CN102997863A - 一种全口径光学非球面面形误差直接检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全口径光学非球面面形误差直接检测系统。包括干涉仪、标准球面透射镜头、一维电控平移台、五维精密电控平台及数控系统；通过一维和五维电控平台调整干涉仪和被测非球面的位置，使干涉仪产生的比较球面波与被测非球面某一内切圆相匹配，利用干涉仪测量出被测非球面与比较球面之间的波程差数据；提取波程差特征点数据并进行圆拟合，得到最佳匹配点位置，进而计算出比较球矢高方程；最后从波程差数据中减去非球面与比较球面方程间的理论矢高差,即得到被测非球面的面形误差信息。本发明无需辅助镜和补偿器，是一种高精度、高效率和经济型的非球面面形误差检测方法。

Description

一种全口径光学非球面面形误差直接检测系统

技术领域

本发明涉及一种光学非球面检测系统，特别涉及一种全口径非球面面形误差直接检测系统，属于先进光学检测技术领域。

背景技术

随着先进光学制造与检测技术的不断发展，以非球面为关键元件的精密光学系统在天文、空间光学和军事等领域得到了越来越深入的应用。其显著优势在于：在光学系统设计中加入非球面光学元件不仅能增加光学设计者的自由度，而且可以更有效地矫正像差、改善像质、扩大视场、增大作用距离，并且一片或少数几片非球面镜就能够替代较多的球面镜，从而简化光学系统结构、降低成本、减轻重量。然而，高精度高质量的非球面加工和检测技术一直是制约非球面进一步广泛应用的瓶颈。某种程度上，实现非球面镜的高效率、高精度加工的关键在于能否提供可靠的、行之有效的检测来指导加工。因此，精确、快速的光学非球面元件的检测显得尤为重要。

在光学加工车间里，通常检测非球面光学元件的设备主要有三坐标测量仪或者轮廓仪、刀口仪和干涉仪等。三坐标仪是利用高精度测头对非球面表面进行扫描，获得大量离散点数据，然后采用数据拟合算法得到非球面面形数据。该方法由于是逐点获得被测面上的数据，因此测量效率较低，并且由于是接触式测量，容易损伤被测表面；同时测量精度受测头、运动机构影响特别大，要得到高精度的测量结果比较困难。刀口仪主要通过人眼观察阴影分布的图形和阴影图的明暗对比来进行测量。这类方法的设备简单、直观，方便对某些二次曲面的测量，适用于车间检测。但由于该方法是建立在眼睛衬度灵敏阈的基础上，检测结果只能定性不能定量，限制了检测精度的提高，同时还存在灵敏度不高以及不能检验凸面等缺点。由于干涉检测具有高分辨、高精度、高灵敏度、重复性好等优点，该技术已成为检测光学元件面形的主要手段。利用干涉仪检测非球面光学元件，通常的定量检测方法有自准直法、零位补偿法和子孔径拼接法。自准直法仅适用于二次曲面的检测，而且需要一高精度辅助镜（凹椭球面除外），尤其是检测大口径凹非球面镜所需的高精度辅助镜制造困难，价格昂贵。零位补偿法实质是借助补偿镜作为辅助光学元件，把平面波或球面波前转换为非球面波前，并与被检非球面镜的理论形状重合，即通过补偿镜来补偿非球面镜的法线像差，从而实现非球面镜的干涉测量。对于不同被测非球面光学元件，一般都需要专门设计特定的补偿器，这大大减小了其通用性，提高了成本，同时补偿器的制造误差和装调误差也会给最终的测量结果带来误差。1982年，美国Arizona光学中心的C.J.Kim首先提出了子孔径测试概念，到目前为止子孔径拼接测试技术得到了不断发展。2003年，QED公司推出了世界上第一台商用化的子孔径拼接工作站。采用子孔径拼接技术检测非球面，其关键是在于确保对干涉仪采集到的圆形子孔径数据的准确提取、数据拼接算法的精度以及硬件方面的必要保证。对于大口径非球面镜的测量，所需测量的子孔径数目多，测量周期长，而且数据处理量非常大，同时随着子孔径数目的增多，其拼接精度会有所降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有非球面检测技术中的辅助光学元件（大口径高精度反射镜、补偿器）制造困难、测量周期长、成本高、装调误差灵敏以及数据量大等问题，提出一种全口径光学非球面直接检测系统。该系统具有结构简单、检测成本低、精度高、测量周期短、操作简单以及数据量小易处理等特点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种全口径光学非球面元件直接检测系统，其特征在于：包括干涉仪、标准球面透射镜头、一维电控平移台、五维精密电控平台及数控系统；

