CN106596057A - 一种大口径反射镜组件的面形检验方法 - Google Patents

一种大口径反射镜组件的面形检验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大口径反射镜组件的面形检验方法，属于光学精密测量技术领域。反射镜组件中的反射镜镜面朝上，用干涉仪测量反射镜组件中反射镜的面形数据W0(m×n)，反射镜组件中的反射镜镜面朝下，用干涉仪测量反射镜组件中反射镜的面形数据W180(i×j)；将W0(m×n)和步W180(i×j)进行面形数据矩阵归一化处理，得到F0(a×b)＝Wa×b+G0(a×b)+Ka×b和F180(a×b)＝Wa×b+G180(a×b)+Ka×b，将归一化处理后的面形数据F0(a×b)和F180(a×b)进行图像叠加，消除重力变形，得到反射镜零重力面形数据F＝(F0(a×b)+F180(a×b))/2＝Wa×b+Ka×b，如果F与Wa×b的差值Ka×b的均方根值不大于0.003λ(λ＝632.8nm)，认为反射镜组件的装配符合要求，如果F与Wa×b的差值Ka×b的均方根值大于0.003λ，认为反射镜组件的装配不符合要求，需重新对反射镜组件重新进行装配。

Description

一种大口径反射镜组件的面形检验方法
技术领域
本发明涉及一种大口径反射镜组件的面形检验方法，属于光学精密测量技术领域，该方法用于检测反射镜组件的装配是否符合要求，所述的大口径是指反射镜的口径为Ф800mm-Ф1200mm。
背景技术
大口径光学零件bipod离散支撑结构具有装配简单的，力学边界条件简单等优点，但是缺点就是光学组件在重力环境下变形较大，而最终光学组件的波前面形检测结果，往往包含了光学零件原始面形、重力变形、装配应力变形等多因素干扰融合的结果，且由于重力变形误差较大，装配应力变形误差会被淹没在重力误差中，导致无法准确判断装配精度。
由于光学遥感器多数为在地面装调，在轨使用，地面装调时，重力造成的测试误差，在轨后会自动消失。因此，光学遥感器地面装调时，关键是要把装配应力误差与重力误差区分开，并严格控制装配应力误差，将其影响程度控制在技术要求范围内。
针对大口径反射镜重力误差去除测试的问题，国内学者提出了大口径空间反射镜裸镜阶段的卸载的方法，通过特殊支撑结构对其重力进行卸裁，严格控制支撑力引入的反射镜变形，满足反射镜高精度面形检测的要求，具体可参考2011年06期《应用光学》的《大口径空间反射镜高精度面形检测的支撑技术研究》一文，或者2003年《中国空间科学学会空间探测专业委员会第十六次学术会议论文集》中的《轻型高分辨率相机卸载技术研究》一文。通过其测试方法可以看出，这些方法的不足之处在于测试精度受制于卸载结构，重力变形不能完全消除，而且不适合反射镜组件装配阶段的零重力面形测试。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大口径反射镜组件的面形检验方法，为大口径离散支撑反射镜装调测试阶段的零重力面形测试提供了合理的工程实施方法，且测试方法简单不包含仿真分析及计算误差，提高了零重力面形测试精度。
本发明的技术解决方案是：
一种大口径反射镜组件的面形检验方法，其特征在于：反射镜组件包括反射镜、六个支腿和支撑板，待测试的反射镜与六个支腿通过胶粘固定连接在一起，且六个支腿与支撑板固定连接在一起；
该测试方法使用的装置包括测试塔、折镜、补偿器和干涉仪；从干涉仪发出的球面波前光束或平面波前光束通过补偿器的补偿后非球面波前光束后到达折镜上，光束通过折镜的折射后到达反射镜上，光束通过反射镜后原路返回到干涉仪上形成干涉条纹；
所述的测试塔包括顶部支撑平台和侧板，顶部支撑平台上有能够使反射镜以及六个支撑腿通过且不能使支撑板通过的通孔；其中一个侧板上带有通孔，用于干涉仪发出的光束的通过；
