CN109855561A - 一种大口径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，特别涉及一种大口径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、单光楔补偿器、待检镜和调整装置；球面标准镜放置在干涉仪和单光楔补偿器之间，待检镜放置在单光楔偿器的另一侧；干涉仪发出激光照射到球面标准镜上后转换为球面波，经单光楔补偿器之后照射在所述待检镜上，并被待检镜反射，再次经过单光楔补偿器、球面标准镜回到激光干涉仪并与球面标准镜参考面反射的参考光叠加，形成干涉条纹；通过调整各个部件的位置直至所述干涉条纹数目最少，以得到待检镜各个子孔径的面形信息。本申请提供的检测装置扩大了子孔径拼接检测的动态范围；减少了子孔径的数量和误差传递，提高了检测的精度。

Description

一种大口径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，特别涉及一种大口径反射镜面形的检测装置及检测方法。

背景技术

现有的检测大口径凸非球面反射镜的方法主要有轮廓检测法，Hindle球补偿法，Null lens补偿法，CGH补偿法，子孔径拼接法。其中轮廓检测法检测精度低，只适用于研磨阶段，Hindle球补偿法只能检测二次曲面，Null lens补偿法很难制作大口径的补偿器，造价昂贵，CGH补偿法受现有CGH制作工艺的限制，不能制作大口径的CGH。子孔径拼接检测法是利用小口径光学元件通过拼接的方法检测大口径光学元件的手段，其最初由美国Arizona光学中心的C.J.Kim提出，并经过30多年的发展，子孔径拼接检测技术不断完善，已经能够检测中小口径的浅度凸非曲面反射镜，然而在应对大口径凸非球面的面形检测中，单独使用拼接检测会使得子孔径的数目繁多，检测时间较长，数据处理复杂，增加了误差的传递，使得拼接检测的精度受限。

为解决上述问题QED公司将双光楔补偿元件和子孔径拼接仪结合，提出一种双光楔检测法，国防科技大学将双CGH补偿元件和子孔径拼接仪结合，提出过类似的检测方法；但是双光楔的使用会严重损耗干涉仪自身的检测口径，增加子孔径的数量，造成误差传递；并且由于双CGH补偿元件在实际的检测过程中，调整难度大，减少子孔径数量的能力有限等原因，这种补偿方法很难作为实际的检测手段。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种大口径反射镜面形的检测装置及检测方法，以解决现有技术中双光楔实际实用性不佳的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种大口径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、单光楔补偿器、待检镜以及调整装置；

所述球面标准镜放置在所述干涉仪和所述单光楔补偿器之间，所述待检镜放置在所述单光楔偿器的另一侧；

其中，所述单光楔补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到，所述调整装置包括多个，分别放置在所述干涉仪、单光楔补偿器和待检镜的下方；

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；所述球面波经所述单光楔补偿器之后照射在所述待检镜上，并被所述待检镜反射，再次经过所述单光楔补偿器、球面标准镜回到所述激光干涉仪并与所述球面标准镜参考面反射的参考光叠加，形成干涉条纹；通过所述调整装置调整所述干涉仪和/或所述单光楔补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹数目最少，以得到待检镜各个子孔径的面形信息。

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，所述单光楔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；

将所述偏离量分别输入到预先建立的光楔像差模型中，以得到所述单光楔补偿器的几何参数；

根据所述几何参数制备所述单光楔补偿器。

本申请实施例的第二方面提供了一种大口径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单光楔补偿器，所述单光楔补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到；

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

通过调整装置调整所述干涉仪和/或所述单光楔补偿器或/和所述待检镜的位置；

控制干涉仪发出激光照射到所述球面标准镜上，并通过所述单光楔补偿器之后照射在所述待检镜上，并被所述待检镜反射，再次经过所述单光楔补偿器、球面标准镜回到所述激光干涉仪并与所述球面标准镜参考面反射的参考光叠加，形成干涉条纹；

