CN103335613A - 一种大口径非球面主镜检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大口径非球面主镜检测装置与方法，所述装置含有点光源、挡板、标尺、CCD探测器、细丝；该方法利用点光源发出的球面波，经过挡板上的环形细缝照射到被测非球面主镜镜面上，经镜面反射，调整挡板的位置使被测非球面主镜镜面反射回来的光通过挡板上的环形细缝，在点光源处看到圈亮纹，用点光源处的细丝切割，在细丝后面观察可发现亮纹消失，用置于点光源后的CCD探测器拍摄记录其亮纹图像，并测量出亮纹环带半径、点光源到被测非球面主镜的距离。调整点光源或挡板的位置，多次测量亮纹环带半径和点光源到被测非球面主镜的距离，即根据非球面主镜面形公式计算被测非球面主镜镜面的顶点曲率半径和二次常数、以及面形。

Description

一种大口径非球面主镜检测装置与方法

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测领域，涉及一种光学检测装置，特别涉及一种大口径非球面主镜检测系统。

背景技术

非球面应用主要的困难在于非球面的加工和检测，特别是检测环节，由于球面有共同的曲率中心，而非球面没有，这就给非球面的加工带来了困难。尽管目前发展出多种非球面的检测技术，但对于某些形式的非球面仍然不能有一个行之有效的测量方法。顶点曲率半径和二次常数是非球面的两个重要的特征参数，它的准确测量和控制对确保大口径非球面主镜零检验的可靠性非常重要。非球面的面形表达式主要由双曲线、抛物线和椭圆的部分绕其中心轴旋转而成的，表达式如下：

$z\left(r\right)=\frac{r^2}{R+\sqrt{R^2-(k+1)r^2}}$

从上式可以看出非球面的面形表达式由R和k决定，R的测量误差影响主镜焦点的位置，k的误差影响主镜成像时的球差。由此可以看出R和k的准确测量对镜面的成像质量有着重大的意义。下表是由于一些天文望远镜k测量不准确引起的球差数据。

天文望远镜	球差P-V值(λ＝633nm)	二次常数K的误差
			哈勃天文望远镜	-1.4λ	1.2％
新技术望远镜	-1.2λ	0.5％
			红外望远镜	+3.5λ	4.9％

加法夏望远镜	-1.0λ	3.7％
			夏威夷大学88英寸望远镜	-0.3λ	0.8％

二次常数测量不准确引入球差的天文望远镜

由于顶点曲率半径误差只是在非球面成像中引起离焦误差，在光学系统的装调过程中可以通过镜面之间的装调消除其影响。因此一直以来，单个非球面的顶点曲率半径测量一直没有引起人们的足够重视。然而随着大型非球面精度要求的不断提高，对顶点曲率半径等参数的精度要求也在不断提高。大口径高陡度非球面系统的应用前景无限广阔，但机遇与挑战并存，其主镜加工和检测面临极大的挑战和技术风险。随着计算机控制小磨头抛光、能动盘抛光、弹性加工方法、主动支撑技术等一批先进加工制造技术的出现，大口径非球面主镜的加工问题得以很大程度上解决，但检测技术依然面临诸多挑战。这种挑战集中体现在两个方面，一是非球面度急剧增大，二是面形和二次非球面系数更加严格。在非球面的抛光加工阶段，通常涉及到的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。大口径非球面主镜一般为凹抛物面和凹双曲面，对其进行无像差点检验需要一块口径与抛物面镜差不多的平面镜，或为双曲面镜口径更大的球面反射镜，以将放置在被测非球面主镜实几何焦点的点光源发出的光通过凹双曲面主镜反射而形成的发散球面波前原路反射回来，该方法适合小口径非球面主镜检验，然而对于大口径的非球面主镜所需的高精度平面或球面通常制造困难，价格昂贵，甚至难以实现。

