大型光学镜面子孔径拼接工作站

摘要

本发明公开的是一种大型光学镜面的子孔径拼接工作站，包括防震底座，防震底座上安装有干涉仪五维运动调整平台和位于干涉仪五维运动调整平台前方的被测镜两维倾斜调整平台，干涉仪五维运动调整平台上装设有光学干涉仪，光学干涉仪连接有内装测量数据处理算法程序的主控计算机，干涉仪五维运动调整平台与数控系统连接。利用本工作站，能够方便地对大型光学镜面实施子孔径拼接干涉测量，是一种高精度、高效率和经济型的大型光学镜面的测量方案。

说明书

技术领域

本发明属于光学测试技术领域，主要涉及一种能够实现大型光学镜面子孔径拼接测量的子孔径拼接工作站。

背景技术

随着空间光学技术的发展，大型光学镜面的应用越来越广泛，其口径和相对孔径在逐渐增大，并且大型凸非球面镜在空间成像光学系统中的应用也越来越多。如美国航空航天局(NASA)计划于2015年发射的TPF-C(Terrestrial Planet Finder Coronagraph)望远镜用于探测太阳系外类地行星，工作在可见光波段(波长0.5～0.8μm)，为了保证成像质量，对望远镜光学系统的制造误差提出了非常高的要求。主镜为8m×3.5m离轴双曲面凹镜，二次常数-1.0018878，顶点曲率半径26750.5mm(相对孔径约1∶1.67)，其次镜为离轴双曲面凸镜，椭圆形口径(890mm×425mm)。NASA计划于2011年发射的JWST望远镜用于研究银河系等的起源和演变，工作在红外波段(波长0.6～28μm)。主镜由18块分块镜组成，口径6.5m，顶点曲率半径15899.915mm(相对孔径约1∶1.22)，次镜为双曲面凸镜，口径为740mm。

光学镜面的面形误差测量通常采用波面干涉仪测量，但是对于大相对孔径非球面镜，波面干涉仪是不能直接用来测量的，需要借助补偿器进行像差补偿，补偿器本身存在制造和检测上的难题，引入了额外的成本，且测量横向分辨率不高；另一方面利用波面干涉仪测量凸非球面镜时(例如凸双曲面)，需要一个口径与被测镜相当或更大的球面镜，这在测量大型光学镜面时遇到了困难。为此，人们提出了子孔径拼接测试方法。美国QED公司在“An automated subaperturestitching interferometer workstation for spherical and asphe-rical surfaces”，P.E.Murphy，and G.W.Forbes，Proc.SPIE，Vol.5188，296-307，2003和美国专利“US 6956657B2”中提出一种平面、球面和适度非球面镜面形误差检测的子孔径拼接干涉仪工作站，测量时将被测镜划分为若干适合干涉仪测量的子孔径，用这些子孔径覆盖整个被测镜，并且各个子孔径之间稍有重叠。通过6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，算法主要补偿了干涉仪成像畸变误差、参考波面误差以及子孔径之间的倾斜、离焦误差。算法不需迭代，由硬件精度保证可靠性。这种方法主要用于200mm口径以下的平面、球面和非球面镜检测，对于大型光学镜面，在测量过程中被测镜是不宜运动的，并且运动调整平台的行程增大，而精度要求不变，在光路和结构上都需要重新设计。

侯溪等在中国专利申请号“20051011681 9.5”“一种大口径深型非球面镜检测系统”的实施方案中提出利用部分补偿器进行环带子孔径拼接测量，可以解决大口径深型非球面镜所需环带子孔径数目多的问题。但是该法只能增大垂直测量范围，并且不适用于凸非球面镜。