通过调整装置调整所述干涉仪和/或所述单光楔补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹数目最少，以得到待检镜各个子孔径的面形信息。

可选地，所述大口径反射镜面形的检测方法还包括：

判断待检镜上的子孔径是否需要进行光楔补偿；

若不需要，则去除所述单光楔补偿器，以使所述干涉仪发出的激光经过所述球面标准镜之后，直接照射在所述待检镜上，以检测相应子孔径的面形信息。

可选地，所述大口径反射镜面形的检测方法还包括：

通过指定方法将所述待检镜各个子孔径的面形信息进行拼接，以得到所述待检镜的面形信息。

可选地，所述单光楔补偿器的制备过程，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；

将所述偏离量分别输入到预先建立的光楔像差模型中，以得到所述单光楔补偿器的几何参数；

根据所述几何参数制备所述单光楔补偿器。

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。

本申请提供的检测装置中单光楔补偿器根据待检镜进行设计，扩大了子孔径拼接检测的动态范围；相比于双光楔补偿法，单光楔补偿增大了单个子孔径的拼接检测范围，减少了子孔径的数量和误差传递，提高了检测的精度；光楔像差数学模型的建立，降低了光楔补偿器的设计难度，缩短了光楔补偿器的设计时间。

附图说明

图1为本申请提供的大口径反射镜面形的检测装置的示意图；

图2为本申请提供的大口径反射镜面形的检测方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1示出了本申请提供的一种大口径反射镜面形的检测装置的机构示意图，详述如下：

上述检测装置用于检测大口径凸非球面反射镜的镜面，包括干涉仪1、球面标准镜2、单光楔补偿器3、待检镜4以及调整装置，所述调整装置包括干涉仪调整装置5、单光楔补偿元件调整装置6以及待检镜调整装置7；

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

其中，所述单光楔补偿器3根据所述待检镜4的几何参数进行设计得到，所述干涉仪调整装置5、单光楔补偿元件调整装置6以及待检镜调整装置7分别放置在所述干涉仪1、单光楔补偿器3和待检镜4的下方；

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；所述球面波经所述单光楔补偿器3之后照射在所述待检镜4上，并被所述待检镜4反射，再次经过所述单光楔补偿器3、球面标准镜2回到所述激光干涉仪1并与所述球面标准镜2参考面反射的参考光叠加，形成干涉条纹；通过所述调整装置调整所述干涉仪和/或所述单光楔补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹数目最少，以得到待检镜各个子孔径的面形信息。

本申请中通过分析单光楔补偿器的尺寸及光楔调的节难易程度，利用zemax仿真和SolidWorks设计得到上述球面标准镜2和单光楔补偿器3之间的距离(图1中2和3之间的距离)，调节二者之间的距离大于50mm。

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。

所述单光楔补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到，其设计过程包括：

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；

将所述偏离量分别输入到预先建立的光楔像差模型中，以得到所述单光楔补偿器的几何参数；

根据所述几何参数制备所述单光楔补偿器。

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，通过分析单光楔补偿器的尺寸及光楔调的节难易程度，利用zemax仿真和SolidWorks设计得到上述球面标准镜2和单光楔补偿器3之间的距离(图1中2和3之间的距离)，调节二者之间的距离大于50mm。

根据所选的球面标准镜2和待检镜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；补偿的单光楔楔角角度尽可能≤10°(通过仿真分析获得的光楔便于制作和调节的角度范围)。进一步地，对规划的子孔径进行优化，使其能够利用一块光楔补偿内外相邻两圈的子孔径。

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，计算每个子孔径的偏离量，将数值输入到已经建立的光楔像差模型中，得到需要制作的光楔补偿元件的几何参数，上述几何参数包括光楔的中心厚度、楔角、倾角等；对得到的单光楔参数进行优化，得到符合检测要求的单光楔补偿元件，选择材料制作光楔补偿器。

