CN107796329A - 一种凸非球面反射镜面形检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸非球面反射镜面形检测装置及检测方法，在保证检测精度的情况下，能够用小尺寸的CGH补偿器实现对大口径(口径200mm以上)的凸非球面反射镜的检测。本发明装置通过透镜将光束汇聚，使得采用的CGH补偿器的口径很小，CGH补偿器能在高精度的加工尺寸范围内实现对大口径凸非球面反射镜面形的高精度检测。本发明方法，将CGH补偿器对波前的相差补偿作用和透镜对光束的汇聚作用两者相结合，用小尺寸的CGH补偿器实现对大口径凸非球面反射镜的检测，解决了传统CGH补偿检测法只能检测中小口径凸非球面反射镜面形的难题。相比传统的凸非球面反射镜面形检测方法，本发明的检测方法能够检测各种曲面类型的凸非球面反射镜。

Description

一种凸非球面反射镜面形检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及镜面检测技术领域，具体涉及一种凸非球面反射镜面形检测装置及检测方法。

背景技术

在光学系统内使用非球面光学元件能够实现提高系统性能、改善像质以及减少光学元件的数量的目的，使光学系统紧凑轻便。因此非球面光学元件在航空航天、天文观测、光刻物镜、高性能照相或摄像机镜头等诸多光学仪器中具有广泛的应用。

高精度的面形检测是精密加工的前提和基础，随着市场对凸非球面反射镜的规格和精度要求越来越高，对凸非球面反射镜的面形检测提出了进一步的要求。常用的凸非球面反射镜的检测方法有：无像差点检测法、透镜补偿器零位检测法、CGH(computergenerated hologram计算全系图)补偿检测法等。当待检凸非球面反射镜的口径为200mm以内时，上述几种方法均能较好的应对，但是当待检凸非球面反射镜的口径大于200mm(大口径)时，这些方法由于自身的局限性，使得这些检测方法难以在大口径凸非球面反射镜面形检测中继续使用。

其中，无像差点检测法的缺点有：(1)固有缺点：只能对二次曲面进行面形检测，不能对凸椭球面以及高次非球面进行检测，且有中心遮拦；(2)当待检凸非球面反射镜的口径大于200mm时，需要制造更大口径的球面辅助镜，一般为待检凸非球面反射镜口径的两倍甚至更大，且对辅助镜的面形精度要求较高。

当待检凸非球面反射镜的口径大于200mm时，透镜补偿器检测法的缺点是：(1)需要大口径的干涉仪1；(2)需要制造大口径的透镜补偿器，透镜补偿器是一套透镜组，对其加工精度要求很高，加工难度大；(3)透镜补偿器的参考面一般是非球面，所以还需要制造额外的检具对参考面进行面形检测，并且透镜补偿器是需要对待检镜进行针对性设计，其普适性差，因此当待检镜的口径超过200mm时，该方法的检测成本巨大。

CGH补偿检测法的缺点有：(1)CGH补偿器3口径须比待检凸非球面反射镜口径大；(2)受限于CGH补偿器3现有的制造工艺，在保证检测精度的情况下其制造口径不超过200mm，因此只能对中小口径的凸非球面反射镜进行检测。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种凸非球面反射镜面形检测装置及检测方法，在保证检测精度的情况下，能够用小尺寸的CGH补偿器实现对大口径(口径200mm以上)凸非球面反射镜的检测。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明的凸非球面反射镜面形检测装置，采用干涉仪以及CGH补偿器对待测凸非球面反射镜进行检测，其特征在于，所述检测光路上还设有球面标准镜以及照明透镜；

球面标准镜放置在干涉仪以及CGH补偿器之间，干涉仪发出的光束经球面标准镜汇聚后入射到CGH补偿器上；

球面标准镜满足F#≤R#，其中F#＝f/D，f是球面标准镜的焦距，D是球面标准镜的口径；R#＝r/d，r是干涉仪焦点到CGH补偿器的距离，d是CGH补偿器的口径；

