大型光學鏡面子孔徑拼接工作站的製作方法

2023-10-11 15:15:54 2

專利名稱：大型光學鏡面子孔徑拼接工作站的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學測試技術領域，主要涉及一種能夠實現大型光學 鏡面子孔徑拼接測量的子孔徑拼接工作站。 '背景技術 ' 隨著空間光學技術的發展，大型光學鏡面的應用越來越廣泛，其 口徑和相對孔徑在逐漸增大，並且大型凸非球面鏡在空間成像光學系統中的應用也越來越多。如美國航空航天局(NASA)計劃於2015年 發射的TPF-C(Terrestrial Planet Finder Coronagraph)望遠鏡用 於探測太陽系外類地行星，工作在可見光波段(波長0.5 0.8um)， 為了保證成像質量，對望遠鏡光學系統的製造誤差提出了非常高的要 求。主鏡為8mX3.5m離軸雙曲面凹鏡，二次常數-l. 0018878,頂點 曲率半徑26750. 5咖(相對孔徑約1:1.67)，其次鏡為離軸雙曲面凸 鏡，橢圓形口徑(890mm X 425mm)。 NASA計劃於2011年發射的JWST 望遠鏡用於研究銀河系等的起源和演變，工作在紅外波段(波長0.6 28lim)。主鏡由18塊分塊鏡組成，口徑6.5m，頂點曲率半徑 15899.915mm (相對孔徑約1:1.22),次鏡為雙曲面凸鏡，口徑為 740mm。光學鏡面的面形誤差測量通常採用波面幹涉儀測量，但是對於大 相對孔徑非球面鏡，波面幹涉儀是不能直接用來測量的，需要藉助補 償器進行像差補償，補償器本身存在製造和檢p上的難題，引入了額 外的成本，且測量橫向解析度不高；另一方面利用波面幹涉儀測量凸 非球面鏡時(例如凸雙曲面)，需要一個口徑與被測鏡相當或更大的 球面鏡，這在測量大型光學鏡面時遇到了困難。為此，人們提出了子 孔徑拼接測試方法。美國QED公司在"An automated subaperture stitching interferometer workstation for spherical and asphe-rical surfaces" , P. E. Murphy， and G. W. Forbes, Proc. SPIE， Vol. 5188， 296 -307， 2003和美國專利"US 6956657B2"中提出一種 平面、球面和適度非球面鏡面形誤差檢測的子孔徑拼接幹涉儀工作站，測量時將被測鏡劃分為若干適合幹涉儀測量的子孔徑，用這些子孔徑覆蓋整個被測鏡，並且各個子孔徑之間稍有重疊。通過6軸運動 平臺調整被測非球面鏡或幹涉儀，對子孔徑進行零位幹涉檢測，然後 採用拼接算法得到全口徑的檢測結果，算法主要補償了幹涉儀成像畸 變誤差、參考波面誤差以及子孔徑之間的傾斜、離焦誤差。算法不需 迭代，由硬體精度保證可靠性。這種方法主要用於200mm 口徑以下的 平面、球面和非球面鏡檢測，對於大型光學鏡面，在測量過程中被測 鏡是不宜運動的，並且運動調整平臺的行程增大，而精度要求不變， 在光路和結構上都需要重新設計。侯溪等在中國專利申請號"20051011681 9.5""—種大口徑深型非球面鏡檢測系統"的實施方案中提出利用部分補償器進行環帶 子孔徑拼接測量，可以解決大口徑深型非球面鏡所需環帶子孔徑數目 多的問題。但是該法只能增大垂直測量範圍，並且不適用於凸非球面 鏡。