CN109855560A - 一种凸非球面反射镜面形的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学元件检测技术领域，特别涉及一种凸非球面反射镜面形的检测装置及检测方法，包括：干涉仪、球面标准镜、混合补偿器、以及待检镜；球面标准镜放置在干涉仪和所述混合补偿器之间，待检镜放置在所述混合补偿器的另一侧；干涉仪发出激光照射到所述球面标准镜上后转换为球面波；球面波经混合补偿器之后被调制成符合待检镜面形的波前，并形成干涉条纹；调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹为零条纹，以得到待检镜的面形信息。检测装置中混合补偿器根据待检镜进行设计，其中的光楔和CGH各补偿一部分像差，能够降低CGH的制作难度，降低成本。

Description

一种凸非球面反射镜面形的检测装置及检测方法

技术领域

本申请涉及光学元件检测技术领域，特别涉及一种凸非球面反射镜面形的检测装置及检测方法。

背景技术

光学系统中凸非球面能够减少光学元件的数量，降低系统重量和系统的复杂程度，改善成像质量，扩大视场角度和增大作用距离。光学系统口径越大角分辨率越高，能量收集能力越强。因此大口径非球面光学系统被越来越多的应用于天文光学，空间光学，军事国防等领域，同时其光学系统的次镜也必须相应的增大。例如，LSST望远镜次镜口径为3.4m；E-ELT望远镜次镜口径为4.2m。在空间领域，最早的Hubble太空望远镜次镜口径为300mm，现在的JWST太空望远镜次镜口径达到738mm，而以上这些望远镜的次镜均采用凸非球面。为保证光学衍射成像的极限，口径的增大并不会降低对面形精度的要求，甚至是对面形精度要求越来越高，因而对大口径凸非球面光学元件的检测技术要求也越来越高。

现有的凸非球面的检测方法主要有轮廓检测法，Hindle球补偿检测法，Null lens补偿检测法，CGH补偿检测法，子孔径拼接检测法。其中轮廓检测法检测精度低，只适用于研磨阶段；Hindle球补偿检测法只能检测二次曲面；Null lens补偿检测法在检测大口径大偏离量的凸非球面，需要将Null lens补偿器的参考面设计为凹非球面，并对补偿器参考面设计新的补偿检测装置，同时大口径Null lens补偿器的制作困难，造价昂贵；CGH补偿法在检测较大偏离量的凸非球面时，需要刻画线宽密度较大的CGH，同时随着凸非球面口径的增大，CGH补偿器的口径也要相应的增大，但是现有的CGH制作工艺不能制作线宽密度过密，口径较大的CGH，因此CGH补偿法只能用于检测小口径偏离量适中的凸非球面；对于大口径大偏离量的土匪球面反射镜而言采用CGH补偿法进行检测时存在误差积累，检测精度较低。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种凸非球面反射镜面形的检测装置及检测方法，以解决现有技术中检测大口径大偏离量凸非球面反射镜时存在检测精度不高且检测设备成本高的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种凸非球面反射镜面形的检测装置，所述检测装置包括：干涉仪、球面标准镜、混合补偿器、以及待检镜；

所述球面标准镜放置在所述干涉仪和所述混合补偿器之间，所述待检镜放置在所述混合补偿器的另一侧；

其中，所述混合补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到，包括光楔和刻画在所述光楔上的CGH；

所述干涉仪发出激光照射到所述球面标准镜上后转换为球面波；所述球面波经所述混合补偿器之后被调制成符合所述待检镜面形的波前，并形成干涉条纹；调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹为零条纹，以得到待检镜的面形信息。

可选地，所述球面标准镜满足：F≥R，r0>r；

其中，F为所述球面标准镜的F/#，R为所述待检镜的R/#，r0为所述球面标准镜的光学面曲率半径，r为所述待检镜的曲率半径。

可选地，所述检测装置还包括多个调整装置；

所述调整装置分别放置在所述干涉仪、所述球面标准镜以及所述待检镜下方，用于调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置。

