0 引 言
在对大口径光学系统的检验中,干涉检验需要一个大口径标准面,制造相当困难;而哈特曼检验和哈特曼-夏克检验,都需要与被测光学系统口径相当的平行光管,而大口径的平行光管的制造更困难。对于大于1m口径的天文望远镜和卫星相机,则需要利用自然星作为标准点目标,但存在受自然条件限制、不能全天候工作的缺点。
鉴于以上几个方案的困难所在,北京理工大学的曹根瑞教授等人针对当前光学检验的特殊性,提出了一种基于波前径向斜率测量原理的新型哈特曼波前传感器[1],其突出优点和特点是毋需任何外部信标提供工作基准。本文采用这种径向斜率哈特曼波前测量原理研制了波前测量装置。
1 哈特曼径向斜率波前传感器的工作原理
图1所示为哈特曼径向斜率波前传感器的光路图。根据哈特曼离散采样原理采样子孔径内的光束可近似为平面波,由CCD探测到的光斑的坐标经径向投影,再利用公式 W(ρ,θ)/ ρ= c/f,即可求得波面采样点处的径向斜率平均值。式中,W(ρ,θ)表示波面的波像差,ρ为极坐标径向分量,θ为幅角。f为CCD物镜焦距,c为爱里斑质心坐标的径向偏离量。哈特曼径向斜率法经过离散采样被测波面,记录下整个波面各采样点处的径向斜率值,舍去切向斜率值,再利用泽尼克径向斜率多项式对测得的径向斜率数据作最小二乘拟合,求出被测波前的泽尼克系数和波面畸变值[2]。
2 二维扫描机构
为实现整个光瞳的采样,应有一套二维的机械扫描机构。常用的二维扫描方式采用二维线性移动机构,但其结构庞大,往复运动带来冲击较大,扫描速度也比较慢,很难实现采样点的极坐标扫描。另外还可以采用转台加线性移动机构,但是线性移动的驱动电机电源需通过导电环供给,可靠性稍差;加之其电路复杂、电缆线多,也不理想。
为此,本文提出一种转台加摩擦线性移动机构,如图2所示。线性移动机构没有电机和电源,径向移动由摩擦轮与法兰盘上局部摩擦条摩擦提供动力。摩擦轮与摩擦条接触时,产生转动,在输出端由齿形带拖动扫描五棱镜径向移动,具有结构简单、体积小、重量轻等特点。采样点的位置精度与被测波前的斜率大小有关,由于本系统属于小波像差系统,因此对采样点的径向位置精度要求不高,径向移动使用摩擦传动能够满足精度要求。
扫描过程采用连续扫描方式,扫描五棱镜每转动30°角采集一幅图像。采集图像时,扫描五棱镜不停止。每圈当完成12幅图像采集后,摩擦轮与法兰盘上的摩擦条接触,扫描五棱镜沿径向移动,到达下一圈的采集位置。摩擦过程转动台转动的角度为12°,在此角度间隔内不进行图像采集,如图3所示。由于采用连续扫描方式,采集图像时,扫描五棱镜不停止,采集过程共需要3分10秒。有效采集过程需要9圈,共采集108幅图像。由分析可知[3],采样数据对拟合是充足的。
3 电路设计
波前传感器采用极坐标方式对波面进行采样,即对被测波面进行等角度间隔采样,因此,需对转台进行转角测量或转角定位。本系统中转台连续匀速转动,定时采集CCD图像,以实现等角度间隔采集。在转台奖速转动的前提下,此方案最为简单,几乎不增加重量,连线和控制也很简单,耗能最少。由于采用定时采集的方式,需要在法兰盘上设置一个位置传感器作为位置基准,并发出计时脉冲。扫描臂每转一圈,进行一次时钟清零,以减小定时器的积累误差。系统框图如图4所示。
位置传感器使用霍尔传感器。霍尔传感器属于非接触传感[4],体积较小,电路简单,可以嵌在法兰盘内。在扫描臂的摩擦轮中心安装一块小磁铁,扫描臂每转一圈,霍尔传感器触发一次。装置中使用的A44E属于单极性霍尔传感器,它仅对磁铁的一种极性有响应,而对另一种极性则没有响应,因此在扫描机构上安装小磁铁时,一定要注意磁极的方向。
波前传感器的扫描装置采用直流伺服电机驱动,直流伺服电机通过伺服放大器进行转速、电流双闭环控制,转速平稳,能够满足扫描的要求。计算机通过串口向电机控制器发送正、反转和启动、停止命令[5]。高帧频CCD相机的快门时间设为2·5ms。系统允许的角度误差为0.2°,转台旋转一周的时间为19s,快门时间内转动的角度约为0·02°,满足要求。在快门时间内CCD上光斑移动的距离约为0.005个像元,而质心探测的分辨率为0.05个像元,光斑移动产生的误差可以忽略。所以在该转速条件下,快门时间合理,而且曝光量也能满足要求,信噪比较高,不致产生运动模糊。
4 实验结果
(1)波前探测精度
用自基准哈特曼波前传感器对一个口径Φ300mm相机与Zygo干涉仪进行测试比对。Zygo干涉仪和自基准哈特曼波前传感器的测试结果分别如图5、图6和表1所示。
表1的数据可以看出,自基准哈特曼波前传感器所测得的pv值比干涉仪小,rms值比干涉仪大。原因是Zygo干涉仪直接测量等厚干涉条纹,空间分辨率很高,波前的梯度较大时,仍能测量。哈特曼法将所测的波前斜率积分运算得到波面形状,原理上具有平滑作用。此外,采样点远少于Zygo干涉仪,空间分辨率较低。当波面梯度较大时,由于平滑使用使pv值降低,rms却可能增大。由表1得出两种测量方法rms的测量精度(rms)达到λ/15。
(2)波前传感器测量重复性(见表2)。
(3)波前探测时间
波前数据采集时间3分10秒,数据处理时间1分,波前探测时间总计4分10秒。
5 结 论
本文采用自基准哈特曼传感器工作原理,无需另外提供检测基准就可以对光学系统像质进行检测,省去大口径标准面或大口径平行光管,也无需用自然星作点目标。扫描机构快速无冲击,简单、稳定、可靠。该方法可用于大口径光学成像系统的像质检测。实际达到精度λ/15(rms),重复精度0.031λ(rms)。
参考文献:
[1] Su P, Yu Y Zhu Q D, et al. A self-referenced Hartmann testing:radial slope testing[J]. Adaptive Optics and ApplicationⅡ, SPIE,2002, 4926:140—145.
[2]张志涌,等.掌握和精通MATLAB[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1997.
[3]曹根瑞,等.一种新型的自基准哈特曼波前传感器[J].光电工程,2004,(4).
[4]卢文科,等.霍尔元件与电子检测应用电路[M].北京:中国电力出版社,2005.
[5]范逸之,陈立元. Visual Basic与RS-232串行通信控制[M].北京:清华大学出版社,2002.
作者简介:刘春阳(1979-),男,河北省人,北京理工大学硕士研究生,从事光学仪器研究。
E-mail:neverf4@hotmail.com
