CN104006759A

CN104006759A - 大口径大偏离量非球面反射镜抛光过程中复合检测方法

Info

Publication number: CN104006759A
Application number: CN201410187160.1A
Authority: CN
Inventors: 王孝坤
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2014-05-05
Filing date: 2014-05-05
Publication date: 2014-08-27

Abstract

大口径大偏离量非球面反射镜抛光过程中复合检测方法，属于空间光学技术领域，为解决现有零位补偿检测技术中大口径大偏离量非球面反射镜出现干涉条纹局部缺失问题，本发明的方法包括，一、设计并制作光学补偿器；二、搭建并标定干涉零位补偿检测光路；三、组建并调整哈特曼-拼接检测光路；四、哈特曼-拼接检测；五、非球面多周期加工和哈特曼拼接检测；六、组合检测与分析；七、非球面多周期加工和组合测试；该方法克服了大口径大偏离量非球面反射镜干涉检测阶段面形缺失的困难，且在最后精抛光阶段零位补偿方法和哈特曼-拼接检测方法可以相互对比和验证，从而确保检测的准确性和可靠性。

Description

大口径大偏离量非球面反射镜抛光过程中复合检测方法

技术领域

本发明涉及一种大口径大偏离量非球面反射镜抛光过程中复合检测方法，属于空间光学技术领域。

背景技术

在光学系统中采用非球面光学元件，不仅可以降低系统的复杂程度，而且可以大幅度提高系统性能。因此，非球面光学元件是军用、民用高性能光学系统的核心元器件，在航空、航天遥感，天文观测、深空探测和光电跟踪仪器，光刻物镜，高性能照相(摄像)机镜头等诸多光电仪器领域具有广泛的应用。

尤其在空间光学领域，由于离轴三反消像散非球面光学系统(TMA)具有组较少、大视场、长焦距、宽波段、调制传递函数高、抑制杂光能力强等优异特性，使得大口径非球面元件在空间遥感中得到了广泛应用。

但随着空间光学技术的不断发展，人们对非球面反射镜的规格和要求越来越高，口径从原来的几百毫米拓宽至1-2m甚至好几米，面形精度从原来的RMS值1/50λ(λ＝632.8nm,为干涉仪工作波长)提升到1/100λ。而且为了光学系统具有很高的分辨率和很大的视场，有些非球面的偏离量(非球面与其最接近球面之间的偏差)很大，将会达到几十微米甚至几毫米量级。这就给非球面的加工和检测带来了很多的困难，尤其需要克服大口径大偏离量非球面检测的瓶颈，因为它是高精度非球面确定性加工的基础和依据。

设计补偿透镜利用零位补偿法对非球面进行测量，仍是检测非球面反射镜面形最常用的方法之一。但是对于大口径大偏量的非球面，其在研磨完刚进入抛光阶段时，由于表面面形精度不是很高，加上偏离量很大，局部区域的面形误差已经超过了激光干涉仪的分辨能力，从而导致干涉条纹局部缺失，无法获得全口径的面形信息，如图1所示。

发明内容

为了解决现有零位补偿检测技术中大口径大偏离量非球面反射镜出现干涉条纹局部缺失问题，本发明提出了一种大口径大偏离量非球面反射镜抛光过程中复合检测方法。

本发明解决技术问题的方案是，大口径大偏离量非球面反射镜抛光过程中复合检测方法，包括以下步骤：

步骤一，设计并制作光学补偿器，

根据待测大口径大偏离量非球面反射镜的光学参数设计并制作光学补偿器，使经过光学补偿器的波面与待测非球面反射镜吻合；

步骤二，搭建并标定干涉零位补偿检测光路，

依据光学补偿器设计方案对抛光后的非球面反射镜搭建零位补偿干涉光路，激光干涉仪、光学补偿器及非球面反射镜同轴放置，并利用激光跟踪仪对非球面反射镜几何参数进行测量和监测；

