为了解决现有的低温环境下光学元件面形的测试方法受限于干涉仪口径以及真空容器窗口玻璃变形会引入测试误差的技术问题，本发明提供了一种能够准确、可靠、便于操作的低温环境下光学元件面形测量装置及方法。光学元件面形测量装置包括波前传感器、平行光管、真空容器；平行光管上设有窗口玻璃，真空容器内设有温控罩，温控罩上设有液氮热沉；温控罩和液氮热沉共同向待测光学元件提供设计要求的低温环境；平行光管与真空容器密封连接，共同形成密封腔体；波前传感器位于真空容器外，其位置与平行光管上的窗口玻璃相对应；波前传感器既能输出光束，又能探测到从窗口玻璃出射的光束。本发明相比于传统干涉测量方法，抗气流和抗振动能力强。
1.一种光学元件面形测量装置，其特征在于：包括波前传感器(1)、平行光管(2)、真空容器(4)；平行光管(2)上设有窗口玻璃(3)，真空容器(4)内设有温控罩(7)，温控罩(7)上设有液氮热沉(5)；温控罩(7)和液氮热沉(5)共同向待测光学元件(9)提供设计要求的低温环境；
平行光管(2)与真空容器(4)密封连接，共同形成密封腔体；波前传感器(1)位于真空容器(4)外，其位置与平行光管(2)上的窗口玻璃(3)相对应；波前传感器(1)既能输出光束，又能探测到从窗口玻璃(3)出射的光束；
在波前传感器(1)与窗口玻璃(3)之间还设置有用于补偿测试光路中光程的补偿器(8)；
波前传感器(1)包括光纤激光器(10)、准直镜头(11)、分光镜(12)、标准镜头(13)和哈特曼波前传感器(14)；光纤激光器(10)发出的光束由准直镜头(11)准直产生平行光，平行光经过分光镜(12)后反射，反射光经过标准镜头(13)准直后从窗口玻璃(3)入射至平行光管(2)；哈特曼波前传感器(14)设置在分光镜(12)的另一侧，且与标准镜头(13)共光轴；哈特曼波前传感器(14)能够接收从窗口玻璃(3)出射的光束。
2.基于权利要求1所述的光学元件面形测量装置测量光学元件面形的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.1)将补偿器(8)从光路中移除，将标准平面反射镜(6)作为参考镜放置在真空容器(4)中，去除波前传感器(1)的标准镜头(13)，使其发出平行光，调整标准平面反射镜(6)和波前传感器(1)的位置姿态，完成波前传感器(1)和标准平面反射镜(6)的粗对准；
1.2)安装波前传感器(1)的标准镜头(13)，调整平行光管(2)以及波前传感器(1)的位置姿态，使得波前传感器(1)测出的平行光管(2)的波像差达到最小，记录此时的波像差为W0；
1.3)对真空容器(4)和平行光管(2)组成的密封腔体抽真空，设定温控罩(7)上控温点的温度，使得液氮热沉(5)温度达到设计所需的温度值，而保持温控罩(7)内的标准平面反d
射镜(6)的温度为常温，使用波前传感器(1)测量平行光管(2)波像差值，记为W0；
2.1)待真空容器(4)以及平行光管(2)组成的密封腔体内温度恢复到常温常压状态，用待测光学元件(9)替换标准平面反射镜(6)，在平行光管(2)焦面附近加入补偿器(8)，调整待测光学元件(9)的位置姿态，使得波前传感器(1)测出的平行光管(2)波像差达到最小，记录此时的波像差数值为Wt；
2.2)对真空容器(4)和平行光管(2)组成的密封腔体再次抽真空，设定温控罩(7)上控温点的温度，使得液氮热沉(5)温度达到设计所需的温度值，使用波前传感器(1)测量此时d
真空低温环境下待测光学元件(9)的面形值为Wt‑W0 ，低温环境下待测光学元件(9)面d d
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1.1)中粗对准的方法具体为：调整标准平面反射镜(6)和波前传感器(1)的位置姿态，使得波前传感器(1)发出的光束透过窗口玻璃(3)后入射至标准平面反射镜(6)的几何中心，且确保由标准平面反射镜(6)反射并透过窗口玻璃(3)的光能够进入波前传感器(1)，此时即完成了波前传感器(1)和标准平面反射镜(6)的粗对准。
一种低温环境下光学元件面形测量装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于光学检测领域，涉及一种低温环境下光学元件面形测量装置及方法。
背景技术
[0002] 红外光学系统被广泛应用于天文观测、对地观测以及微弱目标探测等领域。尤其在天文观测领域，由于恒星、星际介质等温度较低，辐射的主要是红外波段的光波。目前使
用的红外天文探测器系统信噪比主要受到背景辐射的限制，而最重要的辐射来自于探测器