当反射镜的镜面朝上时，顶部支撑平台用于支撑折镜、补偿器和干涉仪，顶部支撑平台、侧板和地面围成的空腔用于盛放反射镜组件；干涉仪、补偿器、折镜从右向左放置在测试塔的顶部支撑平台上，反射镜组件放置在测试塔的内部；
当反射镜的镜面朝下时，反射镜组件中的反射镜和六个支撑腿穿过顶部支撑平台上的通孔并通过支撑板进行限位在顶部支撑平台上；折镜和补偿器从左至右放置在由顶部支撑平台、侧板和地面围成的空腔内，干涉仪放置在测试塔外面，且干涉仪发出的光束能够通过侧板上的通孔传输到补偿器上；
该方法的步骤包括：
(1)反射镜组件中的反射镜镜面朝上，用干涉仪测量反射镜组件中反射镜的面形数据W0(m×n)，且W0(m×n)＝Wm×n+G0(m×n)+Km×n；其中，Wm×n为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wm×n为已知值，G0(m×n)为重力面形数据，G0(m×n)为未知值，Km×n为装配误差面形数据，Km×n为未知值；
(2)反射镜组件中的反射镜镜面朝下，用干涉仪测量反射镜组件中反射镜的面形数据W180(i×j)，且W180(i×j)＝Wi×j+G180(i×j)+Ki×j；其中，Wi×j为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wi×j为已知值，G180(i×j)为重力面形数据，G180(i×j)为未知值，Ki×j为装配误差面形数据，Ki×j为未知值；
(3)将步骤(1)得到的面形数据W0(m×n)和步骤(2)得到的面形数据W180(i×j)进行面形数据矩阵归一化处理，得到归一化处理后得到反射镜组件中的反射镜镜面朝上时的面形数据F0(a×b)＝Wa×b+G0(a×b)+Ka×b和反射镜组件中的反射镜镜面朝下时的面形数据F180(a×b)＝Wa×b+G180(a×b)+Ka×b，Wa×b为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wa×b为已知值；G0(a×b)为反射镜组件中的反射镜镜面朝上时，归一化处理后的重力面形数据；G180(a×b)为反射镜组件中的反射镜镜面朝下时，归一化处理后的重力面形数据；
(4)将步骤(3)得到的归一化处理后的面形数据F0(a×b)和F180(a×b)进行图像叠加，消除重力变形，得到反射镜零重力面形数据F＝(F0(a×b)+F180(a×b))/2＝Wa×b+Ka×b，如果F与Wa×b的差值Ka×b的均方根值不大于0.003λ(λ＝632.8nm)，认为反射镜组件的装配符合要求，如果F与Wa×b的差值Ka×b的均方根值大于0.003λ，认为反射镜组件的装配不符合要求，需重新对反射镜组件进行装配。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)为大口径离散支撑反射镜组件的零重力面形测试提供了更为简单的工程实施方法；
(2)不需要力学仿真数据支持，不会引入额外的仿真计算误差。
(3)测试结果不包含重力变形误差，为准确定位装配应力误差提供了客观技术基础。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图；
图2为反射镜镜面向上时的装置的结构示意图；
图3为反射镜镜面向下时的装置的结构示意图；
图4为仿真数据图。
具体实施方式
一种大口径反射镜组件的面形检验方法，主要针对于大口径反射镜和bipod结构之间进行注胶定位装配成离散支撑组件后零重力面形的测试，即待测试的反射镜与六个支腿通过胶粘固定连接在一起，且六个支腿与支撑板固定连接在一起，反射镜、六个支腿以及支撑板组成反射镜组件5；该测试方法使用的装置包括测试塔4、折镜3、补偿器2和干涉仪1；从干涉仪1发出的球面波前光束或平面波前光束通过补偿器2的补偿后非球面波前光束后到达折镜3上，光束通过折镜3的折射后到达反射镜上，光束通过反射镜后原路返回到干涉仪1上形成干涉条纹；
