CN109163682B - 一种长焦大离轴量离轴抛物面的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种离轴抛物面的干涉检测光路及检测方法；为解决长焦大离轴量离轴抛物面的加工与检测时光路过长受气流扰动严重以及CCD对被检测工件的检测分辨率低从而导致检测精度下降的技术问题，提出一种长焦大离轴量离轴抛物面的检测方法；采用偏轴两镜系统将发散镜头虚焦点和偏轴两镜系统的像点重合，有效的缩短了光路长度；再配合标准球面反射镜、标准平面反射镜进一步缩短光路长度且压缩了光路宽度；此外该技术方案使得CCD的像元得到有效利用，增大了被检测工件的检测分辨率，可以有效遏制空气扰动对检验结果的不利影响，提高干涉检验精度，为加工符合技术要求的离轴镜提供保障。

Description

一种长焦大离轴量离轴抛物面的检测装置及方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种离轴抛物面的检测方法。

背景技术

离轴抛物面反射镜由于失去了旋转对称性，无法按传统方法在磨镜机上加工磨制。通常认为，如果要对离轴抛物面反射镜作高精度的单件加工，只有运用计算机辅助加工方法。即必须依赖于复杂的数控光学加工设备。现在一般采取挖切技术，先做一个大的旋转对称的母抛物面镜，再用套切工具挖出所需部分。这种方法只能适用于口径较小并且离轴量不大的镜子。

离轴抛物面反射镜主要有以下几个指标：通光口径、离轴量(或离轴角)、母抛物面焦距及镜面精度。镜面精度要求，高者用波长表示，又分均方根误差(RMS)和峰谷值误差(P-V)；低者用星点像弥散圆直径表示。

惯性约束核聚变工程需要将多路激光束会聚于靶丸，为了将多路激光束在同一水平面上分布得当，做到各路光无不干涉，需要组合不同焦距和离轴量的离轴抛物面。在目前的原理实验阶段，离轴抛物面的焦距已经到达30m级、离轴量已经达到15m级，随着惯性约束核聚变工程的发展，对更大焦距和离轴量的离轴抛物面将会有进一步的需求。

专利号为：ZL031131119.0的发明专利公开了一种离轴抛物面反射镜的加工方法，该方法在加工长焦大离轴量离轴抛物面时由于焦距长导致干涉检测光路过长，气流扰动导致测量精度降低；大离轴量导致干涉检测时CCD对条纹的分辨率下降，严重影响测试可靠性。例如一块焦距30m、离轴量15m的离轴抛物面，干涉检验时需要的恒温室内场地至少为20m(长)×10m(宽)，而且干涉检验光路长度超过60m，气流扰动对抛物镜的面形误差带来极大的影响。

可见，长焦大离轴量离轴抛物面的高精度加工受制于高精度检测，现有技术还不能满足需求。

发明内容

本发明目的是解决长焦大离轴量离轴抛物面的加工与检测时光路过长受气流扰动严重以及CCD对被检测工件的检测分辨率低从而导致检测精度下降的技术问题，采用的技术方案如下：

一种长焦大离轴量离轴抛物面的干涉检测装置，沿着干涉仪发出的光波传播方向依次排布有：发散镜头、标准球面反射镜、标准平面反射镜，所述的发散镜头将干涉仪发出的光波调制成发散的球面波，发散的球面波经标准球面反射镜反射入射至被测长焦大离轴量离轴抛物面，经被测长焦大离轴量离轴抛物面反射后的光波为平面波，所述平面波垂直入射至标准平面反射镜后原路返回；所述的标准球面反射镜与被测长焦大离轴量离轴抛物面组成偏轴两镜系统，且所述发散镜头虚焦点和偏轴两镜系统的像点重合。结合三级像差理论，中心视场的细平行光束在焦点F处消像散、球差以及彗差的前提下，可以求解出：标准球面反射镜半径R2、离轴抛物面几何中心到标准球面几何中心的距离d1、标准球面反射镜中心至所述偏轴两镜系统的像点之间的距离d2、标准平面反射镜法线与离轴抛物面反射镜几何中心法线之间的夹角θ1、从标准球面反射镜几何中心射向离轴抛物面反射镜的主光线与标准球面反射镜几何中心法线之间的夹角θ2。这样，当离轴抛物镜的焦距f和离轴量H给定时，偏轴两镜系统的初始结构就可以求解出光路初始结构，输入专业的光学设计软件优化就可以得到离轴抛物镜的偏轴两镜系统检验方案。由于该方案中选用了发散镜头，且将发散镜头虚焦点和偏轴两镜系统的像点重合，有效的缩短了光路长度；再配合标准球面反射镜、标准平面反射镜进一步缩短光路长度且压缩了光路宽度；此外该技术方案使得CCD的像元得到有效利用，增大了被检测工件的检测分辨率。