由于所制备的单光楔补偿器会存在一定的误差，因此，对其进行误差标定，具体过程如下：使用干涉仪和平面标准镜检测光楔上下两个表面的面形(面形RMS>1/50λ，λ＝632.8nm)，以确保光楔表面面形符合检测要求；然后通过干涉仪和平面标准镜检测光楔透过率波像差，并对透过率波像差进行数值分析，在拼接算法中予以去除；利用三坐标机测量光楔楔角(zemax公差分析得到光楔角度公差应≤±0.05°)，并通过仿真分析0.01°的楔角角度变化对检测结果的影响。

本申请提供的检测装置中单光楔补偿器根据待检镜进行设计，扩大了子孔径拼接检测的动态范围；相比于双光楔补偿法，单光楔补偿增大了单个子孔径的拼接检测范围，减少了子孔径的数量和误差传递，提高了检测的精度；光楔像差数学模型的建立，降低了光楔补偿器的设计难度，缩短了光楔补偿器的设计时间。

实施例二

图2示出了本申请另一实施例提供的大口径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单光楔补偿器，所述单光楔补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到；

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

步骤S23，通过调整装置调整所述干涉仪和/或所述单光楔补偿器或/和所述待检镜的位置；

步骤S24，控制干涉仪发出激光照射到所述球面标准镜上，并通过所述单光楔补偿器之后照射在所述待检镜上，并被所述待检镜反射，再次经过所述单光楔补偿器、球面标准镜回到所述激光干涉仪并与所述球面标准镜参考面反射的参考光叠加，并形成干涉条纹；

步骤S25，通过调整装置调整所述干涉仪和/或所述单光楔补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹数目最少，以得到待检镜各个子孔径的面形信息。

可选地，所述大口径反射镜面形的检测方法还包括：

判断待检镜上的子孔径是否需要进行光楔补偿；

若不需要，则去除所述单光楔补偿器，以使所述干涉仪发出的激光经过所述球面标准镜之后，直接照射在所述待检镜上，以检测相应子孔径的面形信息。

可选地，所述大口径反射镜面形的检测方法还包括：

通过指定方法将所述待检镜各个子孔径的面形信息进行拼接，以得到所述待检镜的面形信息。

可选地，所述单光楔补偿器的制备过程，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；

将所述偏离量分别输入到预先建立的光楔像差模型中，以得到所述单光楔补偿器的几何参数；

根据所述几何参数制备所述单光楔补偿器。

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。

具体地，干涉仪1产生的激光经过球面标准镜2变为球面波。若中心子孔径不需要进行光楔补偿，经过球面标准镜2的球面波直接照射到待检镜4上。通过调节调整装置5、7组成的五维调整机构(5调节干涉仪z轴方向，7调节待检镜的x、y轴和旋转、倾斜四个自由度)使得干涉条纹数目最少并进行检测，得到中心子孔径的面形数据；若需要则通过下述检测外围子孔径的方法对中心子孔径进行检测；对于外围需要进行光楔补偿的子孔径，经过球面标准镜2的球面波照射到单光楔补偿器的表面，球面波经光楔补偿变为待检镜所需要的波前，照射到待检镜4表面，同时通过调节调整装置5、7和装置6(6能够调节光楔的旋转和倾斜两个自由度)使得干涉条纹数目最少并进行检测，再通过调节调整装置7得到外围个子孔径的面形信息，之后通过拼接软件将各子孔径拼面形信息拼接起来从而得到全口径的面形信息。

进一步地，在进行各个子孔径时根据所做的子孔径规划，计算实验中待检镜所需要的倾角和旋转角度，利用单光楔逐个检测待检镜的每一个子孔径，观察干涉条纹，利用二维调节转台(图1中6)调节单光楔补偿器3的位置，之后再精调待检镜4的位置，使得干涉条纹最少，进行检测，收集待检镜各子孔径面形数据。

