摘要：径向哈特曼像质检测系统(RHTS)是一种新型的大口径光学检测系统，在室内不用大口径标准平面镜就可以实现光学系统的检测。目前，RHTS 存在测量时间长、图像采集数据量大、以及在测量过程中，温度、噪声等周围环境的不稳定因素对系统的测量结果影响严重等问题。在测量大口径光学系统的过程中，基于对该系统控制流程的分析，本文提出了动态测量控制方案，设计出满足该动态测量所需要的控制电路，并采用新的数据采集处理方法，实现了径向哈特曼的快速动态测量，减少了系统测量时间。
1 引 言
大型光学系统的像质检测方法中一般都需要与被检对象对应的大口径标准平面镜或平行光管;同时，大口径标准平面镜或平行光管制作难度高、制作周期长以及花费成本高，这些问题成为大口径光学系统检测技术的难点。五棱镜扫描检测技术采用平面分割的方法，克服了传统检测方法中的难点，在大口径光学系统检测领域有很好的应用前景。五棱镜扫描检测方法首先是由 Wetthauer 和 Brodhun 在 1920 年提出来的,用于检测望远镜主镜球差[1]。此后，这种方法被应用于检测斯密特相机光谱仪球差(1939 年和 1969 年)[1]。
1973 年，R.Brian Hooker 用五棱镜扫描检测方法用来检测抛物面反射镜波前误差，检测精度小于0.1 μm。直到近期[2]，先进光学制造技术和先进光学检测技术的迅速发展，五棱镜光学检测方法在检测规模上和检测精度上才有很大的提升，为光学检测领域开辟新的途径。2005 年，Arizona 大学 Optical Sciences Center开始研究用双五棱镜扫描方法测量 GMT 主镜的低阶像差和倾斜误差[3]。近期，Arizona 大学 StewardObservatory 和 College of Optical Sciences 正在合作制作新的基于五棱镜扫描探测的光学系统检测装置，用来检测25 m 大型望远镜(GMT)主镜的 7 个单元镜(8.4 m)的低阶像差和倾斜误差[4]。基于双五棱镜扫描的波前斜率探测方法采用二个五角棱镜分割被测对象全口径上波前信息，并通过波前复原算法获得被测对象的波前误差，目前，该方法在国内的研究还仅限于理论分析验证阶段和实验阶段[5-6]，例如北京理工大学研制的自基准哈特曼[5]能够实现通光口径为φ80 mm 的被测口径的检测。基于双五棱镜扫描的波前斜率探测方法的关键问题在于光路系统的设计、子孔径图像信息的准确提取、环形区域波前复原算法的研究、硬件电路上的保证以及误差因素的剔除等。
2 径向哈特曼波前检测系统原理介绍
径向哈特曼波前检测系统(RHTS)是中科院光电技术研究所研制的集光机电一体的光学检测系统，图1给出了大型主镜或望远镜系统的检测示意图。该系统采用二个五角棱镜实现基准光源入射的小口径平行光束在被测全口径上的二维扫描。每个采样位置点确定一个子孔径，并在被检系统焦面上产生光斑，通过探测光斑位置移动的径向分量，可获得被检口径在各采样子孔径位置的局部径向斜率，经波前复原算法可求出被检望远镜的波前误差。图2 给出了一种环形子孔径的排布方式，其中子孔径数 SM=126，扫描周期数(0°~359°或359°~0°为一个扫描周期，扫描周期数也即子孔径排布圈数)SNT=7。
整个系统装置分为几个组成部分：1) 光源分系统(包括 He-Ne 激光器、滤光片、准直透镜);2) 双五棱镜二维扫描分系统;3) 被检对象;4) 径向波前斜率探测分系统;5) RHTS 控制分系统(PC)。双五棱镜二维扫描分系统中，五棱镜P1与被测物镜的光轴方向固定，P2可以沿被检物镜径向方向平移，P1，P2组合可以绕光轴方向旋转。P1与 P2的主截面彼此平行，并于光轴的方向一致。由于当五棱镜的两个斜面夹角为 22.5°时，出射光与入射光夹角始终为 90°。因此，准直光通过一对五棱镜组后，出射光在主平面内，始终与入射光保持平行。通过移动 P2改变两个五棱镜间距，绕被测物镜光轴方向旋转五棱镜组，可以实现对五棱镜组步距范围内的任意口径大小的物镜或光学系统进行扫描。径向波前斜率探测部分由聚焦光路和支持硬件外触发的 CCD 相机组成。
RHTS 控制分系统实现对五棱镜二维扫描分系统的扫描控制，由于扫描分系统是由高负载的精密机械装置与精密光学装置构成，因此要求控制系统能够实现对扫描装置的高定位精度以及低速稳定扫描控制。目前，RHTS 采用间歇式扫描工作方式，存在测量时间长、图像采集数据量大、以及在测量过程中周围环境的不稳定因素对系统的测量结果影响严重等问题。
