CN107806819A - 用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法，属于光学检测技术领域，该方法利用固定在汉德尔球后端面的刻度标记装置实现干涉仪与汉德尔球之间的粗对准，再利用干涉仪球面标准镜的猫眼像实现干涉仪与汉德尔球之间的精确对准，待干涉仪与汉德尔球之间的光路对准完成后，通过对干涉仪采集到的待检凸非球面反射镜的表面干涉图进行数据处理，根据经过数据处理后的表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心是否重合来确定汉德尔球和待检凸非球面反射镜之间是否实现光路对准，从而解决了在使用汉德尔球进行凸非球面反射镜检测过程中，待检凸非球面反射镜与整个光学检测系统的对准问题。

Description

用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法。

背景技术

对于同轴结构航天相机的反射镜而言，通常采用凸非球面反射镜作为相机次镜，凸非球面反射镜的面形精度、有效区域的大小及形状等直接关系到航天相机最终的成像质量和区域，因此对凸非球面反射镜的面形和有效区域的高精度检测，对整个航空相机具有非常重要的意义。

对于凸非球面反射镜的面形和有效区域的检测，通常采用以下两种方法：第一种是利用光学补偿法，使用透射式补偿器或者计算全息图(Computer Generated Hologram，CGH)补偿器对光学元件进行检测，其中透射式补偿器在对直径较大的光学元件进行检测时，透射式补偿器的透镜的直径需要比待检光学元件大，因而增加了制造难度和成本，而CGH补偿器自身的加工特性无法测量，如果待检光学元件的非球面度较大，会导致CGH补偿器的条纹较密集，增加了加工的难度；第二种是利用弯月透镜或者汉德尔球进行的无像差点检测法，利用非球面自身的曲线特性进行无像差点检测。由于航天相机凸非球面反射镜的背部通常有一定的几何形状，因此本发明采用汉德尔球法对凸非球面反射镜进行检测。

对利用汉德尔球法进行凸非球面反射镜检测的光学系统而言，精确地控制干涉仪标准镜、汉德尔球和待检镜三者之间的相对位置关系对待检非球面的顶点曲率半径R值、非球面系数K值和有效区域的大小、形状的准确检测有非常重要的影响。通常情况下，本领域技术人员一般使用测量杆来测量干涉仪标准镜、汉德尔球和待检镜之间的轴向距离，但三者相对于光轴之间的倾斜，一般情况下并没有得到很好的控制，本领域技术人员只能通过目测的方式进行光路对准，导致三者之间往往会存在一定的倾斜和偏心，造成待检镜有效区域的大小及形状发生变化，即造成待检镜有效区域不对称，无法满足对凸非球面反射镜的面形和有效区域的高精度检测。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术只能通过目测的方式对干涉仪、汉德尔球和待检镜进行光路对准，导致三者之间往往会存在一定的倾斜和偏心，无法满足对凸非球面反射镜的面形和有效区域的高精度检测的问题，提供一种用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法。

为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：

一种用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法，包括以下步骤：

将刻度标记装置贴合汉德尔球的后端面固定，且使所述刻度标记装置的刻度中心与所述汉德尔球的中心孔的中心重合；

调节所述汉德尔球的轴向位置，使干涉仪的最小出射光斑与所述刻度中心重合；

拆除所述刻度标记装置后，将拼接量块固定于所述汉德尔球的后端面，且所述拼接量块的厚度等于所述干涉仪的球面标准镜的焦点至所述汉德尔球的后端面的距离；

调节所述汉德尔球的轴向位置和倾斜角度，直至在所述干涉仪中观察到所述球面标准镜的猫眼像，并在观察到所述猫眼像后拆除所述拼接量块，完成所述干涉仪与所述汉德尔球之间的光路对准；

将所述待检凸非球面反射镜放置在所述干涉仪的出射光中心位置，并调节待检凸非球面反射镜的轴向位置，使所述干涉仪的出射光焦点与所述干涉仪的出射光经过所述待检凸非球面反射镜和所述汉德尔球反射后形成的反射焦点相重合；