另一种广泛使用的检测技术是补偿器零检验法，但其自身有固有局限性，公差要求严格，调整困难。随着非球面主镜的口径及F数越来越大，这种检测手段的局限性越来越突出。历史上就发生过因Offner补偿器造成的重大事故，其中最著名的就是哈勃望远镜的事故，该事故使人们意识到了光学检测的极其重要性，以及多种检测手段交叉验证和对检测手段进行标定的重要性。

细丝检验法至今还是令人满意的，它有以下特点：

1.所需设备简单：不受被检验镜面口径大小的限制，可直接检验凹球面及凹椭球面。

2.检验精度高：发现1/20波长的波面缺陷不是很困难的。比样板精度高。

3.非接触的：检验时阴影仪不与镜面接触。没有用样板检验时划伤镜面的危险及热传导。镜面也不需要擦得很干净，这对于保证镜面的光洁度是十分有利的。

4.速度快：把装置架好后，用细丝切割，马上就能发现镜面缺陷及所在部位。由于是非接触的，镜面热量分布不像用样板法，被转移、破坏，所以镜面的变化趋势就可以看出来，因此就可以判断出，方才所用修改镜面缺陷的措施是否恰当，不需等到把镜面放冷，就接着修改，这时抛光工具还比较吻合是好用的，这一点对大的镜面尤为有利。当然镜面精度已接近，快要结束修改时，应放足够长时间，进行稳定，避免温度效应，还是应该的。

5.加用辅助镜面后，就可以检验多种常用镜面。如平面、物镜、非球面、光学系统等。可以用阴影法定出凹球面的曲率中心位置、物镜及光学系统焦面位置、测定纵向像差等。还可以用它来研究透明介质的均匀性、空气流动、镜面支撑变形、受力变形等。

细丝检测法主要优势是能使遮挡作用只限制在被检环带的非常窄的区域里。另外，对环带区来说，衍射效果是对称的。因此，法线与光轴交点的测定就变得更为精确，而且这种方法还可以测出交点实验值与理想值之间的偏差，换言之，可确定各个法线的像差。此外，细丝法的优点是光轴与法线交点的测量值与第一环带或近轴环带的交点界理论值有关。这个优点对于检验有中心孔的光学零件毛坯极为有用。实践证明，细丝检验法是检验正在修磨的非球面镜的一种好方法，也是检验纵向球差的有效方法。

发明内容

本发明提供了一种测量二次非球面主镜顶点曲率半径和二次常数的方法，该方法巧妙的利用了带有环形细缝的挡板，可以有效的解决装置中各个距离难以精确测量的问题，并且结构简单，检验成本低。

为了实现所述目的，本发明的一方面，提供一种大口径非球面主镜检测装置，采用的技术方案包括：在被测非球面主镜镜面的光轴上依序放置CCD探测器、点光源、细丝、挡板、被测非球面主镜镜面上的标尺、被测非球面主镜镜面，其中：点光源发出球面波，经挡板上的环形细缝照射到被测非球面主镜镜面上，经被测非球面主镜镜面反射，通过五维调整架调整点光源和挡板的位置使被测非球面主镜镜面反射回来的光经挡板上的环形细缝后，在点光源附近具有一圈环形亮纹位于被测非球面主镜镜面上，通过点光源和细丝所在玻璃板上的滑槽微调整点光源处的细丝，使被测非球面主镜镜面上的环形亮纹消失，即细丝处于被测非球面主镜镜面环形亮纹位置的法线处，用置于点光源后的CCD探测器拍摄记录所述环形亮纹的图像，并测量出图像中点光源到挡板的距离、环形细缝的半径，通过被测非球面主镜镜面上的标尺读出环形亮纹的半径，此为得到的第一组数据，再通过一维电控平台不断调整点光源或挡板的位置，测出每组各位置距离的数据，并根据二次非球面面形公式计算出被测非球面主镜镜面的顶点曲率半径、二次常数以及面形。