本文针对 RHTS 测量时间长的问题提出了一种新的基于 DSP 的动态测量控制方案，该方案以扫描周期为单位，扫描机构对每周期子孔径进行连续动态扫描，并实时检测子孔径的位置，当五棱镜 P2移动到设定子孔径位置时，外触发实现对子孔径焦面光斑图像的同步采集控制，并由主机进行光斑质心计算处理。每个扫描周期结束后，控制系统控制无棱镜 P2移动到下一个扫描周期子孔径的径向位置，并完成该周期的扫描检测。如此循环，直至最后一个周期测量结束。以图 2 所示子孔径排布为例，在第一个扫描周期内，同步触发 18 次，对应于子孔径 1-子孔径 18;第二个扫描周期内，同步触发次数 18 次，对应于子孔径 19-子孔径 36;在所有总的扫描周期内同步触发次数与子孔径数目相同。动态测量控制方式下，RHTS 扫描机构的控制以扫描周期为单位，系统总的测量时间与系统扫描周期数相关，不直接受限于子孔径数目。并且该方案采用预置子孔径，DSP 独立完成对扫描机构的连续扫描、子孔径位置实时反馈以及外触发同步采集控制输出等方法，从硬件上保证了双五角棱镜机构的动态连续扫描与波前斜率测量的同步控制。本文重点介绍动态测量控制系统的硬件设计及数据同步采集和数据处理方面的情况。
3 控制系统介绍
图3 是 RHTS 的控制系统结构框图。PC 机通过运动控制器实现二轴电机的协调控制，其中步进电机通过传动系统控制旋转台，交流伺服电机通过精密丝杆控制平移台。控制器局部总线数据传输采用 PCI 总线标准，图4 为控制器内部模块图。扫描子孔径输出光束(五角棱镜 P2)的位置信息由两组安装在旋转台上的光栅编码器实时反馈输出。数据采集采用外触发图像采集卡，控制器通过同步传输线与采集卡连接，实现子孔径波前斜率信息的同步采样。整个系统测量控制流程如图 5 所示，子孔径位置和系统工作参数通过 PCI 局部总线预置入硬件控制器中，DSP 处理单元完成硬件的执行——包括扫描机构的连续扫描和子孔径位置的实时反馈，以及外部数据采集的同步输出控制。
3.1 硬件控制介绍
控制器电路分为几个模块：PCI-主机通信模块、DSP 数据处理模块、CPLD 数字逻辑处理模块、外围信号处理模块。PCI-主机通信模块采用 PCI 桥接芯片 PCI9054 与主机连接，通过局部总线的逻辑变换，与主机实现数据通信。DSP 数据处理模块采用TI 公司的高性能运动控制芯片 TMS320LF2407A，主要完成：位置捕获、位置控制、速度控制、轨迹规划;双口 RAM 用来存放哈特曼子孔径的位置信息，每次工作都需要预置入对应子孔径排布文件;位置信息用极坐标(ρ，θ)方式表示;其中 ρ 为子孔径中心点的径向离心距，θ 为子孔径中心点的角度值。CPLD 数字逻辑处理模块完成光栅编码器返回信号的捕获、倍频、位置捕获、基本的数字接口电路和 I/O 口管理。外围信号处理模块实现光栅编码信号的处理[7]，包括信号放大、波形变换、整形滤波、细分倍频、长线输出以及同步输出等处理。
3.2 扫描控制特性
动态测量控制方式下，系统总的测量时间与系统扫描周期数相关，不直接受限于子孔径数目。为了减小系统总的测量时间，实现快速扫描，就必须提高系统单个扫描周期内的扫描速度，同时保证子孔径的定位误差在允许范围内。
数据采集环节采用并行同步控制，并且数据是连续多帧采集并由主机进行质心计算处理，因此，数据同步采集环节存在采样时延。采样时延将引入子孔径位置误差，可以用极坐标( ρ， θ)表示，其中ρ 为径向位置误差， θ 为角向位置误差。对于平移台，每个周期内径向位置误差 ρ 恒定，且由平移台的定位精度决定;对于旋转台，角向定位误差主要受几个因素影响：旋转台绝对定位精度、旋转台角速度及单子孔径最大采样时延;三者之间的关系：
其中：θmax为角向最大定位误差; T 为最大采样时延;图6 给出了不同定位误差下，最大采样时延与最大角速度特性曲线。实际中，选取角向最大定位误差 θmax=0.5°，误差最大时延T=0.2s，旋转台最大角速度ωmax=2.6 °/s。
4 同步采集与数据处理
数据采集环节采用连续多帧采集并实时处理，因此，数据同步采集环节存在采样时延。子孔径最大采样时延 T 受几个因素影响：第一帧图像同步采样时延T0(采用外同步，可以认为T0=0)、每帧图像采集时间Ta、第一帧图像数据处理时间 Tb1，第一帧之后每帧图像数据处理时间 Tb以及采样帧数 N;式(2)给出了最大采样时延与系统采样帧数之间关系：