调节所述待检凸非球面反射镜的轴向位置和倾斜角度，直至所述干涉仪采集到的表面干涉图的有效区域对应的泽尼克多项式系数Z3、系数Z6和系数Z7达到最小值；

对所述系数Z3、所述系数Z6和所述系数Z7达到最小值时的所述表面干涉图进行数据处理，判断经过数据处理后的所述表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心是否重合，若重合，则完成所述汉德尔球和所述待检凸非球面反射镜之间的光路对准。

上述用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法适用于使用汉德尔球对凸非球面反射镜表面面形检测过程中的光学元件对准，该方法利用固定在汉德尔球后端面的刻度标记装置实现干涉仪与汉德尔球之间的粗对准，再利用干涉仪球面标准镜的猫眼像实现干涉仪与汉德尔球之间的精确对准，待干涉仪与汉德尔球之间的光路对准完成后，通过对干涉仪采集到的待检凸非球面反射镜的表面干涉图进行数据处理，根据经过数据处理后的表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心是否重合来确定汉德尔球和待检凸非球面反射镜之间是否实现光路对准，从而解决了在使用汉德尔球进行凸非球面反射镜检测过程中，待检凸非球面反射镜与整个光学检测系统的对准问题，即解决了待检凸非球面反射镜的有效口径不对称的问题，而且本发明所提出的对准方法可以在对待检凸非球面反射镜进行面形检测的同时进行，通过有效的控制待检凸非球面反射镜的有效区域的大小、形状、光轴与机械轴的偏差等，实现在加工过程中对待检凸非球面反射镜的质量进行检测，检测结果则用于指导对待检凸非球面反射镜的加工，从而提高生产效率。

附图说明

图1为利用汉德尔球的无像差点检测法的原理图；

图2为本发明其中一个实施例中用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法的流程示意图；

图3为猫眼像对准图；

图4为待检凸非球面反射镜偏心时的光路示意图；

图5为待检凸非球面反射镜偏心时的表面干涉图的示意图；

图6为刻度标记装置为带有刻度的圆片的结构示意图；

图7为刻度标记装置为端面带有刻度的圆柱块的结构示意图；

图8为刻度标记装置为T形圆柱块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1所示为利用汉德尔球的无像差点检测法的原理图，干涉仪经过标准镜发出的标准球面波经过待检镜反射至汉德尔球，基于无像差点的特性，汉德尔球反射该入射光并经过待检镜反射，最终通过标准镜反射回干涉仪，从而实现对待检镜表面面形和有效区域大小、形状进行检测。对于利用汉德尔球进行凸非球面反射镜检测的系统而言，精确地控制干涉仪标准镜、汉德尔球和待检镜三者之间的相对位置关系对于准确地检测待检非球面的顶点曲率半径R值、非球面系数K值和有效区域的大小、形状等有着至关重要的影响。

在本发明的其中一个实施例中，如图2所示，本实施例中的用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法适用于使用汉德尔球对凸非球面反射镜表面面形检测过程中的光学元件对准，该方法具体包括以下步骤：

S100将刻度标记装置贴合汉德尔球的后端面固定，且使刻度标记装置的刻度中心与汉德尔球的中心孔的中心重合。

刻度标记装置为带有刻度的装置，将刻度标记装置带有刻度的一侧朝向干涉仪，刻度标记装置的另一侧与汉德尔球的后端面固定，例如利用橡皮泥或者胶带等进行固定，并且拆卸方便，并且在固定刻度标记装置时，需保证刻度标记装置的刻度中心与汉德尔球的中心孔的中心相重合，以保证干涉仪与汉德尔球之间光路对准的准确性。

S200调节汉德尔球的轴向位置，使干涉仪的最小出射光斑与刻度中心重合。

使得干涉仪出射实际光斑对准刻度标记装置的中心刻度，即使干涉仪出射实际光斑对准汉德尔球的中心孔的中心，沿光轴方向调节汉德尔球的位置，使得干涉仪的最小出射光斑与刻度标记装置的刻度中心重合，最小出射光斑的大小与理论大小基本吻合，此时拆除刻度标记装置，完成干涉仪与汉德尔球之间的粗定位。

