大口径大相对孔径抛物面反射镜面形误差的检测方法

摘要

本发明涉及一种大口径大相对孔径抛物面反射镜面形误差的检测方法。现有方法成本高、精度低其效率也较低。本发明的方法为选择透射标准镜头；调整激光波面干涉仪的位置；调整被测抛物面反射镜的焦点与激光波面干涉仪的焦点重合；调整被测抛物面反射镜的光轴与激光波面干涉仪的光轴共轴；调整标准平面反射镜；旋转干涉仪，使激光波面干涉仪对准第一环子孔径A；根据子孔径划分方案；重复第六步和第七步。本发明为低成本、高精度、高效率的大口径大相对孔径抛物面反射镜面形误差的检测方法。

说明书

技术领域

本发明属于光学测试技术领域，主要涉及一种针对旋转对称的大口径大相对孔径抛物面反射镜面形误差的检测方法。

技术背景

以抛物面镜为主镜的光学系统在天文光学、空间光学和军事等高技术领域得到了越来越广泛的应用，为了增大光学系统的聚光能力和峰值光强，光学系统的突出特征是大口径和大相对孔径。大口径大相对孔径抛物面镜的制造需要相应的检测技术，然而，对大口径大相对孔径抛物面镜进行高精度检测仍存在有很多挑战。

抛物面的抛光阶段，通常的定量检测方法有自准直法和补偿镜零位检验法。自准直法利用抛物面存在一对共轭的无像差点（几何焦点和无穷远处），当点光源精确位于几何焦点上时，可以用一块与被测抛物面镜口径相当的高精度平面反射镜实现共轭，然而对于大口径抛物面镜所需高精度平面反射镜制造困难，价格昂贵，对于超大口径抛物面镜的自准直更是难以实现，而且对于大相对孔径抛物面镜需要选择比其更大相对孔径的透射标准镜，随着相对孔径的增大，透射标准镜已不能满足大相对孔径的抛物面反射镜的检测；补偿镜零位检验法是借助补偿镜将将平面波前或球面波前转换为与被测抛物面反射镜理论形状重合的抛物面波前，其最大优点是补偿镜的口径比被测抛物面反射镜的口径小得多，但是，为了得到可靠的抛物面波前，对补偿镜的制造和装调精度提出了相当苛刻的要求，同时，补偿镜的相对孔径必须大于被测抛物面反射镜的相对孔径才能实现全口径面形误差的检测，随着相对孔径的增大，补偿镜同样已不能满足大相对孔径的抛物面镜的检测。

李圣怡等在中国专利申请号“200710034359.0”“大口径大相对孔径非球面镜中高频误差检测装置与方法”中，通过设计的五轴运动调整平台和区域数据拼接算法实现非球面镜的中高频误差检测，其测量结果为相对于最佳拟合球的偏差，对于大偏离量的抛物面面形检测则受到干涉条纹稠密度的限制。

陈伟等在中国专利申请号“200510086657.5”“大口径非球面光学元件中高步误差检测方法”中，通过计算二维功率谱密度求取相应频率范围能量损失，是一种中高频误差的数据处理和评价方法，而不涉及面形误差信息本身的检测方法。

美国QED公司在“An automated subaperture stitching interferometer workstation for spherical and aspherical surfaces”，P. E. Murphy, and G. W. Forbes, Proc. Of SPIE, Vol. 5188, 296-307,2003和美国专利“US 6956657B2”中提出一种非球面镜面形误差检测的子孔径拼接方法，将被测非球面镜划分成若干个覆盖全口径的子孔径，通过六轴运动平台调整被测非球面镜或干涉仪，对子孔径进行零位干涉检测，然后采用拼接算法得到全口径的检测结果，它通过硬件精度，利用算法补偿了孔径间的倾斜、离焦误差，保证了测量系统的稳定，同样，对于大偏离量的抛物面面形检测则受到干涉条纹稠密度的限制。

上述方法中所使用的检测装置，都包括包括激光波面干涉仪3、被测抛物面反射镜1、标准平面反射镜4和主控计算机2，激光波面干涉仪3、被测抛物面反射镜1、标准平面反射镜4均通过各自的调整机构动作。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术问题，提出一种低成本、高精度、高效率的大口径大相对孔径抛物面反射镜面形误差的检测方法。