可选地，所述混合补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到，包括：

根据所述待检镜的几何参数进行子孔径规划，计算所述待检镜每个子孔径的偏离量；

根据所述每个子孔径的偏离量计算确定所述混合补偿器的参数，以得到相应的混合补偿器。

本申请实施例的第二方面提供了一种凸非球面反射镜面形的检测方法，所述检测方法包括：

获取待检镜的几何参数，根据所述几何参数选择混合补偿器，所述混合补偿器包括光楔和刻画在所述光楔上的CGH；

搭建检测光路，将球面标准镜放置在干涉仪和所述混合补偿器之间，所述待检镜放置在所述混合补偿器的另一侧；

调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置，以完成所述混合补偿器和所述干涉仪的对准以及所述混合补偿器和所述待检镜的对准；

控制干涉仪发出激光照射到所述球面标准镜上，并通过所述混合补偿器之后被调制成符合所述待检镜面形的波前，形成干涉条纹；

调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹为零条纹，以得到待检镜的面形信息。

可选地，所述得到待检镜的面形信息具体包括：

控制所述干涉仪发出激光对所述待检镜的中心子孔径进行检测，得到第一面形信息；

控制控制所述干涉仪发出激光对所述待检镜的外围子孔径进行检测，分别得到第N面形信息；

拼接所述第一面形信息和所述第N面形信息，以得到所述待检镜的面形信息。

可选地，在所述干涉仪、所述球面标准镜以及所述待检镜下方分别设置有调整装置；

相应地，所述调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置，包括：

通过所述调整装置调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置，

可选地，所述球面标准镜满足：F≥R，r0>r；

其中，F为所述球面标准镜的F/#，R为所述待检镜的R/#，r0为所述球面标准镜的光学面曲率半径，r为所述待检镜的曲率半径。

可选地，所述混合补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到，包括：

根据所述待检镜的几何参数进行子孔径规划，计算所述待检镜每个子孔径的偏离量；

根据所述每个子孔径的偏离量计算确定所述混合补偿器的参数，以得到相应的混合补偿器。

本申请提供的检测装置中混合补偿器根据待检镜进行设计，其中的光楔和CGH各补偿一部分像差，能够降低CGH的制作难度，降低成本；CGH直接刻画在光楔表面，不需对准，省去了CGH和辅助球面镜之间的对准工作，提高了对准精度；并且单光楔表面刻画CGH的方法能够有效地利用单个子孔径的检测范围，减少自口径数量，降低误差传递，提高了检测精度。

附图说明

图1为本申请提供的凸非球面反射镜面形的检测装置的示意图；

图2为本申请提供的凸非球面反射镜面形的检测方法流程示意图。

具体实施方式

如图1示出了本申请提供的一种凸非球面反射镜面形的检测装置的机构示意图，详述如下：

本申请提供的检测装置应用于大口径大偏离(如：D>500mm，偏离量>1000λ，λ＝632.8nm)量凸非球面反射镜镜面的检测。上述检测装置包括干涉仪1、球面标准镜2、混合补偿器3、以及待检镜4；

所述球面标准镜2放置在所述干涉仪1和所述混合补偿器3之间，所述待检镜4放置在所述混合补偿器3的另一侧，即远离上述球面标准镜2的一侧；

其中，所述混合补偿器3根据所述待检镜4的几何参数进行设计得到，包括光楔31和刻画在所述光楔上的计算机全息图32(Computer-GeneratedHolograms，CGH)；

所述干涉仪1发出激光照射到所述球面标准镜2上后转换为球面波；所述球面波经所述混合补偿器3之后被调制成符合所述待检镜4面形的波前，并形成干涉条纹；调整所述干涉仪1和/或所述混合补偿器3或/和所述待检镜4的位置直至所述干涉条纹为零条纹，以得到待检镜4的面形信息。

