CN102620681B - 一种超大口径凸双曲面镜分环带检测系统及其检测方法 - Google Patents
一种超大口径凸双曲面镜分环带检测系统及其检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种超大口径凸双曲面镜分环带检测系统及其检测方法，它包括相移干涉仪、两块Hindle球面反射镜、被测超大口径凸双曲面镜及计算机系统，其中计算机系统与相移干涉仪连接，两块Hindle球面反射镜实现超大口径凸双曲面镜的零检测，计算机系统上的相移干涉仪数据处理软件提取子孔径相位数据，调节被测超大口径凸双曲面镜和两块Hindle球面反射镜的相对位置，实现对被测超大口径凸双曲面镜的全口径检测，相邻子孔径有足够的重叠区域实现高精度的拼接，把得到的子孔径测试数据送入计算机系统进行拼接处理，获得被测超大口径凸双曲面镜面形信息；此发明对超大口径凸双曲面镜的研制提供了一种有效低成本检测手段，具有较大应用价值。
Description
技术领域
本发明属于先进光学制造与检测领域，涉及光学检测系统，特别涉及一种超大口径凸双曲面镜分环带检测系统及其检测方法。
背景技术
以凸双曲面镜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，并且随着天文及空间光学的发展其所需的凸双曲面镜的口径越来越大。大口径凸双曲面镜的制造需要相应的检测技术，然而，对大口径及超大口径凸双曲面镜进行高精度定量检测仍然存在着巨大的挑战。
在凸双曲面镜的抛光加工阶段，通常的检测方法有无像差法和补偿器零检验法。无像差法利用二次曲线的两个共轭点形成的无像差点进行检测，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高精度Hindle球面反射镜，这块Hindle球面反射镜的口径为被测凸双曲面镜口径的数倍，在实几何焦点处的点光源发出的光波经过凸双曲面镜反射后形成发散球面波这些发散球面波经过Hindle球面反射镜后原路返回，该Hindle检测方法适合小口径的凸双曲面镜；大口径凸双曲镜所需的高精度Hindle球面反射镜制造困难，价格昂贵。Simpson-Hindle检测方法将Hindle镜靠近被测凸双曲面镜，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，这对Hindle球壳材料的均匀性提出了较高的要求，且大口径Hindle球壳在实际制造中存在较大困难，口径大于lm时更是难于实现。
目前国内外主要采用的补偿器检测方法包括：背部球面工艺法、反射补偿器法、非球面样板法和计算全息法。随着被测凸双曲面镜口径增大，背部球面工艺法对材料均匀性的苛刻要求难以实现，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凸双曲面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；并且补偿器检测法中对补偿器装调精度也提出了跟高的要求，使得这些检测技术在检测超大口径凸双曲面镜时存在一定困难，其应用受到了一定的限制。
为解决Hindle球面反射镜口径过大的问题，Noble等(Noble R，Malacara D，CorneioA.Multistep Hindle test，Appl.Opt，13：2476-2477，1974)提出采用串接两个Hindle球面反射镜的方法，即沿着光轴方向放置两个中心通光口径不同的Hindle球面反射镜。虽然采用串接的方法可以减小Hindle球面反射镜的尺寸，但是对于大口径及超大口径凸双曲面镜边缘的检测同样需要大口径的Hindle球面反射镜或者是多个Hindle球面反射镜串接，这造成加工和装调的困难。
基于单块Hindle球面反射镜的子孔径检测方法降低了全口径Hindle检测成本，但需要多次测量并进行数据拼接处理。Koby Z.Smith，John P.Schwenker，Robert J.Brown等(CurrentConcepts for Cryogenic Optical Testing of the JWST Secondary Mirror，Proc.SPIE5494：141-151，2004)提出一种改进的基于带孔Hindle球面反射镜的子孔径检测方法，该方法的特点在于所有的子孔径数据在其孔附近有一共同的环形检测区域，在数据拼接处理时可以一定程度的提高拼接精度，但该Hindle球面反射镜口径偏大。
Robert J.Z等在美国授权专利号“US 541047”‘Large aperture mirror testing apparatus andmethod’的实施方案中提出了一种Hindle球壳和Hindle球面反射镜组合检测方法，Hindle球面反射镜阵列用来检测凸双曲面镜外环带区域，而相对口径较小的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；但是该检测系统结构复杂，同时Hindle球壳对材料均匀性要求高。
