CN104142129B

CN104142129B - 离轴三反非球面系统凸非球面次镜面形拼接检测方法

Info

Publication number: CN104142129B
Application number: CN201410345382.1A
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: 2014-07-18
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2016-11-23
Anticipated expiration: 2034-07-18
Also published as: CN104142129A

Abstract

离轴三反非球面系统凸非球面次镜面形拼接检测方法涉及检测光学领域，通过子孔径拼接算法求解得到大口径离轴凸非球面反射镜全口径的面形，为其进一步加工提供依据和保障。该方法所用的装置包括：激光跟踪仪、激光干涉仪、第三反射镜、待测大口径离轴凸非球面次镜、主反射镜和高精度平面反射镜；系统装调检测的方法如下：系统装调，中心视场波像差检测，其它视场波像差检测，各视场面形数据拼接计算和全口径面形数据插补。该方法将光学系统波像差测试和子孔径拼接测量技术结合在一起完成对大口径离轴凸非球面面形的检测，拼接子孔径数目少，操作和运算简易，且在次镜的加工和检测过程中实现了整个光学系统的装调和测试，节省了时间，降低了成本。

Description

离轴三反非球面系统凸非球面次镜面形拼接检测方法

技术领域

本发明涉及检测光学领域，特别是涉及一种检测离轴三反非球面系统中凸非球面次镜面形的方法。

背景技术

在光学系统中，使用非球面元件可以很好的平衡和矫正系统像差，改善成像质量，大幅提升光学系统的性能；同时可以简化系统，减轻系统的重量，降低系统的复杂程度，因此，非球面元件正越来越多的被用于深空探测、光电跟踪、天文观测等诸多光电设备中。尤其在空间光学领域，由于离轴三反消像散非球面系统(TMA)具有组件少、长焦距、大视场、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。

离轴三反非球面系统中，主镜和第三镜均为离轴非球面反射镜，次镜是凸非球面反射镜，对于如图1所示的二次成像离轴三反非球面系统(光束在汇聚在成像焦面以前有过一次汇聚)，其次镜为大口径离轴凸非球面反射镜。凸非球面尤其是离轴凸非球面镜面形的测量一直是光学检测中的难点。

经典的测试方法是借助大口径的Hindle球利用无像差点法进行测量，但是对于大口径离轴凸非球面的检测，Hindle球的尺寸往往是待测镜面的几倍，高精度、大口径Hindle球的制造延长了工程周期，并增加了成本，此外利用该方法检测时存在中心遮拦。

利用补偿透镜或者衍射光学元件-计算全息对凸非球面进行零位补偿干涉测量，仍是当前检测凸非球面面形最常规的方法。但是凸非球面补偿透镜的制备非常困难和复杂，因为其透镜本身也含有非球面，要想实现对补偿透镜的加工、装调和测试，还得为补偿透镜设计和加工一套补偿元件。利用计算全息可以很好的实现对浅度凸非球面的零位补偿测量，但是对于大偏离量离轴凸非球面面形的检测，其计算全息的线频密度很高，现有光刻设备根本无法实现。此外，为了与被测曲面吻合，检测凸非球面面形需要汇聚波面入射，这就需要测量干涉仪、补偿透镜和计算全息的口径大于被检非球面元件，大尺寸的补偿透镜和计算全息的制备目前存在诸多的困难，大口径干涉仪的价格更是昂贵。

对于浅度(非球面度在10μm以内)凸非球面的检测，通过小口径的干涉仪可以对准和测量大口径凸非球面镜上多个小区域(子孔径)的相位数据，利用子孔径拼接算法能够重构获得大口径非球面全口径的面形分布。但是如果直接采用子孔径拼接法检测大口径、大偏离量的凸非球面，子孔径数目将会很多，分析和计算非常复杂，还会引入拼接误差传递和累积。

