CN101419062B - 一种大口径双曲面次镜检测系统 - Google Patents

Abstract

一种大口径双曲面次镜检测系统，包括相移干涉仪、两块对称放置的Hindle球面分块反射镜、被测大口径双曲面次镜及计算机系统，计算机系统与相移干涉仪连接，两块Hindle球面分块反射镜用来实现对双曲面次镜中心遮拦外对应区域的子孔径零检测，通过安装在计算机系统上的相移干涉仪数据处理软件把可分辨干涉条纹对应的两个子孔径相位数据提取出来，通过调整机构相对旋转被测大口径双曲面次镜和两块Hindle球面分块反射镜的相对位置，实现对被测大口径双曲面次镜的全孔径范围测试，相邻子孔径间存在足够重叠区以实现高精度的数据拼接处理，最后由将所得到的子孔径测试数据送入计算机系统进行拼接处理，从而获得被测大口径双曲面次镜面形信息；本发明为大口径和超大口径双曲面次镜的研制提供了一种有效的低成本检测手段，具有较大的应用价值。

Description

一种大口径双曲面次镜检测系统

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测技术领域，涉及一种光学检测系统，特别涉及一种大口径双曲面次镜检测系统。

技术背景

以凸双曲面为次镜的两镜光学系统在天文、空间光学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双曲面次镜的口径越来越大。大口径双曲面次镜的制造需要相应的检测技术。然而，对大口径双曲面次镜进行高精度定量检测仍然存在很多挑战。

在双曲面次镜的抛光加工阶段，通常的定量检测系统中所涉及到的检测方法有无像差点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。凸双曲面的共轭点为一个实几何焦点和一个虚几何焦点，对其进行无像差点检测需要一块口径为被测双曲面镜口径两倍以上甚至更大的高精度Hindle球面反射镜，以将放置在被测凸双曲面镜实几何焦点的点光源发出的光通过凸双曲面镜反射而形成的发散球面波前原路反射回来，该Hindle检测方法较适合小口径凸双曲面；然而对于大口径双曲面次镜所需的高精度Hindle球面反射镜通常制造困难，价格昂贵，对于超大口径双曲面次镜的Hindle无像差点检测难以实现。Simpson-Hindle检测方法将Hindle镜靠近被测凸双曲面，这样使得Hindle镜变成一个口径略大于凸双曲面镜口径的Hindle球壳，由于检测光需要通过该Hindle球壳，以致对Hindle球壳材料的均匀性提出了较高要求。大口径的Hindle球壳在实际制造中存在较大困难，口径大于1m时更是难于实现。

补偿器零检验法是广泛使用的另一种大口径双曲面次镜检测方法。目前国内外采用的零补偿器方法主要包括：背部工艺球面法、反射补偿器法(“2.4m天文望远镜光学系统的设计及副镜检验的几种可能方案”，云南天文台台刊，2：41-49，2002.)、非球面样板法和计算全息板法(Full-aperture interferometric test of convex secondary mirrors using holographic testplates.Proc.SPIE，1994，2199(3)：181—191.)。为了对被测双曲面次镜作出可靠结论，上述几种补偿器零检验法中的补偿器必须具有所要求的质量，并相对于被测双曲面正确地安装。然而，随着被测双曲面次镜口径和相对口径的增大，背部工艺球面法对材料的均匀性要求苛刻难于实现，反射补偿器法需要制造大口径的高精度非球面反射镜，非球面样板法需要制造与被测双曲面次镜口径相当的高精度非球面透镜，计算全息板法需要大型的激光直写设备刻划全息板，并且补偿器零检验法对补偿器装调精度也将提出更高的要求，这使得这些检测技术在检测大口径双曲面次镜时存在一定困难，其应用受到一定限制。

显而易见，双曲面次镜的Hindle检测方法是几何关系和解析理论最简单的方法。为了解决Hindle球面镜口径过大的问题，Noble等(Noble R，Malacara D，Cornejo A.MultistepHindle test，Appl.Opt，13：2476-2477，1974)曾提出采用串接两个Hindle球面镜的方法，沿着光轴的方向放置两个中心通光孔径不同的Hindle球面镜。Percino-Zacarias等(Percino-Zacarias Maria E.N-Hindle-sphere arrangement with an exact ray trace for testing hyperboloidconvex mirrors，Appl.Opt，38(28)：6050-6054，1999.)给出了两个Hindle球面镜的关系方程，并将两个Hindle球面镜推广到多个Hindle球面镜串接的普遍形式。虽然采用串接的方法可以减小Hindle球面镜的尺寸，但是对于大口径双曲面次镜的检测，串接的方法并不一定有效，因为串接的Hindle球面镜与待检双曲面次镜共轴，对于非球面边缘的检测同样需要大口径的Hindle球面镜或者是多个Hindle球面镜串接，这样就造成加工和装调的困难。