李聖怡等在中國專利申請號"200710034359.0 ""大口徑大相 對孔徑非球面鏡中高頻誤差檢測裝置與方法"中提出了一種非球面 鏡中高頻誤差檢測裝置與方法，採用五軸運動調整平臺實現被測非球 面鏡上部分區域的幹涉測量，採用區域數據拼接算法，補償測量過程 中的六自由度位姿誤差、最佳擬合球半徑誤差以及幹涉儀成像的橫向 比例誤差。其中波面幹涉儀通過調焦平臺實現調焦運動，利用偏擺反 射鏡將水平測量光路偏擺為豎直方向，被測非球面鏡通過三維運動調 整平臺(兩維直線運動和一個繞對稱軸的迴轉運動)實現鏡面上不同 區域的測量。該裝置的主要缺點是偏擺反射鏡增加了測量對準難度， 引入了測量誤差；光路不夠靈活，受結構限制，只適用於較小範圍的 一類非球面鏡；另外被測非球面鏡參與多個運動調整，不利於保證大 型鏡面測量的精度和穩定性。發明內容本發明的目的是為了解決現有的技術所存在的部分問題，提供一 種大型光學鏡面子孔徑拼接工作站，它是一種高精度、高效率和經濟 型的大型光學鏡面的測量裝置。為實現上述目的，本發明提出的大型光學鏡面子孔徑拼接工作站包括防震底座，防震底座上安裝有幹涉儀五維運動調整平臺和位於幹 涉儀五維運動調整平臺前方的被測鏡兩維傾斜調整平臺，幹涉儀五維 運動調整平臺上裝設有光學幹涉儀，光學幹涉儀連接有內裝測量數據 處理算法程序的主控計算機，幹涉儀五維運動調整平臺與數控系統連 接。所述的幹涉儀五維運動調整平臺由三個直線運動軸即X軸、Y軸、 Z軸和兩個轉動軸即B軸和C軸組成。所述的直線運動軸X軸安裝在防震底座上；直線運動軸Y軸安裝 在橫板上，橫板通過滑塊與X軸相連，運動方向與X軸互相垂直；Z 軸安牆在可垂直升降的支柱上，支柱通過滑塊與Y軸相連，運動方向垂直於X軸和Y軸；C軸通過支撐臺與Z軸相連，實現繞Z軸轉動；B軸通過轉接板與轉軸C相連，實現繞Y軸轉動。所述被測鏡兩維傾斜調整平臺包括被測鏡安裝平臺和裝設於其 上的YZ平面內的兩維傾斜調整機構，被測鏡安裝平臺由支座、懸掛 鋼帶以及吊環螺釘組成，懸掛鋼帶通過吊環螺釘固定在支座上；兩維 傾斜調整機構包括呈直角三角形分布的三個調整螺紋副。本發明的大型光學鏡面的子孔徑拼接工作站，與李聖怡等在中國 專利申請號"200710034359.0 "中測量大口徑非球面鏡的五軸運動 平臺不同，其主要特點是採用水平測量光路，測量過程中均為波面幹 涉儀運動而被測鏡保持不動。本發明的大型光學鏡面的子孔徑拼接工作站，與QED公司測量 200mm 口徑以下光學鏡面的六軸運動平臺不同，其主要特點是適用 於300mm以上口徑的大型光學鏡面，測量過程中只需要五軸運動調 整，並且運動精度要求不高，因而成本低。為了保證測量結果的可靠 性,與之配套的測量數據處理算法必須迭代優化,並且收斂範圍要大。本發明的大型光學鏡面的子孔徑拼接工作站，與現有的技術相 比，具有以下優點1. 測試過程中只需五軸運動，並且均為波面幹涉儀運動而被測 鏡保持不動，裝調方便，特別適用於大型光學鏡面。2. 採用水平測量光路，空間限制少，也便於抑制振動影響。3. 光路可靈活調整，適用於包括大型平面、凹/凸球面和凹/凸非球面的面形測量。以下結合附圖對本發明做進一步詳細說明。


圖1是本發明大型光學鏡面子孔徑拼接工作站示意圖。圖2是本發明工作站中幹涉儀五維運動調整平臺的結構示意圖。 圖3是本發明工作站中被測鏡兩維傾斜調整平臺的結構示意圖。 圖4是口徑500mm拋物面鏡的子孔徑劃分示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發明的大型光學鏡面子孔徑拼接工作站包括防震 底座1,安裝在防震底座1上的幹涉儀五維運動調整平臺2和被測鏡 兩維傾斜調整平臺5，被測鏡兩維傾斜調整平臺5位於調整平臺2前 方，雷射波面幹涉儀4裝設在整平臺2上，內裝檢測數據處理算法程 序的主控計算機3與雷射波面幹涉儀4連接，測量時，被測鏡6固定 在調整平臺5上，幹涉儀五維運動調整平臺2與數控系統7連接。