本發明涉及光學應用技術領域，特別是涉及一種平面鏡面形檢測系統及方法。

背景技術：

在深空探測應用中，光學系統采用大口徑鏡片，比如目前構建的三十米望遠鏡，其使用鏡片由492塊對角線為1.4米的子鏡構成。大口徑鏡片裝調難度也較大。

在裝調中，先對平面鏡子鏡進行面形檢測，而后根據面形進行拼接和裝調，然而由于平面鏡自身不具有光線匯聚功能，使其面形檢測也十分困難，現有技術中是采用等口徑的平面干涉儀對其進行面形檢測，但大口徑平面干涉儀成本較高，在實際檢測中并不實用。

技術實現要素：

本發明提供一種平面鏡面形檢測系統及方法。可實現對大口徑平面鏡的低階面形檢測，與現有方法相比更為實用。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種平面鏡面形檢測系統，包括點光源探測裝置和定位裝置；

所述點光源探測裝置，用于向鏡面產生直徑在預設范圍內的、與鏡面垂直的準直光束，并采樣由鏡面返回的反射光束的波前斜率；

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

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

可選地，在所述機械臂的頂端設置有用于安裝所述點光源探測裝置的接口。

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

可選地，所述激光跟蹤測量裝置包括：

設置在所述點光源探測裝置上的反射靶球，用于反射由測量裝置發出的測量光束；

所述測量裝置，用于向所述反射靶球發出測量光束，并接收反射回的光束以測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方法，包括：

控制點光源探測裝置在鏡面預設位置采樣數據，所述點光源探測裝置用于向鏡面產生直徑在預設范圍內的、與鏡面垂直的準直光束，并采樣由鏡面返回的反射光束的波前斜率；

根據所述點光源探測裝置的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率，計算獲得鏡面的低階面形。

可選地，所述控制點光源探測裝置在鏡面預設位置采樣數據包括：

控制點光源探測裝置在鏡面沿預設方向掃描，在掃描中所述點光源探測裝置在預設位置采樣數據。

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

或者，以直角坐標系描述所述點光源探測裝置的掃描路程，控制所述點光源探測裝置分別沿X軸、Y軸掃描。

可選地，所述根據所述點光源探測裝置的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率，計算獲得鏡面的低階面形包括：

波前以離散指數基底表示為：

Φ(m,n)＝∑a_uvW_uv(m,n) (1)

其中，a_uv表示基底擬合系數，W_vu(m,n)表示離散指數基底；對于N×N的采樣孔徑，N表示采樣點數，m、n為整數；

離散指數基底W_uv(m,n)的表達式為：

對波前某一方向求導，得到波前斜率表示為：

Φ'(m,n)＝∑a_uvW_uv'(m,n) (2)

并具有如下表達式：

或者，

通過公式(2)求得基底擬合系數a_uv，再根據公式(1)計算獲得波前輪廓。

由上述技術方案可知，本發明所提供的平面鏡面形檢測系統及方法，其中系統包括點光源探測裝置和定位裝置。通過控制點光源探測裝置在鏡面預設位置采樣數據，點光源探測裝置向鏡面產生與鏡面垂直的準直光束，并采樣由鏡面返回的反射光束的波前斜率，由定位裝置定位點光源探測裝置的采樣位置，從而根據點光源探測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算獲得鏡面的低階面形。

本發明平面鏡面形檢測系統及方法，能夠實現對大口徑平面鏡低階面形的檢測，與現有方法相比更為實用，檢測方法更易操作。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種平面鏡面形檢測系統的示意圖；

圖2為本發明又一實施例提供的一種平面鏡面形檢測系統的示意圖；

圖3為本發明實施例提供的一種平面鏡面形檢測方法的示意圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明保護的范圍。

本發明實施例提供一種平面鏡面形檢測系統，可參考圖1，包括點光源探測裝置10和定位裝置11；

所述點光源探測裝置10，用于向鏡面產生直徑在預設范圍內的、與鏡面垂直的準直光束，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，用于定位所述點光源探測裝置在鏡面的采樣位置，以根據所述點光源探測裝置的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率計算得到鏡面的低階面形。

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

由定位裝置11控制點光源探測裝置10在鏡面采樣，根據點光源探測裝置10在鏡面的采樣位置，以及點光源探測裝置10在各位置處采樣的波前斜率計算獲得鏡面的低階面形。

在鏡面檢測中，鏡面完整面形的低階數據蘊含在離散孔徑的數據之中，因此可檢測鏡面離散孔徑的數據，利用離散孔徑的檢測數據，來計算得到整個孔徑的低階面形數據，本實施例系統就是基于此思想對平面鏡進行面形檢測，通過獲得鏡面離散孔徑的斜率數據，基于斜率數據獲得平面鏡的低階面形，應用于對大口徑平面鏡的初期裝調。