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”中提出了一种非球面镜中高频误差检测装置与方法，采用五轴运动调整平台实现被测非球面镜上部分区域的干涉测量，采用区域数据拼接算法，补偿测量过程中的六自由度位姿误差、最佳拟合球半径误差以及干涉仪成像的横向比例误差。其中波面干涉仪通过调焦平台实现调焦运动，利用偏摆反射镜将水平测量光路偏摆为竖直方向，被测非球面镜通过三维运动调整平台(两维直线运动和一个绕对称轴的回转运动)实现镜面上不同区域的测量。该装置的主要缺点是偏摆反射镜增加了测量对准难度，引入了测量误差；光路不够灵活，受结构限制，只适用于较小范围的一类非球面镜；另外被测非球面镜参与多个运动调整，不利于保证大型镜面测量的精度和稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的技术所存在的部分问题，提供一种大型光学镜面子孔径拼接工作站，它是一种高精度、高效率和经济型的大型光学镜面的测量装置。

为实现上述目的，本发明提出的大型光学镜面子孔径拼接工作站包括防震底座，防震底座上安装有干涉仪五维运动调整平台和位于干涉仪五维运动调整平台前方的被测镜两维倾斜调整平台，干涉仪五维运动调整平台上装设有光学干涉仪，光学干涉仪连接有内装测量数据处理算法程序的主控计算机，干涉仪五维运动调整平台与数控系统连接。

所述的干涉仪五维运动调整平台由三个直线运动轴即X轴、Y轴、Z轴和两个转动轴即B轴和C轴组成。

所述的直线运动轴X轴安装在防震底座上；直线运动轴Y轴安装在横板上，横板通过滑块与X轴相连，运动方向与X轴互相垂直；Z轴安装在可垂直升降的支柱上，支柱通过滑块与Y轴相连，运动方向垂直于X轴和Y轴；C轴通过支撑台与Z轴相连，实现绕Z轴转动；B轴通过转接板与转轴C相连，实现绕Y轴转动。

所述被测镜两维倾斜调整平台包括被测镜安装平台和装设于其上的YZ平面内的两维倾斜调整机构，被测镜安装平台由支座、悬挂钢带以及吊环螺钉组成，悬挂钢带通过吊环螺钉固定在支座上；两维倾斜调整机构包括呈直角三角形分布的三个调整螺纹副。

本发明的大型光学镜面的子孔径拼接工作站，与李圣怡等在中国专利申请号“200710034359.0”中测量大口径非球面镜的五轴运动平台不同，其主要特点是采用水平测量光路，测量过程中均为波面干涉仪运动而被测镜保持不动。

本发明的大型光学镜面的子孔径拼接工作站，与QED公司测量200mm口径以下光学镜面的六轴运动平台不同，其主要特点是适用于300mm以上口径的大型光学镜面，测量过程中只需要五轴运动调整，并且运动精度要求不高，因而成本低。为了保证测量结果的可靠性，与之配套的测量数据处理算法必须迭代优化，并且收敛范围要大。

本发明的大型光学镜面的子孔径拼接工作站，与现有的技术相比，具有以下优点：

1.测试过程中只需五轴运动，并且均为波面干涉仪运动而被测镜保持不动，装调方便，特别适用于大型光学镜面。

2.采用水平测量光路，空间限制少，也便于抑制振动影响。

3.光路可灵活调整，适用于包括大型平面、凹/凸球面和凹/凸非球面的面形测量。

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明大型光学镜面子孔径拼接工作站示意图。

图2是本发明工作站中干涉仪五维运动调整平台的结构示意图。

图3是本发明工作站中被测镜两维倾斜调整平台的结构示意图。

图4是口径500mm抛物面镜的子孔径划分示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的大型光学镜面子孔径拼接工作站包括防震底座1，安装在防震底座1上的干涉仪五维运动调整平台2和被测镜两维倾斜调整平台5，被测镜两维倾斜调整平台5位于调整平台2前方，激光波面干涉仪4装设在整平台2上，内装检测数据处理算法程序的主控计算机3与激光波面干涉仪4连接，测量时，被测镜6固定在调整平台5上，干涉仪五维运动调整平台2与数控系统7连接。