所述的测试塔4包括顶部支撑平台和侧板，顶部支撑平台上有能够使反射镜以及六个支撑腿通过且不能使支撑板通过的通孔；其中一个侧板上带有通孔，用于干涉仪1发出的光束的通过；
当反射镜的镜面朝上时，顶部支撑平台用于支撑折镜3、补偿器2和干涉仪1，顶部支撑平台、侧板和地面围成的空腔用于盛放反射镜组件5；干涉仪1、补偿器2、折镜3从右向左放置在测试塔4的顶部支撑平台上，反射镜组件5放置在测试塔4的内部；
当反射镜的镜面朝下时，反射镜组件5中的反射镜和六个支撑腿穿过顶部支撑平台上的通孔并通过支撑板进行限位在顶部支撑平台上；折镜3和补偿器2从左至右放置在由顶部支撑平台、侧板和地面围成的空腔内，干涉仪1放置在测试塔4外面，且干涉仪1发出的光束能够通过侧板上的通孔传输到补偿器2上；
该方法的步骤包括：
(1)反射镜组件5中的反射镜镜面朝上，用干涉仪1测量反射镜组件5中反射镜的面形数据W0(m×n)，且W0(m×n)＝Wm×n+G0(m×n)+Km×n；其中，Wm×n为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wm×n为已知值，G0(m×n)为重力面形数据，G0(m×n)为未知值，Km×n为装配误差面形数据，Km×n为未知值；
(2)反射镜组件5中的反射镜镜面朝下，用干涉仪1测量反射镜组件5中反射镜的面形数据W180(i×j)，且W180(i×j)＝Wi×j+G180(i×j)+Ki×j；其中，Wi×j为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wi×j为已知值，G180(i×j)为重力面形数据，G180(i×j)为未知值，Ki×j为装配误差面形数据，Ki×j为未知值；
(3)将步骤(1)得到的面形数据W0(m×n)和步骤(2)得到的面形数据W180(i×j)进行面形数据矩阵归一化处理，得到归一化处理后得到反射镜组件5中的反射镜镜面朝上时的面形数据F0(a×b)＝Wa×b+G0(a×b)+Ka×b和反射镜组件5中的反射镜镜面朝下时的面形数据F180(a×b)＝Wa×b+G180(a×b)+Ka×b，Wa×b为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wa×b为已知值；G0(a×b)为反射镜组件5中的反射镜镜面朝上时，归一化处理后的重力面形数据；G180(a×b)为反射镜组件5中的反射镜镜面朝下时，归一化处理后的重力面形数据；
(4)将步骤(3)得到的归一化处理后的面形数据F0(a×b)和F180(a×b)进行图像叠加，消除重力变形，得到反射镜零重力面形数据F＝(F0(a×b)+F180(a×b))/2＝Wa×b+Ka×b，如果F与Wa×b的差值Ka×b的均方根值不大于0.003λ(λ＝632.8nm)，认为反射镜组件(5)的装配符合要求，如果F与Wa×b的差值Ka×b的均方根值大于0.003λ，认为反射镜组件5的装配不符合要求，需重新对反射镜组件5进行装配。
一种能够实现大口径离散支撑反射镜组件重力误差去除测试方法，利用大口径离散支撑反射镜组件在重力场作用下反射镜变形为弹性形变，且该形变在镜面竖直向上和竖直向下测试时数值相同、相位相反的特点，通过对镜面竖直向上和竖直向下的获得面形测试图像，而后对不同矩阵维数和中心位置的面形数据进行图形数据矩阵归一化，进而叠加平均图像，最后得到大口径离散支撑反射镜零组件重力下的面形。如图4有限元仿真结果所示，图4(a)为反射镜镜面竖直向上得到的仿真面形变形图，图4(b)为反射镜镜面竖直向下得到的仿真面形变形图，在不考虑其他外力的情况和裸镜面形的情况下，图4(a)和图4(b)仿真面形变形图数值相同、相位相反，相叠加得到图4(c)零重力仿真面形变形图。该方法从理论和仿真的角度考虑都是正确无误的。
