CN101285732B - 一种大口径抛物面镜检测系统 - Google Patents

Abstract

一种大口径抛物面镜检测系统，包括菲索型干涉仪、高精度平面反射镜、被测抛物面镜、电控平移台及计算机控制系统；平面反射镜实现对抛物面镜中心部分的自准直检测，之后移除平面镜，通过计算机控制电控平移台移动菲索型干涉仪，使得标准镜头产生的不同曲率半径的参考球面波前，与被测抛物面的平面反射镜口径外相应环形区域相匹配，通过计算机系统上的菲索型干涉仪数据处理软件把可分辨干涉条纹对应的相位数据提取出来；由环形子孔径“拼接”算法对所得子孔径测试数据进行处理，然后与平面镜自准直检测所获得数据进行全孔径波前重构获得被测抛物面面形信息；本发明为大口径和超大口径抛物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

一种大口径抛物面镜检测系统

技术领域

本发明涉及一种光学检测系统，特别涉及一种旋转对称的大口径抛物面镜检测系统，属于先进光学制造与检测技术领域。

技术背景

以抛物面镜为主镜的两镜光学系统在天文、空间光学和军事等领域得到了愈来愈广泛的应用，随着光学制造技术的不断发展所需抛物面镜的口径越来越大。大口径抛物面镜的制造需要相应的检测技术。然而，对大口径抛物面镜进行高精度检测仍然存在很多挑战。

在大口径抛物面镜的抛光加工阶段，通常的定量检测系统中所涉及到的检测方法有自准直法和补偿器零检验法。二次曲面存在一对共轭的无像差点，若表面具有理想形状，当点光源精确置于其中一个几何焦点上，由表面反射的光线形成球面波前，其球心与另一几何焦点重合。抛物面的共轭点为几何焦点和无穷远处，对其进行自准直检测需要一块与被测抛物镜口径相当的高精度平面反射镜，然而对于大口径抛物面镜所需的高精度平面反射镜通常制造困难，价格昂贵，对于超大口径抛物面镜的自准直检测更是难以实现。

补偿器零检验法是广泛使用的一种大口径抛物面镜的检测方法，该方法的实质是借助补偿器把平面或球面波前转换为与被测抛物面镜理论形状重合的抛物面波前，由补偿器出射的波前，可以看作是叠在被检抛物面镜上的无接触样板，其最大优点在于所适用的辅助元件(补偿器)的直径比被检验镜直径小得多。为了对被测抛物面镜作出可靠结论，补偿器必须具有所要求的质量，并相对于被检抛物面正确地安装。然而，随着被测抛物面镜口径和相对口径的增大，补偿器可能将具有的复杂的结构，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抛物面镜时存在一定困难，其应用受到一定限制。

Liu.Y.M等(“Subaperture testing of aspheres with annular zones”，Ying-Moh Liu，GeorgeN.Lawrence，Christ L.Koliopoulos，Applied Optics，27(21)：4504-4513，1988)提出了一种无需辅助元件就能检测大口径抛物面镜的环形子孔径测试技术，该检测技术大大降低了检验成本。但是对于大口径抛物面镜，所需环形子孔径数目较多，测量时间较长，在检测过程中容易受到环境因素等的影响，同时多个子孔径的“拼接”处理会造成误差的累积和传递，影响到最终的检测精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种将环形子孔径法和自准直检测方法组合的大口径抛物面镜检测系统，该系统充分利用通常光学加工实体已经具备的平面镜工具，可以有效地解决现有定量检测技术中的辅助元件(大口径高精度平面反射镜、零补偿器)制造困难、成本高、装调误差灵敏等问题，并且结构简单、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：一种大口径抛物面镜检测系统，其特征在于：包括菲索型干涉仪、平面反射镜、被测大口径抛物面镜、电控平移台、数字驱动器及计算机系统，计算机系统通过数字驱动器与电控平移台连接，平面反射镜用来实现对抛物面镜中心部分的自准直检测，然后通过计算机系统控制电控平移台移动菲索型干涉仪，所产生的一系列不同曲率半径参考球面波前将与被测大口径抛物面镜超过自准直检测范围的相应环形区域相匹配，在所匹配的环形区域里的入射参考球面波前与被测大口径抛物面表面之间的偏离量将减小到干涉仪的测量范围内，产生一系列可分辨的环形干涉条纹，通过安装在计算机系统上的菲索型干涉仪的数据处理软件把可分辨的环形干涉条纹对应的相位数据提取出来，由环形子孔径拼接算法将所得到的所述相位数据送入计算机系统进行处理，然后与自准直检测结果一起进行全孔径波前重构，从而获得被测大口径抛物面面形信息。

所述平面反射镜所对应的被测大口径抛物面镜的中心部分由自准直检测技术来实现，被测大口径抛物面镜对应的平面反射镜口径之外的抛物面部分由环形子孔径拼接检测技术来实现。

所述平面反射镜的口径相对于被测大口径抛物面镜口径小。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的系统中仅使用了通常光学加工实体已经具备的口径相对较小的平面反射镜，无需制造一块与被测大口径抛物面镜口径相当的平面反射镜，降低了检测成本和检测准备周期；

