離軸三反非球面系統凸非球面次鏡面形拼接檢測方法
2023-06-23 16:53:26 2
離軸三反非球面系統凸非球面次鏡面形拼接檢測方法
【專利摘要】離軸三反非球面系統凸非球面次鏡面形拼接檢測方法涉及檢測光學領域，通過子孔徑拼接算法求解得到大口徑離軸凸非球面反射鏡全口徑的面形，為其進一步加工提供依據和保障。該方法所用的裝置包括：雷射跟蹤儀、雷射幹涉儀、第三反射鏡、待測大口徑離軸凸非球面次鏡、主反射鏡和高精度平面反射鏡；系統裝調檢測的方法如下：系統裝調，中心視場波像差檢測，其它視場波像差檢測，各視場面形數據拼接計算和全口徑面形數據插補。該方法將光學系統波像差測試和子孔徑拼接測量技術結合在一起完成對大口徑離軸凸非球面面形的檢測，拼接子孔徑數目少，操作和運算簡易，且在次鏡的加工和檢測過程中實現了整個光學系統的裝調和測試，節省了時間，降低了成本。
【專利說明】離軸三反非球面系統凸非球面次鏡面形拼接檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及檢測光學領域，特別是涉及一種檢測離軸三反非球面系統中凸非球面 次鏡面形的方法。
【背景技術】
[0002] 在光學系統中，使用非球面元件可以很好的平衡和矯正系統像差，改善成像質量， 大幅提升光學系統的性能；同時可以簡化系統，減輕系統的重量，降低系統的複雜程度，因 此，非球面元件正越來越多的被用於深空探測、光電跟蹤、天文觀測等諸多光電設備中。尤 其在空間光學領域，由於離軸三反消像散非球面系統（TMA)具有組件少、長焦距、大視場、 寬波段、調製傳遞函數高、抑制雜光能力強等優異特性，使得大口徑非球面元件在空間遙感 中得到了廣泛應用。
[0003] 離軸三反非球面系統中，主鏡和第三鏡均為離軸非球面反射鏡，次鏡是凸非球面 反射鏡，對於如圖1所示的二次成像離軸三反非球面系統（光束在匯聚在成像焦面以前有 過一次匯聚），其次鏡為大口徑離軸凸非球面反射鏡。凸非球面尤其是離軸凸非球面鏡面形 的測量一直是光學檢測中的難點。
[0004] 經典的測試方法是藉助大口徑的Hindle球利用無像差點法進行測量，但是對 於大口徑離軸凸非球面的檢測，Hindle球的尺寸往往是待測鏡面的幾倍，高精度、大口徑 Hindle球的製造延長了工程周期，並增加了成本，此外利用該方法檢測時存在中心遮攔。
[0005] 利用補償透鏡或者衍射光學元件-計算全息對凸非球面進行零位補償幹涉測量， 仍是當前檢測凸非球面面形最常規的方法。但是凸非球面補償透鏡的製備非常困難和復 雜，因為其透鏡本身也含有非球面，要想實現對補償透鏡的加工、裝調和測試，還得為補償 透鏡設計和加工一套補償元件。利用計算全息可以很好的實現對淺度凸非球面的零位補償 測量，但是對於大偏離量離軸凸非球面面形的檢測，其計算全息的線頻密度很高，現有光刻 設備根本無法實現。此外，為了與被測曲面吻合，檢測凸非球面面形需要匯聚波面入射，這 就需要測量幹涉儀、補償透鏡和計算全息的口徑大於被檢非球面元件，大尺寸的補償透鏡 和計算全息的製備目前存在諸多的困難，大口徑幹涉儀的價格更是昂貴。
[0006] 對於淺度（非球面度在ΙΟμπι以內）凸非球面的檢測，通過小口徑的幹涉儀可以 對準和測量大口徑凸非球面鏡上多個小區域（子孔徑）的相位數據，利用子孔徑拼接算法 能夠重構獲得大口徑非球面全口徑的面形分布。但是如果直接採用子孔徑拼接法檢測大口 徑、大偏離量的凸非球面，子孔徑數目將會很多，分析和計算非常複雜，還會引入拼接誤差 傳遞和累積。
【發明內容】
[0007] 為了克服以上困難，本專利提出了一種凸非球面次鏡面形系統拼接檢測的方法， 即在主鏡和三鏡加工完成滿足精度後，對整個系統進行裝調，並對各視場的系統波像差進 行測量，此時主鏡和三鏡的面形已經完好，所得到的各視場系統波像差的一半（因為來回 兩次反射）即為次鏡凸非球面對應各子區域（子孔徑）的面形誤差，通過子孔徑拼接算法 可以求解得到大口徑離軸凸非球面反射鏡全口徑的面形，從而為其進一步加工提供依據和 保障。
[0008] 離軸三反非球面系統中凸非球面次鏡面形系統拼接檢測方法，該方法所用的裝置 包括：雷射跟蹤儀、雷射幹涉儀、第三反射鏡、待測大口徑離軸凸非球面次鏡、主反射鏡和高 精度平面反射鏡；系統裝調的方法如下：
[0009] 步驟一：當主反射鏡和第三反射鏡完成加工後，對離軸三反非球面系統進行系統 裝調，並利用雷射跟蹤儀對各反射鏡的位置姿態以及各鏡體之間的相對位置進行測定和監 測；
