CN101858735A - 一种大口径离轴非球面测量和标定系统 - Google Patents

Abstract

一种大口径离轴非球面测量和标定系统，包括一台干涉仪、标准镜头、两个平凹透镜、一个直角反射棱镜、一块标准平面反射镜以及需要测量或者标定的离轴非球面组成。从干涉仪发射出来的标准平行光，经过标准镜头后会聚于需要测量或者标定的离轴非球面的焦点上，再经过离轴非球面的反射后变成平行光并由标准平面反射镜沿原光路反射回来，最后由干涉仪的图像处理软件对大口径离轴非球面的面形进行分析处理，完成大口径离轴非球面测量。而同样从干涉仪中心发射出的细光束，沿着主光轴方向入射到第一个平凹透镜上，透射后进入直角反射棱镜，并经其反射后偏转90°，入射到第二个平凹透镜上，最后经过离轴非球面表面矢高的最低点与最高点射出，移动标准平面反射镜使这一束光沿原路返回，可保证各个元器件的中心在同一高度，并可根据已知条件完成大口径离轴非球面的几何参数测量与标定。

Description

一种大口径离轴非球面测量和标定系统

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、大相对口径、大误差范围的光学镜面检测系统。

背景技术

近年来，随着人类科学技术的发展不断被突破和革新，当代科学技术面临着一个难以逾越的难题——极端制造技术。在各种极端环境下，制造极端尺度或者极高功能的器件和功能系统，是现代高端科学技术领域的一个重要特征，具体表现之一就是在激光核聚变、卫星相机、导引头光学及天文望远镜等诸多领域所使用的非球面光学元件口径越来越大，其面形结构也越来越复杂。在美国和欧洲南方航天局计划研制的TMT天文望远镜中，主镜就是由1080块离轴非球面拼接而成的，单块口径都大于1M。这些大口径的离轴非球面的研制需要相应的加工技术和检测手段，也是当前世界各国的光学加工制造业急需解决的重要难题之一。

工艺过程的检测不同于其他的检测，它不要求全面，但要有效地指导下一步工艺进行，检测一次的时间应尽可能短。应知道主要误差的大小、主要误差的正负、主要误差的位置；应考虑到每次检测的操作周期(包括准备、过程、得结论)，力求省时。

由于大口径高次离轴非球面在未来的工业、国防等领域具有非常重要的战略地位，世界各国都先后开展了相应的研究。其中，法国、美国和加拿大等国家对高次离轴非球面开展的研究工作比较早，因此其检测技术相对成熟，但是不同的国家采用的检测技术也各自不同。在对高次离轴非球面的测量中，法国的SESO公司采用的是通过干涉仪自准直+激光定位的方法，即通过三束激光来确定离轴非球面的空间位置，从而来确定非球面是否达到理想的离轴状态。这种检测方法优点是原理简单，需要的辅助光学元件少，由于采用干涉仪，其检测的精度较高；缺点是空间定位比较困难，对离轴非球面光学元件的姿态控制要求教高，同时这种方法只能用于离轴非球面抛光之后的检验。

由于美国亚利桑那光学研究中心对离轴非球面的研究工作开展的比较早，其检测技术也比较成熟和完善。在离轴非球面精磨阶段，面形误差相对较大，他们采用激光跟踪的方法进行测量；在抛光阶段面形误差小，测量精度要求高，他们采用的是计算机产生全息的方法进行检测。对于激光跟踪的测量方法，虽然方法简短，测量的动态范围广，但是由于采用逐点扫描和数据拟合的方式，因此测量费时，需要相应的辅助光学、机械装置，成本也比较高。计算机产生全息的方法优点是测量精度高，成本也相对较低，但是对于不同的离轴非球面，都需要制作不同的全息片，同时在测量的过程中，对全息片的位置的定位精度要求比较高，光路调整比较困难。