一种使用上述干涉检测光路的长焦大离轴量离轴抛物面的干涉检测方法。

一种长焦大离轴量离轴抛物面的检测方法，在研磨阶段：用三坐标测量机测量，根据长焦大离轴量离轴抛物面的参数方程求解出表面误差分布；在抛光阶段：使用上述干涉检测方法进行测量，从干涉条纹中解析出表面误差分布。由于在研磨阶段，由于表面反射率低，不适宜用干涉检测，使用三坐标测量不仅可以获得表面误差分布，还可以测量出曲率半径、离轴量重要几何参数，可以有效防止加工抛物面过程中其他重要几何参数超差。

基于上述长焦大离轴量离轴抛物面的检测方法，在抛光的粗抛阶段：用刀口仪进行阴影检验；由平行光管提供大口径平行光束，平行光束和被测长焦大离轴量离轴抛物面母抛物面的光轴平行，平行光束经被测长焦大离轴量离轴抛物面反射后会聚在该抛物面的焦点F，在所述焦点F处的焦平面上用两维刀口对被测长焦大离轴量离轴抛物面的会聚波前进行阴影检验。在抛光初期的粗抛阶段，由于表面误差大，在局部误差急剧变化处干涉条纹呈现段带或者条纹非常密集，导致CCD难以分辨，因此在粗抛阶段如果局部误差较大，干涉检测难以检测出误差较大处的误差分布；而刀口仪进行阴影检验，是通过观察光在被测面上的明暗分布从而得出误差高低分布，现象直观，操作便捷，可指导对整个面的加工；粗抛结束后，再用上述干涉检测方法进行测量，这样可以进一步提高检测精度，可以定量获得表面误差分布。

基于上述检测方法，还提供一种长焦大离轴量离轴抛物面的制造方法，根据长焦大离轴量离轴抛物面的技术参数计算出最佳起始球面的曲率半径；制作镜坯，做出最佳起始球面；研磨阶段中，根据三坐标测试得到的表面误差分布，将最佳起始球面研磨成所述的长焦大离轴量离轴抛物面；抛光阶段中，用上述的长焦大离轴量离轴抛物面的干涉检测方法获得表面误差分布。经过若干个抛光、干涉检测循环，表面误差收敛至期望值。

优选的，一种长焦大离轴量离轴抛物面的制造方法，在抛光的粗抛阶段：用刀口仪进行阴影检验；由平行光管提供大口径平行光束，平行光束和被测长焦大离轴量离轴抛物面母抛物面的光轴平行，平行光束经被测长焦大离轴量离轴抛物面反射后会聚在该抛物面的焦点F，在所述焦点F处的焦平面上用两维刀口对被测长焦大离轴量离轴抛物面的会聚波前进行阴影检验。

具体的工艺步骤如下：

步骤一，根据技术参数求解长焦大离轴量离轴抛物面的最佳起始球面的曲率半径；

步骤二，加工检验用标准球面反射镜；制作镜坯，做出最佳起始球面；加工一个方形金属镜框，将镜坯装入并封闭缝隙；在镜框一侧的中间及镜坯的对应位置分别作出标记；

步骤三，使用三坐标测量机测量获取长焦大离轴量离轴抛物面的表面误差分布，在镜面上标记出高低带；

步骤四，使用研磨工艺对长焦大离轴量离轴抛物面研磨；

步骤五，重复检测研磨，直到长焦大离轴量离轴抛物面的表面误差PV值小于所述三坐标测量机的测量精度；

步骤六，在抛光的粗抛阶段，用刀口仪进行阴影检验；竖起方镜框，使被测长焦大离轴量离轴抛物面朝向检验用平行光管，调好检测光路，观察被测长焦大离轴量离轴抛物面上阴影图分布，将所述的阴影图分布与三坐标测量结果比对，根据阴影图分布规划加工区域；

