产生 电子一空穴对。设g 为单位时间成功分离的电子一空穴对数密度；，为光通量密度， ，m 2 ：k 为比例系数；q 为量子效率；五为波长，m ，则有 g = i ：1 0k r l l d 2 ( 2 1 ) jr 粤= u q g ) h ( 2 2 ) 以 式中，为电流密度，单位为a m2 ，h 为p 区的厚度，单位为m 。 f 。为通过右极电流， f - f ，+ f r ， ( 2 3 ) 式中， 令 仁矾少以l 1 。 jjj 则，电流的幅值 x 2 甄d x j i j 2 l f ：，a x x l ( 2 4 ) 饥d x x g 。= 卜一 ( 2 6 ) u d x 可见，x g 。表示了光强分布的重，t s ，即是统计意义下的衍射中心。 铲乇( - 一等) 旺7 ， 由式可见，p s d 电流f 与光强分布重心工g 。成线性关系，测定的是光斑质心。可以看 5乙出 r 砣以州 矾 = 。 n 界边右左的斑 光为别分 砭 2 皋十五棱镜 i 描法的人u 符光学准直系统日t 波前的榆测埘! i j