一種大口徑拋物面鏡檢測系統的製作方法

2023-05-27 02:03:41

專利名稱：一種大口徑拋物面鏡檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學檢測系統，特別涉及一種旋轉對稱的大口徑拋物面鏡檢測系統，屬 於先進光學製造與檢測技術領域。
背景技術：
以拋物面鏡為主鏡的兩鏡光學系統在天文、空間光學和軍事等領域得到了愈來愈廣泛的 應用，隨著光學製造技術的不斷發展所需拋物面鏡的口徑越來越大。大口徑拋物面鏡的製造 需要相應的檢測技術。然而，對大口徑拋物面鏡進行高精度檢測仍然存在很多挑戰。
在大口徑拋物面鏡的拋光加工階段，通常的定量檢測系統中所涉及到的檢測方法有自準 直法和補償器零檢驗法。二次曲面存在一對共軛的無像差點，若表面具有理想形狀，當點光 源精確置於其中一個幾何焦點上，由表面反射的光線形成球面波前，其球心與另一幾何焦點 重合。拋物面的共軛點為幾何焦點和無窮遠處，對其進行自準直檢測需要一塊與被測拋物鏡 口徑相當的高精度平面反射鏡，然而對於大口徑拋物面鏡所需的高精度平面反射鏡通常製造 困難，價格昂貴，對於超大口徑拋物面鏡的自準直檢測更是難以實現。
補償器零檢驗法是廣泛使用的一種大口徑拋物面鏡的檢測方法，該方法的實質是藉助補 償器把平面或球面波前轉換為與被測拋物面鏡理論形狀重合的拋物面波前，由補償器出射的 波前，可以看作是疊在被檢拋物面鏡上的無接觸樣板，其最大優點在於所適用的輔助元件(補 償器)的直徑比被檢驗鏡直徑小得多。為了對被測拋物面鏡作出可靠結論，補償器必須具有 所要求的質量，並相對於被檢拋物面正確地安裝。然而，隨著被測拋物面鏡口徑和相對口徑 的增大，補償器可能將具有的複雜的結構，並且對其製造和裝調精度也將提出更苛刻的要求， 這使得這一檢測技術在檢測大口徑拋物面鏡時存在一定困難，其應用受到一定限制。
Liu.Y.M等("Subaperture testing of aspheres with annular zones"，Ying-Moh Liu,George N丄awrence,Christ L.Koliopoulos,Applied Optics,27(21 ):4504-4513,1988)提出了一種無需輔助 元件就能檢測大口徑拋物面鏡的環形子孔徑測試技術，該檢測技術大大降低了檢驗成本。但 是對於大口徑拋物面鏡，所需環形子孔徑數目較多，測量時間較長，在檢測過程中容易受到
環境因素等的影響，同時多個子孔徑的"拼接"處理會造成誤差的累積和傳遞，影響到最終的 檢測精度。

發明內容
本發明要解決的技術問題克服現有技術的不足，提供一種將環形子孔徑法和自準直檢 測方法組合的大口徑拋物面鏡檢測系統，該系統充分利用通常光學加工實體己經具備的平面 鏡工具，可以有效地解決現有定量檢測技術中的輔助元件(大口徑高精度平面反射鏡、零補 償器)製造困難、成本高、裝調誤差靈敏等問題，並且結構簡單、檢驗成本低、具有一定的 動態測試範圍。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案 一種大口徑拋物面鏡檢測系統，其特徵在於 包括菲索型幹涉儀、平面反射鏡、被測大口徑拋物面鏡、電控平移臺、數字驅動器及計算機 系統，計算機系統通過數字驅動器與電控平移臺連接，平面反射鏡用來實現對拋物面鏡中心
部分的自準直檢測，然後通過計算機系統控制電控平移臺移動菲索型幹涉儀，所產生的一系 列不同曲率半徑參考球面波前將與被測大口徑拋物面鏡超過自準直檢測範圍的相應環形區域