在国内，成都光电所、苏大、南京天文台、长春光机所等单位都先后对离轴非球面开展了一定的研制工作，但尚没有对大口径高次离轴非球面的进行研制。在对离轴非球面的检测中。其中苏大采用的是平面反射镜加刀口仪的方法，并通过使用一个扁平标杆来确定离轴量。这种方法使用方便，比较适合加工过程中的检测，但是，其离轴量的确定很不方便，各个测量元件的位置精度很难控制。同时，在后期的测量中，需要将刀口仪换成干涉仪进行定量测量。

长春光机所在对大口径离轴非球面的精磨和初抛光阶段面形的测量中，他们采取的是双测头的方式进行接触式测量。在测量过程中，测头按照预先设定的测量轨迹来完成对光学表面上个测量点的扫描，通过比较测量点的矢高与理论值的偏差来计算被测表面的面形，这种测量方式能够对大误差的面形进行检测，但是对于大口径的离轴非球面，需要复杂的机械运动装置，成本较高，测量耗时，精度不高。而在离轴非球面的抛光阶段，需要通过使用补偿器和干涉仪来进行面形的测量。这种测量方法能够实现高精度的测量，但需要研制高精度的补偿器和精密的五维调整系统。

综上所述，不同的国家及单位对大口径高次离轴非球面的加工、检测方法都各自不同。国外在检测离轴非球面时，需要借助复杂而精确的机械定位系统或者复杂的空间定位计算方法，检测时光路调整非常不方便，不适合于车间里加工过程中未成型的离轴非球面的检验。国内在检测离轴非球面时，一方面需要复杂的机械运动装置，另一方面却无法对离轴非球面进行精确测量，更谈不上对离轴非球面的其他参数进行控制和检测。同时，无论国内或者国外，都没有一台设备能够对离轴非球面加工过程中从精磨到抛光过程中的面形误差检测，也没有能够对离轴非球面的参数进行标定的系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种大口径(通光口径在Ф300mm以上)离轴非球面测量和标定系统，该系统利用常规的检测仪器和简短的辅助元件，不仅能够实现了对未成型的离轴非球面几何参数的测量，从而对下一步的加工工艺进行指导，大大缩短其加工周期和提高工作效率，而且能够对已经加工好的离轴非球面的几何参数进行标定，它能够对离轴非球面从精磨到抛光全过程中的面形进行检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种大口径离轴非球面测量和标定系统，包括：干涉仪、标准镜头、第一平凹透镜、第二平凹透镜、直角反射棱镜、标准平面反射镜及需要测量或者标定的离轴非球面；所述标准镜头的F数与被测的离轴非球面的F数一致；从干涉仪发射出来的标准平行光，经过标准镜头后会聚于需要测量或者标定的离轴非球面的焦点上，再经过离轴非球面的反射后变成平行光并再经过标准平面反射镜后沿原光路反射回来，最后由干涉仪对离轴非球面的面形进行分析处理，得到离轴非球面的表面信息，完成离轴非球面测量；而同样从干涉仪中心发射出的细光束(通常情况下小于Ф1mm)在没有标准镜头时，沿着主光轴方向入射到第一个平凹透镜上，透射后进入直角反射棱镜，并经直角反射棱镜反射后偏转90°，入射到第二个平凹透镜上，最后通过离轴非球面表面矢高的最低点与最高点射出，移动标准平面反射镜使这一束光沿原路返回，保证各个元器件的中心在同一高度，并根据已知条件，即两个平凹透镜的凹面半径(R1和R2)以及直角棱镜的边长(D)，完成大口径的离轴非球面的几何参数测量与标定。