为了实现上述目的，本发明提供了大口径大相对孔径抛物面反射镜面形误差的检测方法，包括如下步骤：

第一步：选择透射标准镜头，并装夹至激光波面干涉仪上；

第二步：调整激光波面干涉仪的位置，使激光波面干涉仪的焦点与其调整机构的旋转中心O重合；

第三步：调整被测抛物面反射镜的焦点与激光波面干涉仪的焦点重合；

第四步：调整被测抛物面反射镜的光轴与激光波面干涉仪的光轴共轴；

第五步：调整标准平面反射镜，使入射至被测抛物面反射镜的光线经平面镜反射后沿原路返回，即形成自准直测量原理；

第六步：根据激光干涉仪上所安装透射标准镜头的相对孔径，旋转干涉仪，使激光波面干涉仪对准第一环子孔径A，用激光波面干涉仪测量被测抛物面此区域的面形误差，数据存盘，并记录激光波面干涉仪的旋转角度；

所述子孔径的划分方案：根据激光波面干涉仪标准透镜的相对孔径，可以获得激光波面干涉仪的视场角θ，定义激光波面干涉仪所对准的被测件的区域为第一环上第一个子孔径A，根据两两子孔径重叠面积不小于单一子孔径面积1/4的原则，分别可以获得第一环上的所有子孔径以及其他环上的所有子孔径；

第七步：根据子孔径划分方案，使干涉仪依次对准子孔径B、C、D，并利用激光波面干涉仪测量被测抛物面反射镜的对应子孔径区域面形，数据存盘，并记录激光干涉仪和被测抛物面反射镜的相应转动角度；

第八步：重复第六步和第七步，直到所有子孔径区域测量完毕，将激光波面干涉仪的旋转角度、标准平面反射镜的旋转角度和激光波面干涉仪的面形误差数据送入主控计算机，将检测得到的多幅子孔径的面形误差图拼接成全口径的面形误差图。

所述主控计算机的数据处理算法程序包括重叠区域的数据提取算法和区域数据的拼接算法，其中：所述重叠区域的数据提取算法根据激光波面干涉仪旋转运动组件的旋转角度和C轴旋转台的旋转角度确定两相邻子孔径的大致重叠区域，由激光波面干涉仪所测面形误差是相对理想被测抛物面的偏差，相当于激光波面干涉仪测量平面元件的面形误差。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的大口径大相对孔径抛物面反射镜面形误差检测装置和方法通过干涉仪旋转机构与被测件旋转机构进行多个子孔径的自准直法检验，通过检测数据处理程序得到全口径的面形误差，不但提高了横向分辨率，同时自准直检验法不受垂直测量范围的影响，因此可以测量大偏离量的抛物面反射镜；

2、本发明的子孔径数据拼接算法相当于测量平面光学元件的子孔径拼接算法，而且调整机构在转动过程中造成的倾斜、离焦等调整误差可以消除后再进行子孔径数据的拼接，降低了对调整机构的要求；

3、本发明的子孔径划分成几环，只需要记录下子孔径之间的相对转动角度，且重叠区域的准确提取采用二次定位方法，软件的重叠区域提取算法的优势，降低了硬件的要求，降低了对标准平面反射镜调整机构的精度要求，而且不需要进行精确定位的中心子孔径测量；

4、本发明在测量过程中只需要进行激光波面干涉仪和标准平面反射镜的调整机构的运动控制，大大减少了调整机构在测量过程中的影响。

附图说明

图1是大口径大相对孔径抛物面反射镜面形误差的检测装置示意图；

图2是大口径大相对孔径抛物面反射镜面形误差的检测装置示意图的俯视图；

图3是划分子孔径时的机构动作示意图；

图4是全口径上待测子孔径划分示意图。

其中：1-被测抛物面反射镜，2-主控计算机，3-激光波面干涉仪，4-标准平面反射镜。

具体实施方式

    参见图1和图2，本发明方法中所使用的检测装置，包括激光波面干涉仪3、被测抛物面反射镜1、标准平面反射镜4和主控计算机2，激光波面干涉仪3、被测抛物面反射镜1、标准平面反射镜4均通过各自的调整机构动作。

