一種超大口徑凸雙曲面鏡分環帶檢測系統及其檢測方法

2023-05-23 12:31:36 1

專利名稱：一種超大口徑凸雙曲面鏡分環帶檢測系統及其檢測方法
技術領域：
本發明屬於先進光學製造與檢測領域，涉及光學檢測系統，特別涉及一種超大口徑凸雙曲面鏡分環帶檢測系統及其檢測方法。
背景技術：
以凸雙曲面鏡為次鏡的兩鏡光學系統在天文、空間光學等領域得到了愈來愈廣泛 的應用，並且隨著天文及空間光學的發展其所需的凸雙曲面鏡的口徑越來越大。大口徑凸雙曲面鏡的製造需要相應的檢測技術，然而，對大口徑及超大口徑凸雙曲面鏡進行高精度定量檢測仍然存在著巨大的挑戰。在凸雙曲面鏡的拋光加工階段，通常的檢測方法有無像差法和補償器零檢驗法。無像差法利用二次曲線的兩個共軛點形成的無像差點進行檢測，凸雙曲面的共軛點為一個實幾何焦點和一個虛幾何焦點，對其進行無像差點檢測需要一塊高精度Hindle球面反射鏡，這塊Hindle球面反射鏡的口徑為被測凸雙曲面鏡口徑的數倍，在實幾何焦點處的點光源發出的光波經過凸雙曲面鏡反射後形成發散球面波這些發散球面波經過Hindle球面反射鏡後原路返回，該Hindle檢測方法適合小口徑的凸雙曲面鏡；大口徑凸雙曲鏡所需的高精度Hindle球面反射鏡製造困難，價格昂貴。Simpson-Hindle檢測方法將Hindle鏡靠近被測凸雙曲面鏡，這樣使得Hindle鏡變成一個口徑略大於凸雙曲面鏡口徑的Hindle球殼，這對Hindle球殼材料的均勻性提出了較高的要求，且大口徑Hindle球殼在實際製造中存在較大困難，口徑大於Im時更是難於實現。目前國內外主要採用的補償器檢測方法包括背部球面工藝法、反射補償器法、非球面樣板法和計算全息法。隨著被測凸雙曲面鏡口徑增大，背部球面工藝法對材料均勻性的苛刻要求難以實現，反射補償器法需要製造大口徑的高精度非球面反射鏡，非球面樣板法需要製造與被測凸雙曲面鏡口徑相當的高精度非球面透鏡，計算全息板法需要大型的雷射直寫設備刻劃全息板；並且補償器檢測法中對補償器裝調精度也提出了跟高的要求，使得這些檢測技術在檢測超大口徑凸雙曲面鏡時存在一定困難，其應用受到了一定的限制。為解決Hindle球面反射鏡口徑過大的問題，Noble等(Noble R, Malacara D,CorneioA. Multistep Hindle test, Appl. Opt, 13 :2476-2477,1974)提出米用串接兩個Hindle球面反射鏡的方法，即沿著光軸方向放置兩個中心通光口徑不同的Hindle球面反射鏡。雖然採用串接的方法可以減小Hindle球面反射鏡的尺寸,但是對於大口徑及超大口徑凸雙曲面鏡邊緣的檢測同樣需要大口徑的Hindle球面反射鏡或者是多個Hindle球面反射鏡串接，這造成加工和裝調的困難。基於單塊Hindle球面反射鏡的子孔徑檢測方法降低了全口徑Hindle檢測成本，但需要多次測量並進行數據拼接處理。Koby Z. Smith, John P. Schwenker, Robert J. Brown等(CurrentConcepts for Cryogenic Optical Testing of the JWST Secondary Mirror,Proc. SPIE5494 :141-151, 2004)提出一種改進的基於帶孔Hindle球面反射鏡的子孔徑檢測方法，該方法的特點在於所有的子孔徑數據在其孔附近有一共同的環形檢測區域，在數據拼接處理時可以一定程度的提高拼接精度，但該Hindle球面反射鏡口徑偏大。