侯溪等在中国专利“CN 101419062A”“一种大口径双曲面次镜检测系统中”提出了一种基于对称放置的Hindle球面反射镜检测方法，Hindle球面反射镜用来检测凸双曲面镜中心遮拦到边缘环带的部分区域，通过调整Hindle球面反射镜和凸双曲面镜的相对位置关系来检测凸双曲面镜的不同位置，通过后期的数据拼接处理得到凸双曲面镜的面形信息。该方法的优点在于减小了Hindle球面反射镜的口径，降低了检测成本，且检测效率较高；但是该系统在检测超大口径的凸双曲面镜时，其Hindle球面反射镜的口径会达到10m及以上，制造如此大口镜的高精度球面反射镜存在着巨大困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题：克服现有检测技术的不足，提出一种基于超大口径凸双曲面镜分环带的Hindle球面反射镜分区域检测和子孔径拼接技术的超大口径凸双曲面镜检测系统，该系统利用容易加工实现的较小口径标准球面反射镜，可以有效解决其它检测方法中的辅助元件制造困难、成本高、材料均匀性高等问题，本发明结构简单，检测成本低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种超大口径凸双曲面镜分环带检测系统，其特征在于：该检测系统包括相移干涉仪，2块Hindle球面反射镜、被测超大口径凸双曲面镜及计算机系统，其中计算机与相移干涉仪连接，一个Hindle球面反射镜用来实现对凸双曲面镜中心遮拦到内部某一环带的子孔径进行检测，另一个Hindle球面反射镜实现对凸双曲面镜内部某一环带到边缘的子孔径检测，通过安装在计算机系统上的相移干涉仪数据处理软件对得到的两个子孔径相位数据进行提取，调整被测凸双曲面镜和Hindle球面反射镜之间的相对位置，实现对被测凸双曲面镜的全口径范围检测，最后由子孔径数据处理软件将所得到的子孔径检测数据送入计算机系统进行处理，从而获得被测超大口径凸双曲面镜的面形信息。
上述检测系统在检测过程中，干涉仪检测得到的相同环带上的两个子孔径间存在足够的重叠区域，以实现高精度数据拼接处理。
该检测系统不仅能把超大口径凸双曲面镜分成两个环带进行检测，也能把它分成两个以上的环带进行检测，最终通过计算机系统拼接子孔径数据得到超大口径凸双曲面镜全口径面形信息。
该检测系统所采用的两块Hindle球面反射镜口径和曲率半径能够使得反射回来的测试光组合完全覆盖被测超大口径凸双曲面镜中心遮拦到通光口径之间的径向范围；两块Hindle球面反射镜的离轴距离能够保证测试光顺利通过。
本发明还提出一种利用检测系统检测超大口径凸双曲面镜分环带的方法，其检测步骤为：
步骤1，调整好检测光路，使得不同的Hindle球面反射镜检测超大口径凸双曲面镜4的不同环带的子孔径区域；
步骤2，采集并保存子孔径数据，采集的子孔径区域应覆盖住整个被测超大口径凸双曲面镜4；
步骤3，子孔径拼接数据处理软件拼接采集的子孔径数据，得到被测超大口径凸双曲面镜4的全孔径面形误差波前信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的系统中使用通常光学加工容易制造的口径较小的球面反射镜，无需制造口径巨大的Hindle球面反射镜，降低了检测成本。
(2)本发明采用反射光路布局，没有用到透射辅助光学元件，避免了对光学材料均匀性的苛刻要求。
附图说明
图1为系统构成示意图；
图2为检测系统光路图；
图3为一次检测时子孔径数据的采样分布示意图；
图4为覆盖被测超大口径凸双曲面镜全口径通光区域的子孔径数据采样分布示意图；
图5为测试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球面反射镜，3为Hindle球面反射镜，4为超大口径凸双曲面镜，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法详细介绍本发明。
图1所示，本实施例的一种超大口径凸双曲面镜分环带检测系统包括相移干涉仪1，两块Hindle球面反射镜2和3、被测超大口径凸双曲面镜4及计算机系统5，其中计算机系统5与相移干涉仪1连接，一个Hindle球面反射镜2用来实现对凸双曲面镜中心遮拦到内部某一环带的子孔径检测，另一个Hindle球面反射镜3实现对凸双曲面镜内部某一环带到边缘的子孔径检测，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对应的两个子孔径相位数据提取出来，通过调整被测超大口径凸双曲面镜和Hindle球面反射镜之间的相对位置，实现对被测超大口径凸双曲面镜的全口径范围检测，最后把所得到的子孔径检测数据送入计算机系统由子孔径数据处理软件进行处理，从而获得被测大口径凸双曲面镜4的全口径面形信息。
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球面反射镜2和Hindle球面反射镜3放置在光轴的两侧，图2为该状态下的光路图，两块Hindle球面反射镜2和3分别满足其子孔径区域可覆盖住凸双曲面镜中心遮拦到内部某一环带的区域和凸双曲面镜内部某一环带到边缘的区域。调整Hindle球面反射镜2和3与被测凸双曲面镜4的相对位置关系，使得Hindle球面反射镜2与3对应的检测区域在干涉仪上形成可被解析的干涉条纹，图3为对应的子孔径数据采集分布示意图。