本发明的单光楔补偿检测大口径凸非球面镜的方法是以中心子孔径为基准进行检测的，利用zemax、matlab软件建立待检大口径凸非球面镜面形的理论模型，剔除非共路误差(非共路误差指的是光线经过光楔照射到待检镜表面反射时，光线不能原路返回所引起的误差)，再使用最小二乘法对检测数据进行分析和面形的拟合，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，为了提高检测精度，对检测结果进行精度分析，以获得准确的待检大口径凸非球面反射镜的面形结果，并根据检测经过对单光楔补偿器进行优化，以最终获得检测面形精度优于λ/50(RMS值，λ＝632.8nm)，满足现有高精度检测大口径凸非球面反射镜的检测要求。

本申请提供的检测装置中单光楔补偿器根据待检镜进行设计，扩大了子孔径拼接检测的动态范围；相比于双光楔补偿法，单光楔补偿增大了单个子孔径的拼接检测范围，减少了子孔径的数量和误差传递，提高了检测的精度；光楔像差数学模型的建立，降低了光楔补偿器的设计难度，缩短了光楔补偿器的设计时间。

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 (8)

1.一种大口径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、单光楔补偿器、待检镜以及调整装置；

所述球面标准镜放置在所述干涉仪和所述单光楔补偿器之间，所述待检镜放置在所述单光楔偿器的另一侧；

其中，所述单光楔补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到，所述调整装置包括多个，分别放置在所述干涉仪、单光楔补偿器和待检镜的下方；

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；所述球面波经所述单光楔补偿器之后照射在所述待检镜上，并被所述待检镜反射，再次经过所述单光楔补偿器、球面标准镜回到所述激光干涉仪并与所述球面标准镜参考面反射的参考光叠加，形成干涉条纹；通过所述调整装置调整所述干涉仪和/或所述单光楔补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹数目最少，以得到待检镜各个子孔径的面形信息。

2.根据权利要求1所述的大口径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所述的大口径反射镜面形的检测装置，其特征在于，所述单光楔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；

将所述偏离量分别输入到预先建立的光楔像差模型中，以得到所述单光楔补偿器的几何参数；

根据所述几何参数制备所述单光楔补偿器。

4.一种大口径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单光楔补偿器，所述单光楔补偿器根据所述待检镜的几何参数进行设计得到；

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

通过调整装置调整所述干涉仪和/或所述单光楔补偿器或/和所述待检镜的位置；

控制干涉仪发出激光照射到所述球面标准镜上，并通过所述单光楔补偿器之后照射在所述待检镜上，被所述待检镜反射，再次经过所述单光楔补偿器、球面标准镜回到所述激光干涉仪并与所述球面标准镜参考面反射的参考光叠加，形成干涉条纹；

通过调整装置调整所述干涉仪和/或所述单光楔补偿器或/和所述待检镜的位置直至所述干涉条纹数目最少，以得到待检镜各个子孔径的面形信息。

5.根据权利要求4所述的大口径反射镜面形的检测方法，其特征在于，所述大口径反射镜面形的检测方法还包括：

判断待检镜上的子孔径是否需要进行光楔补偿；

若不需要，则去除所述单光楔补偿器，以使所述干涉仪发出的激光经过所述球面标准镜之后，直接照射在所述待检镜上，以检测相应子孔径的面形信息。

6.根据权利要求4所述的大口径反射镜面形的检测方法，其特征在于，所述大口径反射镜面形的检测方法还包括：

通过指定方法将所述待检镜各个子孔径的面形信息进行拼接，以得到所述待检镜的面形信息。

7.根据权利要求4所述的大口径反射镜面形的检测方法，其特征在于，所述单光楔补偿器的制备过程，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；

将所述偏离量分别输入到预先建立的光楔像差模型中，以得到所述单光楔补偿器的几何参数；

根据所述几何参数制备所述单光楔补偿器。

8.根据权利要求4所述的大口径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。