照明透镜放置在CGH补偿器与待测凸非球面反射镜之间，透过CGH补偿器的光束入射到照明透镜上，经照明透镜汇聚后入射至待测凸非球面反射镜；

照明透镜的玻璃折射率、透镜中心厚度、透镜前后两面的曲率半径，根据待测凸非球面反射镜的曲率半径、口径、二次曲面常数和高次项系数以及各光学元件的物理间距获得；

干涉仪发出的光束经球面标准镜后成为汇聚的球面波前，由CGH补偿器补偿后变为发散的非球面波前，经由照明透镜汇聚后，成为和待检凸非球面反射镜面形一致的非球面波前，由待检凸非球面反射镜反射后原路返回至干涉仪内与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹，通过干涉仪内的干涉条纹数据分析得到待测凸非球面反射镜的面形信息，完成对凸非球面反射镜的面形检测。

其中，依据待检凸非球面反射镜的各项参数、照明透镜的各项参数及各光学元件的物理间距将CGH补偿器的补偿区划分为各个区域，包括补偿主区域A、干涉仪和CGH补偿器的对准区域B、CGH补偿器和照明透镜的对准区域C、提供照明透镜基准的基准区域D和待检凸非球面反射镜基准的基准区域E，各个区域上设有对应标记，光束经各区域投射得到各自对应的标记线。

较佳地，照明透镜通过子孔径拼接检测法进行面形检测后进行误差校准；照明透镜的曲率半径以及中心厚度以及CGH补偿器的中心厚度以及平行度经过标定处理。

进一步地，所述标记线为十字叉线。

采用本发明凸非球面反射镜面形检测装置的凸非球面反射镜面形检测方法，包括如下步骤：

步骤1，搭建检测光路，并将干涉仪、CGH补偿器、照明透镜和待检凸非球面反射镜分别安装在对应的调整机构上；

步骤2，调整检测光路，包括如下子步骤：

步骤2.1，将干涉仪和CGH补偿器对准：根据对准区域B形成的干涉条纹，通过调整干涉仪调整机构和CGH补偿器调整机构得到零条纹，从而实现干涉仪和CGH补偿器的对准；所述对准区域B形成的干涉条纹为经对准区域B反射后原路返回至干涉仪内的波前与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹；

步骤2.2，将照明透镜和CGH补偿器对准：首先根据基准区域D投射在照明透镜上的标记线初步调整照明透镜的横向及垂轴位置，使得照明透镜位于标记线位置；然后根据对准区域C形成的干涉条纹，通过调整照明透镜调整机构得到零条纹，从而实现照明透镜和CGH补偿器的对准；所述对准区域C形成的干涉条纹为经对准区域C投射至照明透镜，经照明透镜反射后原路返回至干涉仪内的波前与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹；

步骤2.3，调整待测凸非球面反射镜使得检测系统处于零位检测状态：首先通过基准区域E投射在待测凸非球面反射镜上的标记线调整待测凸非球面反射镜的横向及垂轴位置，使得待测凸非球面反射镜位于标记线位置；然后根据补偿主区域A形成的干涉条纹，通过调整待测凸非球面反射镜调整机构得到零条纹，至此检测装置的各光学元件调整完毕，得到零位检测光路；所述补偿主区域A形成的干涉条纹为经补偿主区域A投射至照明透镜，经照明透镜透射后，入射到待测凸非球面反射镜，经待测凸非球面反射镜反射后原路返回至干涉仪内的波前与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹；

步骤3，利用零位检测光路，对待测凸非球面反射镜进行面形检测，通过干涉仪内形成的干涉数据分析得到待测凸非球面反射镜的面形信息，完成对大口径凸非球面反射镜的面形检测。

有益效果：

本发明装置通过透镜将光束汇聚，使得采用的CGH补偿器的口径很小，CGH补偿器能在高精度的加工尺寸范围内实现对大口径凸非球面反射镜面形的高精度检测。

本发明所述装置中使用的照明透镜的口径只需比待检镜口径稍大即可，并且针对待测凸非球面反射镜设计制作的照明透镜，适用于检测一定参数(中心曲率半径、二次曲面常数、或口径)范围内的凸非球面反射镜，本发明装置具有普适性，检测成本相对较低。