发明内容

为了克服以上困难，本专利提出了一种凸非球面次镜面形系统拼接检测的方法，即在主镜和三镜加工完成满足精度后，对整个系统进行装调，并对各视场的系统波像差进行测量，此时主镜和三镜的面形已经完好，所得到的各视场系统波像差的一半(因为来回两次反射)即为次镜凸非球面对应各子区域(子孔径)的面形误差，通过子孔径拼接算法可以求解得到大口径离轴凸非球面反射镜全口径的面形，从而为其进一步加工提供依据和保障。

离轴三反非球面系统中凸非球面次镜面形系统拼接检测方法，该方法所用的装置包括：激光跟踪仪、激光干涉仪、第三反射镜、待测大口径离轴凸非球面次镜、主反射镜和高精度平面反射镜；系统装调的方法如下：

步骤一：当主反射镜和第三反射镜完成加工后，对离轴三反非球面系统进行系统装调，并利用激光跟踪仪对各反射镜的位置姿态以及各镜体之间的相对位置进行测定和监测；

步骤二：利用激光跟踪仪测定和监测结果均在设计公差范围之内时，调整激光干涉仪，使干涉仪的出射光线汇聚在中心视场成像的焦面位置，根据光路可逆原理，该光束将会经过离轴三反非球面系统后变为平行光出射；在入射光孔位置设置一高精度平面反射镜，使其与出射平行光垂直，从而使经主镜出射后的平行光束垂直入射到高精度平面反射镜上并沿原路返回，经过离轴三反非球面系统与干涉仪系统内的参考光束形成干涉条纹，从而可以测定得到光学系统中心视场的波像差，待测大口径离轴凸非球面次镜凸非球面中心区域即中心子孔径的面形误差为中心视场系统波像差的一半；

步骤三：调整激光干涉仪，使激光干涉仪的出射光线分别汇聚在其他视场成像的焦面位置，重复步骤二操作，依次测定得到其它各视场系统的波像差，从而得到待测大口径离轴凸非球面次镜凸非球面其它区域即其它子孔径的面形误差；

步骤四：假定离轴三反非球面系统共有M个视场，即共有M个子孔径拼接测量才能覆盖整个大口径凸非球面次镜，各子孔径间有一定的重叠区域；选定非球面中心区域的子孔径作为基准子孔径；测试过程中，大口径非球面各子孔径位置的定位不准将会引入3种初级像差，即为相对平移、倾斜和离焦；定义中心基准子孔径的相位数据为w₀，则其它子孔径与基准子孔径相位数据的关系可表示为(1)式：

\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} - - - (1)

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

通过最小二乘拟合，使所有重叠区域相位数据差的平方和为最小，即为(2)式：

\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_{2}}, y_{j_{3} i_{2}}) + 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} - - - (2)

其中重叠区域有两种，一种为其它子孔径与中心基准子孔径的重叠区域，定义为N₁，另一种为其它子孔径间的重叠区域，定义为N₂，所有重叠区域内的采样点数定义为n；

对各拼接因子分别求偏导并令其数值为零即为(3)式：

\{\begin{matrix} \frac{\partial S}{\partial p_{i}} = 0 \\ \frac{\partial S}{\partial a_{i}} = 0 \\ \frac{\partial S}{\partial b_{i}} = 0 \\ \frac{\partial S}{\partial c_{i}} = 0 \end{matrix} - - - (3)

其中1≤i≤M-1，通过(3)式就能够求解各子孔径相对基准子孔径的最佳拼接因子，从而获得大口径凸非球面各视场拼接以后的面形信息；

步骤五：由于非球面口径比各视场成像叠加所需的理论口径略大，所以由步骤四拼接获得的非球面面形数据并没有完全覆盖整个非球面口径，依据拼接面形数据，通过插值计算能够求解得到未覆盖区域的面形数据，从而可以获得大口径凸非球面全口径的面形数据，实现离轴三反非球面系统中凸非球面次镜面形系统拼接检测方法。