Robert J. Z等在美國授權專利號「US 541047，，『Large aperture mirror testingapparatus andmethod』的實施方案中提出了一種Hindle球殼和Hindle球面反射鏡組合檢測方法，Hindle球面反射鏡陣列用來檢測凸雙曲面鏡外環帶區域，而相對口徑較小的Hindle球殼同時檢測被測凸雙曲面鏡中心區域。該方法優點在於能夠檢測整個被測凸雙曲面鏡，不存在中心遮攔；但是該檢測系統結構複雜，同時Hindle球殼對材料均勻性要求高。侯溪等在中國專利「CN 101419062A 」「一種大口徑雙曲面次鏡檢測系統中」提出了一種基於對稱放置的Hindle球面反射鏡檢測方法，Hindle球面反射鏡用來檢測凸雙曲面鏡中心遮攔到邊緣環帶的部分區域，通過調整Hindle球面反射鏡和凸雙曲面鏡的相對位置關係來檢測凸雙曲面鏡的不同位置，通過後期的數據拼接處理得到凸雙曲面鏡的面形信息。該方法的優點在於減小了 Hindle球面反射鏡的口徑，降低了檢測成本，且檢測效率較高；但是該系統在檢測超大口徑的凸雙曲面鏡時，其Hindle球面反射鏡的口徑會達到IOm及以上，製造如此大口鏡的高精度球面反射鏡存在著巨大困難。

發明內容
本發明要解決的技術問題克服現有檢測技術的不足，提出一種基於超大口徑凸雙曲面鏡分環帶的Hindle球面反射鏡分區域檢測和子孔徑拼接技術的超大口徑凸雙曲面鏡檢測系統，該系統利用容易加工實現的較小口徑標準球面反射鏡，可以有效解決其它檢測方法中的輔助元件製造困難、成本高、材料均勻性高等問題，本發明結構簡單，檢測成本低。本發明解決其技術問題所採用的技術方案一種超大口徑凸雙曲面鏡分環帶檢測系統，其特徵在於該檢測系統包括相移幹涉儀，2塊Hindle球面反射鏡、被測超大口徑凸雙曲面鏡及計算機系統，其中計算機與相移幹涉儀連接，一個Hindle球面反射鏡用來實現對凸雙曲面鏡中心遮攔到內部某一環帶的子孔徑進行檢測，另一個Hindle球面反射鏡實現對凸雙曲面鏡內部某一環帶到邊緣的子孔徑檢測，通過安裝在計算機系統上的相移幹涉儀數據處理軟體對得到的兩個子孔徑相位數據進行提取，調整被測凸雙曲面鏡和Hindle球面反射鏡之間的相對位置，實現對被測凸雙曲面鏡的全口徑範圍檢測，最後由子孔徑數據處理軟體將所得到的子孔徑檢測數據送入計算機系統進行處理，從而獲得被測超大口徑凸雙曲面鏡的面形信息。上述檢測系統在檢測過程中，幹涉儀檢測得到的相同環帶上的兩個子孔徑間存在足夠的重疊區域，以實現高精度數據拼接處理。該檢測系統不僅能把超大口徑凸雙曲面鏡分成兩個環帶進行檢測，也能把它分成兩個以上的環帶進行檢測，最終通過計算機系統拼接子孔徑數據得到超大口徑凸雙曲面鏡全口徑面形信息。該檢測系統所採用的兩塊Hindle球面反射鏡口徑和曲率半徑能夠使得反射回來的測試光組合完全覆蓋被測超大口徑凸雙曲面鏡中心遮攔到通光口徑之間的徑向範圍；兩塊Hindle球面反射鏡的離軸距離能夠保證測試光順利通過。本發明還提出一種利用檢測系統檢測超大口徑凸雙曲面鏡分環帶的方法，其檢測步驟為
步驟1，調整好檢測光路，使得不同的Hindle球面反射鏡檢測超大口徑凸雙曲面鏡4的不同環帶的子孔徑區域；步驟2，採集並保存子孔徑數據，採集的子孔徑區域應覆蓋住整個被測超大口徑凸雙曲面鏡4 ;