本发明所述的大口径凸非球面反射镜面形检测的方法，将CGH补偿器对波前的相差补偿作用和透镜对光束的汇聚作用两者相结合，用小尺寸的CGH补偿器实现对大口径凸非球面反射镜的检测，解决了由于高精度CGH制造尺寸受限，导致传统CGH补偿检测法只能检测中小口径凸非球面反射镜面形的难题。

相比传统的凸非球面反射镜面形检测方法，本发明的检测方法能够检测各种曲面类型的凸非球面反射镜。

附图说明

图1是本发明检测装置示意图；

图2是采用本发明检测装置的检测方法流程图；

图3是本发明的CGH补偿器3各区域的规划图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明的检测凸非球面反射镜面形检测装置包括干涉仪1、球面标准镜2、CGH补偿器3、照明透镜4、待测凸非球面反射镜5、干涉仪调整机构6、CGH补偿器调整机构7、照明透镜调整机构8和待测凸非球面反射镜调整机构9。

球面标准镜2放置在干涉仪1以及CGH补偿器3之间，干涉仪1发出的光束经球面标准镜2汇聚后入射到CGH补偿器3上；

球面标准镜2满足F#≤R#，其中F#＝f/D，f是球面标准镜2的焦距，D是球面标准镜2的口径；R#＝r/d，r是干涉仪1焦点到CGH补偿器3的距离，d是CGH补偿器3的口径；

照明透镜4放置在CGH补偿器3与待测凸非球面反射镜5之间，透过CGH补偿器3的光束入射到照明透镜4上，经照明透镜4汇聚后入射至待测凸非球面反射镜5；

照明透镜4的玻璃折射率、透镜中心厚度、透镜前后两面的曲率半径，根据待测凸非球面反射镜的曲率半径、口径、二次曲面常数和高次项系数以及各光学元件的物理间距，通过光学设计软件ZEMAX或CODE V进行仿真获得。

干涉仪1用于发出光束，干涉仪1发出的光束经球面标准镜2后成为汇聚的球面波前，由CGH补偿器3补偿后变为发散的非球面波前，经由照明透镜4汇聚后，由待检凸非球面反射镜5反射后原路返回至干涉仪1内与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹，通过干涉仪1内形成的干涉条纹数据分析得到待测凸非球面反射镜的面形信息，完成对大口径凸非球面反射镜的面形检测；

依据待检凸非球面反射镜5的各项参数、照明透镜4的各项参数及各光学元件的物理间距将CGH补偿器3的补偿区划分为各个区域，包括补偿主区域A、干涉仪1和CGH补偿器3的对准区域B、CGH补偿器3和照明透镜4的对准区域C、提供照明透镜4基准的基准区域D和待检凸非球面反射镜基准的基准区域E，各个区域上设有对应标记，光束经各区域投射得到各自对应的标记线，本实施例中标记线为十字叉线。CGH补偿器3各个区域的规划图如图3所示。

通过子孔径拼接检测法对照明透镜4进行面形检测后进行误差校准，将加工误差从检测结果中补偿和剔除；通过对照明透镜4的曲率半径以及中心厚度以及CGH补偿器3的中心厚度以及平行度进行标定，将曲率半径偏差、中心厚度偏差以及平行度偏差从检测结果中补偿和剔除；

本发明的凸非球面反射镜面形检测方法，采用检测凸非球面反射镜面形检测装置，针对待测凸非球面反射镜设计并制造的照明透镜4以及CGH补偿器3，通过CGH各对准及基准区域，调整干涉仪1、CGH补偿器3和照明透镜4的物理间距，根据CGH补偿器3主区域的干涉条纹，通过调整待测凸非球面反射镜5使得整个检测设备到达零位检测状态。所述凸非球面反射镜面形检测方法，包括以下步骤：