图像采集时间Ta受限于CCD 相机的帧频和数据传输延迟，选用高帧频的 CCD 相机以及合适的采样帧频可以减少Ta;每帧数据均采用全窗口数据处理时，及每帧数据处理时间相同 Tb1= Tb;采用小窗口数据处理，及第一帧图像采用全窗口处理，处理时间Tb1，第2 帧至第 N 帧数据采用小窗口数据处理，处理时间Tb1;数据处理时间 Tb1、Tb由计算机性能以及数据处理方法共同决定;
同等数据处理条件下，采用小窗口数据方法可以减小第2 帧至第 N 帧数据处理时间 Tb。小窗口数据处理方式下，全窗口的大小为L×M=680×568 像素单位，小窗口即我们用来做质心计算的窗口大小为 L× M像素单位。根据光斑质心的定义，可以写出小窗口模式下离散采样光斑质心计算公式 ：
其中：(Xo，Yo)为窗口的左上角绝对坐标，相对坐标(0，0); xk， ym分别为窗口内部 CCD 各单元的相对坐标，也即相对于窗口左上角(Xo，o)的相对坐标，实际坐标为(Xo+ xk，Yo+ ym)，Pk,m为窗口内部第(k，m)CCD 单元接受的光强。这样每次仅计算有效窗口内的相对质心位置( x， y)即可得到光斑的实际质心位置为(Xo+ x，Yo+ y)。在采样间隔短，光斑移动缓慢的情况下，仅通过计算小窗口单元像素就可以获得光斑的质心位置。
小窗口模式下，全窗口 L×M=680×568，Tb1=0.018～0.02 s;图7 给出了孔径数 SM=126，同等数据处理条件下，不同窗口模式与质心数据总的处理时间损耗特性。经过平均化处理，可以得到，小窗口 L× M=500×500，Tb=0.016～0.02 s;小窗口L× M=100×100，Tb=0.001～0.002 s;可以看出，同等条件下，采用小窗口模式可以适当减少数据处理时间，若想从根本上减小Tb，必须提高计算机的处理速度。
针对图2 所示子孔径排布，选取最大时延 T=0.2 s，CCD相机帧频25 Hz，Ta=0.04 s，取小窗口L× M=100×100，由式(1)可知：最大角速度ωmax=2.6°/s，N≤4;由速度转换公式 t=θ/ω可以得出，单周期扫描时间138 s，总测量时间估计约 16 min;实际中，不同扫描周期，由于平移台的径向移动以及旋转台的低速启动与低速制动控制，系统总测量时间为 19 min;比间歇式扫描工作方式测量时间45 min 减少1/2 时间。
5 结 论
基于DSP 的动态测量控制方案有效减小了系统总的测量时间，该方法突出的优点是采用预置子孔径，DSP 独立控制以及 CCD 并行同步采集与实时处理，并且系统总的测量时间不再直接受限于子孔径数目，而与扫描周期数相关;RHTS 在连续扫描动态测量工作方式下，减少原工作方式 1/2 的测量时间。
参考文献：
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[2] Brian Hooker R. Automatic Wavefront Error Sensor [J]. APPLIED OPTICS，1973，12(4)：865-871.
[3] Proteep C V Mallik，Chunyu Zhao，James H Burge. Measurement of a 2-meter flat using a pentaprism scanNIng system [J].Optical Engineering，2007，46(2)：023602-1-023602-9.
[4] Burge J H，Kot L B，Martin H M，et al. Alternate surface measurements for GMT primary mirror segments [J]. SPIE，2006，6273：62732T.
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[7] 叶盛祥. 光电位移精密测量技术 [M]. 成都：四川科学技术出版社，2002.YE Sheng-xiang. Precision Measure Technology for Photoelectrical Displacement [M]. Chengdu：Sichuan PublishingHouse of Science & Technolgy，2002.
作者简介：杨俊涛(1982-)，男(汉族)，河南渑池人，硕士研究生，主要从事检测技术与自动化方向。E-mail：etao00@gmail.com
