CN109724532B - 一种复杂光学曲面几何参量的精确测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂光学曲面几何参量的精确测试装置及方法，适用于所有大口径复杂光学曲面立式干涉检验折转光路几何参量精确测试，包括激光跟踪仪(1)、激光干涉仪(2)、折转镜(3)、补偿元件(4)、调整机构(6)；激光干涉仪(2)、折转镜(3)、补偿元件(4)、待测光学曲面(5)、调整机构(6)之间的位置和角度可调；激光跟踪仪(1)的靶标球放置在干涉仪焦点(F)附近。主要通过测量干涉仪焦点、复杂曲面所有基准面特征及折转镜特征，通过镜像、投影等几何运算实现对大口径复杂光学曲面的顶点曲率半径R、离轴量d及偏心Δ等几何参量的精确测试，数据处理及运算、操作过程较简单，测试成本低、通用性好。

Description

一种复杂光学曲面几何参量的精确测试装置及方法

技术领域

本发明涉及复杂光学曲面检测技术领域，具体涉及一种大口径复杂光学曲面几何参量的精确测试装置及方法。

背景技术

大口径复杂光学曲面是现代光学系统的重要组成元件，在其研制过程中，顶点曲率半径、离轴量及偏心等几何参量的高精度测试是保证大口径复杂光学曲面制造质量的核心关键技术，为现代光学系统良好的综合性能提供技术保障。

由于受到环境气流扰动、镜体支撑结构等因素的影响，大口径复杂曲面一般采用光轴竖直的加工、检测方案，加之激光干涉仪必须水平放置以保证面形干涉检测的精度，则必须引入小口径平面反射镜对光路进行折转，此时，大口径复杂光学曲面的顶点曲率半径、离轴量及偏心等几何参量的高精度测试就变得尤为困难，成为大口径复杂曲面高精度制造亟待解决的技术瓶颈。

目前，测量大口径复杂光学曲面主要采用高精度钢尺或标准长度杆测量、利用商用激光跟踪仪直接进行测量两种方式。利用高精度钢尺测量时，钢尺无法准确测量到大口径复杂光学曲面的顶点位置，且采用人为估读的方式，检测精度较低；采用标准长度杆只能测量标准长度的值，无法针对不同的大口径复杂光学曲面的几何参量进行高精度测量，该方法的通用性不强；利用商用激光跟踪仪直接测量干涉检验折转光路时，难以准确得到光线在小口径平面反射镜上转折的角度信息及位置信息，建模精度差，最终导致几何参量测试精度的降低。

发明内容

本发明针对大口径复杂光学曲面立式干涉检验中光路折转导致的几何参量测试精度低的技术问题，提出了一种适用于所有大口径复杂光学曲面立式干涉检验折转光路几何参量精确测试的装置及方法，主要通过测量干涉仪焦点、复杂曲面所有基准面特征及折转镜特征，通过镜像、投影等几何运算实现对大口径复杂光学曲面的顶点曲率半径R、离轴量d及偏心Δ等几何参量的精确测试，数据处理及运算、操作过程较简单，测试成本低、通用性好。

利用激光跟踪仪精确测量干涉仪焦点、待检复杂曲面的基准面特征及折转镜特征，建模分析并通过镜像运算实现干涉仪焦点与反射面之间间隔的高精度测量，通过仿真优化最终得到大口径复杂光学曲面的顶点曲率半径结果；利用激光跟踪仪测量补偿元件、待测大口径复杂光学曲面及面阵探测器，建模分析并通过投影运算实现对大口径复杂光学曲面的离轴量和偏心的高精度测量。

具体来说，该大口径复杂光学曲面几何参量的精确测试装置，其特征在于：包括激光跟踪仪、激光干涉仪折转镜、补偿元件、待测大口径复杂光学曲面、调整机构；激光干涉仪、折转镜、补偿元件、待测大口径复杂光学曲面、调整机构之间的位置和角度可调；激光跟踪仪、测试折转镜、补偿元件、待测大口径复杂光学曲面的所有可测基准面；激光跟踪仪的靶标球放置在干涉仪焦点F附近。