步驟3，子孔徑拼接數據處理軟體拼接採集的子孔徑數據，得到被測超大口徑凸雙曲面鏡4的全孔徑面形誤差波前信息。本發明與現有技術相比的優點在於(I)本發明的系統中使用通常光學加工容易製造的口徑較小的球面反射鏡，無需製造口徑巨大的Hindle球面反射鏡，降低了檢測成本。(2)本發明採用反射光路布局，沒有用到透射輔助光學元件，避免了對光學材料均勻性的苛刻要求。


圖I為系統構成示意圖；圖2為檢測系統光路圖；圖3為一次檢測時子孔徑數據的採樣分布示意圖；圖4為覆蓋被測超大口徑凸雙曲面鏡全口徑通光區域的子孔徑數據採樣分布示意圖；圖5為測試系統所涉及到的數據處理流程圖。圖中I為相移幹涉儀，2為Hindle球面反射鏡，3為Hindle球面反射鏡，4為超大口徑凸雙曲面鏡，5為計算機系統。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施方法詳細介紹本發明。圖I所示，本實施例的一種超大口徑凸雙曲面鏡分環帶檢測系統包括相移幹涉儀1，兩塊Hindle球面反射鏡2和3、被測超大口徑凸雙曲面鏡4及計算機系統5，其中計算機系統5與相移幹涉儀I連接，一個Hindle球面反射鏡2用來實現對凸雙曲面鏡中心遮攔到內部某一環帶的子孔徑檢測，另一個Hindle球面反射鏡3實現對凸雙曲面鏡內部某一環帶到邊緣的子孔徑檢測，通過安裝在計算機系統5上的相移幹涉儀數據處理軟體把對應的兩個子孔徑相位數據提取出來，通過調整被測超大口徑凸雙曲面鏡和Hindle球面反射鏡之間的相對位置，實現對被測超大口徑凸雙曲面鏡的全口徑範圍檢測，最後把所得到的子孔徑檢測數據送入計算機系統由子孔徑數據處理軟體進行處理，從而獲得被測大口徑凸雙曲面鏡4的全口徑面形信息。本發明系統的工作過程及檢測步驟如下第一步如圖I所示，Hindle球面反射鏡2和Hindle球面反射鏡3放置在光軸的兩側，圖2為該狀態下的光路圖，兩塊Hindle球面反射鏡2和3分別滿足其子孔徑區域可覆蓋住凸雙曲面鏡中心遮攔到內部某一環帶的區域和凸雙曲面鏡內部某一環帶到邊緣的區域。調整Hindle球面反射鏡2和3與被測凸雙曲面鏡4的相對位置關係，使得Hindle球面反射鏡2與3對應的檢測區域在幹涉儀上形成可被解析的幹涉條紋，圖3為對應的子孔徑數據採集分布示意圖。第二步通過安裝在計算機系統5中的幹涉儀數據處理軟體將獲得的子孔徑數據保存下來，繞光軸旋轉被測超大口徑凸雙曲面鏡4，調節其與Hindle球面反射鏡的相對位置關係，保證相同環帶相鄰子孔徑間存在足夠的重疊區域，當測得的子孔徑區域覆蓋住整個被測超大口徑凸雙曲面鏡時停止。圖4為子孔徑檢測數據採樣分布示意圖，a和f之間的區域為被測超大口 徑凸雙曲面鏡4的通過口徑，c和d之間的區域為被測超大口徑凸雙曲面鏡4允許的中心遮攔，ab和ef之間的區域為Hindle球面反射鏡3所測得的子孔徑需要覆蓋的區域，be和de之間的區域為Hindle球面反射鏡2所測得的子孔徑需要覆蓋的區域。第三步子孔徑數據拼接處理測量系統所涉及到的數據處理流程如圖5所示，對各個子孔徑測量時由於調整誤差的影響，測量數據主要包含調整誤差信息和面形誤差信息，數據拼接處理的核心就是把面形誤差信息從子孔徑測量信息中分離出來，具體的步驟如下首先計算機讀入所有的子孔徑檢測數據，判讀所有的重疊區域，將重疊區域的數據進行均化誤差處理，計算出具有全局優化的拼接參數，根據全局優化的拼接參數對所有子孔徑檢測數據進行校正，使其具有相同的參考標準；對拼接好的全口徑數據進行Zernike多項式擬合，去除波前調整誤差的影響，計算面形誤差評價參數、波谷值(PV)和均方根值(RMS)，根據拼接好的全口徑信息繪製出被測超大口徑凸雙曲面鏡的面形信息圖及三維圖，即可獲得反映被測超大口徑凸雙曲面鏡面形誤差的全孔徑波前信息。