自身的辐射，为了提高系统信噪比，控制探测器自身的辐射非常关键。一种可行的方法是降
低光学系统自身的温度来减小自身的背景辐射，提高光学系统探测性能。所以开展低温光
学技术的研究具有重要意义。
[0003] 考虑到在低温环境下，光学系统中各元件的重力，机械结构对光学元件的预紧力以及元件之间、光机材料之间的热膨胀系数差异都会造成光学镜面发生变形，最终影响光
学系统成像质量。所以低温光学系统需要根据其所处的低温工作环境进行结构设计，通常
有消热设计支撑结构，弹簧预紧支撑结构和柔性支撑结构。为了验证低温光学系统的光机
结构是否合理，光学系统性能是否满足工作要求，需要开展低温环境下的光学系统性能测
试，特别是低温环境下光学元件的面形测试。
[0004] 在低温环境下，光学元件被放置在真空容器中，目前通常使用干涉仪直接透过窗口玻璃完成光学元件的面形检测。然而这种检测方法存在以下问题：
[0005] 1.干涉仪的口径限制。
[0006] 光学元件在低温环境下受到机械结构的应力作用，在边缘位置的变形能直接反映应力的变化，所以需要完成全口径的测试，而通常的干涉仪口径较小，无法完成全口径的检
测。
[0007] 2.真空容器的窗口玻璃在低温下会发生变形，这种变形会引入测试误差，致使待测光学元件的面形产生测量误差。
[0008] 以上问题限制了低温下光学元件面形的测量的实现，导致无法实现光机结构设计合理性的准确评价。
发明内容
[0009] 为了解决现有的低温环境下光学元件面形的测试方法受限于干涉仪口径以及真空容器窗口玻璃变形会引入测试误差的技术问题，本发明提供了一种能够准确、可靠、便于
操作的低温环境下光学元件面形测量装置及方法。
[0010] 本发明的技术解决方案是：
[0011] 一种光学元件面形测量装置，其特殊之处在于：包括波前传感器、平行光管、真空容器；平行光管上设有窗口玻璃，真空容器内设有温控罩，温控罩上设有液氮热沉；温控罩
和液氮热沉共同向待测光学元件提供设计要求的低温环境；
[0012] 平行光管与真空容器密封连接，共同形成密封腔体；波前传感器位于真空容器外，其位置与平行光管上的窗口玻璃相对应；波前传感器既能输出光束，又能探测到从窗口玻
璃出射的光束。
[0013] 进一步地，在波前传感器与窗口玻璃之间还设置有用于补偿测试光路中光程的补偿器。
[0014] 进一步地，波前传感器包括光纤激光器、准直镜头、分光镜、标准镜头和哈特曼波前传感器；光纤激光器发出的光束由准直镜头准直产生平行光，平行光经过分光镜后反射，
反射光经过标准镜头准直后从窗口玻璃入射至平行光管；哈特曼波前传感器设置在分光镜
的另一侧，且与标准镜头共光轴；哈特曼波前传感器能够接收从窗口玻璃出射的光束。
[0015] 本发明还提供了一种基于上述的光学元件面形测量装置测量光学元件面形的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0016] 步骤1：标定；
[0017] 1.1)将补偿器从光路中移除，将标准平面反射镜作为参考镜放置在真空容器中，去除波前传感器的标准镜头，使其发出平行光，调整标准平面反射镜和波前传感器的位置
姿态，完成波前传感器和标准平面反射镜的粗对准；
[0018] 1.2)安装波前传感器的标准镜头，调整平行光管以及波前传感器的位置姿态，使得波前传感器测出的平行光管的波像差达到最小，记录此时的波像差为W0；
[0019] 1.3)对真空容器和平行光管组成的密封腔体抽真空，设定温控罩上控温点的温度，使得液氮热沉温度达到设计所需的温度值，而保持温控罩内的标准平面反射镜的温度
d
为常温，使用波前传感器测量平行光管波像差值，记为W0；
[0020] 步骤2：测量；
[0021] 2.1)待真空容器以及平行光管组成的密封腔体内温度恢复到常温常压状态，用待测光学元件替换标准平面反射镜，在平行光管焦面附近加入补偿器，调整待测光学元件的
位置姿态，使得波前传感器测出的平行光管波像差达到最小，记录此时的波像差数值为Wt；
[0022] 2.2)对真空容器和平行光管组成的密封腔体再次抽真空，设定温控罩上控温点的温度，使得液氮热沉温度达到设计所需的温度值，使用波前传感器测量此时平行光管的波
d
像差值，记为Wt；
[0023] 2.3)计算面形值及面形变化量：
[0024] 真空低温环境下待测光学元件的面形值为Wtd‑W0d，低温环境下待测光学元件面形d d
变化量为(Wt‑W0)‑(Wt‑W0)。
[0025] 进一步地，所述步骤1.1)中粗对准的方法具体为：
[0026] 调整标准平面反射镜和波前传感器的位置姿态，使得波前传感器发出的光束透过窗口玻璃后入射至标准平面反射镜的几何中心，且确保由标准平面反射镜反射并透过窗口