进一步地，该大口径复杂光学曲面几何参量的精确测试装置，其特征在于：包括面阵探测器7。

该大口径复杂光学曲面几何参量的精确测试的方法，其具体使用之前所述之装置，其特征在于：

1)调整干涉检验光路中激光干涉仪、折转镜、补偿元件、待测大口径复杂光学曲面、调整机构之间的相对位置和相对角度，使得激光干涉仪检测得到的复杂曲面面形的均方根误差最小且离焦量为零；

2)利用激光跟踪仪测试折转镜、补偿元件、待测大口径复杂光学曲面的所有可测基准面，并依据测试结果在软件中建模；

3)将激光跟踪仪的靶标球放置在干涉仪焦点附近，使得靶标球的球心大致与干涉仪焦点重合，调整靶标球使得激光干涉仪发出的球面波前经靶标球表面反射回激光干涉仪内部并与参考光发生干涉，当干涉条纹为零条纹时，表明此时靶标球的球心与干涉仪焦点已高精度地重合，利用激光跟踪仪测量测试靶标球的坐标；

4)基于步骤3)中测试得到的干涉仪焦点的位置，在软件中建模仿真，并基于折转镜3的反射面做镜像运算，得到干涉仪焦点的像点；

5)在软件中做一系列几何运算，最终得到干涉仪焦点的像点到待测大口径复杂光学曲面顶点之间的距离；

6)将步骤5)中得到的待测大口径复杂光学曲面顶点之间的距离代入复杂光学曲面干涉检验光学设计文件中并进一步优化待测反射镜的顶点曲率半径，最终得到待测复杂光学曲面的顶点曲率半径实测值。

进一步地，该大口径复杂光学曲面几何参量的精确测试的方法，其特征在于：

a)将面阵探测器依次放置在待测复杂光学曲面十字正交位置的反射镜四个方向的侧壁上，分别接收补偿元件投射在反射镜四个侧壁的十字叉丝，接收四幅十字叉丝图像并应用质心法提取质心；

b)将步骤a)中计算得到的四个点的坐标输入之前所建的模型中，并将激光跟踪仪所测补偿元件的特征运用几何运算投影得到反射镜的光轴，分别计算四个点到光轴的距离即可得到大口径复杂光学曲面的离轴量d和偏心Δ。

本发明的有益效果是：通过激光跟踪仪测量干涉仪焦点、补偿元件和复杂光学曲面的所有基准面，通过软件建模分析并利用镜像、投影等几何运算，最终实现了大口径复杂光学曲面几何参量的精确测试。该方法物理概念清晰，建模简单，数据处理方便，整个测试过程成本低、精度高、通用性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的大口径复杂光学曲面顶点曲率半径的精确测试装置结构示意图。

图2是本发明的大口径复杂光学曲面的离轴量和偏心的精确测试装置结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

如图1所示，本发明的大口径复杂光学曲面顶点曲率半径的精确测试装置包括：激光跟踪仪1、激光干涉仪2、折转镜3、补偿元件4、待测大口径复杂光学曲面5、调整机构6。

如图2所示，本发明的大口径复杂光学曲面的离轴量和偏心的精确测试装置结构包括：激光跟踪仪1、激光干涉仪2、折转镜3、补偿元件4、待测大口径复杂光学曲面5、调整机构6、面阵探测器7。

结合图1和图2说明本发明的具体实施方式，大口径复杂光学曲面几何参量的精确测试方法由以下步骤实现：

1)图1中，调整干涉检验光路中激光干涉仪2、折转镜3、补偿元件4、待测大口径复杂光学曲面5、调整机构6之间的相对位置和相对角度，使得激光干涉仪2检测得到的复杂曲面面形的均方根误差最小且离焦量为零；

