CN101261183A - 一种大口径非球面镜检测系统 - Google Patents

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一种大口径非球面镜检测系统，其特征在于：包括菲索型干涉仪，小孔滤波器，双计算全息图，被测非球面镜，大、小型五维调整架；双计算全息图由主全息和对准全息两部分图形组成，双计算全息图固定在小型五维调整架上，并与菲索型干涉仪、小孔滤波器一起置于大型五维调整架上，观察对准全息的干涉图形可判断主全息的调整状态，在实现主全息精确对准的前提下，保持双计算全息图和菲索型干涉仪的相对位置不变，通过调整大型五维调整架调整主全息相对被测非球面镜的位置，小孔滤波器可将双计算全息图衍射的杂散光滤除，提高干涉条纹的对比度，从而实现对被测非球面镜的高精度检测，该检测系统为大口径非球面镜的研制提供了一种有效的检测手段，具有较大的应用价值。

Description

一种大口径非球面镜检测系统
技术领域
本发明涉及一种光学检测技术，特别是一种针对旋转对称的大口径非球面镜检测系统，属于先进光学制造与检测技术领域。
技术背景
在光学系统中采用非球面光学元件有改善像质、简化系统、减小系统的外形尺寸和减轻重量的优点。随着光学加工和检测技术的不断发展，以非球面镜为关键部件的大口径光学系统在天文光学、空间光学、激光大气传输、惯性约束聚变(ICF)等领域等得到了愈来愈广泛的应用。然而，大口径高精度非球面光学元件的加工需要相应的检测方法。目前，高精度的非球面检测仍然是对光学工作者的一大挑战，成为限制非球面技术快速发展的技术瓶颈。因此，如何实现对大口径非球面的高精度检测具有很重要的研究价值。
不同面形的非球面镜需要不同的检测方法。对具有无像差点的二次非球面(如抛物面、椭球面和双曲面)，常用自准直检验法。若被测非球面镜具有理想形状，当点光源精确置于其中一个几何焦点上，由被测镜表面反射的光线聚焦于另一几何焦点。这种方法需要一块高精度的辅助镜，大口径高精度的辅助镜本身制造困难且价格昂贵。此外，自准直检验法不能用于高次非球面镜的检测。二次非球面镜和高次非球面镜的检测也可使用零检验法，该方法通常借助补偿器把平面或球面波前转换为与被测非球面镜理论形状重合的波前，由补偿器出射的波前，可以看作是叠加在被测非球面镜上的无接触样板，其最大优点在于所用的辅助元件(补偿器，如Offner补偿器和Dall补偿器)的直径比被检验镜直径小的多。为了对被测非球面镜做出可靠结论，补偿器必须具有所要求的质量，并相对于被测非球面镜正确地安装。然而，随着被测非球面镜口径和相对口径的增大，补偿器可能将具有复杂的结构，并且对其制造和装调精度也将提出更苛刻的要求，这使得这一检测技术在检测大口径非球面镜时存在一定困难，其应用受到一定限制。
1966年，B.P.Hildebrand和K.A.Haines提出用光学全息法检测非球面镜技术。然而，要生成与被检面形一样的波前，必须要有一个实体存在，高质量的实体制作困难，因而限制了这项技术的应用。1971年，A.J.Macgovem和J.C.Wyant在光学全息法的基础上提出了计算全息法(computer-generated holograms，简称CGH)，由于它克服了光学全息法必须有参考实体的难题，可以说是全息法检测非球面技术的一个重大突破。早期的CGH都是用照相缩版的技术制作的，制作工艺复杂，制作周期长，且制作精度不高，因而也就限制了其在非球面镜检测方面的应用。随着超大规模集成电路(VLSI)的发展，高精度计算全息图的制作已成为现实。然而，同采用折反射补偿器法检验非球面镜一样，计算全息图在检测光路中的对准仍然是实际检验中的一大难题。
2001年，德国斯图加特大学的H.J.Tiziani，S.Reichelt，C.Pruβ，M.
Figure A20081010408900041
andU.Hofbauer等人提出了具有对准功能的双计算全息技术，参见“H.J.Tiziani，S.Reichelt，C.Pruβ，M.
Figure A20081010408900042
and U.Hofbauer.Testing of aspheric surfaces.SPIE，2001，4440：109～119”。他们所提出的双计算全息图由振幅型对准全息和位相型主全息组成，振幅型计算全息图衍射效率较低，检测精度受到影响。此外，由于采用两种不同类型的计算全息图，致使制作工艺复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题：克服现有计算全息图检测非球面镜技术的不足，提供一种双计算全息图检测大口径非球面镜系统，该系统充分利用计算全息能够产生任意形状波前的特性，在主全息的外围设计可用于自对准的对准全息，从而有效地解决了实际检验中调整困难这一难题，提高了检测效率及检测精度。所设计的全息图均为位相型计算全息图，具有较高的衍射效率，且制作工艺相对简单，该系统结构简单、检验成本低、具有一定的动态测试范围。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种大口径非球面镜检测系统，其特征在于：包括菲索型干涉仪、小孔滤波器、双计算全息图、被测非球面镜、小型五维调整架以及大型五维调整架；双计算全息图由主全息和对准全息两部分图形组成，双计算全息图固定在小型五维调整架上，并与菲索型干涉仪、小孔滤波器一起置于大型五维调整架上，被测非球面镜由侧支撑固定，观察对准全息的干涉图形可判断主全息的调整状态，在实现主全息精确对准的前提下，保持双计算全息图和菲索型干涉仪的相对位置不变，通过调整大型五维调整架调整主全息相对被测非球面镜的位置，小孔滤波器可将双计算全息图衍射的杂散光滤除，提高干涉条纹的对比度，从而实现对被测非球面镜的高精度检测。