玻璃的光能够进入波前传感器，此时即完成了波前传感器和标准平面反射镜的粗对准。
[0027] 与现有技术相比，本发明的优点是：
[0028] 1、本发明不但可以完成光学元件低温环境下的面形测量，还可以完成光学元件在常温环境下的面形测量，也可以监测光学元件升温及降温过程中面形的变化情况。
[0029] 2、本发明使用波前传感器和平行光管组成波前测试系统，可以测量大口径学元件面形，相比于传统干涉测量方法，抗气流和抗振动能力强。
[0030] 3、本发明预先标定波前测试系统在常温下以及在低温环境下的波前分布，在最终待测元件的面形中予以扣除，使得测量精度得到了提升。
[0031] 4、本发明将平行光管和真空容器密封设计，提供了非常便捷的低温测试环境及测试所需装置。
附图说明
[0032] 图1是本发明所提供低温环境下光学元件面形测量装置的原理示意图。
[0033] 图2是本发明中波前传感器的原理示意图。
[0034] 图3是在常温和低温环境下标定本发明中波前测试系统的透射波前的原理示意图。
[0035] 附图标记说明：
[0036] 1‑波前传感器；2‑平行光管；3‑窗口玻璃；4‑真空容器；5‑液氮热沉；6‑标准平面反射镜；7‑温控罩；8‑补偿器；9‑待测光学元件；10‑光纤激光器；11‑准直镜头；12‑分光镜；13‑
标准镜头；14‑哈特曼波前传感器。
具体实施方式
[0037] 以下结合附图对本发明进行详细说明。
[0038] 如图1所示，本发明所提供的光学元件面形测量装置，包括波前传感器1、平行光管2、真空容器4；平行光管2上设有窗口玻璃3，真空容器4内设有温控罩7，温控罩7上设有液氮
热沉5。
[0039] 平行光管2与真空容器4密封连接，共同形成密封腔体；波前传感器1位于真空容器4外，其位置与真空容器4的窗口玻璃3相对应；在测量的光学元件为自由曲面或非球面时，
需要在波前传感器1与窗口玻璃3之间设置有补偿器8，用于补偿测试光路中的光程。
[0040] 如图2所示，波前传感器1包括光纤激光器10、准直镜头11、分光镜12、标准镜头13和哈特曼波前传感器14；光纤激光器10发出的光束由准直镜头11准直产生平行光，平行光
经过分光镜12后反射，反射光经过标准镜头13准直后从窗口玻璃3入射至平行光管2；哈特
曼波前传感器14设置在分光镜12的另一侧，且与标准镜头13共光轴；哈特曼波前传感器14
能够接收从窗口玻璃3出射的光束。
[0041] 利用本发明测量低温环境下的光学元件面形之前，需要对波前传感器1和平行光管2组成的波前测试系统在低温下的透射波前进行精确标定，标定原理如图3所示，具体标
定步骤如下：
[0042] 步骤1：将补偿器8从光路中移除，将标准平面反射镜6作为参考镜放置在真空容器4中，去除波前传感器1的标准镜头13，使其发出平行光。调整标准平面反射镜6和波前传感
器1的位置姿态，使得波前传感器1发出的光束透过窗口玻璃3后入射至标准平面反射镜6的
几何中心，且确保由标准平面反射镜6反射并透过窗口玻璃3的光能够进入波前传感器1，此
时即完成了波前传感器1和标准平面反射镜6的粗对准。
[0043] 步骤2：安装波前传感器1的标准镜头13，调整平行光管2以及波前传感器1的位置姿态，使得波前传感器1测出的平行光管2的波像差达到最小，记录此时的波像差为W0。
[0044] 步骤3：对真空容器4和平行光管2组成的密封腔体抽真空，设定温控罩7上控温点的温度，使得液氮热沉5温度达到设计所需的温度值，而保持温控罩7内的标准平面反射镜6
d
的温度为常温，然后使用波前传感器1测量波前测试系统波像差值，记为W0。
[0045] 标定完成后，按照下述步骤进行光学元件面形测试：
[0046] 步骤1：真空容器4以及平行光管2组成的密封腔体内温度恢复到常温常压状态，从真空容器4中去除标准平面反射镜6，并在相同位置放置待测光学元件9，在平行光管2焦面
附近加入补偿器8，调整待测光学元件9的位置姿态，使得波前传感器1测出的平行光管2波
像差达到最小，记录此时的波像差数值为Wt。
[0047] 步骤2：对真空容器4和平行光管2组成的密封腔体再次抽真空，设定温控罩7上控温点的温度，使得液氮热沉5温度达到设计所需的温度值。使用波前传感器1测量此时平行
d
光管2的波像差值，记为Wt。
[0048] 步骤3：基于以上测量过程，可以计算出常温常压下的待测光学元件9面形值为Wt‑d d
W0，真空低温环境下待测光学元件9的面形值为Wt‑W0 ，低温环境下待测光学元件9面形变化
d d
量为(Wt‑W0)‑(Wt‑W0)。