幹涉儀五維運動調整平臺2的具體結構如圖2所示，由X軸直線 運動平臺21, Y軸直線運動平臺22， Z軸直線運動平臺25， B軸轉軸 24和C軸轉軸23組成。其中X軸、Y軸和Z軸均包括交流伺服電機、 電機座、彈性聯軸器、精密滾珠絲槓、絲槓支撐單元、直線導軌；X、 Y、 Z軸運動精度均達到亞毫米級，都能夠通過手輪實現微調。B轉軸 包括交流伺服電機、電機座彈性聯軸器轉臺及固定轉接板；C轉軸 包括交流伺服電機、電機座、彈性聯軸器、轉臺，B、 C轉軸運動精 度達到T量級，通過手輪能夠方便地實現角度的微調。各軸及轉軸 結構均為現有技術。被測鏡兩維傾斜調整平臺5如圖3所示，包括被測鏡安裝平臺 51和YZ平面內的兩維傾斜調整機構52，被測鏡安裝平臺31由用槽 鋼焊接製作的支座512和懸掛鋼帶513以及吊環螺釘511組成，懸掛 鋼帶513通過吊環螺釘511固定在支座512上，被測鏡6由懸掛鋼帶 313懸掛固定在支座312上；兩維傾斜調整機構52包括呈直角三角 形分布的三個調整螺紋副，調整螺紋副的螺母固定(例如焊接)在支 座512上，調整螺釘與被測鏡6背面輕微接觸，通過旋進或旋出螺釘 實現被測鏡6的兩維傾斜調整，建議採用細牙螺紋。懸掛鋼帶以及調整螺紋副的布局根據被測平面鏡的幾何尺寸和材料特性進行設計，可 參考徐榮偉等"大型幹涉儀鏡子的支承設計與溫度變形分析"，光學學報，25 (6): 809-815。波面幹涉儀採用菲索(Fizeau)型波面雷射幹涉儀，可根據具體 的測量任務選擇合適的參考鏡(平面鏡頭或球面鏡頭組)。與幹涉儀五維運動調整平臺連接的數控系統可採用現有技術。本發明的工作原理見圖4,首先將大型光學鏡面劃分成若干適 合參考鏡測量的子孔徑，相鄰的子孔徑之間有一定的重疊區域，所有 子孔徑要能夠完全覆蓋被測的大型光學鏡面，以口徑為500mm、相對 口徑1:1.6的拋物面鏡為例，幹涉儀選擇//7球面鏡頭組，可將鏡面 從中心向外劃分為3圈，每一圈依次包括6、 12、 18和24個子孔徑， 加上中心子孔徑一共有61個子孔徑(參看Chen等"Lattice design for subaperture stitching test of a concave paraboloid surface" Applied Optics 45(10) :2280~2286， 2006)。在測量非球面大鏡時， 見圖1，將被測鏡6安裝到被測鏡兩維傾斜調整平臺5上，調好光路 圖後，使幹涉儀4發出的球面波測試光束能夠入射到被測子孔徑上， 測試光束經被測子孔徑反射，來後與幹涉儀4的參考光束相遇形成 幹涉，從而實現被該子孔徑的^f涉測量；然後通過數控系統7調整幹 涉儀五維運動調整平臺2的位置完成對被測鏡6其它子孔徑的幹涉測 量；將測量過程中的五軸位置以及幹涉儀4的測量數據輸入計算機 3 ，利用測量數據處理算法自動計算子孔徑測量過程中幹涉儀4相對 被測鏡6的初始位姿，自動確定任意兩個被測子孔徑之間的重疊數 據，最後通過迭代優化，補償測量過程中的六自由度位姿誤差、最佳 擬合球半徑誤差以及幹涉儀成像的橫向比例誤差，從而實現將多個子 孔徑的誤差面形圖拼接成全口徑上包含中高頻段的誤差面形圖。本發明的測量步驟如下(參見圖1):第一步將被測鏡6安裝在被測大鏡兩維傾斜調整平臺5上，調 整幹涉儀五維運動調整平臺2 ，使得幹涉儀4的光軸與第一個被測子 孔徑的中心基本重合。