步骤1，搭建检测光路，并将干涉仪1、CGH补偿器3、照明透镜4和待检凸非球面反射镜5分别安装在对应的调整机构上；

步骤2，调整检测光路，包括如下子步骤：

步骤2.1，将干涉仪1和CGH补偿器3对准：根据对准区域B形成的干涉条纹通过调整干涉仪调整机构6和CGH补偿器调整机构7得到零条纹，从而实现干涉仪1和CGH补偿器3的对准；所述对准区域B形成的干涉条纹为经对准区域B反射后原路返回至干涉仪1内的波前与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹；

步骤2.2，将照明透镜4和CGH补偿器3对准：首先根据基准区域D投射在照明透镜4上的十字叉线初步调整照明透镜4的横向及垂轴位置，使得照明透镜4位于标记线位置；然后根据对准区域C形成的干涉条纹通过调整照明透镜调整机构8得到零条纹，从而实现照明透镜4和CGH补偿器3的对准；所述对准区域C形成的干涉条纹为经对准区域C投射至照明透镜4，经照明透镜4反射后原路返回至干涉仪1内的波前与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹；

步骤2.3，调整待测凸非球面反射镜5使得检测系统处于零位检测状态：首先通过基准区域E投射在待测凸非球面反射镜5上的十字叉线调整待测凸非球面反射镜5的横向及垂轴位置，使得待测凸非球面反射镜5位于标记线位置；然后根据补偿主区域A形成的干涉条纹，通过调整待测凸非球面反射镜5调整机构9得到零条纹，至此检测装置的各光学元件调整完毕，得到零位检测光路；所述补偿主区域A形成的干涉条纹为经补偿主区域A投射至照明透镜4，经照明透镜4透射后，入射到待测凸非球面反射镜5，经待测凸非球面反射镜5反射后原路返回至干涉仪1内的波前与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹；

步骤3，利用零位检测光路，对待测凸非球面反射镜进行面形检测，通过干涉仪1内形成的干涉条纹数据分析得到待测凸非球面反射镜的面形信息，完成对大口径凸非球面反射镜的面形检测。

本实施例中的干涉仪调整机构6是三维平动调整台，调整机构7是六维调整台，调整机构8、9均是五维调整台(除旋转以外的五维度)；

利用本发明所述方法对口径D＝320mm，二次曲面常数K＝-3.62，中心曲率半径R＝4093.72的凸非球面反射镜进行了照明透镜4和CGH补偿器3的设计，对各个光学元件的参数以及各调整量进行了敏感度分析，影响检测精度的主要因素是透镜表面的面形误差，在对其进行检测标定后，可将透镜的加工误差很大程度上从检测结果中剔除。分析结果表明，本发明所述方法的检测精度可以达到5nm，满足高精度面形检测的要求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种凸非球面反射镜面形检测装置，采用干涉仪(1)以及CGH补偿器(3)对待测凸非球面反射镜(5)进行检测，其特征在于，所述检测光路上还设有球面标准镜(2)以及照明透镜(4)；

球面标准镜(2)放置在干涉仪(1)以及CGH补偿器(3)之间，干涉仪(1)发出的光束经球面标准镜(2)汇聚后入射到CGH补偿器(3)上；

球面标准镜(2)满足F#≤R#，其中F#＝f/D，f是球面标准镜(2)的焦距，D是球面标准镜(2)的口径；R#＝r/d，r是干涉仪(1)焦点到CGH补偿器(3)的距离，d是CGH补偿器(3)的口径；

照明透镜(4)放置在CGH补偿器(3)与待测凸非球面反射镜(5)之间，透过CGH补偿器(3)的光束入射到照明透镜(4)上，经照明透镜(4)汇聚后入射至待测凸非球面反射镜(5)；