王鹏，赵文才，胡明勇等(离轴凸非球面的Hindle检测，光学精密工程，10(2)：139-142，2002)为了解决经典Hindle球面镜检验离轴凸非球面所需的Hindle球面镜口径过大的问题，提出采用离轴Hindle球面镜检验离轴凸非球面的方法。此方法中，Hindle球面镜使用在离轴状态，通过旋转离轴凸非球面达到检验整个待检面的目的。

基于单块Hindle球面分块镜的子孔径检测方法大大降低了全口径Hindle检测成本，但需要多次测量并进行数据拼接处理以获得被测双曲面次镜的全口径面形信息。Koby Z.Smith，John P.Schwenker，Robert J.Brown等(Current Concepts for Cryogenic Optical Testing of theJWST Secondary Mirror，Proc.SPIE 5494：141-151，2004)提出了一种改进的基于带孔Hindle球面分块镜的子孔径检测方法，该方法的特点在于所有子孔径数据在其孔附近有一个共同的环形检测区域，在数据拼接处理时可一定程度地提高拼接精度，但该Hindle球面分块镜的口径适当偏大。

Robert J.Z等在美国授权专利号“US 5410407”“Large aperture mirror testing apparatus andmethod”中的实施方案中提出了一种Hindle球壳和Hindle分块球面镜组合检测方法，Hindle分块球面镜阵列用来检测凸双曲面镜外环带区域，而相对较小口径的Hindle球壳同时检测被测凸双曲面镜中心区域。该方法优点在于能够检测整个被测凸双曲面镜，不存在中心遮拦；其不足之处在于该检测系统结构较复杂，同样Hindle球壳对材料均匀性要求高。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种基于双Hindle分块球面镜和子孔径拼接技术的大口径双曲面次镜检测系统，该系统利用通常光学加工实体容易加工的较小口径标准球面镜，可以有效地解决其它定量检测技术中的辅助元件(全口径Hindle球、Hindle球壳、椭球镜、非球面样板和计算全息板)制造困难、成本高、对材料均匀性要求高、装调误差灵敏等问题，也可解决单Hindle分块球面镜检测技术的较低检测效率问题，并且结构相对简单，检验成本较低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种大口径双曲面次镜检测系统，其特征在于：包括相移干涉仪、2块对称放置的Hindle球面分块反射镜、被测大口径双曲面次镜及计算机系统，计算机系统与相移干涉仪连接，Hindle球面分块反射镜用来实现对双曲面次镜中心遮拦外对应区域的子孔径零检测，同时另一块Hindle球面分块反射镜也用来实现对双曲面次镜中心遮拦外对应区域的子孔径零检测，通过安装在计算机系统上的相移干涉仪数据处理软件把可分辨干涉条纹对应的两个子孔径相位数据提取出来，通过调整机构相对旋转被测双曲面次镜和Hindle球面分块镜之间相对位置，实现对被测双曲面次镜的全孔径范围测试，最后由子孔径数据处理软件将所得到的子孔径测试数据送入计算机系统进行处理，从而获得被测大口径双曲面次镜面形信息。

上述检测系统不仅可以用于被测大口径双曲面次镜最终面形检测，也可用于被测大口径双曲面次镜抛光制造过程检测。

上述检测系统在用于被测大口径双曲面次镜抛光制造过程检测中，可以使用2个或4个等部分子孔径测量，也可使用完全覆盖被测大口径双曲面次镜(3)有效通光区域的子孔径测量以进行不同精度级的面形表征。

所述相移干涉仪所采集到的可分辨干涉条纹对应的两个子孔径间存在足够重叠区，以实现高精度的数据拼接处理。

所采用的两块Hindle球面分块反射镜口径大小和曲率半径能够使得其反射回来的测试光完全覆盖被测大口径双曲面次镜中心遮拦到通光口径之间的径向范围；两块Hindle球面分块反射镜的离轴距离能够保证相移干涉仪的测试光能顺利通过。

所述的两块Hindle球面分块反射镜口径大小和曲率半径可以相同，也可以不同，只要满足其子孔径检测区域能够覆盖被测大口径双曲面次镜中心遮拦到通光口径之间的径向范围而不影响整个检测系统光路即可。

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容易制造的相对较小口径的球面反射镜，无需制造一块口径为被测大口径双曲面次镜口径两倍以上甚至更大的全口径Hindle球面反射镜，降低了检测成本和检测准备周期；