其特征是，步骤三，组建并调整哈特曼-拼接检测光路，

利用激光跟踪仪监测，保持原零位补偿测试光路不变，在原检测光路的激光干涉仪与光学补偿器之间安置半透半反镜，安装并调整哈特曼波前传感器，使其对准经非球面反射镜反射后经过半透半反镜再次反射的光束；若入射到哈特曼波前传感器的波前有畸变，则其CCD焦面上得到的光斑将偏离理想位置，形成不规则的光斑阵列，通过计算这些散乱光斑的质心位置偏离理想位置的大小并运用波前重构算法即可将入射波前重构出来，从而得到待测非球面反射镜的面形信息；

步骤四，哈特曼-拼接检测，

由于哈特曼波前传感器的通光孔径很小，其只能探测到大口径非球面反射镜的部分面形信息，通过移动和调整哈特曼波前传感器使其对准入射光束其他区域，从而可以测定大口径非球面反射镜其它区域的相位分布，通过子孔径拼接算法可以重构得到大口径大偏量非球面反射镜全口径的面形分布；

步骤五，非球面多周期加工和哈特曼拼接检测，

依据哈特曼-拼接检测结果，对大口径大偏离量非球面反射镜经过多个周期的加工，直至全口径拼接面形的PV值优于5λ；

步骤六，组合检测与分析，

当全口径拼接面形的PV值小于5λ时，利用干涉仪零位补偿测试光路对非球面进行全口径测量，这时非球面的面形误差已经较小，干涉仪能够分辨测试到全口径的面形信息，并将全口径零位补偿检测结果与哈特曼-拼接测量结果进行对比和分析，当两种测试方法所得到的面形分布一致，且其PV值和RMS值的相对偏差都小于10％时，利用两种测试方法的综合分析结果指导非球面进行后续精抛光；若两种测试方法所得到的面形分布不一致，且其PV值和RMS值的相对偏差都大于10％，则需仔细精确测定和调整测试光路，并再次进行两种方法测试和比对，直至满足精度要求；

步骤七，非球面多周期加工和组合测试，

利用全口径零位补偿和哈特曼-拼接两种方法组合检测综合分析得到的全口径面形数据对大口径非球面进行多个周期的确定性精密加工，直至其全口径面形的RMS值优于1/50λ，从而满足了设计要求，完成对大口径大偏离量非球面反射镜的加工和测试。

所述步骤四中所述的拼接方法包括以下步骤：

假定共有M个子孔径拼接测量才能覆盖整个大口径非球面，为了求解拼接系数，各子孔径间有一定的重叠，为了便于定位和测量，选择非球面中心区域的子孔径作为基准子孔径；由于非球面各子孔径区域已经经过零位补偿，因此各子孔径间位置的相对失调量仅带来相对平移、倾斜和离焦；假使基准子孔径的相位分布为w₀，则其它子孔径相位分布与基准子孔径相位分布的关系为公式一：

\begin{matrix} w_{0} = w_{1} + p_{1} + a_{1} x_{1} + b_{1} y_{1} + c_{1} (x_{1}^{2} + y_{1}^{2}) \\ = w_{2} + p_{2} + a_{2} x_{2} + b_{2} y_{2} + c_{2} (x_{2}^{2} + y_{2}^{2}) \\ . \\ . \\ . \\ = w_{M - 1} + p_{M - 1} + a_{M - 1} x_{M - 1} + b_{M - 1} y_{M - 1} + c_{M - 1} (x_{M - 1}^{2} + y_{M - 1}^{2}) \end{matrix}

其中w₁,w₂,…,w_M-1是其它子孔径的相位分布，a_i，b_i，c_i和p_i分别是其它子孔径相对基准子孔径沿x方向的倾斜系数、沿y方向的倾斜系数、相对离焦系数和平移系数；