權利要求
1.一種超大口徑凸雙曲面鏡分環帶檢測系統，其特徵在於該檢測系統包括相移幹涉儀(I)、第一 Hindle球面反射鏡(2)、第二 Hindle球面反射鏡(3)、被測超大口徑凸雙曲面鏡(4)、及計算機系統(5)，其中計算機系統(5)與相移幹涉儀(I)連接，通過調整被測超大口徑凸雙曲面鏡(4)和第一 Hindle球面反射鏡(2)及第二 Hindle球面反射鏡(3)的相對位置，使相移幹涉儀(I)獲得被測超大口徑凸雙曲面鏡(4)上有相互重疊區域的子區域，最後由安裝在計算機系統(5)上的數據處理軟體對所得到的子區域數據進行處理，得到被測超大口徑凸雙曲面鏡(4)的全口徑面形分布信息。
2.根據權利要求I所述的一種超大口徑凸雙曲面鏡分環帶檢測系統，其特徵在於幹涉儀檢測的兩個子孔徑間存在足夠的重疊區域，以實現高精度數據拼接處理。
3.根據權利要求I所述的一種超大口徑凸雙曲面鏡分環帶檢測系統，其特徵在於該檢測系統不僅能把超大口徑凸雙曲面鏡(4)分成兩個環帶進行檢測，也能把它分成兩個以上的環帶進行檢測，最終通過計算機系統(5)拼接子孔徑數據得到超大口徑凸雙曲面鏡全口徑面形信息。
4.一種利用權利要求I所述的檢測系統檢測超大口徑凸雙曲面鏡分環帶的方法，其特徵在於該檢測系統包括相移幹涉儀(I)、第一 Hindle球面反射鏡(2)、第二 Hindle球面反射鏡(3)、被測超大口徑凸雙曲面鏡(4)、及計算機系統(5)，其中計算機系統(5)與相移幹涉儀(I)連接；其檢測步驟為 步驟1，調整好檢測光路，使得不同的Hindle球面反射鏡檢測超大口徑凸雙曲面鏡(4)的不同環帶的子孔徑區域； 步驟2，採集並保存子孔徑數據，採集的子孔徑區域應覆蓋住整個被測超大口徑凸雙曲面鏡⑷； 步驟3，子孔徑拼接數據處理軟體拼接採集的子孔徑數據，得到被測超大口徑凸雙曲面鏡(4)的全孔徑面形誤差波前信息。
全文摘要
本發明是一種超大口徑凸雙曲面鏡分環帶檢測系統及其檢測方法，它包括相移幹涉儀、兩塊Hindle球面反射鏡、被測超大口徑凸雙曲面鏡及計算機系統，其中計算機系統與相移幹涉儀連接，兩塊Hindle球面反射鏡實現超大口徑凸雙曲面鏡的零檢測，計算機系統上的相移幹涉儀數據處理軟體提取子孔徑相位數據，調節被測超大口徑凸雙曲面鏡和兩塊Hindle球面反射鏡的相對位置，實現對被測超大口徑凸雙曲面鏡的全口徑檢測，相鄰子孔徑有足夠的重疊區域實現高精度的拼接，把得到的子孔徑測試數據送入計算機系統進行拼接處理，獲得被測超大口徑凸雙曲面鏡面形信息；此發明對超大口徑凸雙曲面鏡的研製提供了一種有效低成本檢測手段，具有較大應用價值。
文檔編號G01B11/24GK102620681SQ201210092319
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月31日 優先權日2012年3月31日
發明者萬勇建, 伍凡, 侯溪, 範斌, 閆鋒濤 申請人:中國科學院光電技術研究所