第二步：通过安装在计算机系统5中的干涉仪数据处理软件将获得的子孔径数据保存下来，绕光轴旋转被测超大口径凸双曲面镜4，调节其与Hindle球面反射镜的相对位置关系，保证相同环带相邻子孔径间存在足够的重叠区域，当测得的子孔径区域覆盖住整个被测超大口径凸双曲面镜时停止。图4为子孔径检测数据采样分布示意图，a和f之间的区域为被测超大口径凸双曲面镜4的通过口径，c和d之间的区域为被测超大口径凸双曲面镜4允许的中心遮拦，ab和ef之间的区域为Hindle球面反射镜3所测得的子孔径需要覆盖的区域，bc和de之间的区域为Hindle球面反射镜2所测得的子孔径需要覆盖的区域。
第三步：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5所示，对各个子孔径测量时由于调整误差的影响，测量数据主要包含调整误差信息和面形误差信息，数据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，具体的步骤如下：首先计算机读入所有的子孔径检测数据，判读所有的重叠区域，将重叠区域的数据进行均化误差处理，计算出具有全局优化的拼接参数，根据全局优化的拼接参数对所有子孔径检测数据进行校正，使其具有相同的参考标准；对拼接好的全口径数据进行Zernike多项式拟合，去除波前调整误差的影响，计算面形误差评价参数、波谷值(PV)和均方根值(RMS)，根据拼接好的全口径信息绘制出被测超大口径凸双曲面镜的面形信息图及三维图，即可获得反映被测超大口径凸双曲面镜面形误差的全孔径波前信息。
Claims (4)
1.一种超大口径凸双曲面镜分环带检测系统，其特征在于：该检测系统包括相移干涉仪(1)、第一Hindle球面反射镜(2)、第二Hindle球面反射镜(3)、被测超大口径凸双曲面镜(4)、及计算机系统(5)，其中计算机系统(5)与相移干涉仪(1)连接，第一Hindle球面反射镜(2)用来实现对凸双曲面镜中心遮拦到内部某一环带的子孔径检测，第二Hindle球面反射镜(3)实现对凸双曲面镜内部某一环带到边缘的子孔径检测，通过调整被测超大口径凸双曲面镜(4)和第一Hindle球面反射镜(2)及第二Hindle球面反射镜(3)的相对位置，使相移干涉仪(1)获得被测超大口径凸双曲面镜(4)上有相互重叠区域的子区域，最后由安装在计算机系统(5)上的数据处理软件对所得到的子区域数据进行处理，得到被测超大口径凸双曲面镜(4)的全口径面形分布信息；所述的处理过程为:首先计算机读入所有的子孔径检测数据，判读所有的重叠区域，将重叠区域的数据进行均化误差处理，计算出具有全局优化的拼接参数，根据全局优化的拼接参数对所有子孔径检测数据进行校正，使其具有相同的参考标准；对拼接好的全口径数据进行Zernike多项式拟合，去除波前调整误差的影响，计算面形误差评价参数、波谷值(PV)和均方根值(RMS)，根据拼接好的全口径信息绘制出被测超大口径凸双曲面镜的面形信息图及三维图，即获得反映被测超大口径凸双曲面镜面形误差的全孔径波前信息。
2.根据权利要求1所述的一种超大口径凸双曲面镜分环带检测系统，其特征在于：干涉仪检测的两个子孔径间存在足够的重叠区域，以实现高精度数据拼接处理。
3.根据权利要求1所述的一种超大口径凸双曲面镜分环带检测系统，其特征在于：该检测系统不仅能把超大口径凸双曲面镜(4)分成两个环带进行检测，也能把它分成两个以上的环带进行检测，最终通过计算机系统(5)拼接子孔径数据得到超大口径凸双曲面镜全口径面形信息。
4.一种利用权利要求1所述的检测系统检测超大口径凸双曲面镜分环带的方法，其特征在于：该检测系统包括相移干涉仪(1)、第一Hindle球面反射镜(2)、第二Hindle球面反射镜(3)、被测超大口径凸双曲面镜(4)、及计算机系统(5)，其中计算机系统(5)与相移干涉仪(1)连接；第一Hindle球面反射镜(2)用来实现对凸双曲面镜中心遮拦到内部某一环带的子孔径检测，第二Hindle球面反射镜(3)实现对凸双曲面镜内部某一环带到边缘的子孔径检测，其检测步骤为：
步骤1，调整好检测光路，使得不同的Hindle球面反射镜检测超大口径凸双曲面镜(4)的不同环带的子孔径区域；
步骤2，采集并保存子孔径数据，采集的子孔径区域应覆盖住整个被测超大口径凸双曲面镜(4)；
步骤3，子孔径拼接数据处理软件拼接采集的子孔径数据，得到被测超大口径凸双曲面镜(4)的全孔径面形误差波前信息；具体为:
首先计算机读入所有的子孔径检测数据，判读所有的重叠区域，将重叠区域的数据进行均化误差处理，计算出具有全局优化的拼接参数，根据全局优化的拼接参数对所有子孔径检测数据进行校正，使其具有相同的参考标准；对拼接好的全口径数据进行Zernike多项式拟合，去除波前调整误差的影响，计算面形误差评价参数、波谷值(PV)和均方根值(RMS)，根据拼接好的全口径信息绘制出被测超大口径凸双曲面镜的面形信息图及三维图，即获得反映被测超大口径凸双曲面镜面形误差的全孔径波前信息。
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