为了实现所述目的，本发明的另一方面，提供一种大口径非球面主镜检测方法，使用大口径非球面主镜检测装置检测大口径非球面主镜步骤如下：

步骤a：利用精密调整平台调整点光源使其位于光轴上，在被测非球面主镜镜面顶点的曲率半径附近前后移动调整点光源；

步骤b：调整挡板位置使眼睛能在点光源处通过环形细缝看到被测非球面主镜镜面上极细的亮纹，调整细丝在点光源位置附近切割，使被测非球面主镜镜面上的亮纹消失；

步骤c：利用二次非球面面形方程：

得到理论上的被测非球面主镜镜面的顶点曲率半径R和二次常数的值k，其中：

为被测非球面主镜镜面在亮纹处的法线与光轴的夹角，l为测量出点光源到挡板的距离，h环形细缝的半径，r读出的环形亮纹的半径；

步骤d：沿光轴移动点光源和挡板，重复上步操作，测量几组数据，用最小二乘法解方程得出被测非球面主镜镜面的顶点曲率半径和二次常数值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)细丝检验法的主要缺点是其环带阴影宽度在毫米量级，无法精确确定环带半径，当细丝沿着光轴移动时环带阴影图的宽度有时会掩盖整个阴影的微小位移。本发明针对这个缺点，提出带有环形细缝的挡板，通过人为确定环形细缝的宽度，来控制被测大口径非球面主镜上亮纹的宽度，从而更准确的确定环带半径，所述环形细缝的缝宽通过实验确定，应该足够窄(0.5mm以内)，以便提高测量准确度，但同时缝宽应该不能过于窄，避免光通过环形细缝后发生明显的衍射现象。

(2)在用细丝法计算大口径非球面主镜顶点曲率半径和二次常数时，一般被测非球面主镜的中心是一个洞，从而非球面主镜顶点到点光源的距离比较难以测量。本发明通过加入环形细缝挡板避免了测量该距离，而是通过容易测量的挡板到点光源的距离，由确定环带对点光源的张角来求出镜面的曲率半径和二次常数。为使距离测量更准确，挡板的厚度为1mm-2mm。

(3)本发明装置中使用的实体都是很容易加工和制造的，所需设备也比较容易准备，从而降低了检测成本和检测准备周期，为大口径非球面主镜提供了一种有效的交叉检验的手段。

(4)本发明通过透明平板玻璃将细丝和针孔尺寸点光源固定在同一平面内，使点光源与细丝可以一起移动，同时可以透过玻璃板看到被测非球面主镜镜面上的亮纹。

(5)本发明的结构简单、易于操作，主要适用于大口径非球面主镜制造过程和最终镜面参数测量以及面形确定。

(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为检测装置构成示意图；

图2为环形细缝、挡板示意图；

图3为被测非球面大口径上的尺寸标记及亮纹示意图；

图4为玻璃板上的针孔点光源和细丝示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示为一种大口径非球面主镜检测装置，所述装置包括：点光源1、挡板2、标尺3、被测非球面主镜镜面4、CCD探测器5、细丝6其中：