所述一维电控平移台采用普通商用的一维数控位移台，不需要具备较高的重复精度和定位精度，可以控制干涉仪做一维直线运动；

所述五维精密电控平台需要具备较高的重复精度和定位精度，可以精确调整被测非球面做扭摆、俯仰和旋转以及二维正交直线运动；

利用标准球面透射镜头将干涉仪出射的平行光转换为比较球面波，通过数控系统控制一维电控平台和五维精密电控平台来分别调整干涉仪和被测非球面光学元件的位置，使干涉仪产生的比较球面波与被测非球面某一内切圆相匹配，且满足非球面全口径干涉条纹能被干涉仪分辨，条纹对比度较好且最稀疏的位置，即为比较球面波与被测非球面某一内切圆相匹配的位置（切点），称为最佳匹配点位置；

所述标准球面透射镜头的选取需要满足标准球面透射镜头的F#必须小于等于被测非球面镜的R#；

利用干涉仪自带的数据处理软件得到全口径干涉条纹对应的波程差数据，并对其进行特征点数据提取及圆拟合处理得到像素坐标系下最佳匹配点位置；

所述特征点数据提取，是将波程差数据投影到二维平面后、用极坐标形式表示，计算在不同极角下对应波程差数据的最小值，以此作为特征点数据；

所述圆拟合运算采用最小二乘拟合算法实现；

利用干涉仪自带的数据处理软件精确测量被测非球面表面上空间距离已知的各标记点的像素坐标，通过简单几何运算得到像素坐标与空间坐标的线性关系，进而得到空间坐标系下最佳匹配点位置和比较球矢高方程；从干涉仪测量得到的波程差数据中减去被测非球面和比较球的矢高方程计算出两者间理论矢高差,从而获得被测非球面的面形误差信息；

所述被测非球面表面上做有标记点，各标记点间的空间距离已知，可以按任意方式，例如按同心圆方式分布。

上述检测系统不仅可以用于旋转对称光学非球面元件的面形误差检测，也可用于离轴光学非球面元件的检测。

有益效果：

本发明无需制造特殊的辅助光学元件，检测准备周期缩短，并且无需高精密的位移调整装置而降低了检测成本，在干涉仪分辨能力范围内即可实施检测旋转对称、离轴非球面面形误差的直接测量，同时检测系统结构简单、数据处理量小易于操作，较好地兼顾了检测系统性能、检测成本和检测效率，如果采用高分辨率CCD，其测量范围将更广。

图中，1-被测非球面、2-比较球面波、3-干涉仪、4-标准球面透射镜头、5-一维电控平移台、6-五维精密电控平台、7-计算机系统、8-标记点、9-特征点、10-内切圆。