S300拆除刻度标记装置后，将拼接量块固定于汉德尔球的后端面，且拼接量块的厚度等于干涉仪的球面标准镜的焦点至汉德尔球的后端面的距离。

拆除刻度标记装置后，将拼接量块固定于汉德尔球的后端面，如图3猫眼像对准图所示，并且拼接量块的厚度和凸非球面反射镜检测光路要求的理论厚度一致，即拼接量块的厚度与干涉仪的球面标准镜的焦点至汉德尔球的后端面的距离相同，其中干涉仪使用的标准镜类型为指定F数的球面标准镜。拼接量块可以采用现有的高精度、不同尺寸的量块实现，将不同尺寸的量块叠放在一起，即可获得需要的尺寸或者厚度，优选地，本发明中的拼接量块的拼接精度为10微米，以保证光路对准的精度。

S400调节汉德尔球的轴向位置和倾斜角度，直至在干涉仪中观察到球面标准镜的猫眼像，并在观察到猫眼像后拆除拼接量块，完成干涉仪与汉德尔球之间的光路对准。

在该步骤中，微调汉德尔球的轴向位置和倾斜角度，利用量块的表面反射特性，在干涉仪中找到球面标准镜的猫眼像，其中猫眼像(cateye)又称为标准镜的像，是标准镜的出射光在焦点处被返回时出现的干涉条纹，也是透过干涉仪的光线与和干涉仪对称的标准面之间的干涉图像；通过调节汉德尔球的轴向位置和倾斜角度在干涉仪中找到球面标准镜的猫眼像后，保持汉德尔球的轴向位置和倾斜角度不变，此时拆除拼接量块，从而完成了干涉仪与汉德尔球之间的精确的光路对准。

S500将待检凸非球面反射镜放置在干涉仪的出射光中心位置，并调节待检凸非球面反射镜的轴向位置，使干涉仪的出射光焦点与干涉仪的出射光经过待检凸非球面反射镜和汉德尔球反射后形成的反射焦点相重合。

完成干涉仪与汉德尔球之间的光路对准后，将待检凸非球面反射镜放置在干涉仪的出射光中心位置，使干涉仪的出射光束充满待检凸非球面反射镜的整个口径，由于干涉仪的出射光束的尺寸一般大于待检凸非球面反射镜的尺寸，因此可以使用白纸等辅助待检凸非球面反射镜的定位，汉德尔球位于干涉仪和待检凸非球面反射镜之间；调节待检凸非球面反射镜的轴向位置，使干涉仪的出射光焦点与反射焦点相重合，该反射焦点为干涉仪的出射光经过待检非球面反射镜和汉德尔球(待检非球面反射镜→汉德尔球→待检非球面反射镜)反射后形成的焦点或者光点。

S600调节待检凸非球面反射镜的轴向位置和倾斜角度，直至干涉仪采集到的表面干涉图的有效区域对应的泽尼克多项式系数Z3、系数Z6和系数Z7达到最小值。

在该步骤中，调节待检凸非球面反射镜的轴向位置和倾斜角度，使干涉仪采集到的待检凸非球面反射镜的表面干涉图的有效区域对应的泽尼克(Zernike)多项式系数Z3、系数Z6和系数Z7达到最小值，其中系数Z3对应于离焦像差，系数Z6和系数Z7均对应于彗差像差。

S700对系数Z3、系数Z6和系数Z7达到最小值时的表面干涉图进行数据处理，判断经过数据处理后的表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心是否重合，若重合，则完成汉德尔球和待检凸非球面反射镜之间的光路对准。