[0010] 步驟二：利用雷射跟蹤儀測定和監測結果均在設計公差範圍之內時，調整雷射幹 涉儀，使幹涉儀的出射光線匯聚在中心視場成像的焦面位置，根據光路可逆原理，該光束將 會經過離軸三反非球面系統後變為平行光出射；在入射光孔位置設置一高精度平面反射 鏡，使其與出射平行光垂直，從而使經主鏡出射後的平行光束垂直入射到高精度平面反射 鏡上並沿原路返回，經過離軸三反非球面系統與幹涉儀系統內的參考光束形成幹涉條紋， 從而可以測定得到光學系統中心視場的波像差，待測大口徑離軸凸非球面次鏡凸非球面中 心區域即中心子孔徑的面形誤差為中心視場系統波像差的一半；
[0011] 步驟三：調整雷射幹涉儀，使雷射幹涉儀的出射光線分別匯聚在其他視場成像的 焦面位置，重複步驟二操作，依次測定得到其它各視場系統的波像差，從而得到待測大口徑 離軸凸非球面次鏡凸非球面其它區域即其它子孔徑的面形誤差；
[0012] 步驟四：假定離軸三反非球面系統共有Μ個視場，即共有Μ個子孔徑拼接測量才能 覆蓋整個大口徑凸非球面次鏡，各子孔徑間有一定的重疊區域；選定非球面中心區域的子 孔徑作為基準子孔徑；測試過程中，大口徑非球面各子孔徑位置的定位不準將會引入3種 初級像差，即為相對平移、傾斜和離焦；定義中心基準子孔徑的相位數據為則其它子孔 徑與基準子孔徑相位數據的關係可表示為（1)式：
[0013]
【權利要求】
1.離軸三反非球面系統凸非球面次鏡面形拼接檢測方法，該方法所用的裝置包括：激 光跟蹤儀、雷射幹涉儀、第三反射鏡、待測大口徑離軸凸非球面次鏡、主反射鏡和高精度平 面反射鏡；其特徵在於，系統裝調檢測的方法如下： 步驟一：當主反射鏡和第三反射鏡完成加工後，對離軸三反非球面系統進行系統裝調， 並利用雷射跟蹤儀對各反射鏡的位置姿態以及各鏡體之間的相對位置進行測定和監測； 步驟二：利用雷射跟蹤儀測定和監測結果均在設計公差範圍之內時，調整雷射幹涉儀， 使幹涉儀的出射光線匯聚在中心視場成像的焦面位置，根據光路可逆原理，該光束將會經 過離軸三反非球面系統後變為平行光出射；在入射光孔位置設置一高精度平面反射鏡，使 其與出射平行光垂直，從而使經主鏡出射後的平行光束垂直入射到高精度平面反射鏡上並 沿原路返回，經過離軸三反非球面系統與幹涉儀系統內的參考光束形成幹涉條紋，從而可 以測定得到光學系統中心視場的波像差，待測大口徑離軸凸非球面次鏡凸非球面中心區域 即中心子孔徑的面形誤差為中心視場系統波像差的一半； 步驟三：調整雷射幹涉儀，使雷射幹涉儀的出射光線分別匯聚在其他視場成像的焦面 位置，重複步驟二操作，依次測定得到其它各視場系統的波像差，從而得到待測大口徑離軸 凸非球面次鏡凸非球面其它區域即其它子孔徑的面形誤差； 步驟四：假定離軸三反非球面系統共有Μ個視場，即共有Μ個子孔徑拼接測量才能覆蓋 整個大口徑凸非球面次鏡，各子孔徑間有一定的重疊區域；選定非球面中心區域的子孔徑 作為基準子孔徑；測試過程中，大口徑非球面各子孔徑位置的定位不準將會引入3種初級 像差，即為相對平移、傾斜和離焦；定義中心基準子孔徑的相位數據為％，則其它子孔徑與 基準子孔徑相位數據的關係可表示為（1)式：
式中Wl，w2，…，^是其它子孔徑的相位數據，分別是其它子孔徑相對基準子孔徑 沿X方向和y方向的傾斜係數，Ci和Pi是相對離焦係數和平移係數； 通過最小二乘擬合，使所有重疊區域相位數據差的平方和為最小，即為（2)式：
其中重疊區域有兩種，一種為其它子孔徑與中心基準子孔徑的重疊區域，定義為Νι，另 一種為其它子孔徑間的重疊區域，定義為N2，所有重疊區域內的採樣點數定義為η ; 對各拼接因子分別求偏導並令其數值為零即為（3)式：
其中1 < i <M-1，通過（3)式就能夠求解各子孔徑相對基準子孔徑的最佳拼接因子， 從而獲得大口徑凸非球面各視場拼接以後的面形信息； 步驟五：由於非球面口徑比各視場成像疊加所需的理論口徑略大，所以由步驟四拼接 獲得的非球面面形數據並沒有完全覆蓋整個非球面口徑，依據拼接面形數據，通過插值計 算能夠求解得到未覆蓋區域的面形數據，從而可以獲得大口徑凸非球面全口徑的面形數 據，實現離軸三反非球面系統中凸非球面次鏡面形系統拼接檢測方法。
【文檔編號】G01B11/24GK104142129SQ201410345382
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】王孝坤 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所