附图说明

图1为本发明中的检测系统装置示意图；

图2为本发明轴向移动干涉仪，干涉仪产生的比较球面波前与被测非球面某一内切圆相匹配时的位置示意图；

图3为本发明中的比较球面波与被测非球面某一内切圆匹配时干涉仪记录下的全口径干涉条纹图，对应图2中的比较球中心坐标在Z₁处的干涉条纹图；

图4为本发明中的干涉仪自带数据处理软件对图3中的干涉条纹处理得到的波程差数据；

图5为图4中波程差数据的中间行数据分布；

图6为本发明中的特征点数据及圆拟合结果示意图；

图7为本发明被测非球面表面标记点标记示意图；

图8为本发明中的像素坐标系和空间坐标系的几何关系图；

图9为本文发明干涉仪处理得到的全口径非球面波程差数据等高图；

图10为本发明全口径非球面面形误差数据等高图。

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，本发明的一种全口径光学非球面面形误差直接检测系统的装置包括干涉仪3、标准球面透射镜头4、一维电控平移台5、五维精密电控平台6、计算机系统7组成。所述标准球面透射镜头4固定在干涉仪3的前方，两者光轴位于同一直线上；被测光学非球面1固定在五维精密电控平台6上，通过计算机系统7调整五维精密电控平台6使被测光学非球面1、标准球面透射镜头4和干涉仪3三者光轴位于同一直线上；干涉仪3固定在一维电控平移台5上；干涉仪3出射的平行光经标准球面透射镜头4转变成比较球面波2，并入射在被测非球面镜1上，通过计算机系统7控制一维电控平台5带动干涉仪3和标准球面透射镜头4在其光轴方向上移动，使比较球面波2曲率半径与被测非球面1上某一内切圆10曲率半径相匹配，反射回来后与干涉仪3内部的参考光波发生干涉，形成全口径干涉条纹并能被干涉仪3分辨。

图2为干涉仪轴向移动一段距离后，比较球面波2圆心位于Z1处，比较球面波2曲率半径与被测非球面镜1某一内切圆相匹配的位置示意图。此时其最佳匹配点（即比较球面波2曲率半径与被测非球面镜1内切的位置）的空间坐标位置值为Xc。

图3为干涉仪记录下的全口径干涉条纹图，对应图2中的比较球中心坐标在Z1处的干涉条纹图，整幅干涉条纹密度较小，可以被干涉仪3所分辨。图案里条纹对比度较好且条纹最稀疏的环形区域即为最佳匹配点在像素坐标下的位置xp。

图4为本发明中干涉仪3自带的数据处理软件对图3中的整幅干涉条纹数据进行处理得到的波程差数据w(x)，其中间行数据分布如图5所示。

图6为本发明中的特征点9数据及圆拟合结果示意图，其中特征点9的提取是将波程差数据w(x)投影到二维平面后用极坐标形式表示，计算在不同极角下对应波程差数据的最小值，得到一系列最小值点，以此作为特征点数据8并用最小二乘圆拟合算法对数据进行圆拟合运算。根据几何成像原理，拟合圆半径大小xp即为像素坐标系下最佳匹配点位置xp。

图7为本发明中的非球面1表面上标记点8分布示意图。8个标记点8按同心圆方式分布在被测非球面表面1上，8个标记点8间的空间距离通过目前公知的三坐标测量机精确测量得到。本发明系统的工作过程及检测步骤如下：

第一步：根据被测光学非球面1的设计参数，为确保产生的比较球面波能够完全覆盖被测非球面1表面，按照标准球面透射镜头4的F#必须小于等于被测非球面1的R#的原则，选择合适的标准球面透射镜头4；

第二步：按照图7所示在被测非球面1表面上按同心圆分布方式标记8个标记点8，采用目前公知的三坐标测量机精确测量得到8个标记点8间的空间距离并保存该测试数据；

第三步：按照图1所示结构搭建检测系统，正确安装标准球面透射镜头4并进行仔细的调整，要求干涉仪3、标准球面透射镜头4和被测非球面1中心尽可能重合；

第四步：通过计算机7控制一维电控平移台5让干涉仪3和标准球面透射镜头4在光轴方向上移动，使从标准球面透射镜头4出射的比较球面波2与被测非球面1上某一内切圆相匹配，确保全场干涉条纹对比度较好，这样就得到类似图3的干涉条纹。利用干涉仪3自带数据处理软件对干涉条纹进行分析处理，得到波程差数据w(x)并保存该测试数据（见图9为非球面波程差数据等高图分布），并记录下被测非球面1表面上8个标记点8的像素坐标并保存；

第五步：求出像素坐标与空间坐标的转换关系。根据几何成像原理（如图8所示），像素坐标值和空间坐标值呈线性关系，设比例系数为k。利用8个标记点8的像素坐标值和其对应的空间坐标值，经过简单线性关系计算得到像素坐标值和空间坐标值的比例系数k；

第六步：计算像素坐标系下最佳匹配点位置距离xp。利用计算机7将波程差数据w(x)投影到二维平面后用极坐标形式表示，计算在不同极角下提取波程差数据w(x)的最小值，得到一系列最小值点，以此作为特征点样本数据(x_i,y_i)，i∈(1,2,3....n),并根据公式（1）进行最小二乘圆拟合得到在像素坐标系xo’y平面上半径为xp的一个圆，即为最佳匹配点位置；