对系数Z3、系数Z6和系数Z7达到最小值时的待检凸非球面反射镜的表面干涉图进行数据处理，对表面干涉图的外圆和内孔做Mask，确定数据有效区域的大小、形状，判断经过数据处理后的表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心是否重合，若重合，则完成汉德尔球和待检凸非球面反射镜之间的光路对准，其中表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心均可通过干涉仪的自动孔径功能进行寻找。假设干涉仪的像素数为1000×1000个，表面干涉图所占像素数为800×800个，待检凸非球面反射镜的直径为100mm，那么每个像素对应的尺寸为0.125mm，因此使用本发明所提出的光路对准方法进行对准的精度可达0.125mm。

本实施例所提出的用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法利用固定在汉德尔球后端面的刻度标记装置实现干涉仪与汉德尔球之间的粗对准，再利用干涉仪球面标准镜的猫眼像实现干涉仪与汉德尔球之间的精确对准，待干涉仪与汉德尔球之间的光路对准完成后，通过对干涉仪采集到的待检凸非球面反射镜的表面干涉图进行数据处理，根据经过数据处理后的表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心是否重合来确定汉德尔球和待检凸非球面反射镜之间是否实现光路对准，从而解决了在使用汉德尔球进行凸非球面反射镜检测过程中，待检凸非球面反射镜与整个光学检测系统的对准问题，即解决了待检凸非球面反射镜的有效口径不对称的问题，而且本发明所提出的对准方法可以在对待检凸非球面反射镜进行面形检测的同时进行，通过有效的控制待检凸非球面反射镜的有效区域的大小、形状、光轴与机械轴的偏差等，实现在加工过程中对待检凸非球面反射镜的质量进行检测，检测结果则用于指导对待检凸非球面反射镜的加工，从而提高生产效率。

作为一种具体的实施方式，用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法还包括以下步骤：若经过数据处理后的表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心不重合，则重新调节待检凸非球面反射镜的轴向位置和倾斜角度，直至经过数据处理后的表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心重合。如果经过数据处理后的表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心不重合，表明待检凸非球面反射镜的有效区域中心与实际口径的中心不重合，即待检凸非球面反射镜与干涉仪、汉德尔球未对准，如图4所示为待检凸非球面反射镜偏心时的光路示意图，图5所示为待检凸非球面反射镜偏心时的表面干涉图示意图，由图4和图5可知，当待检凸非球面反射镜存在偏心时，干涉仪采集到的表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心不重合，待检凸非球面反射镜的有效区域不对称，因此此时需要重新调节待检凸非球面反射镜的轴向位置和倾斜角度，直至经过数据处理后的表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心重合，此时完成了汉德尔球和待检凸非球面反射镜之间的光路对准，即实现干涉仪、汉德尔球和待检凸非球面反射镜之间精确的光路对准。

作为一种具体的实施方式，刻度标记装置为带有刻度的圆片。如图6所示，在本实施方式中，带有刻度的圆片贴合汉德尓球的后端面固定，例如圆片通过橡皮泥或者胶带等与汉德尓球固定，从而方便圆片的拆卸，并且圆片的刻度中心与汉德尓球的中心孔的中心重合，圆片的厚度小于或者等于1毫米，以保证干涉仪与汉德尓球之间光路对准的精度。

作为一种具体的实施方式，刻度标记装置为端面带有刻度的圆柱块，且端面的刻度中心与端面的几何中心重合，圆柱块嵌入在汉德尔球的中心孔内。如图7所示，在本实施方式中，刻度标记装置为嵌入在汉德尓球的中心孔内的圆柱块，该圆柱块的端面带有刻度，并且端面的刻度中心与端面的几何中心重合，即保证了端面的刻度中心与汉德尓球的中心孔的中心重合；端面的直径略小于汉德尓球的中心孔的直径，以使得圆柱块能够嵌入在汉德尓球的中心孔内；圆柱块的端面与汉德尓球的后端面重合，圆柱块的长度可小于或者大于汉德尓球的中心孔的长度。本实施方式所提出的刻度标记装置无需其他介质进行固定，只需将其嵌入汉德尓球的中心孔内即可为干涉仪和汉德尓球之间的粗定位提供基准，且刻度中心和汉德尓球中心孔的中心对准精度高，操作简单。