步骤七，使用长焦大离轴量离轴抛物面的干涉检测方法获取表面误差分布。将所述的阴影图分布与三坐标测量结果比对既可以辅助对刀口仪进行阴影检验光路的装调，又可以佐证刀口仪进行阴影检验结果的准确性，便捷的判断亮区和暗区对应的高低情况。

附图说明

图1：离轴抛物面反射镜框示意图；

图2：离轴抛物面最接近球面反射镜装框示意图；

图3：离轴抛物面反射镜刀口阴影检验光路图；

图4：离轴抛物面反射镜干涉检验光路一示意图；

图5：离轴抛物面反射镜干涉检验光路二示意图；

图6：长焦大离轴量离轴抛物面干涉检验光路图；

图7：偏轴两镜系统检验焦距f＝18m、离轴量H＝9m离轴抛物面反射镜光路图；

图8：偏轴两镜系统检验焦距f＝18m、离轴量H＝9m离轴抛物面剩余波差分布图；

其中：1-离轴抛物面反射镜，2-扁平直尺，3-平行光管，4-二维刀口，5-激光干涉仪，6-标准球面反射镜，7-标准平面反射镜，8-发散镜头，9-离轴抛物面反射镜几何中心法线，10-标准球面反射镜几何中心法线；H-离轴抛物面的离轴量，f-离轴抛物面的焦距，F-离轴抛物面的焦点位置，d1-离轴抛物面几何中心到标准球面几何中心的距离，θ1-标准平面反射镜法线与离轴抛物面反射镜几何中心法线之间的夹角，θ2-从标准球面反射镜几何中心射向离轴抛物面反射镜的主光线与标准球面反射镜几何中心法线之间的夹角。

具体实施方式

为了更清楚地说明发明，下面结合附图及实施例作进一步描述：

实施例一：

以口径为D1＝Ф400mm，厚度60mm，后焦距f＝18m、离轴量H＝9m的离轴抛物面反射镜为例，一种长焦大离轴量离轴抛物面的检测装置，如图6所示，沿着干涉仪5发出的光波传播方向依次排布有：发散镜头8、标准球面反射镜6、标准平面反射镜7，所述的发散镜头将干涉仪发出的光波调制成发散的球面波，发散的球面波经标准球面反射镜反射入射至被测长焦大离轴量离轴抛物面1，经被测长焦大离轴量离轴抛物面反射后的光波为平面波，所述平面波垂直入射至标准平面反射镜后原路返回；

所述的标准球面反射镜与被测长焦大离轴量离轴抛物面组成偏轴两镜系统，且所述发散镜头虚焦点和偏轴两镜系统的像点重合。

一种使用上述光路的长焦大离轴量离轴抛物面的检测方法。

一种长焦大离轴量离轴抛物面的检测方法，包括在研磨阶段：用三坐标测量机测量，根据长焦大离轴量离轴抛物面的参数方程求解出表面误差分布；

在抛光阶段：使用上述长焦大离轴量离轴抛物面的检测光路进行干涉检测，从干涉条纹中解析出表面误差分布。

在抛光的粗抛阶段：用刀口仪进行阴影检验；由平行光管3提供大口径平行光束，平行光束和被测长焦大离轴量离轴抛物面母抛物面反射镜1的光轴平行，平行光束经被测长焦大离轴量离轴抛物面反射后会聚在该抛物面的焦点F，在所述焦点F处的焦平面上用两维刀口对被测长焦大离轴量离轴抛物面的会聚波前进行阴影检验。

实施例二：

结合附图1，以加工口径为D1＝Ф400mm，厚度60mm，后焦距f＝18m、离轴量H＝9m的离轴抛物面反射镜为例，一种长焦大离轴量离轴抛物面的制造方法：

步骤一：根据离轴抛物面反射镜参数设计偏轴两镜检验系统，利用ZEMAX程序优化设计得到的光路图如图7，从图中可以看出，偏转角θ1＝14.9575°，偏转角θ2＝-10.334°，标准球面反射镜的半径为R2＝21650±300mm，两镜之间的间隔为d1＝2500mm左右，标准球面反射镜中心至两镜系统的像点间距d2＝7500mm左右，标准球面反射镜的口径为D2＝Ф385mm，系统像方F/#为F/19.5(与F/15的发散标准镜头F/#相当)，原来离轴抛物面的F/#为F/45。系统的波前误差如图8，波前剩余误差PV＝0.11λ、RMS＝0.0273λ(λ＝0.6328μm)，即离轴抛物面镜面剩余误差可以达到RMS＝0.01365λ(λ＝0.6328μm)，可以满足绝大多数离轴抛物面反射镜的检验精度要求。