照明透镜(4)的玻璃折射率、透镜中心厚度、透镜前后两面的曲率半径，根据待测凸非球面反射镜的曲率半径、口径、二次曲面常数和高次项系数以及各光学元件的物理间距获得；

干涉仪(1)发出的光束经球面标准镜(2)后成为汇聚的球面波前，由CGH补偿器(3)补偿后变为发散的非球面波前，经由照明透镜(4)汇聚后，成为和待检凸非球面反射镜(5)面形一致的非球面波前，由待检凸非球面反射镜(5)反射后原路返回至干涉仪(1)内与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹，通过干涉仪(1)内的干涉条纹数据分析得到待测凸非球面反射镜的面形信息，完成对凸非球面反射镜的面形检测。

2.如权利要求1所述的一种凸非球面反射镜面形检测装置，其特征在于，依据待检凸非球面反射镜(5)的各项参数、照明透镜(4)的各项参数及各光学元件的物理间距将CGH补偿器(3)的补偿区划分为各个区域，包括补偿主区域A、干涉仪(1)和CGH补偿器(3)的对准区域B、CGH补偿器(3)和照明透镜(4)的对准区域C、提供照明透镜(4)基准的基准区域D和待检凸非球面反射镜基准的基准区域E，各个区域上设有对应标记，光束经各区域投射得到各自对应的标记线。

3.如权利要求1所述的一种凸非球面反射镜面形检测装置，其特征在于，照明透镜(4)通过子孔径拼接检测法进行面形检测后进行误差校准；照明透镜(4)的曲率半径以及中心厚度以及CGH补偿器(3)的中心厚度以及平行度经过标定处理。

4.如权利要求2所述的一种凸非球面反射镜面形检测装置，其特征在于，所述标记线为十字叉线。

5.一种凸非球面反射镜面形检测方法，其特征在于，采用如权利要求2所述的凸非球面反射镜面形检测装置进行检测，包括如下步骤：

步骤1，搭建检测光路，并将干涉仪(1)、CGH补偿器(3)、照明透镜(4)和待检凸非球面反射镜(5)分别安装在对应的调整机构上；

步骤2，调整检测光路，包括如下子步骤：

步骤2.1，将干涉仪(1)和CGH补偿器(3)对准：根据对准区域B形成的干涉条纹，通过调整干涉仪调整机构(6)和CGH补偿器调整机构(7)得到零条纹，从而实现干涉仪(1)和CGH补偿器(3)的对准；所述对准区域B形成的干涉条纹为经对准区域B反射后原路返回至干涉仪(1)内的波前与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹；

步骤2.2，将照明透镜(4)和CGH补偿器(3)对准：首先根据基准区域D投射在照明透镜(4)上的标记线初步调整照明透镜(4)的横向及垂轴位置，使得照明透镜(4)位于标记线位置；然后根据对准区域C形成的干涉条纹，通过调整照明透镜调整机构(8)得到零条纹，从而实现照明透镜(4)和CGH补偿器(3)的对准；所述对准区域C形成的干涉条纹为经对准区域C投射至照明透镜(4)，经照明透镜(4)反射后原路返回至干涉仪(1)内的波前与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹；

步骤2.3，调整待测凸非球面反射镜(5)使得检测系统处于零位检测状态：首先通过基准区域E投射在待测凸非球面反射镜(5)上的标记线调整待测凸非球面反射镜(5)的横向及垂轴位置，使得待测凸非球面反射镜(5)位于标记线位置；然后根据补偿主区域A形成的干涉条纹，通过调整待测凸非球面反射镜(5)调整机构(9)得到零条纹，至此检测装置的各光学元件调整完毕，得到零位检测光路；所述补偿主区域A形成的干涉条纹为经补偿主区域A投射至照明透镜(4)，经照明透镜(4)透射后，入射到待测凸非球面反射镜(5)，经待测凸非球面反射镜(5)反射后原路返回至干涉仪(1)内的波前与干涉仪标准镜的参考波前形成干涉条纹；

步骤3，利用零位检测光路，对待测凸非球面反射镜进行面形检测，通过干涉仪(1)内形成的干涉数据分析得到待测凸非球面反射镜的面形信息，完成对大口径凸非球面反射镜的面形检测。