作为一种具体的实施方式，刻度标记装置为T形圆柱块，T形圆柱块包括一侧带有刻度的圆片和与圆片的另一侧固定的圆柱，且圆柱的轴线通过圆片的刻度中心，圆柱嵌入在汉德尔球的中心孔内，圆片与汉德尓球的后端面紧密贴合。如图8所示，在本实施方式中，刻度标记装置为T形圆柱块，其包括一圆片和与圆片固定的圆柱，圆片的一侧带有刻度，且带有刻度的一侧朝向干涉仪；圆柱与圆片的另一侧固定连接，且圆柱的轴线通过圆片的刻度中心，优选地，圆片的刻度中心与几何中心重合；圆柱的横截面的直径略小于汉德尓球的中心孔的直径，以使得圆柱能够嵌入在汉德尓球的中心孔内，圆片与汉德尓球的后端面紧密贴合。本实施方式所提出的刻度标记装置无需其他介质进行固定，只需将圆柱部分嵌入汉德尓球的中心孔内并使圆片与汉德尓球的后端面紧密贴合，即可为干涉仪和汉德尓球之间的粗定位提供基准，且刻度中心和汉德尓球中心孔的中心对准精度高，装卸简便，圆片便于用户对干涉仪的出射光斑与刻度中心对准情况的观察。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

将刻度标记装置贴合汉德尔球的后端面固定，且使所述刻度标记装置的刻度中心与所述汉德尔球的中心孔的中心重合；

调节所述汉德尔球的轴向位置，使干涉仪的最小出射光斑与所述刻度中心重合；

拆除所述刻度标记装置后，将拼接量块固定于所述汉德尔球的后端面，且所述拼接量块的厚度等于所述干涉仪的球面标准镜的焦点至所述汉德尔球的后端面的距离；

调节所述汉德尔球的轴向位置和倾斜角度，直至在所述干涉仪中观察到所述球面标准镜的猫眼像，并在观察到所述猫眼像后拆除所述拼接量块，完成所述干涉仪与所述汉德尔球之间的光路对准；

将所述待检凸非球面反射镜放置在所述干涉仪的出射光中心位置，并调节待检凸非球面反射镜的轴向位置，使所述干涉仪的出射光焦点与所述干涉仪的出射光经过所述待检凸非球面反射镜和所述汉德尔球反射后形成的反射焦点相重合；

调节所述待检凸非球面反射镜的轴向位置和倾斜角度，直至所述干涉仪采集到的表面干涉图的有效区域对应的泽尼克多项式系数Z3、系数Z6和系数Z7达到最小值；

对所述系数Z3、所述系数Z6和所述系数Z7达到最小值时的所述表面干涉图进行数据处理，判断经过数据处理后的所述表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心是否重合，若重合，则完成所述汉德尔球和所述待检凸非球面反射镜之间的光路对准。

2.根据权利要求1所述的用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法，其特征在于，还包括以下步骤：

若经过数据处理后的所述表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心不重合，则重新调节所述待检凸非球面反射镜的轴向位置和倾斜角度，直至经过数据处理后的所述表面干涉图的外圆数据中心和内孔数据中心重合。

3.根据权利要求1或2所述的用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法，其特征在于，

所述刻度标记装置为带有刻度的圆片。

4.根据权利要求1或2所述的用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法，其特征在于，

所述刻度标记装置为端面带有刻度的圆柱块，且所述端面的刻度中心与所述端面的几何中心重合，所述圆柱块嵌入在所述汉德尔球的中心孔内。

5.根据权利要求1或2所述的用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法，其特征在于，

所述刻度标记装置为T形圆柱块，所述T形圆柱块包括一侧带有刻度的圆片和与所述圆片的另一侧固定的圆柱，且所述圆柱的轴线通过所述圆片的刻度中心，所述圆柱嵌入在所述汉德尔球的中心孔内，所述圆片与所述汉德尓球的后端面紧密贴合。

6.根据权利要求1或2所述的用于凸非球面反射镜检测的光路对准方法，其特征在于，

所述拼接量块的拼接精度为10微米。