利用最小二乘法，使得所有重叠区域相位差的平方和值为最小，可得公式二：

\begin{matrix} S = Σ_{j_{1} &NotEqual; 0}^{N_{1}} Σ_{i_{1} &Subset; W_{0}, W_{j 1}}^{n} {W_{0} (x_{1 i_{1}}, y_{1 i_{1}}) - [W_{j_{1}} (x_{j_{1} i_{1}}, y_{j_{1} i_{1}}) + p_{j_{1}} x_{j_{1} i_{1}} + a_{j_{1}} x_{j_{1} i_{1}} + b_{j_{1}} y_{j_{1} i_{1}} + c_{j 1} (x_{j_{1} i_{1}}^{2} + y_{j_{1} i_{1}}^{2})]}^{2} + \\ Σ_{j_{2} \cap j_{3} &NotEqual; 0}^{N_{2}} Σ_{i_{2} &Subset; W_{j 2}, W_{j 3}}^{n} {[W_{j_{2}} (x_{j_{2} i_{2}}, y_{j_{2} i_{2}}) + p_{j_{2}} x_{j_{2} i_{2}} + a_{j_{2}} x_{j_{2} i_{2}} + b_{j_{2}} y_{j_{2} i_{2}} + c_{j_{2}} (x_{j_{2} i_{2}}^{2} + y_{j_{2} i_{2}}^{2})] - \\ {[W_{j_{3}} (x_{j_{3} i_{3}}, y_{j_{3} i_{3}}) + p_{j_{3}} x_{j_{3} i_{2}} + a_{j_{3}} x_{j_{3} i_{2}} + b_{j_{3}} y_{j_{3} i_{2}} {+ c}_{j_{3}} (x_{j_{3} i_{2}}^{2} + y_{j_{3} i_{2}}^{2})]}}^{2} = \min \end{matrix}

式中N₁是其它子孔径与基准子孔径的重叠区域数，N₂是其它子孔径间的重叠区域数，n是重叠区域内的采样点数；

利用最小二乘拟合，对各个拼接系数分别求偏导并令其值为零可得公式三：

\{\begin{matrix} \frac{&PartialD; S}{&PartialD; p_{i}} = 0 \\ \frac{&PartialD; S}{&PartialD; a_{i}} = 0 \\ \frac{&PartialD; S}{&PartialD; b_{i}} = 0 \\ \frac{&PartialD; S}{{&PartialD; c}_{i}} = 0 \end{matrix}

式中1≤i≤M-1，利用公式三就可以得到各子孔径相对基准子孔径的最佳拼接系数，从而获得拼接全口径面形信息。

本发明的有益效果是：

首先，针对检测的大口径非球面设计并制作光学补偿器，待非球面研磨完成后，搭建非球面零位补偿干涉光路，保持原光路不变，在光路中安置半透半反镜使光路转折，对大口径非球面进行哈特曼-拼接检测。该方法将光学干涉技术、零位补偿技术、哈特曼波前探测技术和子孔径拼接技术有效的融合在一起，克服了大口径大偏离量非球面反射镜干涉检测阶段面形缺失的问题，且在最后精抛光阶段零位补偿方法和哈特曼-拼接检测方法可以相互对比和验证，从而确保检测的准确性和可靠性。

附图说明

图1是现有零位补偿检测技术中大口径大偏离量非球面反射镜干涉条纹局部缺失的示意图。

图2是本发明大口径大偏离量非球面反射镜抛光过程中复合检测方法的流程图。

图3是本发明大口径大偏离量非球面反射镜抛光过程中复合检测方法所用的装置结构示意图。

图4是本发明所述子孔径拼接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的方法是在对非球面反射镜研磨加工后进行抛光过程中进行的。

利用计算机控制小磨头技术(CCOS)对大口径大偏量非球面进行确定性加工，期间通过轮廓仪或者三坐标测量仪对其面形进行接触式测量，当检测得到其面形的PV值(Peak to valley峰谷值)优于3μm时，对其进行抛光加工。

如图2所示，本发明的大口径大偏离量非球面反射镜抛光过程中复合检测方法包括以下步骤：

一、设计并制作光学补偿器

根据待测大口径大偏离量非球面反射镜7的光学参数(顶点曲率半径、离轴量、口径、二次曲面常数和高次项系数等)设计并制作光学补偿器6，使经过光学补偿器6的波面与待测非球面反射镜7吻合。