(2)本发明将自准直检测方法和环形子孔径拼接技术很好的融合起来，兼顾了它们两者的优点，避免了这两种技术本身的缺点，在节约大量硬件资源的同时又可实现对大口径抛物面镜的检测；

(3)本发明由于使用自准直检测技术获得了抛物面镜一部分测试数据，较直接使用环形子孔径法检测整个抛物面镜时所需子孔径数目大大减少，为提高最终检测精度提供了一定的保证；

(4)本发明在制造平面反射镜、装调技术水平和环形子孔径技术间取得一个平衡，尽可能确保检验的可靠、可控，进一步提高检测精度；

(5)本发明的结构简单、易于操作，主要适用于大口径和超大口径抛物面镜的面形误差检测。

附图说明

图1为自准直检测示意图；

图2为环形子孔径拼接检测示意图；

图3为自准直检测范围示意图；

图4为环形子孔径拼接检测范围示意图；

图5为对大口径抛物面镜环形子孔径检测的模拟干涉图；

图6为测量系统所涉及到的数据处理流程图。

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，本发明主要由菲索型干涉仪1、平面反射镜2、被测大口径抛物面镜3、计算机系统5、电控平移台6和数字驱动器4及组成，菲索型干涉仪1主机放置在电控平移台6上，计算机系统5通过数字驱动器4与电控平移台6连接，由计算机系统5通过数字驱动器4控制菲索型干涉仪1在其光轴方向进行精确移动，被测大口径抛物面镜3采用侧支撑系统支撑，其光轴与菲索型干涉仪1光轴重合。

本发明的工作过程及检测步骤如下：

第一步：如图1所示，首先以口径相对较小的平面反射镜2对被测大口径抛物面镜3进行自准直检测，其检测原理和光路调整可以参考“潘君骅，光学非球面的设计、加工与检验，北京：科学出版社，1994.”和“杨力，先进光学制造技术，北京：科学出版社，2001.”书中相关内容。受到平面反射镜2口径的限制，对被测大口径抛物面镜3的检测范围为图3中阴影部分所示，通过安装在计算机系统5上的干涉仪数据处理软件将自准直检测获得的相位值保存下来；平面反射镜2所对应的被测大口径抛物面镜3的中心部分由自准直检测技术来实现，被测抛物面镜3对应的平面反射镜2口径之外的抛物面部分由环形拼接检测技术来实现。

第二步：如图2所示，移除平面反射镜2，对被测大口径抛物面镜3的检测范围为图4中阴影部分所示，与第一步自准直检测范围刚好互补。对图4中阴影部分进行环形子孔径检测。图5为对大口径抛物面镜环形子孔径检测的模拟干涉图，可以看出仅有部分干涉条纹具有很好的对比度而且密度较小，可以被安装在菲索型干涉仪1内的CCD所分辨。通过安装在计算机系统5上的干涉仪数据处理软件将可以分辨的干涉条纹部分的相位值提取出来，然后由计算机系统5通过数字驱动器4控制电控平移台6在菲索型干涉仪1的光轴方向移动，让不同曲率半径的参考球面波前来匹配抛物面镜上不同的环形区域，在所匹配的环形区域里的入射参考球面波前与被测大口径抛物面3表面之间的偏离量将减小到干涉仪的测量范围内，使得在不同的区域产生可以分辨的干涉条纹。如图4中阴影部分所示，以上测试过程可以从被测大口径抛物面镜3内环带开始向边缘进行，一旦取得了所有子孔径测试数据，就可由环形子孔径“拼接”算法重构出图4阴影部分的波前信息。具体的数据提取方法可以参考文献“侯溪，伍凡，杨力，吴时彬，陈强，环形子孔径检测技术中测量数据的准确提取方法，光电工程2006，33(8)：113-116，131.”。

第三步：全孔径波前重构；重构方法如下：如果被测抛物面镜3存在中心遮拦，所得到的自准直检测数据和子孔径数据均成环域分布；如果被测抛物面镜3不存在中心遮拦，所得到的自准直检测数据为圆域分布，其余均为环域分布。圆域分布的子孔径数据采用圆域里正交的圆Zernike多项式(“Principles of optics”，Born M，Wolf E，464-468，1980)来拟合，环域分布的子孔径数据采用环域里正交的环Zernike多项式(“Zernike annular polynomials for imagingsystems with annularpupils，”V.N.Mahanjan，J.Opt.Soc.Am 71：75-85，1981)来拟合。自准直检测所获得的数据为零检验子孔径数据，而环形子孔径拼接检测所获得的子孔径数据为非零检测子孔径数据，每个子孔径测试数据均可以表达为正交的Zernike多项式的线性组合形式。这样各个子孔径测试数据就简化为一系列的子孔径Zernike拟合系数。