该方法将光学系统波像差测试和子孔径拼接测量技术结合在一起完成对大口径离轴凸非球面面形的检测，拼接子孔径数目少，操作和运算简易，且在次镜的加工和检测过程中实现了整个光学系统的装调和测试，节省了时间，降低了成本。

附图说明

图1二次成像离轴三反非球面系统示意图。

图2本发明的离轴三反非球面系统中凸非球面次镜面形系统拼接检测方法的装置结构示意图。

图3是本发明的离轴三反非球面系统中凸非球面次镜面形系统拼接检测方法的流程图。

图4是本发明的离轴三反非球面系统中凸非球面次镜面形系统拼接检测方法的子孔径拼接示意图。

图中：1、激光跟踪仪，2、激光干涉仪，3、第三反射镜，4、待测大口径离轴凸非球面次镜，5、主反射镜，6、高精度平面反射镜，7、高精度平面反射镜调整机构和8、干涉仪调整机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明的离轴三反非球面系统中凸非球面次镜面形系统拼接检测方法的装置包括：激光跟踪仪1、激光干涉仪2、第三反射镜3、待测大口径离轴凸非球面次镜4、主反射镜5、高精度平面反射镜6、高精度平面反射镜调整机构7和干涉仪调整机构8，本发明的离轴三反非球面系统中凸非球面次镜面形系统拼接检测方法的流程如下：

步骤一：系统装调

首先，当第三反射镜3和主反射镜5完成加工后，对离轴三反非球面系统进行系统装调，并利用激光跟踪仪1对系统的几何参数(各反射镜的位置姿态以及各镜体之间的相对位置关系)进行测定和监测；

步骤二：中心视场波像差检测

经过反复调整光路，当利用激光跟踪仪1测定得到光学系统中的各几何位置关系均在设计公差范围之内时，利用干涉仪调整机构8调整激光干涉仪2，使激光干涉仪2的出射光线汇聚在0°视场(中心视场)成像的焦面位置，根据光路可逆原理，该光束将会先经过第三反射镜3后进行反射，反射后的光线经过待测大口径离轴凸非球面次镜4后再次反射，反射后的光线入射到主反射镜5后将会变为平行光出射。我们在原入射光孔位置设置一高精度平面反射镜6，通过高精度平面反射镜调整机构7调整高精度平面反射镜6，使其与出射平行光垂直，从而使经主反射镜5出射后的平行光束垂直入射到高精度平面反射镜6上并沿原路返回，经过主反射镜5、待测大口径离轴凸非球面次镜4和第三反射镜3与激光干涉仪2系统内的参考光束形成干涉条纹，从而可以测定得到光学系统中心视场的波像差，此时主反射镜5、第三反射镜3和高精度平面反射镜6的面形非常完好，所得到的中心视场系统波像差的一半(因为来回两次反射)即为次镜凸非球面中心区域(中心子孔径)的面形误差；

步骤三：其它视场波像差检测

利用干涉仪调整机构8调整激光干涉仪2，使激光干涉仪2的出射光线分别汇聚在其他视场成像的焦面位置，重复步骤二操作，可以依次测定得到其它各视场系统的波像差，从而得到待测大口径离轴凸非球面次镜4凸非球面其它区域(其它子孔径)的面形误差；

步骤四：各视场面形数据拼接计算

假定离轴三反非球面系统共有M个视场，即共有M个子孔径拼接测量才能覆盖整个待测大口径离轴凸非球面次镜4(为了保证光学系统成像质量，非球面口径比各视场成像叠加所需的理论口径略大，所以存在很小的子孔径未覆盖区域)，子孔径拼接示意图如图4所示，各子孔径间有一定的重叠，为了便于拼接计算，我们选择非球面中心区域的子孔径(即中心视场波像差测量时对应非球面区域)作为基准子孔径。