二、搭建并标定干涉零位补偿检测光路

依据光学补偿器6设计方案对抛光后的非球面反射镜7搭建零位补偿干涉光路，激光干涉仪1、光学补偿器及非球面反射镜7同轴放置，如图3所示，并利用激光跟踪仪3对非球面反射镜7几何参数(顶点曲率半径、离轴量和镜体左右偏差等)进行测量和监测。由于待测非球面反射镜7的偏离量非常大，且刚进入抛光阶段时的面形精度低，将会出现如图1所示的局部面形无法测量的现象。

三、组建并调整哈特曼-拼接检测光路

利用激光跟踪仪3监测，保持原零位补偿测试光路不变，在原检测光路的激光干涉仪1与光学补偿器6之间安置半透半反镜4，安装并调整哈特曼波前传感器5，使其对准经非球面反射镜7反射后经过半透半反镜4再次反射的光束。若入射到哈特曼波前传感器5的波前有畸变，则其CCD焦面上得到的光斑将偏离理想位置，形成不规则的光斑阵列，通过计算这些散乱光斑的质心位置偏离理想位置的大小并运用波前重构算法即可将入射波前重构出来，从而得到待测非球面反射镜7的面形信息。哈特曼波前传感器5具有较大的动态范围和较高的测量精度，其动态影响误差可通过多次采样求平均的方法来消除，与干涉仪相比具有更高的抗坏境干扰的能力，其可以较好的探测到待测非球面的相位信息。而且其体积很小，结构简单，非常便于安装和调试。

四、哈特曼-拼接检测

由于哈特曼波前传感器5的通光孔径很小，其只能探测到非球面反射镜7的部分面形信息，通过移动和调整哈特曼波前传感器5使其对准入射光束其他区域，从而可以测定非球面反射镜7其它区域的相位分布，通过子孔径拼接算法可以重构得到大口径大偏量非球面反射镜7全口径的面形分布，其具体的拼接过程如下：

假定共有M个子孔径拼接测量才能覆盖整个大口径非球面反射镜7，拼接示意图如图4所示，为了求解拼接系数，各子孔径间有一定的重叠，为了便于定位和测量，我们选择非球面中心区域的子孔径作为基准子孔径。由于非球面各子孔径区域已经经过零位补偿，因此各子孔径间位置的相对失调量仅带来相对平移、倾斜和离焦。假使基准子孔径的相位分布为w₀，则其它子孔径相位分布与基准子孔径相位分布的关系为公式一：

\begin{matrix} w_{0} = w_{1} + p_{1} + a_{1} x_{1} + b_{1} y_{1} + c_{1} (x_{1}^{2} + y_{1}^{2}) \\ = w_{2} + p_{2} + a_{2} x_{2} + b_{2} y_{2} + c_{2} (x_{2}^{2} + y_{2}^{2}) \\ . \\ . \\ . \\ = w_{M - 1} + p_{M - 1} + a_{M - 1} x_{M - 1} + b_{M - 1} y_{M - 1} + c_{M - 1} (x_{M - 1}^{2} + y_{M - 1}^{2}) \end{matrix}

其中w₁,w₂,…,w_M-1是其它子孔径的相位分布，a_i，b_i，c_i和p_i分别是其它子孔径相对基准子孔径沿x方向的倾斜系数、沿y方向的倾斜系数、相对离焦系数和平移系数。