在被测非球面主镜镜面4的光轴上依序放置CCD探测器5、点光源1、细丝6、挡板2、标尺3、被测非球面主镜镜面4，其中：标尺3紧贴在被测非球面主镜镜面4，挡板2本体上带有环形细缝9，点光源1发出球面波，经挡板2上的环形细缝9照射到被测非球面主镜镜面4上，经被测非球面主镜镜面4反射，通过五维调整架调整点光源1和挡板2的位置使被测非球面主镜镜面4反射回来的光经挡板2上的环形细缝9后，在点光源1附近具有一圈环形亮纹位于被测非球面主镜镜面4上，通过点光源1和细丝6所在玻璃板7(图4示出)本体上的滑槽8微调整点光源1处的细丝6，使被测非球面主镜镜面4上的环形亮纹消失，即细丝6处于被测非球面主镜镜面4环形亮纹位置的法线处，用置于点光源1后的CCD探测器5拍摄记录环形亮纹的图像，并测量出图像中点光源1到挡板2的距离、环形细缝9的半径，通过被测非球面主镜镜面4上的标尺3读出环形亮纹的半径，此为得到的第一组数据，再通过一维电控平台不断调整点光源1或挡板2的位置，测出每组各位置距离的数据，并根据二次非球面面形公式计算出被测非球面主镜镜面4的顶点曲率半径、二次常数以及面形。其中，所述点光源1用光纤作点光源，或用激光打孔确定该点光源1的孔径大小；所述点光源1发射出来的光为球面波，发射出来光的发散角度能够覆盖住整个被测非球面主镜镜面4；在暗室中进行实验所述点光源1发出的光能够观察到环形亮纹11。其中，所述环形细缝9的缝宽为≤0.5mm，以便用于提高阴影暗纹的局部精确度。其中，所述挡板2的厚度为1mm-2mm，挡板2大小应该与被测非球面主镜镜面4大小相同，挡板2放置位置靠近被测非球面主镜镜面4；为使挡板2为一个整体，环形细缝9间有几个连接点10。其中，以所述被测非球面主镜镜面1的中心为原点，向相反的两个径向标记标尺3，标记标尺3的精度在毫米量级；或把标记好的标尺3贴在被测非球面主镜镜面1上。其中，所述CCD探测器5与点光源1、细丝6具有相同的高度，并能一起移动，同时具有上下、左右、前后调整的范围，CCD探测器5与计算机相连接。其中，所述细丝6与点光源1的距离为≤2mm，细丝6与点光源1位于一个竖直玻璃板7上，细丝6能与点光源1一起移动，并且在2mm以内调节，用于切到反射回来的汇聚点；细丝6的直径为0.03mm。

本实施示例的一种新型的细丝检测装置包括点光源1为针孔尺寸光源，挡板2为带有环形细缝9的挡板，标尺3是镜面尺寸标记；被测非球面主镜镜面4是被测大口径非球面主镜，CCD探测器5置于玻璃板7后、细丝6可在玻璃板7上滑动。

点光源1发出的光通过挡板2上环形细缝9后，照射到被测非球面主镜镜面4上，调整挡板2的位置，使经过被测非球面主镜镜面4反射回来的光仍旧通过环形细缝9，在点光源1处可以看到一圈明亮的亮环11，用CCD探测器5记录下，亮环图像信息，再用细丝6在点光源1附近切割，可以发现亮环消失，此时细丝6所处的位置即为被测非球面主镜镜面4亮纹环带法线汇聚交点。测量出细丝6到挡板2的距离l，读出亮纹环带的半径r，已知挡板2的环形细缝9的半径h，此为测量得到的第一组数据。移动点光源1，调整挡板2的位置，同样观察亮纹，重复以上测量操作，得到第二组数据。

本发明装置的测量过程和大口径非球面主镜检测步骤如下：

步骤a：利用精密调整平台调整点光源1使其位于被测非球面主镜镜面的光轴上，在被测非球面主镜镜4面顶点的曲率半径附近前后移动调整点光源1；

步骤b：调整挡板2位置使眼睛能在点光源1处通过环形细缝9看到被测非球面主镜镜面4上极细的亮纹11，调整细丝6在点光源1位置附近切割，使被测非球面主镜镜面1上的亮纹11消失；

如图1所示，带细丝6和针孔点光源1的玻璃板7放置在被测大口径非球面的曲率中心附近，记录下点光源1的位置，作为参照位置。挡板2稍靠近被测非球面主镜镜面4，这样通过环形细缝9照射到被测非球面主镜镜面4上的亮纹更细，调整挡板2的位置，使经过被测非球面主镜镜面4反射回来的光仍旧通过环形细缝9，通过点光源1和细丝6所在玻璃板7上的滑槽8(如图4示出)用细丝6在点光源1附近切割，通过CCD探测器5或相机二者其一可以看到被测非球面主镜镜面4上的亮环消失，此时细丝6所处的位置即为被测非球面主镜镜面4亮纹环带法线汇聚交点。测量图1中所标出的各距离，得到一组数据。远离被测非球面主镜镜面4的方向移动点光源1一小段距离，调整挡板2位置，按步骤a的操作来做，得到第二组数据，再移动点光源1一小段距离，如此重复测量出多组数据。