所述干涉仪为可见光干涉仪、红外光干涉仪或哈特曼干涉仪，干涉仪的精度与测量和标定系统测量精度相当，以提高测量精度。

所述标准镜头根据不同的检测精度要求或者不同的检测对象，可以更换为或者直接添加计算机生成的全息片CGH或者不同形式的补偿器，以实现不同方式的测量。

所述第一平凹透镜的凹面半径、中心厚度由被测离轴非球面的母镜的顶点曲率半径所决定，所述第一平凹透镜的凹面半径、中心厚度的绝对值之和小于所述顶点曲率半径。

所述第二平凹透镜凹面的半径、中心厚度与被测离轴非球面的母镜的顶点曲率半径、离轴量、直角反射棱镜、第一平凹透镜的参数相关，假设需要加工的母镜顶点曲率半径为R，而使用的第一个平凹透镜的曲率半径为R1，中心厚为D1，第二个平凹透镜的曲率半径为R2，中心厚为D2，直角棱镜的边长为D，离轴非球面几何中心到边缘的距离为D3(包含机械装置)，离轴非球面的离轴量L与它们之间关系为：

L＝D3+D2+R2-R1-D1-D/2。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的检测系统中使用干涉仪可以是传统的可见光干涉仪或者哈特曼干涉仪，也可以是红外光干涉仪。在大口径离轴非球面精磨阶段，其表面粗糙而面形误差比较大，传统的干涉仪无法对其进行有效测量，在本发明测量系统中，可采用红外光干涉仪对其精磨阶段粗糙表面进行有效测量。在大口径离轴非球面抛光阶段，采用传统的可见光干涉仪或者哈特曼干涉仪，实现其光滑表面高精度的测量。这样，本发明检测系统既可以对未成型的大口径离轴非球面精磨加工阶段大误差面形的测量，也可以对成型后光滑表面测量，在同一个检测方法中实现了大口径离轴非球面不同加工过程的面形误差的高精度测量，有效地弥补了传统方法中只能对抛光阶段的光滑面形进行干涉仪检测的问题。

(2)本发明的检测系统中，可通精确测量直角棱镜到干涉仪的距离以及大口径离轴非球面到直角棱镜的距离，实现了大口径离轴非球面的离轴量和其母镜顶点曲率半径的精确测量。

(3)本发明中，利用干涉仪中心细光束，实现了检测系统中的光学零件的光轴同心，确定了离轴非球面的中心与母镜主光轴子午面的位置，从而避免了在实际加工过程中由于没有母镜而无法确定离轴非球面的子午方向。

总之，本发明不需要复杂的机械装置，采用光学定位来代替机械定位，在降低了对机械装置的精度要求的同时提高了系统的检测精度，利用常规的检测装置实现了离轴非球面加工过程中从精磨到抛光过程中的面形误差检测，操作简短，使用方便，不仅适合未成型以及成型的离轴非球面几何参数的测量，而且能够对已经加工好的离轴非球面的几何参数进行标定。

附图说明

图1为本发明检测系统构成示意图；

图2本发明离轴非球面与镜框之间的定位关系图；

图3本发明中使用的平面反射镜；

图4本发明中使用的第一平凹透镜(含机械装置)；

图5本发明中使用的反射棱镜；

图6本发明中使用的第二平凹透镜(含机械装置)。

具体实施方式

如附图1所示，本发明包括干涉仪7、标准镜头6、第一平凹透镜5、第二平凹透镜3、直角反射棱镜4、标准平面反射镜1及需要测量或者标定的大口径离轴非球面2。从干涉仪7发射出来的标准平行光，经过标准镜头6后会聚于需要测量或者标定的离轴非球面2的焦点上，再经过离轴非球面的反射后变成平行光并由标准平面反射镜1沿原光路反射回来，最后由干涉仪7对大口径离轴非球面2的面形进行分析处理，得到大口径离轴非球面2的表面信息，完成大口径离轴非球面测量；而同样从干涉仪7中心发射出的细光束(光斑直径小于Ф1mm)，沿着主光轴方向入射到第一个平凹透镜5上，透射后进入直角反射棱镜4，并经其反射后偏转90°，入射到第二个平凹透镜上3，最后经过大口径离轴非球面2表面矢高的最低点与最高点射出，移动标准平面反射镜1使这一束光沿原路返回，保证各个元器件的中心在同一高度，再根据干涉仪、平凹透镜、直角棱镜的几何参数，完成大口径离轴非球面2的几何参数测量与标定。