(2)本发明采用双Hindle分块球面镜，可以方便对整个被测双曲面次镜存在的大误差(如像散)进行判别，避免了Hindle分块球面镜阵列的高成本；也可避免单Hindle分块球面镜拼接技术的较低检测效率和单次测量不能有效判断被测双曲面次镜的整体大误差(如像散)，在节约大量硬件资源的同时又可实现对大口径双曲面次镜的较高效率检测，非常适合双曲面次镜的制造过程检测；

(3)本发明由于采用反射式光路布局，而且没有透射辅助光学元件，因此避免了对光学材料均匀性的苛刻要求；

(4)本发明的系统中没有采用任何特殊面形的光学元件和衍射元件，仅需要制造较小口径的标准球面镜，使用过程中将其放置在离轴位置，这使得其硬件系统容易搭建；

(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双曲面次镜制造过程和最终面形误差检测；

(6)本发明较好的平衡了检测系统性能、检测成本和检测效率。

附图说明

图1为检测系统构成示意图；

图2为检测系统光路俯视图；

图3为每次检测时子孔径数据采样分布示意图；

图4为4个子孔径数据采样分布示意图；

图5为覆盖被测大口径双曲面次镜全通光区域的子孔径数据采样分布示意图；

图6为测量系统所涉及到的数据处理流程图。

图中：1为相移干涉仪，2为Hindle球面分块反射镜，3为被测大口径双曲面次镜，4为Hindle球面分块反射镜，5为计算机系统。

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，本实施例的一种大口径双曲面次镜检测系统包括相移干涉仪1、两块对称放置的Hindle球面分块反射镜2和4、被测大口径双曲面次镜3及计算机系统5，计算机系统5与相移干涉仪1连接，两块Hindle球面分块反射镜2和4用来实现对双曲面次镜中心遮拦外对应区域的子孔径零检测，通过安装在计算机系统5上的相移干涉仪数据处理软件把可分辨干涉条纹对应的两个子孔径相位数据提取出来，通过调整机构相对旋转被测大口径双曲面次镜3和两块Hindle球面分块反射镜2和4之间相对位置，实现对被测双曲面次镜的全孔径范围测试，相邻子孔径间存在足够重叠区以实现高精度的数据拼接处理，最后由安装在计算机系统5上的子孔径数据处理软件将所得到的子孔径测试数据进行处理，从而获得被测大口径双曲面次镜3面形信息。

本发明系统的工作过程及检测步骤如下：

第一步：如图1所示，Hindle球面分块反射镜2和Hindle球面分块反射镜4呈对称放置，为了方便调试和空间架构，Hindle球面分块反射镜2和4可呈水平放置，图2为该状态下的光路俯视图。两块Hindle球面分块反射镜2和4口径大小和曲率半径可以相同，也可以不同，只要满足其子孔径检测区域能够覆盖被测大口径双曲面次镜3中心遮拦到通光口径之间的径向范围而不影响整个检测系统光路即可，在满足上述约束条件下Hindle球面分块反射镜2和4口径可适当偏小以降低制造成本。分别调整Hindle球面分块反射镜2和4与被测双曲面次镜3之间的相互几何位置关系，使得Hindle球面分块反射镜2和4所对应的子孔径检测区域均为干涉零条纹分布，图3为对应的子孔径数据采样分布示意图。其具体的Hindle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“л.т.普里亚耶夫.光学非球面检验，北京：科学出版社，1982”书中相关内容。

第二步：通过安装在计算机系统5中的干涉仪数据软件将所获得的子孔径数据保存下来。对每个子孔径数据单独和同时进行Zernike多项式拟合，以分析被测镜面的局部误差和整体大误差。为了得到相对更可靠的数据，将被测双曲面次镜旋转90度后进行再次子孔径检测，此时一共获得4个子孔径数据，其子孔径数据采样分布如图4所示；对这4个子孔径数据进行Zernike多项式拟合(“Principles of optics”，Born M，Wolf E，464-468，1980)可以更准确地分析被测双曲面次镜3的面形误差特征。上述操作简单，不需要较多的检测时间，非常适合制造过程检测，用于对被测双曲面次镜3的较大面形误差进行快速判断。所选用的子孔径数多少可根据制造过程不同阶段的精度要求进行交叉选择，以提高制造过程检测效率。

第三步：为了实现被测大口径双曲面次镜3的全通光范围检测，在完成第一步操作后，根据子孔径数据覆盖区域大小将被测大口径双曲面次镜3旋转约45度或更小角度，以保证相邻子孔径间存在足够的重叠区域。具体的重叠区域大小选择同一般的子孔径拼接问题。图5为8个子孔径检测数据采样分布示意图，a与d之间区域为被测大口径双曲面次镜3的通光口径，b与c之间区域为被测双大口径曲面次镜3所允许的中心遮拦区域，ab和cd之间区域为被测大口径双曲面次镜3的通光区域，也是子孔径检测需要覆盖的区域。