步骤c：根据非球面的法线像差理论进行推导，可以得到有关非球面顶点曲率半径R和二次常数k的公式，将这些测得的数据代入二次非球面面形方程：

带入测得的两组数据，解方程理论上可得到被测非球面镜面4的顶点曲率半径R和二次常数k的值；其中：

为非球面主镜镜面4在亮纹11出的法线与光轴的夹角，l为测量出点光源到挡板的距离，h环形细缝的半径，r读出的环形亮纹的半径；

步骤d：为了使计算得到的值更为精确，沿光轴移动点光源1和挡板2，重复上步操作，测量多组数据，再用最小二乘法解方程处理得出被测非球面主镜镜面4的顶点曲率半径和二次常数值。用计算机求得被测大口径非球面主镜4顶点曲率半径和二次常数k值，然后对测量的值进行误差分析。

该方法装置结构简单，搭建容易，成本低廉，检测周期短，为大口径非球面主镜4的抛光阶段和最终镜面参数测量提供了一种有效的交叉检验手段。

如图2为环形细缝9、挡板2示意图，图中环形细缝9宽度由实验确定，应该足够窄，以便提高局部精确度，但又不能过窄以免产生衍射的影响。为了使挡板2为一个整体，图中设计了4个连接点10。挡板2的大小与被测非球面主镜镜面4的口径基本一致，同时靠近被测非球面主镜镜面4。

图3中虚线表示被测非球面主镜镜面4的尺寸标记，黑色圆环表示镜面上的亮纹11，通过被测非球面主镜镜面4的尺寸标记即可读出亮纹的半径r。

图4为玻璃板7，玻璃板7上面打一小孔放置光纤作为点光源1，点光源1和细丝6在同一透明玻璃板7上，细丝6离点光源1的距离在3mm以内，同时一根直径为0.03mm的细丝6拉直挂在玻璃板7本体两边缘上的滑槽8，并且细丝6可以沿着玻璃板7两边的滑槽8有2mm的滑动范围。

上述检测装置不仅可以用于被测大口径非球面主镜4的顶点曲率半径和二次常数测量，也可用于被测大口径非球面主镜4的面形检测。

上述检测装置不仅可以用于被测大口径非球面主镜4最终的参数测量，也可用于被测大口径非球面主镜4抛光制造过程检测。

上述测量装置在用于测量大口径非球面主镜4参数及面形时，可用多个不同半径的挡板2进行装置调节，如此可以扩大非球面主镜的测量范围，使测量结果更准确。

玻璃板7装在一五维调整架上，此目的主要是调整五维调整架使点光源1处在合适的位置，带有环形细缝的挡板2也装在五维调整架上，五维调整架装在滑动导轨上，以便挡板2位置调整好以后在导轨上前后移动。被测大镜面的标记精度应该在毫米量级，CDD探测器5与点光源1大致在同一高度。

用细丝6在点光源1附近切割，可以发现亮环消失，此时细丝6所处的位置即为被测非球面主镜镜面4的亮纹环带法线汇聚交点。再根据非球面的法线像差理论进行推导，可以得到有关被测非球面主镜镜面4的顶点曲率半径R和二次常数k的公式，带入测得的两组数据，解方程理论上可得到被测非球面主镜镜面4顶点曲率半径和二次常数的值，但是为了使计算得到的值更为精确，可以多测量几组数据后再进行最小二乘法处理。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (8)