相匹配，在所匹配的環形區域裡的入射參考球面波前與被測大口徑拋物面表面之間的偏離量 將減小到幹涉儀的測量範圍內，產生一系列可分辨的環形幹涉條紋，通過安裝在計算機系統 上的菲索型幹涉儀的數據處理軟體把可分辨幹涉條紋對應的相位數據提取出來，由環形子孔 徑拼接算法將所得到的子孔徑測試數據送入計算機系統進行處理，然後與自準直檢測結果一 起進行全孔徑波前重構，從而獲得被測大口徑拋物面面形信息。
所述平面反射鏡所對應的被測大口徑拋物面鏡的中心部分由自準直檢測技術來實現，被 測大口徑拋物面鏡對應的平面反射鏡口徑之外的拋物面部分由環形拼接檢測技術來實現。
所述平面反射鏡的口徑相對於被測大口徑拋物面鏡口徑小。
本發明與現有技術相比的優點在於
(1) 本發明的系統中僅使用了通常光學加工實體已經具備的口徑相對較小的平面反射 鏡，無需製造一塊與被測大口徑拋物面鏡口徑相當的平面反射鏡，降低了檢測成本和檢測準 備周期；
(2) 本發明將自準直檢測方法和環形子孔徑拼接技術很好的融合起來，兼顧了它們兩者 的優點，避免了這兩種技術本身的缺點，在節約大量硬體資源的同時又可實現對大口徑拋物 面鏡的檢測；
(3) 本發明由於使用自準直檢測技術獲得了拋物面鏡一部分測試數據，較直接使用環形
子孔徑法檢測整個拋物面鏡時所需子孔徑數目大大減少，為提高最終檢測精度提供了一定的
保證；
(4) 本發明在製造平面反射鏡、裝調技術水平和環形子孔徑技術間取得一個平衡，儘可能確保檢驗的可靠、可控，進一步提高檢測精度；
(5)本發明的結構簡單、易於操作，主要適用於大口徑和超大口徑拋物面鏡的面形誤差
檢測。


圖1為自準直檢測示意圖2為環形子孔徑拼接檢測示意圖3為自準直檢測範圍示意圖4為環形子孔徑拼接檢測範圍示意圖5為對大口徑拋物面鏡環形子孔徑檢測的模擬幹涉圖6為測量系統所涉及到的數據處理流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發明。
如圖1所示，本發明主要由菲索型幹涉儀l、平面反射鏡2、被測大口徑拋物面鏡3、計 算機系統5、電控平移臺6和數字驅動器4及組成，菲索型幹涉儀1主機放置在電控平移臺6 上，計算機系統5通過數字驅動器4與電控平移臺6連接，由計算機系統5通過數字驅動器 4控制菲索型幹涉儀1在其光軸方向進行精確移動，被測大口徑拋物面鏡3採用側支撐系統 支撐，其光軸與菲索型幹涉儀1光軸重合。
本發明的工作過程及檢測步驟如下
第一步如圖1所示，首先以口徑相對較小的平面反射鏡2對被測大口徑拋物面鏡3進 行自準直檢測，其檢測原理和光路調整可以參考"潘君驊，光學非球面的設計、加工與檢驗， 北京:科學出版社,1994."和"楊力，先進光學製造技術，北京科學出版社,2001."書中相關內容。 受到平面反射鏡2 口徑的限制，對被測大口徑拋物面鏡3的檢測範圍為圖3中陰影部分所示， 通過安裝在計算機系統5上的幹涉儀數據處理軟體將自準直檢測獲得的相位值保存下來平 面反射鏡2所對應的被測大口徑拋物面鏡3的中心部分由自準直檢測技術來實現，被測拋物 面鏡3對應的平面反射鏡2 口徑之外的拋物面部分由環形拼接檢測技術來實現。