本发明方法的流程如图1所示，测试原理图如图2、图3所示。本发明保持大口径反射镜离散支撑组件状态内部无变化，且反射镜发生的变形都在弹性形变范围内，具有可恢复性和可重复性。180°翻转测试反射镜组件，其重力造成的光学零件波前差在理论上相等，在位相上相反，通过图像一致化叠加，就可以有效去除重力影响，得到反射镜零重力面形。具体的方法流程如下：
(1)反射镜组件5中的反射镜镜面朝上，用干涉仪1测量反射镜组件5中反射镜的面形数据W0(m×n)，且W0(m×n)＝Wm×n+G0(m×n)+Km×n；其中，Wm×n为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wm×n为已知值，G0(m×n)为重力面形数据，G0(m×n)为未知值，Km×n为装配误差面形数据，Km×n为未知值；
(2)反射镜组件5中的反射镜镜面朝下，用干涉仪1测量反射镜组件5中反射镜的面形数据W180(i×j)，且W180(i×j)＝Wi×j+G180(i×j)+Ki×j；其中，Wi×j为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wi×j为已知值，G180(i×j)为重力面形数据，G180(i×j)为未知值，Ki×j为装配误差面形数据，Ki×j为未知值；
(3)将步骤(1)得到的面形数据W0(m×n)和步骤(2)得到的面形数据W180(i×j)进行面形数据矩阵归一化处理，得到归一化处理后得到反射镜组件5中的反射镜镜面朝上时的面形数据F0(a×b)＝Wa×b+G0(a×b)+Ka×b和反射镜组件5中的反射镜镜面朝下时的面形数据F180(a×b)＝Wa×b+G180(a×b)+Ka×b，Wa×b为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wa×b为已知值；G0(a×b)为反射镜组件5中的反射镜镜面朝上时，归一化处理后的重力面形数据；G180(a×b)为反射镜组件5中的反射镜镜面朝下时，归一化处理后的重力面形数据；
(4)将步骤(3)得到的归一化处理后的面形数据F0(a×b)和F180(a×b)进行图像叠加，消除重力变形，得到反射镜零重力面形数据F＝(F0(a×b)+F180(a×b))/2＝Wa×b+Ka×b，如果F与Wa×b的差值Ka×b的均方根值不大于0.003λ(λ＝632.8nm)，认为反射镜组件5的装配符合要求，如果F与Wa×b的差值Ka×b的均方根值大于0.003λ，认为反射镜组件5的装配不符合要求，需重新对反射镜组件5进行装配。
一种能够实现大口径离散支撑反射镜组件重力误差去除测试方法，其特点在于：利用大口径离散支撑反射镜组件在重力场作用下反射镜变形为弹性形变，且该形变在镜面竖直向上和竖直向下测试时数值相同、相位相反的特点，通过对镜面竖直向上和竖直向下的获得面形测试图像，而后对不同矩阵维数和中心位置的面形数据进行图形数据矩阵归一化，进而叠加平均图像，最后得到大口径离散支撑反射镜零组件重力下的面形。本发明方法测试原理简单、工程实施性强，不包含仿真分析及计算误差，测试精度较高；采用客观的测试原理及数据处理方法，符合空间应用可靠性的要求；可应用于大口径反射镜组件装调阶段零重力面形测试。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种大口径反射镜组件的面形检验方法，主要针对于大口径反射镜和bipod结构之间进行注胶定位装配成离散支撑组件后零重力面形的测试，即待测试的反射镜与六个支腿通过胶粘固定连接在一起，且六个支腿与支撑板固定连接在一起，反射镜、六个支腿以及支撑板组成反射镜组件5；该测试方法使用的装置包括测试塔4、折镜3、补偿器2和干涉仪1；从干涉仪1发出的球面波前光束或平面波前光束通过补偿器2的补偿后非球面波前光束后到达折镜3上，光束通过折镜3的折射后到达反射镜上，光束通过反射镜后原路返回到干涉仪1上形成干涉条纹；