测试过程中，大口径非球面各子孔径位置的定位不准将会引入3种初级像差，即为相对平移、倾斜和离焦。定义中心基准子孔径的相位数据为w0，则其它子孔径与基准子孔径相位数据的关系可表示为(1)式：

\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} - - - (1)

式中w1,w2,…,wM-1是其它子孔径的相位数据，ai，bi分别是其它子孔径相对基准子孔径沿x方向和y方向的倾斜系数，ci和pi是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_{2}}, y_{j_{3} i_{2}}) + 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} - - - (2)

其中重叠区域有两种，一种为其它子孔径与中心基准子孔径的重叠区域，定义为N1，另一种为其它子孔径间的重叠区域，定义为N2，所有重叠区域内的采样点数定义为n。

对各拼接因子分别求偏导并令其数值为零即为(3)式：

\{\begin{matrix} \frac{\partial S}{\partial p_{i}} = 0 \\ \frac{\partial S}{\partial a_{i}} = 0 \\ \frac{\partial S}{\partial b_{i}} = 0 \\ \frac{\partial S}{\partial c_{i}} = 0 \end{matrix} - - - (3)

其中1≤i≤M-1，通过(3)式就能够求解各子孔径相对基准子孔径的最佳拼接因子，从而获得大口径凸非球面各视场拼接以后的面形信息。

步骤五：全口径面形数据插补

由于非球面口径比各视场成像叠加所需的理论口径略大，所以由步骤四拼接获得的非球面面形数据并没有完全覆盖整个非球面口径，依据拼接面形数据，通过插值计算能够求解得到未覆盖区域的面形数据，从而可以获得大口径凸非球面全口径的面形数据。

根据步骤五所得的全口径面形数据可以对大口径离轴凸非球面次镜进行进一步加工，从而为整个光学系统的加工、装调和测试提供了依据和保障。

Claims

1.离轴三反非球面系统凸非球面次镜面形拼接检测方法，该方法所用的装置包括：激光跟踪仪、激光干涉仪、第三反射镜、待测大口径离轴凸非球面次镜、主反射镜和高精度平面反射镜；其特征在于，系统装调检测的方法如下：

步骤二：利用激光跟踪仪测定和监测结果均在设计公差范围之内时，调整激光干涉仪，使干涉仪的出射光线汇聚在中心视场成像的焦面位置，根据光路可逆原理，光束将会经过离轴三反非球面系统后变为平行光出射；在入射光孔位置设置一高精度平面反射镜，使其与出射平行光垂直，从而使经主镜出射后的平行光束垂直入射到高精度平面反射镜上并沿原路返回，经过离轴三反非球面系统与干涉仪系统内的参考光束形成干涉条纹，从而可以测定得到光学系统中心视场的波像差，待测大口径离轴凸非球面次镜凸非球面中心区域即中心子孔径的面形误差为中心视场系统波像差的一半；

步骤四：假定离轴三反非球面系统共有M个视场，即共有M个子孔径拼接测量才能覆盖整个大口径凸非球面次镜，各子孔径间有一定的重叠区域；选定非球面中心区域的子孔径作为基准子孔径；测试过程中，大口径非球面各子孔径位置的定位不准将会引入3种初级像差，即为相对平移、倾斜和离焦；定义中心基准子孔径的相位数据为w₀，则其它子孔径与基准子孔径相位数据的关系表示为(1)式：

\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}) \\ \begin{matrix} . \\ . \\ . \end{matrix} \\ = 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} - - - (1)

\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_{2}}, y_{j_{3} i_{2}}) + 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} - - - (2)

对各拼接因子分别求偏导并令其数值为零即为(3)式：

\{\begin{matrix} \frac{\partial S}{\partial p_{i}} = 0 \\ \frac{\partial S}{\partial a_{i}} = 0 \\ \frac{\partial S}{\partial b_{i}} = 0 \\ \frac{\partial S}{\partial c_{i}} = 0 \end{matrix} - - - (3)