第二步如圖2所示，移除平面反射鏡2，對被測大口徑拋物面鏡3的檢測範圍為圖4 中陰影部分所示，與第一步自準直檢測範圍剛好互補。對圖4中陰影部分進行環形子孔徑檢 測。圖5為對大口徑拋物面鏡環形子孔徑檢測的模擬幹涉圖，可以看出僅有部分幹涉條紋具 有很好的對比度而且密度較小，可以被安裝在菲索型幹涉儀l內的CCD所分辨。通過安裝在 計算機系統5上的幹涉儀數據處理軟體將可以分辨的幹涉條紋部分的相位值提取出來，然後由計算機系統5通過數字驅動器4控制電控平移臺6在菲索型幹涉儀1的光軸方向移動，讓 不同曲率半徑的參考球面波前來匹配拋物面鏡上不同的環形區域，在所匹配的環形區域裡的
入射參考球面波前與被測大口徑拋物面3表面之間的偏離量將減小到幹涉儀的測量範圍內， 使得在不同的區域產生可以分辨的千涉條紋。如圖4中陰影部分所示，以上測試過程可以從 被測大口徑拋物面鏡3內環帶開始向邊緣進行， 一旦取得了所有子孔徑測試數據，就可由環 形子孔糹仝"拼接"算法重構出圖4陰影部分的波前信息。具體的數據提取方法可以參考文獻"侯 溪，伍凡，楊力，吳時彬，陳強，環形子孔徑檢測技術中測量數據的準確提取方法，光電工 程，2006，formula see original document page 6
第三步全孔徑波前重構；重構方法如下如果被測拋物面鏡3存在中心遮攔，所得到 的自準直檢測數據和子孔徑數據均成環域分布；如果被測拋物面鏡3不存在中心遮攔，所得 到的自準直檢測數據為圓域分布，其餘均為環域分布。圓域分布的子孔徑數據採用圓域裡正 交的圓Zemike多項式("Principles of optics",Bom M, Wolf E,464-468,1980)來擬合，環域分 布的子孑L徑數據採用環域裡正交的環Zernike多項式("Zernike annular polynomials for imaging systems w他annularpupils," V.N.Mahanjan ， J.Opt.Soc.Am 71: 75-85,1981)來擬合。自準直檢
測所獲得的數據為零檢驗子孔徑數據，而環形子孔徑拼接檢測所獲得的子孔徑數據為非零檢 測子孔徑數據，每個子孔徑測試數據均可以表達為正交的Zemike多項式的線性組合形式。這 樣各個子孔徑測試數據就簡化為一系列的子孔徑Zernike擬合係數。
因為菲索型幹涉儀1與被測非球面鏡3在相對移動過程中存在調整誤差，每個子孔徑測 量主要有不同的相位常數、傾斜和離焦量。具有調整誤差的全孔徑波前『(P，0，s。)可以按照 Zernike環多項式的形式分解為具有全局面形信息和局部子孔徑調整誤差分析， ,(P,0，eo) = ;￡ |XZfa(A，《^) + ￡5,Z,(P, ，f0)
其中(^'e)為第k個子孔徑歸一化的局部像素坐標，(p， )為全孔徑歸一化的全局坐
標。K表示子孔徑數目，L為所用Zernike環多項式項數，bki為第A:個子孔徑第i項Zernike 調整誤差係數,Bi為第i項Zernike全孔徑係數。全孔徑和第k個子孔徑的中心遮攔比分別為ff(>
和^ ; Zto"，e，&)為第k個子孔徑第i項Zemike環多項式，2'(1>，0^。)為全孔徑第i項Zernike 環多項式。這裡所使用的Zernike多項式的排序與Zygo開發的數據處理軟體MetroPro中所採 用的排序相同。
類似於分段函數，全孔徑波前也可以表示為如下形式，其中au表示第k個子孔徑和第i項Zernike多項式的子孔徑係數。 既然非球面自身不會改變，等式(1)與等式(2)必然相等,即
X 丄 K 4 i
"1f=l A=l/=1 '=5 (3)