1.一种大口径非球面主镜检测装置，其特征在于：在被测非球面主镜镜面的光轴上依序放置CCD探测器、点光源、细丝、挡板、标尺、被测非球面主镜镜面，其中：点光源发出球面波，经挡板上的环形细缝照射到被测非球面主镜镜面上，经被测非球面主镜镜面反射，通过五维调整架调整点光源和挡板的位置使被测非球面主镜镜面反射回来的光经挡板上的环形细缝后，在点光源附近具有一圈环形亮纹位于被测非球面主镜镜面上，通过点光源和细丝所在玻璃板上的滑槽微调整点光源处的细丝，使被测非球面主镜镜面上的环形亮纹消失，即细丝处于被测非球面主镜镜面环形亮纹位置的法线处，用置于点光源后的CCD探测器拍摄记录环形亮纹的图像，并测量出图像中点光源到挡板的距离、环形细缝的半径，通过被测非球面主镜镜面上的标尺读出环形亮纹的半径，此为得到的第一组数据，再通过一维电控平台不断调整点光源或挡板的位置，测出每组各位置距离的数据，并根据二次非球面面形公式计算出被测非球面主镜镜面的顶点曲率半径、二次常数以及面形。

2.如权利要求1所述的大口径非球面主镜检测装置，其特征在于：所述点光源用光纤作点光源，或用激光打孔确定该点光源孔径大小；所述点光源发射出来的光为球面波，发射出来光的发散角度能够覆盖住整个被测非球面主镜镜面；在暗室中进行实验所述点光源发出的光能够观察到环形亮纹。

3.如权利要求1所述的大口径非球面主镜检测装置，其特征在于：所述环形细缝的缝宽为≤0.5mm，用于提高阴影暗纹的局部精确度。

4.如权利要求1所述的大口径非球面主镜检测装置，其特征在于：所述挡板的厚度为1mm-2mm，挡板大小与被测非球面主镜镜面大小相同，挡板放置位置靠近被测非球面主镜镜面；为使挡板为一个整体，环形细缝间有几个连接点。

5.如权利要求1所述的大口径非球面主镜检测装置，其特征在于：以所述被测非球面主镜镜面的中心为原点，向相反的两个径向标记标尺，标尺的精度在毫米量级；或把标记好的标尺贴在被测非球面主镜镜面上。

6.如权利要求1所述的大口径非球面主镜检测装置，其特征在于：所述CCD探测器与点光源、细丝具有相同的高度，并能一起移动，同时具有上下、左右、前后调整的范围，CCD探测器与计算机相连接。

7.如权利要求1所述的大口径非球面主镜检测装置，其特征在于：所述细丝与点光源的距离为≤2mm，细丝与点光源处于竖直玻璃板内，细丝与点光源一起移动，并且在2mm以内调节，用于切到反射回来的汇聚点；细丝的直径为0.03mm。

8.一种大口径非球面主镜检测方法，其特征在于，使用大口径非球面主镜检测装置检测大口径非球面主镜的步骤如下：

步骤a：利用精密调整平台调整点光源使其位于被测非球面主镜镜面的光轴上，在被测非球面主镜镜面顶点的曲率半径附近前后移动调整点光源；

步骤b：调整挡板位置使眼睛能在点光源处通过环形细缝看到被测非球面主镜镜面上极细的亮纹，调整细丝在点光源位置附近切割，使被测非球面主镜镜面上的亮纹消失；

步骤c：利用二次非球面面形方程：

得到理论上的被测非球面主镜镜面的顶点曲率半径R和二次常数的值k，其中：

为被测非球面主镜镜面在亮纹处的法线与光轴的夹角，l为测量出点光源到挡板的距离，h环形细缝的半径，r读出的环形亮纹的半径；

步骤d：沿光轴移动点光源和挡板，重复上步操作，测量几组数据，再用最小二乘法解方程得出被测非球面主镜镜面的顶点曲率半径和二次常数值。

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