干涉仪五维运动调整平台2的具体结构如图2所示，由X轴直线运动平台21，Y轴直线运动平台22，Z轴直线运动平台25，B轴转轴24和C轴转轴23组成。其中X轴、Y轴和Z轴均包括交流伺服电机、电机座、弹性联轴器、精密滚珠丝杠、丝杠支撑单元、直线导轨；X、Y、Z轴运动精度均达到亚毫米级，都能够通过手轮实现微调。B转轴包括交流伺服电机、电机座、弹性联轴器转台及固定转接板；C转轴包括交流伺服电机、电机座、弹性联轴器、转台，B、C转轴运动精度达到1’量级，通过手轮能够方便地实现角度的微调。各轴及转轴结构均为现有技术。

被测镜两维倾斜调整平台5如图3所示，包括被测镜安装平台51和YZ平面内的两维倾斜调整机构52，被测镜安装平台31由用槽钢焊接制作的支座512和悬挂钢带513以及吊环螺钉511组成，悬挂钢带513通过吊环螺钉511固定在支座512上，被测镜6由悬挂钢带313悬挂固定在支座312上；两维倾斜调整机构52包括呈直角三角形分布的三个调整螺纹副，调整螺纹副的螺母固定(例如焊接)在支座512上，调整螺钉与被测镜6背面轻微接触，通过旋进或旋出螺钉实现被测镜6的两维倾斜调整，建议采用细牙螺纹。悬挂钢带以及调整螺纹副的布局根据被测平面镜的几何尺寸和材料特性进行设计，可参考徐荣伟等“大型干涉仪镜子的支承设计与温度变形分析”，光学学报，25(6)：809～815。

波面干涉仪采用菲索(Fizeau)型波面激光干涉仪，可根据具体的测量任务选择合适的参考镜(平面镜头或球面镜头组)。

与干涉仪五维运动调整平台连接的数控系统可采用现有技术。

本发明的工作原理：见图4，首先将大型光学镜面划分成若干适合参考镜测量的子孔径，相邻的子孔径之间有一定的重叠区域，所有子孔径要能够完全覆盖被测的大型光学镜面，以口径为500mm、相对口径1∶1.6的抛物面镜为例，干涉仪选择f/7球面镜头组，可将镜面从中心向外划分为3圈，每一圈依次包括6、12、18和24个子孔径，加上中心子孔径一共有61个子孔径(参看Chen等“Lattice designfor subaperture stitching test of a concave paraboloid surface”Applied Optics 45(10)：2280-2286，2006)。在测量非球面大镜时，见图1，将被测镜6安装到被测镜两维倾斜调整平台5上，调好光路图后，使干涉仪4发出的球面波测试光束能够入射到被测子孔径上，测试光束经被测子孔径反射回来后与干涉仪4的参考光束相遇形成干涉，从而实现被该子孔径的干涉测量；然后通过数控系统7调整干涉仪五维运动调整平台2的位置完成对被测镜6其它子孔径的干涉测量；将测量过程中的五轴位置以及干涉仪4的测量数据输入计算机3，利用测量数据处理算法自动计算子孔径测量过程中干涉仪4相对被测镜6的初始位姿，自动确定任意两个被测子孔径之间的重叠数据，最后通过迭代优化，补偿测量过程中的六自由度位姿误差、最佳拟合球半径误差以及干涉仪成像的横向比例误差，从而实现将多个子孔径的误差面形图拼接成全口径上包含中高频段的误差面形图。

本发明的测量步骤如下(参见图1)：

第一步：将被测镜6安装在被测大镜两维倾斜调整平台5上，调整干涉仪五维运动调整平台2，使得干涉仪4的光轴与第一个被测子孔径的中心基本重合。

第二步：根据被测镜6的反射光点在干涉仪4的CCD上的位置，通过干涉仪五维运动调整平台2调整干涉仪4相对被测镜6的位姿，得到清晰的干涉条纹，完成第一个子孔径的测量，并记下五轴位置和干涉仪的测量数据。

第三步：通过调整干涉仪五维运动调整平台2，完成其它子孔径的测量，该步骤反复进行，直至所有子孔径测量完毕，同时记录每次测量时的五轴位置和干涉仪的测量数据。

测量完毕将干涉仪五维运动调整平台2的五轴位置记录和波面干涉仪2的测量数据输入到主控计算机3，用测量数据处理算法进行处理。可参考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”中提出的检测数据处理算法。