第四步：子孔径数据拼接处理；

测量系统所涉及到的数据处理流程如图6所示；各个子孔径测量时由于调整误差的影响使得测量数据中主要包含调整误差信息和面形误差信息，该拼接处理的核心就是把面形误差信息从子孔径测量信息中分离出来。具体步骤如下：首先读入所有的子孔径检测数据，对重叠区数据进行判断，可参考文献(Shanyong Chen，Shengyi Li，and Yifan Dai，Iterativealgorithm for subaperture stitching interferometry for general surfaces，J.Opt.Soc.Am.A，22(9)：1929-1936，2005)；将所有的重叠区数据的差值进行同时最小二乘拟合，以计算出具有全局优化的拼接参数：相位常数、倾斜、离焦、像散和彗差，具体算法可参考文献(ChunyuZhao and James H.Burge，Stitching of off-axis sub-aperture null measurements of an asphericsurface，Proc.SPIE 7063：706316-1～7，2008)；根据拼接参数对各个子孔径数据进行校正，使得它们具有相同的参考标准；进行全孔径Zernike多项式拟合以去除拼接后波前的调整误差影响，并计算通常的面形误差评价参数：峰谷值(PV)和均方根(RMS)值；根据拼接后的数据信息可绘制出被测大口径双曲面次镜3的轮廓图和三维图；即可获得反映被测大口径双曲面次镜3面形误差的全孔径波前信息。

该检测系统不仅可以用于被测大口径双曲面次镜3最终面形检测，也可用于被测大口径双曲面次镜3抛光制造过程检测；在抛光过程检测中可以使用2个、或4个等部分子孔径测量，也可使用完全覆盖被测大口径双曲面次镜3有效通光区域的子孔径测量以进行不同精度级的面形表征。使用较少子孔径测量数据进行处理可以快速实现过程检测，与完全覆盖被测大口径双曲面次镜3的子孔径数据拼接处理结果交叉配合以保证测量可靠性的同时提高制造效率。

Claims (6)

1.一种大口径双曲面次镜检测系统，其特征在于：包括相移干涉仪(1)、两块对称放置的Hindle球面分块反射镜(2和4)、被测大口径双曲面次镜(3)及计算机系统(5)，计算机系统(5)与相移干涉仪(1)连接，两块Hindle球面分块反射镜(2和4)用来实现对双曲面次镜中心遮拦外对应区域的子孔径的检测，通过安装在计算机系统(5)上的相移干涉仪数据处理软件把相移干涉仪(1)所采集到的可分辨干涉条纹对应的两个子孔径相位数据提取出来，通过调整机构相对旋转被测大口径双曲面次镜(3)和两块Hindle球面分块反射镜(2和4)之间相对位置，实现对被测双曲面次镜的全孔径范围测试，最后由安装在计算机系统(5)上的子孔径数据处理软件将所得到的子孔径测试数据进行处理，从而获得被测大口径双曲面次镜(3)面形信息。

2.根据权利要求1所述的一种大口径双曲面次镜检测系统，其特征在于：该检测系统用于被测大口径双曲面次镜(3)的最终面形检测，或者用于被测大口径双曲面次镜(3)的抛光制造过程检测。

3.根据权利要求2中所述的一种大口径双曲面次镜检测系统，其特征在于：在用于被测大口径双曲面次镜(3)的抛光制造过程检测中，使用2个或4个等部分子孔径测量，或者使用完全覆盖被测大口径双曲面次镜(3)有效通光区域的子孔径测量以进行不同精度级的面形表征。

4.根据权利要求1所述的一种大口径双曲面次镜检测系统，其特征在于：所述相移干涉仪(1)所采集到的可分辨干涉条纹对应的两个子孔径间存在足够重叠区，以实现高精度的数据拼接处理。

5.根据权利要求1所述的一种大口径双曲面次镜检测系统，其特征在于：所采用的两块Hindle球面分块反射镜(2和4)口径大小和曲率半径能够使得其反射回来的测试光完全覆盖被测大口径双曲面次镜(3)中心遮拦到通光口径之间的径向范围；两块Hindle球面分块反射镜(2和4)的离轴距离能够保证相移干涉仪(1)的测试光能顺利通过。

6.根据权利要求1所述的一种大口径双曲面次镜检测系统，其特征在于：所述的两块Hindle球面分块反射镜(2和4)口径大小和曲率半径相同，或者不同，只要满足其子孔径检测区域能够覆盖被测大口径双曲面次镜(3)中心遮拦到通光口径之间的径向范围而不影响整个检测系统光路即可。

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