本申请中通过CGH的基准区域调节混合补偿器与待检镜之间的位置，最后根据CGH的主区域的干涉条纹，调整待检镜凸非曲面使得各子孔径都处于零条纹检测状态，以得到待检镜的面形信息。

可选地，所述球面标准镜满足：F≥R，r0>r；

其中，F为所述球面标准镜的F/#，R为所述待检镜的R/#，r0为所述球面标准镜的光学面曲率半径，r为所述待检镜的曲率半径。

可选地，所述检测装置还包括多个调整装置；

所述调整装置分别放置在所述干涉仪、所述球面标准镜以及所述待检镜下方，用于调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置。

可选地，所述混合补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到，包括：

根据所述待检镜的几何参数进行子孔径规划，计算所述待检镜每个子孔径的偏移量；

根据所述每个子孔径的偏离量计算确定所述混合补偿器的参数，以得到相应的混合补偿器。

下面结合实例说明上述过程：

本申请提供的凸非球面反射镜面形的检测装置中所述球面标准镜2满足如下条件：

检测凸非球面时球面标准镜2选取原则：F≥R，r0>r。其中F为标准镜的F数(F＝f/D，f为球面标准镜焦距，D为球面标准镜口径)，R为待检镜的R数(R＝r/d，r为待检镜的曲率半径，d为待检镜的口径)；r₀为球面标准镜光学面的曲率半径，r为待检镜的曲率半径。

在选择球面标准镜2之后，根据待检镜的镜面参数设计混合补偿器，具体过程如下：

首先是根据待检镜4的几何参数进行子孔径规划。上述几何参数包括：待检镜4的非曲面二次曲线常数k，非球面的曲率半径r，高次项系数A4、A6……An。子孔径规划时满足以下条件：各子孔径之间有重叠区域，内外环子孔径之间保证30％的重叠比例；保证各子孔径区域对应的混合补偿器中CGH补偿元件的刻线密度在精度保证范围以内，光楔补偿元件的楔角在合理范围之内；在保证前两个原则的基础上尽量扩大子孔径区域的面积，从而减少所需子孔径的数量。

然后根据待检镜4的几何参数计算已经规划好的每圈子孔径的偏离量以用来确定混合补偿器的设计方案。对于任意环带子孔径偏离量的具体计算过程如下，定义非球面方程表达式如公式(1)所示，任意球面方程表达式如公式(2)所示，定义δ为非球面偏离量，非球面偏离量计算公式如公式(4)所示。首先求解非球面的最接近球面方程，根据均方根值最小原则，求解(4)式的最小均方根值，得到最接近球面方程的球心坐标及曲率半径R，再取δ的最大值即为非球面偏离量。

z2＝c+[R²-(x-a)²-(y-b)²]^1/2………………(2)

s²＝x²+y²(3)…………………(3)

δ＝z1-z2…………………(4)

其中，(a，b，c)为最接近球面球心坐标；R为最接近球面曲率半径；k为二次曲线常数；r为非球面曲率半径；A4、A6……An为二次曲线高次项系数。

由于上述混合补偿器3中光楔(可以为单光楔)和CGH的引入会引起检测中的误差，因此，需要对其进行误差标定，具体过程如下：首先对制作完成的光楔，利用干涉仪和平面标准镜检测光楔表面面形(面形精度RMS>1/50λ，λ＝632.8nm)，确保光楔表面面形符合检测要求，然后，分析光楔透过率波像差的变化，并利用数值计算予以去除。完成在光楔表面刻划CGH后，设计混合补偿器的干涉检测实验，完成对混合补偿器面形的检测。同时还需要对混合补偿器中光楔制作的几何误差(光楔楔角、中心厚度)，CGH制作误差等进行标定，最终需将加工误差、透过率波像差、中心厚度偏差等从检测结果中补偿和剔除。