\begin{matrix} S = Σ_{j_{1} &NotEqual; 0}^{N_{1}} Σ_{i_{1} &Subset; W_{0}, W_{j 1}}^{n} {W_{0} (x_{1 i_{1}}, y_{1 i_{1}}) - [W_{j_{1}} (x_{j_{1} i_{1}}, y_{j_{1} i_{1}}) + p_{j_{1}} x_{j_{1} i_{1}} + a_{j_{1}} x_{j_{1} i_{1}} + b_{j_{1}} y_{j_{1} i_{1}} + c_{j 1} (x_{j_{1} i_{1}}^{2} + y_{j_{1} i_{1}}^{2})]}^{2} + \\ Σ_{j_{2} \cap j_{3} &NotEqual; 0}^{N_{2}} Σ_{i_{2} &Subset; W_{j 2}, W_{j 3}}^{n} {[W_{j_{2}} (x_{j_{2} i_{2}}, y_{j_{2} i_{2}}) + p_{j_{2}} x_{j_{2} i_{2}} + a_{j_{2}} x_{j_{2} i_{2}} + b_{j_{2}} y_{j_{2} i_{2}} + c_{j_{2}} (x_{j_{2} i_{2}}^{2} + y_{j_{2} i_{2}}^{2})] - \\ {[W_{j_{3}} (x_{j_{3} i_{3}}, y_{j_{3} i_{3}}) + p_{j_{3}} x_{j_{3} i_{2}} + a_{j_{3}} x_{j_{3} i_{2}} + b_{j_{3}} y_{j_{3} i_{2}} {+ c}_{j_{3}} (x_{j_{3} i_{2}}^{2} + y_{j_{3} i_{2}}^{2})]}}^{2} = \min \end{matrix}

式中N₁是其它子孔径与基准子孔径的重叠区域数，N₂是其它子孔径间的重叠区域数，n是重叠区域内的采样点数。

利用最小二乘拟合，对各个拼接系数分别求偏导并令其值为零，可得公式三：

\{\begin{matrix} \frac{&PartialD; S}{&PartialD; p_{i}} = 0 \\ \frac{&PartialD; S}{&PartialD; a_{i}} = 0 \\ \frac{&PartialD; S}{&PartialD; b_{i}} = 0 \\ \frac{&PartialD; S}{{&PartialD; c}_{i}} = 0 \end{matrix}

五、非球面多周期加工和哈特曼拼接检测

依据哈特曼-拼接检测结果，对大口径大偏离量非球面反射镜经过多个周期的加工(期间利用激光跟踪仪监测光路系统，使光路中各部件间的相对位置保持不变)，直至全口径拼接面形的PV值优于5λ。

六、组合检测与分析

当全口径拼接面形的PV值小于5λ时，利用干涉仪零位补偿测试光路对非球面进行全口径测量，这时非球面的面形误差已经较小，干涉仪能够分辨测试到全口径的面形信息，并将全口径零位补偿检测结果与哈特曼-拼接测量结果进行对比和分析，当两种测试方法所得到的面形分布一致，且其PV值和RMS值的相对偏差都小于10％时，利用两种测试方法的综合分析结果指导非球面进行后续精抛光。若两种测试方法所得到的面形分布不一致，且其PV值和RMS值的相对偏差都大于10％，则需仔细精确测定和调整测试光路，并再次进行两种方法测试和比对，直至满足精度要求。

七、非球面多周期加工和组合测试

Claims

1.大口径大偏离量非球面反射镜抛光过程中复合检测方法，包括以下步骤：

步骤一，设计并制作光学补偿器，

根据待测大口径大偏离量非球面反射镜(7)的光学参数设计并制作光学补偿器(6)，使经过光学补偿器(6)的波面与待测非球面反射镜(7)吻合；

步骤二，搭建并标定干涉零位补偿检测光路，

依据光学补偿器(6)设计方案对抛光后的非球面反射镜(7)搭建零位补偿干涉光路，激光干涉仪(1)、光学补偿器及非球面反射镜(7)同轴放置，并利用激光跟踪仪(3)对非球面反射镜(7)几何参数进行测量和监测；