具体的装置为公知的结构组合；

所述激光波面干涉仪由其调整机构控制运动，其调整机构的旋转中心为O，通过调整机构的动作使激光波面干涉仪3的焦点与其旋转中心O重合；同时通过调整机构的动作来实现激光波面干涉仪3绕其焦点（即旋转中心O）旋转一定角度。

所述被测抛物面反射镜1的调整机构包括X轴运动调整平台、Y轴运动调整平台、XOY平面内的倾斜调整平台、绕被测抛物面反射镜光轴回转的C轴旋转台和被测抛物面反射镜的调焦运动组件。X轴运动调整平台、Y轴运动调整平台以及XY平面内的倾斜调整平台用来调整被测抛物面反射镜1，使被测抛物面反射镜1的光轴与激光波面干涉仪3的光轴共轴； C轴旋转台用来旋转被测抛物面反射镜1，以实现同一环上各个子孔径的面形误差测量；调焦运动组件用于调整被测抛物面反射镜1的焦点与激光波面干涉仪的调整机构的旋转中心O重合。

所述标准平面反射镜4的调整机构是用来调整平面反射镜，使入射至被测抛物面反射镜1的光线形成自准直。  

    一种大口径大相对孔径抛物面反射镜面形误差的检测方法，包括如下步骤：

第一步：选择透射标准镜头，并装夹至激光波面干涉仪3上，使激光波面干涉仪光束充满尽可能大的被测件口径，以减少测量子孔径的环数；

第二步：调整激光波面干涉仪的位置，使激光波面干涉仪的焦点与其调整结构的旋转中心O重合；

第三步：调整被测抛物面反射镜的焦点与激光波面干涉仪的焦点重合； 

第四步：调整被测抛物面反射镜的光轴与激光波面干涉仪的光轴共轴；

第五步：调整标准平面反射镜，使入射至被测抛物面反射镜的光线经平面镜反射后沿原路返回，即形成自准直测量原理；

第六步：根据激光干涉仪上所安装透射标准镜头的相对孔径，旋转干涉仪，使激光波面干涉仪对准第一环子孔径A，用激光波面干涉仪测量被测抛物面此区域的面形误差，数据存盘，并记录激光波面干涉仪的旋转角度；

子孔径的划分方案：根据激光波面干涉仪标准透镜的相对孔径，可以获得激光波面干涉仪的视场角θ，参见图3，定义激光波面干涉仪所对准的被测件的区域为第一环上第一个子孔径A，根据两两子孔径重叠面积不小于单一子孔径面积1/4的原则，分别可以获得第一环上的所有子孔径以及其他环上的所有子孔径；

第七步：根据子孔径划分方案，参见图4，使干涉仪依次对准子孔径B、C、D，并利用激光波面干涉仪测量被测抛物面反射镜的对应子孔径区域面形，数据存盘，并记录激光干涉仪和被测抛物面反射镜的相应转动角度；

第八步：重复第六步和第七步，直到所有子孔径区域测量完毕，将激光波面干涉仪的旋转角度、标准平面反射镜的旋转角度和激光波面干涉仪的面形误差数据送入主控计算机。

然后由数据处理算法程序进行处理，所述数据处理算法程序包括重叠区域的数据提取算法和区域数据的拼接算法，其中重叠区域的数据提取算法根据激光波面干涉仪旋转运动组件的旋转角度和C轴旋转台的旋转角度确定两相邻子孔径的大致重叠区域，由激光波面干涉仪所测面形误差是相对理想被测抛物面的偏差，相当于激光波面干涉仪测量平面元件的面形误差，因此，可以将两相邻子孔径大致重叠区域的调整误差消除后再进行其绝对面形误差的相关运算，以获得两相邻子孔径准确的重叠区域；所述子孔径数据拼接算法通过两相邻子孔径重叠区域数据的迭代优化，使其不一致性最小。

最后将检测得到的多幅子孔径的面形误差图拼接成全口径的面形误差图。