將方程(3)進行數學處理，將其改寫為矩陣形式並進行一些變換和運算，全孔徑Zernike 係數Bi可以被計算出。更詳細的計算過程可參考文獻"Xi Hou， Fan Wu， Li Yang， Shi-bin Wu, Qiang Chen,Full-aperture wavefront reconstruction from annular subaperture interferometric data using Zernike annular polynomials and matrix method for testing large鄉heric surfaces, Applied Optics,2006，45(15):3442 3455."。根據全孔徑Zernike係數，即可進行全孔徑面形重構，可以 繪製出全孔徑波前圖，並計算其PV (峰谷值)、RMS值(均方差值)。
測量系統所涉及到的數據處理流程如圖6所示，環形子孔徑數據需先進行拼接處理，並 減去拋物面理論面形，再與自準直檢測數據一起進行全孔徑重構，去除調整誤差後，所獲得 的結果為全孔徑面形誤差信息。
權利要求
1. 一種大口徑拋物面鏡檢測系統，其特徵在於包括菲索型幹涉儀(1)、平面反射鏡(2)、被測大口徑拋物面鏡(3)、電控平移臺(6)、數字驅動器(4)及計算機系統(5)，計算機系統(5)通過數字驅動器(4)與電控平移臺(6)連接，平面反射鏡(2)用來實現對拋物面鏡中心部分的自準直檢測，然後通過計算機系統(5)控制電控平移臺(6)移動菲索型幹涉儀(1)，所產生的一系列不同曲率半徑參考球面波前將與被測大口徑拋物面鏡(3)超過自準直檢測範圍的相應環形區域相匹配，在所匹配的環形區域裡的入射參考球面波前與被測大口徑拋物面(3)表面之間的偏離量將減小到幹涉儀的測量範圍內，產生一系列可分辨的環形幹涉條紋，通過安裝在計算機系統(5)上的菲索型幹涉儀的數據處理軟體把可分辨幹涉條紋對應的相位數據提取出來，由環形子孔徑拼接算法將所得到的子孔徑測試數據送入計算機系統(5)進行處理，然後與自準直檢測結果一起進行全孔徑波前重構，從而獲得被測大口徑拋物面(3)面形信息。
2、 根據權利要求1所述的大口徑拋物面鏡檢測系統，其特徵在於平面反射鏡(2)所 對應的被測大口徑拋物面鏡(3)的中心部分由自準直檢測技術來實現，被測大口徑拋物面鏡(3)對應的平面反射鏡(2) 口徑之外的拋物面部分由環形拼接檢測技術來實現。
3、 根據權利要求1所述的大口徑拋物面鏡檢測系統，其特徵在於平面反射鏡(2)的 口徑相對於被測大口徑拋物面鏡(3) 口徑小。
全文摘要
一種大口徑拋物面鏡檢測系統，包括菲索型幹涉儀、高精度平面反射鏡、被測拋物面鏡、電控平移臺及計算機控制系統；平面反射鏡實現對拋物面鏡中心部分的自準直檢測，之後移除平面鏡，通過計算機控制電控平移臺移動菲索型幹涉儀，使得標準鏡頭產生的不同曲率半徑的參考球面波前，與被測拋物面的平面反射鏡口徑外相應環形區域相匹配，通過計算機系統上的菲索型幹涉儀數據處理軟體把可分辨幹涉條紋對應的相位數據提取出來；由環形子孔徑「拼接」算法對所得子孔徑測試數據進行處理，然後與平面鏡自準直檢測所獲得數據進行全孔徑波前重構獲得被測拋物面面形信息；本發明為大口徑和超大口徑拋物面鏡的研製提供了一種有效的檢測手段，具有較大的應用價值。
文檔編號G01M11/02GK101285732SQ200810113460
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月28日 優先權日2008年5月28日
發明者凡 伍, 溪 侯, 強 陳, 雷柏平 申請人:中國科學院光電技術研究所