在本发明的系统使用过程中，需要根据被检测的离轴非球面的相对口径(焦距与口径的比值)来选择合适的标准镜头。一般情况下，所使用的标准镜头的相对口径应该不小于被检测的离轴非球面的相对口径。

在本发明中所使用的标准平面反射镜(如图3所示)、第一平凹透镜(如图4所示)、直角反射棱镜(如图5所示)以及第二平凹透镜(如图6所示)的光学表面面形的峰谷值应该小于四分之一波长。

本发明的测量和标定方法如下：

1.系统自身对准，即保证附图1中的主光轴处于水平状态

方法为：通过干涉仪中心发出一束细光线，入射到直角反射棱镜的第一个直角面上后，光束一分为二，返回的部分光线确定了其垂轴方向上的偏离；透射部分光束经棱镜斜边反射后入射到反射棱镜的第二个直角面上，同样光束一分为二，返回的部分光线确定了其平行于光轴方向上的偏离；透射部分入射光线到离轴非球面的安装镜座上，由一边的小孔入射，而从另一边小孔出射，显然这两个孔的位置就可以决定离轴非球面检测时的中心高度。最后，可在系统外加一个平面反射镜来检验光轴是否水平以及离轴方向与光轴是否垂直。

2.大口径高次离轴非球面母镜顶点曲率半径的测量及确定

从图附1所示的几何关系中，假设需要加工的母镜顶点曲率半径为R，而使用的辅助平凹透镜(1)的曲率半径为R1，中心厚为D1，直角棱镜的边长为D，则有下式：

R＝R1+D1+D/2

式中，R1、D1和D均能精确测量，故能够对大口径高次离轴非球面母镜顶点曲率半径进行测量和控制。

3.离轴量的控制

假设使用的辅助平凹透镜2的曲率半径为R2，中心厚为D2，离轴非球面几何中心到边缘的距离为D3(包含机械装置)，离轴非球面的离轴量为L，则从附图1所示的几何关系可知：

L＝D3+D2+R2-R1-D1-D/2

式中，R1、D1、R2、D2、D3和D均能精确测量，故能够对大口径高次离轴非球面的离轴量进行测量和控制。

从图1中还可以看出：大口径高次离轴非球面的母镜光轴与离轴量之间的位置关系是通过直角反射棱镜的直角来确定的。由于现在的棱镜的角度可以精确控制，所以大口径高次离轴非球面的母镜光轴与离轴量之间的位置关系能够精确确定。

4.离轴非球面子午方向的确定

采用刻线对准的方法，如图2所示。图中11为镜座上的对准线，12为离轴非球面的镜框，13为离轴非球面母线的方向，14为镜框上的标记线，15为镜座。

确定过程为：

(1)在离轴非球面外围的镜框上，对应于离轴非球面失高的最高点与最低点的方向上做标记(标记线14)，两条标记线的连线为离轴非球面母线的方向13；

(2)镜座15上，在与离轴非球面的镜框12中心等高的水平方向上，刻画上一条细线作为对准线1；

(3)在加工过程中，严格保证离轴非球面母线的方向13与镜框上的标记线14方向一致，及离轴非球面与其镜框位置是固定的。在每次检测过程中，离轴非球面母线的方向13与镜框上的标记线14与镜座上的对准线11在一条直线上，该直线的方向及为离轴非球面的子午方向。

5.系统精度的控制

(1)由于离轴非球面对离轴量的要求不是非常严格，而在上面的方法中，每一步都用干涉仪控制，另外的尺寸均可精确测量，因此，系统的定位精度完全可以满足要求。

(2)上面的方程式中，任何一个未知参量都可用其它以知参数来计算，故在加工过程中，可通过本系统来对大口径高次离轴非球面的几何参量进行控制；而对一个已经加工好了的大口径高次离轴非球面，则可以通过本系统进行其离轴非球面几何参量的标定。