所述的测试塔4包括顶部支撑平台和侧板，顶部支撑平台上有能够使反射镜以及六个支撑腿通过且不能使支撑板通过的通孔；其中一个侧板上带有通孔，用于干涉仪1发出的光束的通过；
如图2所示，当反射镜的镜面朝上时，顶部支撑平台用于支撑折镜3、补偿器2和干涉仪1，顶部支撑平台、侧板和地面围成的空腔用于盛放反射镜组件5；干涉仪1、补偿器2、折镜3从右向左放置在测试塔4的顶部支撑平台上，反射镜组件5放置在测试塔4的内部；
如图3所示，当反射镜的镜面朝下时，反射镜组件5中的反射镜和六个支撑腿穿过顶部支撑平台上的通孔并通过支撑板进行限位在顶部支撑平台上；折镜3和补偿器2从左至右放置在由顶部支撑平台、侧板和地面围成的空腔内，干涉仪1放置在测试塔4外面，且干涉仪1发出的光束能够通过侧板上的通孔传输到补偿器2上；
如图1所示，该方法的步骤包括：
(1)反射镜组件5中的反射镜镜面朝上，用干涉仪1测量反射镜组件5中反射镜的面形数据W0(m×n)＝0.118λ(λ＝632.8nm，该数据为均方根统计值RMS，以下所有具体数据均为RMS)，且W0(m×n)＝Wm×n+G0(m×n)+Km×n；其中，Wm×n为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wm×n＝0.023λ，G0(m×n)为重力面形数据，G0(m×n)为未知值，Km×n为装配误差面形数据，Km×n为未知值；
(2)反射镜组件5中的反射镜镜面朝下，用干涉仪1测量反射镜组件5中反射镜的面形数据W180(i×j)＝0.120λ，且W180(i×j)＝Wi×j+G180(i×j)+Ki×j；其中，Wi×j为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wi×j＝0.023λ，G180(i×j)为重力面形数据，G180(i×j)为未知值，Ki×j为装配误差面形数据，Ki×j为未知值；
(3)将步骤(1)得到的面形数据W0(m×n)和步骤(2)得到的面形数据W180(i×j)进行面形数据矩阵归一化处理，得到归一化处理后得到反射镜组件5中的反射镜镜面朝上时的面形数据F0(a×b)＝Wa×b+G0(a×b)+Ka×b＝W0(m×n)＝0.118λ和反射镜组件5中的反射镜镜面朝下时的面形数据F180(a×b)＝Wa×b+G180(a×b)+Ka×b＝W180(i×j)＝0.120λ，其中Wa×b为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wa×b＝Wm×n＝Wi×j＝0.023λ；G0(a×b)为反射镜组件5中的反射镜镜面朝上时，归一化处理后的重力面形数据；G180(a×b)为反射镜组件5中的反射镜镜面朝下时，归一化处理后的重力面形数据；
(4)将步骤(3)得到的归一化处理后的面形数据F0(a×b)和F180(a×b)进行图像叠加，消除重力变形，得到反射镜零重力面形数据F＝(F0(a×b)+F180(a×b))/2＝Wa×b+Ka×b＝0.025λ，最终可知Ka×b＝0.002λ，据此判断F与Wa×b的差值Ka×b的均方根值＜0.003λ(λ＝632.8nm)，反射镜组件5的装配应力误差控制到位，符合要求，不需对反射镜组件5进行重新装配。