2)图1中，利用激光跟踪仪1测试折转镜3、补偿元件4、待测大口径复杂光学曲面5的所有可测基准面，并依据测试结果在软件中建模；

3)图1中，将激光跟踪仪1的靶标球放置在干涉仪焦点F附近，使得靶标球的球心大致与干涉仪焦点F重合，调整靶标球使得激光干涉仪2发出的球面波前经靶标球表面反射回激光干涉仪2内部并与参考光发生干涉，当干涉条纹为零条纹时，表明此时靶标球的球心与干涉仪焦点F已高精度地重合，利用激光跟踪仪1测量测试靶标球的坐标；

4)基于步骤3)中测试得到的干涉仪焦点F的位置，在软件中建模仿真，并基于折转镜3的反射面做镜像运算，得到干涉仪焦点F的像点F’；

5)在软件中做一系列几何运算，最终得到干涉仪焦点的像点F’到待测大口径复杂光学曲面5顶点之间的距离L；

6)将步骤5)中得到的待测大口径复杂光学曲面5顶点之间的距离L代入复杂光学曲面干涉检验光学设计文件中并进一步优化待测反射镜的顶点曲率半径，最终得到待测复杂光学曲面的顶点曲率半径实测值R；

7)图2中，将面阵探测器7依次放置在待测复杂光学曲面十字正交位置的反射镜四个方向的侧壁上，分别接收补偿元件4投射在反射镜四个侧壁的十字叉丝，接收四幅十字叉丝图像并应用质心法提取质心(xi，yi)(i＝1,……,4)；

8)将步骤7)中计算得到的四个点的坐标输入之前所建的模型中，并将激光跟踪仪1所测补偿元件的特征运用几何运算投影得到反射镜的光轴，分别计算四个点到光轴的距离即可得到大口径复杂光学曲面的离轴量d和偏心Δ。

Claims (2)

1.一种复杂光学曲面几何参量的精确测试的方法，其特征在于：

1)调整干涉检验光路中激光干涉仪(2)、折转镜(3)、补偿元件(4)、待测大口径复杂光学曲面(5)、调整机构(6)之间的相对位置和相对角度，使得激光干涉仪(2)检测得到的复杂曲面面形的均方根误差最小且离焦量为零；

2)利用激光跟踪仪(1)测试折转镜(3)、补偿元件(4)、待测大口径复杂光学曲面(5)的所有可测基准面，并依据测试结果在软件中建模；

3)将激光跟踪仪(1)的靶标球放置在干涉仪焦点(F)附近，使得靶标球的球心大致与干涉仪焦点(F)重合，调整靶标球使得激光干涉仪(2)发出的球面波前经靶标球表面反射回激光干涉仪(2)内部并与参考光发生干涉，当干涉条纹为零条纹时，表明此时靶标球的球心与干涉仪焦点(F)已高精度地重合，利用激光跟踪仪(1)测量测试靶标球的坐标；

4)基于步骤3)中测试得到的干涉仪焦点(F)的位置，在软件中建模仿真，并基于折转镜(3)的反射面做镜像运算，得到干涉仪焦点(F)的像点(F’)；

5)通过运算得到干涉仪焦点的像点(F’)到待测大口径复杂光学曲面(5)顶点之间的距离(L)；

6)将步骤5)中得到的待测大口径复杂光学曲面(5)顶点之间的距离(L)代入复杂光学曲面干涉检验光学设计文件中并进一步优化待测反射镜的顶点曲率半径，最终得到待测复杂光学曲面的顶点曲率半径实测值(R)。

2.如权利要求1所述的一种复杂光学曲面几何参量的精确测试的方法，其特征在于：

a)将面阵探测器(7)依次放置在待测复杂光学曲面十字正交位置的反射镜四个方向的侧壁上，分别接收补偿元件(4)投射在反射镜四个侧壁的十字叉丝，接收四幅十字叉丝图像并应用质心法提取质心；

b)将步骤a)中计算得到的四个点的坐标输入之前所建的模型中，并将激光跟踪仪(1)所测补偿元件的特征运用几何运算投影得到反射镜的光轴，分别计算四个点到光轴的距离即可得到大口径复杂光学曲面的离轴量(d)和偏心(Δ)。

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