在确定好上述球面标准镜2和混合补偿器之后，将其与干涉仪1、待检镜4以及调整装置放置在合适的位置即可得到上述凸非球面反射镜面形的检测装置。

本申请提供的检测装置中混合补偿器根据待检镜进行设计，其中的光楔和CGH各补偿一部分像差，能够降低CGH的制作难度，降低成本；CGH直接刻画在光楔表面，不需对准，省去了CGH和辅助球面镜之间的对准工作，提高了对准精度；并且单光楔表面刻画CGH的方法能够有效地利用单个子孔径的检测范围，减少自口径数量，降低误差传递，提高了检测精度。

实施例二

图2示出了本申请另一实施例提供的凸非球面反射镜面形的检测方法，所述检测方法包括：

步骤S21，获取待检镜的几何参数，根据所述几何参数选择混合补偿器，所述混合补偿器包括光楔和刻画在所述光楔上的CGH；

步骤S22，搭建检测光路，将球面标准镜放置在干涉仪和所述混合补偿器之间，所述待检镜放置在所述混合补偿器的另一侧；

步骤S23，调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置，以完成所述混合补偿器和所述干涉仪的对准以及所述混合补偿器和所述待检镜的对准；

步骤S24，控制干涉仪发出激光照射到所述球面标准镜上，并通过所述混合补偿器之后被调制成符合所述待检镜面形的波前，形成干涉条纹；

步骤S25，调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹为零条纹，以得到待检镜的面形信息。

可选地，所述得到待检镜的面形信息具体包括：

控制所述干涉仪发出激光对所述待检镜的中心子孔径进行检测，得到第一面形信息；

控制控制所述干涉仪发出激光对所述待检镜的外围子孔径进行检测，分别得到第N面形信息；

拼接所述第一面形信息和所述第N面形信息，以得到所述待检镜的面形信息。

可选地，在所述干涉仪、所述球面标准镜以及所述待检镜下方分别设置有调整装置；

相应地，所述调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置，包括：

通过所述调整装置调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置，

可选地，所述球面标准镜满足：F≥R，r0>r；

其中，F为所述球面标准镜的F/#，R为所述待检镜的R/#，r0为所述球面标准镜的光学面曲率半径，r为所述待检镜的曲率半径。

可选地，所述混合补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到，包括：

根据所述待检镜的几何参数进行子孔径规划，计算所述待检镜每个子孔径的偏移量；

根据所述每个子孔径的偏移量计算确定所述混合补偿器的参数，以得到相应的混合补偿器。

具体地，如图1所示本申请中干涉仪1产生的激光经过球面标准镜2变为球面波，球面波照射到光楔表面并透过光楔和CGH组成的混合补偿器3被调制成符合待检镜表面面形的波前。通过调节调整装置6、7、8(6调节干涉仪z轴方向，7调节光楔和CGH混合补偿器的旋转和倾斜方向，8调节待检镜的x、y轴，旋转和倾斜四个方向)使得干涉条纹为零条纹并进行检测，从而得到待检镜4的面形信息。

具体进行检测时，根据实验开始时做的子孔径规划，计算实验中待检镜所需要的倾角和旋转角度，利用混合补偿器逐个检测待检镜的每一个子孔径，观察干涉条纹，调整待检镜的位置至干涉条纹为零条纹，然后进行检测，收集待检镜各子孔径面形数据。

选择待检镜的中心子孔径作为基准子孔径，由于是对大口径非球面反射镜各区域进行零位补偿测量，因此各子孔径间位置的相对失调量仅带来相对平移和倾斜，可以利用最小二乘法分析和拟合检测的面形，获得完整的大口径凸非球面的面形数据，完成对大口径大偏离量凸非球面反射镜的面形拼接。

进一步地，为了提高检测精确度，本申请中对检测结果进行精度分析，以获得准确的待检大口径大偏离量凸非球面反射镜的面形结果，并根据检测结果对设计的混合补偿器进行优化，以最终获得检测面形精度优于λ/50(RMS值，λ＝632.8nm)，以满足高精度检测大口径大偏离量的凸非球面反射镜的检测要求。