因为菲索型干涉仪1与被测非球面镜3在相对移动过程中存在调整误差，每个子孔径测量主要有不同的相位常数、倾斜和离焦量。具有调整误差的全孔径波前W(P，Θ，ε₀)可以按照Zernike环多项式的形式分解为具有全局面形信息和局部子孔径调整误差分析，

$W(P,\mathrm{\Θ},{\mathrm{\ϵ}}_0)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{ki}}{Z}_{\mathrm{ki}}({\mathrm{\ρ}}_k,\mathrm{\θ},{\mathrm{\ϵ}}_k)+\underset{i=5}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i{Z}_i(P,\mathrm{\Θ},{\mathrm{\ϵ}}_0)---\left(1\right)$

其中(ρ_k，θ)为第k个子孔径归一化的局部像素坐标，(P，Θ)为全孔径归一化的全局坐标。K表示子孔径数目，L为所用Zernike环多项式项数，b_ki为第k个子孔径第i项Zernike调整误差系数，Bi为第i项Zernike全孔径系数。全孔径和第k个子孔径的中心遮拦比分别为ε₀和ε_k；Z_ki(ρ_k，θ，ε_k)为第k个子孔径第i项Zernike环多项式，Z_i(P，Θ，ε₀)为全孔径第i项Zernike环多项式。这里所使用的Zernike多项式的排序与Zygo开发的数据处理软件MetroPro中所采用的排序相同。

类似于分段函数，全孔径波前也可以表示为如下形式，

$W(P,\mathrm{\Θ},{\mathrm{\ϵ}}_0)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ki}}{Z}_{\mathrm{ki}}({\mathrm{\ρ}}_k,\mathrm{\θ},{\mathrm{\ϵ}}_k)---\left(2\right)$

其中a_ki表示第k个子孔径和第i项Zernike多项式的子孔径系数。

既然非球面自身不会改变，等式(1)与等式(2)必然相等，即

$\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ki}}{Z}_{\mathrm{ki}}({\mathrm{\ρ}}_k,\mathrm{\θ},{\mathrm{\ϵ}}_k)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{ki}}{Z}_{\mathrm{ki}}({\mathrm{\ρ}}_k,\mathrm{\θ},{\mathrm{\ϵ}}_k)+\underset{i=5}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i{Z}_i(P,\mathrm{\Θ},{\mathrm{\ϵ}}_0)---\left(3\right)$

将方程(3)进行数学处理，将其改写为矩阵形式并进行一些变换和运算，全孔径Zernike系数Bi可以被计算出。更详细的计算过程可参考文献“Xi Hou，Fan Wu，Li Yang，Shi-bin Wu，Qiang Chen，Full-aperture wavefront reconstruction from annular subaperture interferometric datausing Zernike annular polynomials and matrix method for testing large aspheric surfaces，AppliedOptics，2006，45(15)：3442～3455.”。根据全孔径Zernike系数，即可进行全孔径面形重构，可以绘制出全孔径波前图，并计算其PV(峰谷值)、RMS值(均方差值)。

测量系统所涉及到的数据处理流程如图6所示，环形子孔径数据需先进行拼接处理，并减去抛物面理论面形，再与自准直检测数据一起进行全孔径重构，去除调整误差后，所获得的结果为全孔径面形误差信息。

Claims (3)

1.一种大口径抛物面镜检测系统，其特征在于：包括菲索型干涉仪(1)、平面反射镜(2)、被测大口径抛物面镜(3)、电控平移台(6)、数字驱动器(4)及计算机系统(5)，计算机系统(5)通过数字驱动器(4)与电控平移台(6)连接，平面反射镜(2)用来实现对抛物面镜中心部分的自准直检测，然后通过计算机系统(5)控制电控平移台(6)移动菲索型干涉仪(1)，所产生的一系列不同曲率半径参考球面波前将与被测大口径抛物面镜(3)超过自准直检测范围的相应环形区域相匹配，在所匹配的环形区域里的入射参考球面波前与被测大口径抛物面(3)表面之间的偏离量将减小到干涉仪的测量范围内，产生一系列可分辨的环形干涉条纹，通过安装在计算机系统(5)上的菲索型干涉仪的数据处理软件把可分辨的环形干涉条纹对应的相位数据提取出来，由环形子孔径拼接算法将所得到的所述相位数据送入计算机系统(5)进行处理，然后与自准直检测结果一起进行全孔径波前重构，从而获得被测大口径抛物面(3)面形信息。

2.根据权利要求1所述的大口径抛物面镜检测系统，其特征在于：平面反射镜(2)所对应的被测大口径抛物面镜(3)的中心部分由自准直检测技术来实现，被测大口径抛物面镜(3)对应的平面反射镜(2)口径之外的抛物面部分由环形子孔径拼接检测技术来实现。

3.根据权利要求1所述的大口径抛物面镜检测系统，其特征在于：平面反射镜(2)的口径相对于被测大口径抛物面镜(3)口径小。

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