Claims (1)

1.一种大口径反射镜组件的面形检验方法，其特征在于：反射镜组件(5)包括反射镜、六个支腿和支撑板，待测试的反射镜与六个支腿通过胶粘固定连接在一起，且六个支腿与支撑板固定连接在一起；
该测试方法使用的装置包括测试塔(4)、折镜(3)、补偿器(2)和干涉仪(1)；从干涉仪(1)发出的球面波前光束或平面波前光束通过补偿器(2)的补偿后非球面波前光束后到达折镜(3)上，光束通过折镜(3)的折射后到达反射镜上，光束通过反射镜后原路返回到干涉仪(1)上形成干涉条纹；
所述的测试塔(4)包括顶部支撑平台和侧板，顶部支撑平台上有能够使反射镜以及六个支撑腿通过且不能使支撑板通过的通孔；其中一个侧板上带有通孔，用于干涉仪(1)发出的光束的通过；
当反射镜的镜面朝上时，顶部支撑平台用于支撑折镜(3)、补偿器(2)和干涉仪(1)，顶部支撑平台、侧板和地面围成的空腔用于盛放反射镜组件(5)；干涉仪(1)、补偿器(2)、折镜(3)从右向左放置在测试塔(4)的顶部支撑平台上，反射镜组件(5)放置在测试塔(4)的内部；
当反射镜的镜面朝下时，反射镜组件(5)中的反射镜和六个支撑腿穿过顶部支撑平台上的通孔并通过支撑板进行限位在顶部支撑平台上；折镜(3)和补偿器(2)从左至右放置在由顶部支撑平台、侧板和地面围成的空腔内，干涉仪(1)放置在测试塔(4)外面，且干涉仪(1)发出的光束能够通过侧板上的通孔传输到补偿器(2)上；
该方法的步骤包括：
(1)反射镜组件(5)中的反射镜镜面朝上，用干涉仪(1)测量反射镜组件(5)中反射镜的面形数据W0(m×n)，且W0(m×n)＝Wm×n+G0(m×n)+Km×n；其中，Wm×n为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wm×n为已知值，G0(m×n)为重力面形数据，G0(m×n)为未知值，Km×n为装配误差面形数据，Km×n为未知值；
(2)反射镜组件(5)中的反射镜镜面朝下，用干涉仪(1)测量反射镜组件(5)中反射镜的面形数据W180(i×j)，且W180(i×j)＝Wi×j+G180(i×j)+Ki×j；其中，Wi×j为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wi×j为已知值，G180(i×j)为重力面形数据，G180(i×j)为未知值，Ki×j为装配误差面形数据，Ki×j为未知值；
(3)将步骤(1)得到的面形数据W0(m×n)和步骤(2)得到的面形数据W180(i×j)进行面形数据矩阵归一化处理，得到归一化处理后得到反射镜组件(5)中的反射镜镜面朝上时的面形数据F0(a×b)＝Wa×b+G0(a×b)+Ka×b和反射镜组件(5)中的反射镜镜面朝下时的面形数据F180(a×b)＝Wa×b+G180(a×b)+Ka×b，Wa×b为反射镜零件状态时的原始面形数据，Wa×b为已知值；G0(a×b)为反射镜组件(5)中的反射镜镜面朝上时，归一化处理后的重力面形数据；G180(a×b)为反射镜组件(5)中的反射镜镜面朝下时，归一化处理后的重力面形数据；
(4)将步骤(3)得到的归一化处理后的面形数据F0(a×b)和F180(a×b)进行图像叠加，消除重力变形，得到反射镜零重力面形数据F＝(F0(a×b)+F180(a×b))/2＝Wa×b+Ka×b，如果F与Wa×b的差值Ka×b的均方根值不大于0.003λ(λ＝632.8nm)，认为反射镜组件(5)的装配符合要求，如果F与Wa×b的差值Ka×b的均方根值大于0.003λ，认为反射镜组件(5)的装配不符合要求，需重新对反射镜组件(5)进行装配。
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