所述双计算全息图的主全息和对准全息两部分图形必须同心。
所述双计算全息图的主全息图和对准全息图都必须是位相型计算全息图。
所述小孔滤波器位于菲索型干涉仪出射光束的焦点位置。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过观察辅助对准全息的干涉图形，判断主全息自身的调整状态，从而实现主全息的快速对准，提高了检测效率及检测精度；
(2)本发明的系统中双计算全图的两部分全息图形一次性制作在同一块掩膜版上，避免了采用套刻方法引入的掩膜对准误差，保证了主全息和对准全息同心，从而保证了通过辅助对准全息判断主全息调整状态的可靠性，并且降低了制作成本；
(3)本发明所使用的双计算全息图均为二元纯相位型计算全息图，与辅助对准全息采用振幅型计算全息的双计算全息图相比具有较高的衍射效率，且二者为同一类型计算全息图，简化了制作过程；
(4)本发明检测系统克服了折反射补偿器零检验法补偿器装调困难、调整困难的局限性，主要应用于大口径非球面镜的面形误差检测。
附图说明
图1为一种大口径非球面镜检测系统结构示意图；
图2为主全息处于不同调整状态下的对准全息模拟干涉图；图中(a)为离焦状态下，(b)为X向倾斜状态下，(c)为Y向倾斜状态下，(d)为精确对准状态下。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
如图1所示，本实施例中一种大口径非球面镜检测系统，由菲索型干涉仪1、小孔滤波器2、双计算全息图3、被测非球面镜4、小型五维调整架5和大型五维调整架6组成；双计算全息图3由主全息和对准全息两部分图形组成，主全息图和对准全息图都是位相型计算全息图，而且必须同心；双计算全息图3固定在小型五维调整架5上，并与菲索干涉仪1及小孔滤波器2置于大型五维调整架6上，通过大型五维调整架6调整双计算全息图3相对被测非球面镜4的位置，其中被测非球面镜4由侧支撑固定；小孔滤波器2可将双计算全息图3衍射的杂散光滤除，提高干涉条纹的对比度，从而实现对被测非球面镜4的高精度检测。。
本实施例的一种大口径非球面镜检测系统工作过程及检测步骤如下：
第一步：选择F数不大于双计算全息图中对准全息F数的菲索型干涉仪1的标准镜头，并将标准镜头与菲索型干涉仪1激光光源调至共光路。
第二步：寻找菲索型干涉仪1出射光束的焦点位置，并将小孔滤波器2置于该焦点处。
第三步：将双计算全息图3固定在五维调整架5上，并仔细调整双计算全息图3相对菲索型干涉仪1的位置，观察双计算全息图3中对准全息的干涉图可判断主全息的调整状态，当干涉图为零条纹时即实现了主全息的精确对准。
第四步：在第三步实现主全息精确对准的前提下，保持菲索型干涉仪1、小孔滤波器2、双计算全息图3及小型五维调整架5的相对位置不变，通过调整大型五维调整架6仔细调整双计算全息图3相对被测非球面镜4的位置，同时进行测量，并观察测量结果；为尽量减小空气扰动、振动等环境因素所造成的影响，利用多次测量求平均值的方法可以计算出被测非球面镜4的面形精度。
通过以上实施例，本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容；本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1、一种大口径非球面镜检测系统，其特征在于：包括菲索型干涉仪(1)、小孔滤波器(2)、双计算全息图(3)、被测非球面镜(4)、小型五维调整架(5)以及大型五维调整架(6)；双计算全息图(3)由主全息和对准全息两部分图形组成，双计算全息图(3)固定在小型五维调整架(5)上，并与菲索型干涉仪(1)、小孔滤波器(2)一起置于大型五维调整架(6)上，被测非球面镜(4)由侧支撑固定，观察对准全息的干涉图形可判断主全息的调整状态，在实现主全息精确对准的前提下，保持双计算全息图和菲索型干涉仪(1)的相对位置不变，通过调整大型五维调整架(6)调整主全息相对被测非球面镜(4)的位置，小孔滤波器(2)可将双计算全息图(3)衍射的杂散光滤除，提高干涉条纹的对比度，从而实现对被测非球面镜(4)的高精度检测。
2、根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜检测系统，其特征在于：双计算全息图(3)的主全息和对准全息两部分图形必须同心。
3、根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜检测系统，其特征在于：双计算全息图(3)的主全息图和对准全息图都必须是位相型计算全息图。
4、根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜检测系统，其特征在于：小孔滤波器(2)位于菲索型干涉仪(1)出射光束的焦点位置。
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