可以看出，本實施例平面鏡面形檢測系統，能夠實現對大口徑平面鏡的低階面形檢測，與現有采用大口徑平面干涉儀檢測面形的方法，成本低相比更為實用，并且該檢測系統操作簡單易行。

下面結合具體實施方式對本實施例平面鏡面形檢測系統作進一步說明。

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

定位裝置11可采用機械臂，由機械臂連接所述點光源探測裝置10，控制并定位所述點光源探測裝置10在鏡面的采樣位置。

具體可在機械臂的頂端設置有用于安裝所述點光源探測裝置10的接口。在檢測應用時，將點光源探測裝置10安裝在機械臂頂端，通過伸展機械臂將點光源探測裝置10伸到平面鏡鏡面，由點光源探測裝置10在鏡面采樣，并定位其采樣位置。

優選的，可參考圖2，在本實施例平面鏡面形檢測系統的一種實施方式中，還包括激光跟蹤測量裝置12，用于定位所述點光源探測裝置10在鏡面的采樣位置。激光跟蹤測量裝置12是一種精度較高的三維坐標測量裝置，相比于機械臂，通過激光跟蹤測量裝置12可以實現對點光源探測裝置位置更為精確的控制和定位。

具體的，激光跟蹤測量裝置12包括：

設置在所述點光源探測裝置上的反射靶球，用于反射由測量裝置發出的測量光束；

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

反射靶球設置在點光源探測裝置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、表面質量高，用于安裝反射靶球可以滿足使用要求。測量裝置由支座安裝。

點光源探測裝置10由機械臂及激光跟蹤測量裝置控制定位，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，可以使點光源探測裝置在五個自由度上進行測量，可滿足多種測量要求。

相應的，本發明實施例還提供一種平面鏡面形檢測方法，可參考圖3，包括步驟：

S20：控制點光源探測裝置在鏡面預設位置采樣數據，所述點光源探測裝置用于向鏡面產生直徑在預設范圍內的、與鏡面垂直的準直光束，并采樣由鏡面返回的反射光束的波前斜率。

在檢測過程中，可控制點光源探測裝置在鏡面沿預設方向掃描，在掃描中所述點光源探測裝置在預設位置采樣數據。

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

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

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

在掃描中如果采樣位置較為密集，可得到較為精細的面形。在實際檢測應用中，在檢測初期可使用較為稀疏的采樣，隨著測試的深入，可使用更加密集的采樣。

S21：根據所述點光源探測裝置的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率，計算獲得鏡面的低階面形。

基于波前斜率信息重構波前分為區域法和模式法，對于區域法，由于誤差的累積效應會影響最后的精度，故本實施例中使用模式法進行重構。具體為：

波前以離散指數基底表示為：

Φ(m,n)＝∑a_uvW_uv(m,n) (1)

其中，a_uv表示基底擬合系數，W_vu(m,n)表示離散指數基底；對于N×N的采樣孔徑，N表示采樣點數，m、n為整數；

離散指數基底W_uv(m,n)的表達式為：

對波前某一方向求導，得到波前斜率表示為：

Φ'(m,n)＝∑a_uvW_uv'(m,n) (2)

并具有如下表達式：

或者，

通過公式(2)求得基底擬合系數a_uv，再根據公式(1)計算獲得波前輪廓。

根據奈奎斯特，空間頻率最多可以達到采樣頻率的一半，通過控制采樣頻率即可控制檢測頻率范圍與時間效率。

利用此方法不僅可以由二維功率譜簡單地得到其一維坍陷形式并可以通過設置環帶數量控制功率譜的分辨率。對于實際的實驗分析與工程應用都是十分有利的。

本實施例平面鏡面形檢測方法，通過采樣鏡面各位置的波前斜率，根據點光源探測裝置的采樣位置以及在各位置處采樣獲得的波前斜率進行波前重構，獲得鏡面的低階面形。本實施例平面鏡面形檢測方法，實現了對大口徑平面鏡的低階面形檢測。

本實施例平面鏡面形檢測方法，可應用在各種工況下，包括鏡面向下，實現大口徑平面鏡的低階面形檢測。

以上對本發明所提供的一種平面鏡面形檢測系統及方法進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。