第二步根據被測鏡6的反射光點在幹涉儀4的CCD上的位置， 通過幹涉儀五維運動調整平臺2調整幹涉儀4相對被測鏡6的檢姿，得到清晰的幹涉條紋，完成第一個子孔徑的測量，並記下五軸位置和 幹涉儀的測量數據。 '第三步通過調整幹涉儀五維運動調整平臺2 ，完成其它子孔徑 的測量，該步驟反覆進行，直至所有子孔徑測量完畢，同時記錄每次 測量時的五軸位置和幹涉儀的測量數據。測量完畢將幹涉儀五維運動調整平臺2的五軸位置記錄和波面幹涉儀2的測量數據輸入到主控計算機3,用測量數據處理算法進行 處理。可參考李聖怡等在中國專利申請號"200710034359.0 ""大 口徑大相對孔徑非球面鏡中高頻誤差檢測裝置與方法"中提出的檢 測數據處理算法。
權利要求
1、一種大型光學鏡面的子孔徑拼接工作站，其特徵在於包括防震底座，防震底座上安裝有幹涉儀五維運動調整平臺和位於幹涉儀五維運動調整平臺前方的被測鏡兩維傾斜調整平臺，幹涉儀五維運動調整平臺上裝設有光學幹涉儀，光學幹涉儀連接有內裝測量數據處理算法程序的主控計算機，幹涉儀五維運動調整平臺與數控系統連接。
2、 根據權利要求1所述的大型光學鏡面的子孔徑拼接工作站， 其特徵在於所述的幹涉儀五維運動調整平臺由三個直線運動軸即X 軸、Y軸、Z軸和兩個轉動軸即B軸和C軸組成。
3、 根據權利要求2所述的大型光學鏡面子孔徑拼接工作站，其 特徵在於所述的直線運動軸X軸安裝在防震底座上；直線運動軸Y軸安裝在橫板上，橫板通過滑塊與x軸相連，運動方向與x軸互相垂直；Z軸安裝在可垂直升降的支柱上，支柱通過滑塊與Y軸相連，運 動方向垂直於X軸和Y軸；C軸通過支撐臺^Z軸相連，實現繞Z軸 轉動；B軸通過轉接板與轉軸C相連，實現繞Y軸轉動。
4、 根據權利要求3所述的大型光學鏡面子孔徑拼接工作站，其 特徵在於所述X軸、Y軸和Z軸均由交流伺服電機、電機座、彈性 聯軸器、精密滾珠絲槓、絲槓支撐單元、直線導軌組成。
5、 根據權利要求3所述的大型光學鏡面子孔徑拼接工作站，其 特徵在於所述C軸由交流伺服電機、電機座、彈性聯軸器和轉臺組成。
6、 根據權利要求3所述的大型光學鏡面子孔徑拼接工作站，其 特徵在於所述B軸由交流伺服電機、電機座、彈性聯軸器轉臺及固'定轉接板組成。
7、 根據權利要求1所述的大型光學鏡面子孔徑拼接工作站，其 特徵在於所述被測鏡兩維傾斜調整平臺包括被測鏡安裝平臺和裝設 於其上的YZ平面內的兩維傾斜調整機構，被測鏡安裝平臺由支座、 懸掛鋼帶以及吊環螺釘組成，懸掛鋼帶通過吊環螺釘固定在支座上； 兩維傾斜調整機構包括呈直角三角形分布的三個調整螺紋副。
全文摘要
本發明公開的是一種大型光學鏡面的子孔徑拼接工作站，包括防震底座，防震底座上安裝有幹涉儀五維運動調整平臺和位於幹涉儀五維運動調整平臺前方的被測鏡兩維傾斜調整平臺，幹涉儀五維運動調整平臺上裝設有光學幹涉儀，光學幹涉儀連接有內裝測量數據處理算法程序的主控計算機，幹涉儀五維運動調整平臺與數控系統連接。利用本工作站，能夠方便地對大型光學鏡面實施子孔徑拼接幹涉測量，是一種高精度、高效率和經濟型的大型光學鏡面的測量方案。
文檔編號G02B7/00GK101251435SQ20081003081
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月14日 優先權日2008年3月14日
發明者丁凌豔, 劉曉東, 戴一帆, 曾生躍, 李聖怡, 鄭子文, 陳善勇 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學