本申请提供的检测装置中混合补偿器根据待检镜进行设计，其中的光楔和CGH各补偿一部分像差，能够降低CGH的制作难度，降低成本；CGH直接刻画在光楔表面，不需对准，省去了CGH和辅助球面镜之间的对准工作，提高了对准精度；并且单光楔表面刻画CGH的方法能够有效地利用单个子孔径的检测范围，减少自口径数量，降低误差传递，提高了检测精度。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种凸非球面反射镜面形的检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：干涉仪、球面标准镜、混合补偿器、以及待检镜；

所述球面标准镜放置在所述干涉仪和所述混合补偿器之间，所述待检镜放置在所述混合补偿器的另一侧；

其中，所述混合补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到，包括光楔和刻画在所述光楔上的CGH；

所述干涉仪发出激光照射到所述球面标准镜上后转换为球面波；所述球面波经所述混合补偿器之后被调制成符合所述待检镜面形的波前，并形成干涉条纹；调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹为零条纹，以得到待检镜的面形信息。

2.根据权利要求1所述的凸非球面反射镜面形的检测装置，其特征在于，所述球面标准镜满足：F≥R，r0>r；

其中，F为所述球面标准镜的F/#，R为所述待检镜的R/#，r0为所述球面标准镜的光学面曲率半径，r为所述待检镜的曲率半径。

3.根据权利要求1所述的凸非球面反射镜面形的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括多个调整装置；

所述调整装置分别放置在所述干涉仪、所述球面标准镜以及所述待检镜下方，用于调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置。

4.根据权利要求1所述的凸非球面反射镜面形的检测装置，其特征在于，所述混合补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到，包括：

根据所述待检镜的几何参数进行子孔径规划，计算所述待检镜每个子孔径的偏离量；

根据所述每个子孔径的偏离量计算确定所述混合补偿器的参数，以得到相应的混合补偿器。

5.一种凸非球面反射镜面形的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

获取待检镜的几何参数，根据所述几何参数选择混合补偿器，所述混合补偿器包括光楔和刻画在所述光楔上的CGH；

搭建检测光路，将球面标准镜放置在干涉仪和所述混合补偿器之间，所述待检镜放置在所述混合补偿器的另一侧；

调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置，以完成所述混合补偿器和所述干涉仪的对准以及所述混合补偿器和所述待检镜的对准；

控制干涉仪发出激光照射到所述球面标准镜上，并通过所述混合补偿器之后被调制成符合所述待检镜面形的波前，形成干涉条纹；

调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹为零条纹，以得到待检镜的面形信息。

6.根据权利要求5所述的凸非球面反射镜面形的检测方法，其特征在于，所述得到待检镜的面形信息具体包括：

控制所述干涉仪发出激光对所述待检镜的中心子孔径进行检测，得到第一面形信息；

控制所述干涉仪发出激光对所述待检镜的外围子孔径进行检测，分别得到第N面形信息；

拼接所述第一面形信息和所述第N面形信息，以得到所述待检镜的面形信息。

7.根据权利要求5所述的凸非球面反射镜面形的检测方法，其特征在于，在所述干涉仪、所述球面标准镜以及所述待检镜下方分别设置有调整装置；

相应地，所述调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置，包括：

通过所述调整装置调整所述干涉仪和/或所述混合补偿器或/和所述待检镜的位置。

8.根据权利要求5所述的凸非球面反射镜面形的检测方法，其特征在于，所述球面标准镜满足：F≥R，r₀>r；

其中，F为所述球面标准镜的F/#，R为所述待检镜的R/#，r0为所述球面标准镜的光学面曲率半径，r为所述待检镜的曲率半径。

9.根据权利要求5所述的凸非球面反射镜面形的检测方法，其特征在于，所述混合补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到，包括：

根据所述待检镜的几何参数进行子孔径规划，计算所述待检镜每个子孔径的偏离量；

根据所述每个子孔径的偏离量计算确定所述混合补偿器的参数，以得到相应的混合补偿器。