本发明为大口径离轴非球面光学元件的研制提供了一种高效率、低成本的检测装置，不仅适合在大口径离轴非球面光学元件在加工过程中的面形修正、几何参数的控制，还可以对加工已经完成了的大口径离轴非球面光学元件进行几何参数的标定，具有非常高的实际应用价值和十分广阔的应用前景。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种大口径离轴非球面测量和标定系统，其特征在于包括：干涉仪(7)、标准镜头(6)、第一平凹透镜(5)、第二平凹透镜(3)、直角反射棱镜(4)、标准平面反射镜(1)及需要测量或者标定的离轴非球面(2)；所述标准镜头(6)的相对口径与被测的离轴非球面(2)的相对口径一致；从干涉仪(7)发射出来的标准平行光，经过标准镜头(6)后会聚于需要测量或者标定的离轴非球面(2)的焦点上，再经过大口径离轴非球面(2)的反射后变成平行光并再经过标准平面反射镜(1)后沿原光路反射回来，最后由干涉仪(7)对大口径离轴非球面(2)的面形进行分析处理，得到大口径离轴非球面(2)的表面信息，完成大口径离轴非球面(2)测量；而同样从干涉仪(7)中心发射出的一束光，该光束可通过在干涉仪前加一光阑得到，其光束直径由光阑的孔径决定且越小越好，通常情况下小于Ф1mm，在没有标准镜头时，沿着主光轴方向入射到第一个平凹透镜(5)上，透射后进入直角反射棱镜(4)，并经直角反射棱镜(4)反射后偏转90°，入射到第二个平凹透镜上(3)，最后通过离轴非球面(2)表面矢高的最低点与最高点射出，移动标准平面反射镜(1)使这一束光沿原路返回，保证各个元器件的中心在同一高度，并根据已知条件，即两个平凹透镜的凹面半径R1和R2以及直角棱镜的边长D，完成大口径离轴非球面(2)的几何参数测量与标定。

2.根据权利要求1所述的大口径离轴非球面测量和标定系统，其特征在于：所述干涉仪(7)为可见光干涉仪、红外光干涉仪或哈特曼干涉仪。

3.根据权利要求1所述的大口径离轴非球面测量和标定系统，其特征在于：所述干涉仪(7)的精度与测量和标定系统测量精度相当。

4.根据权利要求1所述的大口径离轴非球面测量和标定系统，其特征在于：所述第一平凹透镜(5)的凹面半径、中心厚度由被测大口径离轴非球面(2)的母镜的顶点曲率半径所决定，所述第一平凹透镜(5)的凹面半径、中心厚度的绝对值之和小于所述顶点曲率半径。

5.根据权利要求1所述的大口径离轴非球面测量和标定系统，其特征在于：所述第二平凹透镜(3)凹面的半径、中心厚度与被测大口径离轴非球面(2)母镜的顶点曲率半径、离轴量、直角反射棱镜(4)、第一个平凹透镜(5)的参数相关，即需要加工的母镜顶点曲率半径为R，而使用的第一平凹透镜(5)的曲率半径为R1，中心厚为D1，第二平凹透镜(3)的曲率半径为R2，中心厚为D2，直角棱镜的边长为D，离轴非球面几何中心到边缘的包含机械装置的距离为D3，离轴非球面的离轴量L与它们之间关系为：

L＝D3+D2+R2-R1-D1-D/2。

6.根据权利要求1所述的大口径离轴非球面测量和标定系统，其特征在于：所述标定系统的光路可通过将改变平面反射镜的位置来实现系统光路的同心调整，在没有标准镜头时，从干涉仪中心出射的平行细光束经过直角反射棱镜(4)后反射折转90°，沿离轴非球面的子午线后由平面反射镜反射自准后，又回到出射点，这条光束为整个光路的中心。

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