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\Σxx}& \mathrm{\Σyx}& \mathrm{\Σx}\\ \mathrm{\Σxy}& \mathrm{\Σyy}& \mathrm{\Σy}\\ \mathrm{\Σx}& \mathrm{\Σy}& n\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}(x^2+y^2)x\\ \mathrm{\Σ}(x^2+y^2)y\\ \mathrm{\Σ}(x^2+y^2)\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\mathrm{xp}=\frac{1}{2}\sqrt{a^2+b^2-4c}$

第七步：计算被测非球面1面形误差数据e(x)。具体计算过程如下：

利用第五步得到的比例系数k和第六步中得到的像素坐标系下最佳匹配点位置xp，即可得到空间坐标系下最佳匹配点位置Xc=k*xp；

以旋转对称二次非球面为例进行说明，旋转轴为Z轴，以被测非球面1顶点为坐标原点建立坐标系。则被测非球面1子午方向上的矢高方程表示为：

$z\left(x\right)=\frac{{\mathrm{cx}}^2}{1+\sqrt{[1-(r+1)c^1{x}^2]}}---\left(2\right)$

其中，c为非球面的近轴曲率，c＝1/R₀(R₀为顶点曲率半径)，r为二次曲面常数。

根据几何关系可以得到比较球面波2的半径：

$R=\sqrt{{(R_0-(1+r)*\mathrm{dz})}^2+{\mathrm{xc}}^2}---\left(3\right)$

其中， $\mathrm{dz}=\frac{c\·{X_c}^2}{1+\sqrt{[1-(1+r)\·c^2\·{X_c}^2]}}$

结合非球面矢高方程（2），可以得到比较球面波2矢高方程为：

$s\left(x\right)=(R_0-r*\mathrm{dz})-\sqrt{R^2-x^2}---\left(4\right)$

干涉仪3得到的波程差w(x)表示为：

w(x)＝z(x)-s(x)+e(x)    （5）

最后，从波程差数据w(x)减去被测非球面与比较球面间的理论矢高差值z(x)-s(x)，获得全口径非球面面形误差数据e(x)，见图10所示的全口径非球面面形误差数据等高图。

Claims (5)

1.一种全口径光学非球面面形误差直接检测系统，其特征在于：包括干涉仪、标准球面透射镜头、一维电控平移台、五维精密电控平台及数控系统。

上述全口径光学非球面面形误差直接检测系统的工作原理为：

利用标准球面透射镜头将干涉仪出射的平行光转变为比较球面波，通过计算机数控系统控制一维电控平台和五维精密电控平台来分别调整干涉仪和被测非球面光学元件的位置，使干涉仪产生的比较球面波与被测非球面某一内切圆相匹配，使得全口径干涉条纹对比度较好，利用干涉仪的数据处理软件计算全口径干涉条纹对应的波程差数据并存储；接着利用干涉仪软件精确测量被测非球面表面上空间距离已知的各标记点的像素坐标并存储；随后进行特征点数据提取及圆拟合处理得到像素坐标系下最佳匹配点位置，通过数据处理得到像素坐标系与空间坐标系的对应关系，进而得到空间坐标系下最佳匹配点位置和比较球面矢高方程；最后从波程差数据中减去被测非球面与比较球面矢高方程间的理论矢高差值,最终获得到被测非球面的面形误差信息。

2.根据权利要求书1所述的一种全口径光学非球面面形误差直接检测系统，其特征在于：所述的特征点数据提取及圆拟合处理是将波程差数据投影到二维平面后用极坐标形式表示，计算在不同极角下对应波程差数据的最小值，以此作为特征点数据并用最小二乘圆拟合算法对数据进行圆拟合运算。

3.根据权利要求书1所述的一种全口径光学非球面面形误差直接检测系统，其特征在于：所述的被测非球面表面上分布有标记点，且标记点间的空间距离已知。

4.根据权利要求书1所述的一种全口径光学非球面面形误差直接检测系统，其特征在于：所述的一维电控平移台采用普通商用的一维数控位移台，不需要具备较高的重复精度和定位精度，可以控制干涉仪做一维直线运动。

5.根据权利要求书1所述的一种全口径光学非球面面形误差直接检测系统，其特征在于：所述的五维精密电控平台具备较高的重复精度和定位精度，可以精确调整被测非球面做扭摆、俯仰和旋转以及二维正交直线运动。

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