其特征是，步骤三，组建并调整哈特曼-拼接检测光路，

利用激光跟踪仪(3)监测，保持原零位补偿测试光路不变，在原检测光路的激光干涉仪(1)与光学补偿器(6)之间安置半透半反镜(4)，安装并调整哈特曼波前传感器(5)，使其对准经非球面反射镜(7)反射后经过半透半反镜(4)再次反射的光束；若入射到哈特曼波前传感器(5)的波前有畸变，则其CCD焦面上得到的光斑将偏离理想位置，形成不规则的光斑阵列，通过计算这些散乱光斑的质心位置偏离理想位置的大小并运用波前重构算法即可将入射波前重构出来，从而得到待测非球面反射镜(7)的面形信息；

步骤四，哈特曼-拼接检测，

由于哈特曼波前传感器(5)的通光孔径很小，其只能探测到大口径非球面反射镜(7)的部分面形信息，通过移动和调整哈特曼波前传感器(5)使其对准入射光束其他区域，从而可以测定大口径非球面反射镜(7)其它区域的相位分布，通过子孔径拼接算法可以重构得到大口径大偏量非球面反射镜(7)全口径的面形分布；

步骤五，非球面多周期加工和哈特曼拼接检测，

步骤六，组合检测与分析，

步骤七，非球面多周期加工和组合测试，

2.根据权利要求1所述的大口径大偏离量非球面反射镜抛光过程中复合检测方法，步骤四中所述的拼接方法包括以下步骤：

\begin{matrix} w_{0} = w_{1} + p_{1} + a_{1} x_{1} + b_{1} y_{1} + c_{1} (x_{1}^{2} + y_{1}^{2}) \\ = w_{2} + p_{2} + a_{2} x_{2} + b_{2} y_{2} + c_{2} (x_{2}^{2} + y_{2}^{2}) \\ . \\ . \\ . \\ = w_{M - 1} + p_{M - 1} + a_{M - 1} x_{M - 1} + b_{M - 1} y_{M - 1} + c_{M - 1} (x_{M - 1}^{2} + y_{M - 1}^{2}) \end{matrix}

\begin{matrix} S = Σ_{j_{1} &NotEqual; 0}^{N_{1}} Σ_{i_{1} &Subset; W_{0}, W_{j 1}}^{n} {W_{0} (x_{1 i_{1}}, y_{1 i_{1}}) - [W_{j_{1}} (x_{j_{1} i_{1}}, y_{j_{1} i_{1}}) + p_{j_{1}} x_{j_{1} i_{1}} + a_{j_{1}} x_{j_{1} i_{1}} + b_{j_{1}} y_{j_{1} i_{1}} + c_{j 1} (x_{j_{1} i_{1}}^{2} + y_{j_{1} i_{1}}^{2})]}^{2} + \\ Σ_{j_{2} \cap j_{3} &NotEqual; 0}^{N_{2}} Σ_{i_{2} &Subset; W_{j 2}, W_{j 3}}^{n} {[W_{j_{2}} (x_{j_{2} i_{2}}, y_{j_{2} i_{2}}) + p_{j_{2}} x_{j_{2} i_{2}} + a_{j_{2}} x_{j_{2} i_{2}} + b_{j_{2}} y_{j_{2} i_{2}} + c_{j_{2}} (x_{j_{2} i_{2}}^{2} + y_{j_{2} i_{2}}^{2})] - \\ {[W_{j_{3}} (x_{j_{3} i_{3}}, y_{j_{3} i_{3}}) + p_{j_{3}} x_{j_{3} i_{2}} + a_{j_{3}} x_{j_{3} i_{2}} + b_{j_{3}} y_{j_{3} i_{2}} {+ c}_{j_{3}} (x_{j_{3} i_{2}}^{2} + y_{j_{3} i_{2}}^{2})]}}^{2} = \min \end{matrix}

\{\begin{matrix} \frac{&PartialD; S}{&PartialD; p_{i}} = 0 \\ \frac{&PartialD; S}{&PartialD; a_{i}} = 0 \\ \frac{&PartialD; S}{&PartialD; b_{i}} = 0 \\ \frac{&PartialD; S}{{&PartialD; c}_{i}} = 0 \end{matrix}