自基准哈特曼波前测量装置的研制

　　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。