偏轴两镜系统，即中心视场主光线与镜面的对称轴有一个夹角的光学系统。在偏轴情况下，中心视场出现很大像散，因此两镜中必须有一镜是双曲率的，才能补偿好中心视场的像散，而离轴抛物面镜本身就是一双曲率镜，结合标准球面反射镜以及三级像差理论，使中心视场的细平行光束(零视场平行光入射)在焦点F处消像散、球差、彗差，即可求解出检测系统初始结构。

步骤二：加工标准球面反射镜D2＝Ф385mm、R2＝21650±300mm和长焦距、大离轴量离轴抛物面的初始球面(最接近球面D1＝Ф400mm、R1＝33590±300mm)；

步骤三：如图1所示，加工一个正方形铝框，确保有一个侧面的平面度要很好，这个面在后期光学检验时铝框竖起来后与底部支撑调整架接触，铝框的圆形孔径应略大于离轴抛物面的外圆尺寸，底部加工一小台阶，用于支撑玻璃镜坯，铝框圆孔径的深度和离轴抛物面的镜坯厚度相差10mm左右，以便用硅橡胶将镜子和镜框粘接及后期三坐标测量时找基准。根据离轴抛物面反射镜的外形尺寸，铝框外形尺寸为440mm×440mm×60mm，中心圆孔Ф400mm正公差，台阶高度为10mm、宽度为10mm，这样镜子装框后厚度方向高出铝框440mm×440mm的平面10mm；

步骤四：将加工好的离轴抛物面反射镜的初始球面镜装框，外圆缝隙处用医用胶布粘贴，然后用703硅橡胶涂在胶带处，确保硅胶覆盖医用胶布；装框后的结构如图2所示。

步骤五：用三坐标测量机测量初始球面反射镜的镜面，根据离轴抛物面反射镜的焦距、离轴量等参数拟合离轴抛物面反射镜的表面偏差，在镜面标记出高低带，根据高低带修磨镜面，反复这个步骤，直至离轴抛物面反射镜的镜面误差PV值小于2微米；

步骤六：根据图3搭建刀口阴影检验光路，由平行光管3提供大口径平行光束，平行光束和离轴抛物面反射镜1的母抛物面光轴平行，平行光束经离轴抛物面反射镜反射后会聚在离轴抛物面的焦点F，在焦平面上用两维刀口4对离轴抛物面反射镜的会聚波前进行阴影检验，根据刀口切出的阴影亮暗判断抛物面镜面的高低带，修磨高带；图中的扁平直尺2在离轴抛物面反射镜上的投影和铝框的对称轴重合，具体是在离轴抛物面反射镜的直径方向拉一正十字线，眼睛通过观察离轴抛物面反射镜的焦点，调节扁平直尺使得十字线的竖线和扁平直尺的投影重合，这样图中所示离轴抛物面的焦点到扁平直尺的垂直距离即为离轴抛物面的离轴量H；根据二维刀口得到的阴影图对离轴抛物面反射镜的镜面进行修磨，多次检验、修磨后达到刀口仪检测极限；

步骤七：根据图6搭建自准干涉检验光路，激光干涉仪的标准镜使用发射镜头，该镜头的虚焦点和偏轴两镜系统的像点重合，这样球面激光干涉仪发出的发散球面波经标准球面反射镜和离轴抛物面反射镜反射后成为平行光束，平行光束垂直入射到标准平面反射镜后原路返回，实现长焦距、大离轴量离轴抛物面反射镜的自准干涉检验；根据测试结果判断是否需要对离轴抛物面的面形误差作进一步的修磨；如满足技术指标要求，则停止修磨。

步骤八：根据铝框的对称性在离轴抛物面反射镜离轴量最小的外圆处刻线，将离轴抛物面反射镜从铝框中取出，对镜面、外圆及底部进行擦拭、清洗，完成加工。

作为对比，下面分别分析步骤七中采用如4或图5检测方案时产生的技术问题。如果激光干涉仪5为有大口径的平面激光干涉仪，采用图4所示的干涉检验光路，大口径平面激光干涉仪出射平行激光束，经离轴抛物面反射镜反射后会聚在其焦点处，在离轴抛物面反射镜的焦点后方放置一标准球面反射镜，球面反射镜的球心和离轴抛物面反射镜的焦点重合，就可以实现离轴抛物面反射镜的的自准干涉检验。如果没有大口径的平面干涉仪或者离轴抛物面反射镜的通光口径比平面激光干涉仪的口径大，利用图5所示的检验光路可以实现离轴抛物面反射镜的干涉检验；干涉仪出射标准球面波，球面波的球心和离轴抛物面反射镜的焦点重合，这时球面波经离轴抛物面反射镜反射后就成为平行光束，平行光束垂直入射图中所示的标准平面反射镜，原路返回后进入干涉仪，实现离轴抛物面反射镜的自准干涉检验。然而对于焦距30m级、离轴量15m级的离轴抛物面反射镜，若利用图4或图5所示的干涉检验光路接近80m，关键是要搭建这样一个检验光路，需要一个35m×20m的房间，并且房间的温度要控制在一定的范围内，总的来说对离轴抛物面反射镜的加工环境要求很高；此外，图4或图5用于检测长焦距大离轴量离轴抛物面干涉条纹只能在CCD的极小区域成像，带来的后果是整个CCD没有被有效利用，CCD上仅少数像元对干涉条纹成像，相当于降低了干涉条纹的分辨率。

由于上述技术方案的运用，实现如下技术效果：

1.利用此技术方案，可以有效的压缩检验光路轴向和横向的空间尺寸要求，轴向的压缩比约为2:1，横向的压缩比约为5:1，加工过程中降低对场地面积的要求大大降低；

2.一般的长焦距大离轴量离轴抛物面的像方F/#都要超过F/50，利用此技术方案，检验光路的像方F/#提高两倍以上，即提高到F/20左右，利用zygo F/15的标准镜头作自准干涉检验时可以对应更多的干涉仪CCD像元数量，提高干涉检验精度；

3.利用此技术方案，作自准干涉检验时光路长度缩短至原方案的三分之一，可以有效遏制空气扰动对检验结果的不利影响，提高干涉检验精度，为加工符合技术要求的离轴镜提供保障。

Claims (4)

1.一种长焦大离轴量离轴抛物面的干涉检测装置，沿着干涉仪发出的光波传播方向依次排布有：发散镜头、标准球面反射镜、标准平面反射镜，所述的发散镜头将干涉仪发出的光波调制成发散的球面波，发散的球面波经标准球面反射镜反射入射至被测长焦大离轴量离轴抛物面，经被测长焦大离轴量离轴抛物面反射后的光波为平面波，所述平面波垂直入射至标准平面反射镜后原路返回；所述的标准球面反射镜与被测长焦大离轴量离轴抛物面组成偏轴两镜系统，且所述发散镜头虚焦点和偏轴两镜系统的像点重合。

2.一种长焦大离轴量离轴抛物面的干涉检测方法，其特征在于：使用权利要求1所述的长焦大离轴量离轴抛物面的干涉检测装置对被测长焦大离轴量离轴抛物面进行测量。

3.一种长焦大离轴量离轴抛物面的检测方法，其特征在于：在研磨阶段，用三坐标测量机测量，根据长焦大离轴量离轴抛物面的参数方程求解出表面误差分布；在抛光阶段，使用权利要求2所述的长焦大离轴量离轴抛物面的干涉检测方法进行测量。

4.根据权利要求3所述的长焦大离轴量离轴抛物面的检测方法，其特征在于：在抛光的粗抛阶段，用刀口仪进行阴影检验；由平行光管提供大口径平行光束，平行光束和被测长焦大离轴量离轴抛物面的母抛物面光轴平行，平行光束经被测长焦大离轴量离轴抛物面反射后会聚在该抛物面的焦点F，在所述焦点F处的焦平面上用两维刀口对被测长焦大离轴量离轴抛物面的会聚波前进行阴影检验。

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