CN113607091B - 离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量系统及方法，包括干涉仪、平行平晶、补偿器和离轴非球面组件；干涉仪提供光源并检测非球面面形误差；干涉仪发射的光束依次透过平行平晶、补偿器到达离轴非球面组件进行反射，所述离轴非球面组件反射出的光线依次透过补偿器、平行平晶进入干涉仪内部的探测器，进入所述干涉仪内部的光线与干涉仪内部的参考光进行干涉，形成干涉条纹，并计算得出非球面面形误差。本发明可以快速、无损且精确的测量和计算出离轴非球面镜光轴与支撑结构安装面之间的夹角。本发明利用目前的精密仪器设备和光学元件，对光学镜面无损伤、检测精度高、耗时短，是一种快速高精度无损检测技术。

Description

离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量系统及方法

技术领域

本发明涉及离轴非球面组件检测的技术领域，具体地，涉及一种离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量系统及方法。尤其是，优选的涉及一种离轴非球面镜光轴与支撑结构安装面夹角的光学测量系统及方法。

背景技术

目前研究的离轴光学系统大都是朝着大口径、大视场、高分辨率成像的方向发展，这就使得离轴非球面镜的口径越来越大，随之引来的加工问题也日益凸显。传统的方法是先加工一个母镜然后再切割离轴非球面子镜，这种方法的优点是镜子的形位公差可以控制的较好，缺点是难以加工出如此大的母镜材料，且对于加工设备的尺寸和体积要求也非常高，难以满足；现在针对大口径离轴非球面镜的加工，大多采用的加工方法是，先选择比离轴非球面镜轮廓尺寸稍大的坯料，然后直接在该坯料上进行离轴加工，这种方法的优点是降低了对于材料尺寸和加工设备的要求，缺点是难以控制离轴非球面镜光轴与背部基准之间的形位公差。离轴非球面镜与支撑结构之间的粘接配合是以离轴非球面镜背部为基准，进而使得离轴非球面镜的光轴与支撑结构安装面之间会产生一个二面角，如果无法准确测量出该二面角的值，那么就无法对离轴非球面组件进行高精度装配。

目前，对于离轴非球面镜光轴与支撑结构安装面夹角的测量，大部分均采用的方法为：利用三坐标打点，采集离轴非球面镜面和支撑结构安装面上的多个点的坐标，通过坐标系转换将这些点的测量坐标转换为以离轴非球面为基准的工件坐标系下的坐标，然后通过这些点的坐标分别拟合出离轴非球面与结构安装面的方程，最后计算出离轴非球面镜光轴与支撑结构安装面之间夹角。

公开号为CN210862560U的中国发明专利文件公开改进型奥夫纳尔检验超大口径凹非球面镜的光学系统，由检测设备发出光线经第一补偿透镜和第二补偿透镜透射，至待检凹非球面镜自准后返回。光学系统选用大入射光线孔径角，第一补偿透镜承担较大的非球面法线像差，大大提高了补偿能力，在小口径比条件下实现了非球面球差的平衡；补偿器口径与被检非球面口径比非常小，仅为0.025；采用两片式补偿器结构，补偿透镜数量少、全球面设计，打破了为了检验大口径非球面将补偿系统非球面镜化的设计局限，方案简单，加工周期更短；检验光路像质优良，波像差达到PV值优于0.1λ，适合高精度的非球面面形加工。改进型奥夫纳尔检验可以实现14m超大口径、1∶1.43超大相对孔径的非球面镜检验。

针对上述中的现有技术，发明人认为该方法为机械式接触测量，对光学镜面会产生一定损伤且检测精度较低，另外需要进行大量的数据处理，耗费时间长。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量系统及方法。

根据本发明提供的一种离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量系统，包括干涉仪、平行平晶、补偿器和离轴非球面组件；

所述干涉仪提供光源并检测非球面面形误差；

所述干涉仪发射的光束依次透过平行平晶、补偿器到达离轴非球面组件进行反射，所述离轴非球面组件反射出的光线依次透过补偿器、平行平晶进入干涉仪内部的探测器，进入所述干涉仪内部的光线与干涉仪内部的参考光进行干涉，形成干涉条纹，并计算得出非球面面形误差。

优选的，所述补偿器与离轴非球面组件之间的距离为预定距离。

优选的，所述离轴非球面组件采用平面波检测补偿光路设计，所述干涉仪发射的光束为平行光。

优选的，所述离轴非球面镜采用背部支撑方式，离轴非球面镜与支撑结构之间采用胶粘连接。

优选的，还包括平面反射镜，所述离轴非球面组件包括离轴非球面镜和支撑结构，所述离轴非球面镜安装在支撑结构上，且支撑结构设置在离轴非球面镜背离干涉仪的一侧；所述平面反射镜设置在支撑机构靠近离轴非球面镜母轴的安装面上。

优选的，还包括经纬仪，所述经纬仪发射的激光方向与干涉仪发射的光束指向重合。

根据本发明提供的一种离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量方法，包括如下步骤：

步骤1：建立零视场基准；

步骤2：根据所述零视场基准调节离轴非球面镜补偿检测光路；

步骤3：根据所述零视场基准和离轴非球面镜补偿检测光路测量并计算出离轴非球面镜光轴与支撑结构安装面之间的夹角。

优选的，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：将所述干涉仪放置在光学平台上，在干涉仪发射的光束方向上放置平行平晶，平行平晶与干涉仪的发射的光束方向相互垂直；

步骤1.2：所述干涉仪发射的光束透过平行平晶的光线方向上设置经纬仪，调节经纬仪的激光方向与干涉仪的光束指向重合，记录下此时经纬仪的水平角度θ_h1和垂直角度θ_v1。

优选的，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：将所述补偿器固定于调整机构上，使补偿器的通光口径处于干涉仪发出的光斑中央区域，将平行平晶设置在补偿器靠近干涉仪的镜筒端面上，调节补偿器的光轴与干涉仪发射的光束指向平行；调节补偿器的光轴与经纬仪的光轴重合；

步骤2.2：将所述平面反射镜的反光面与支撑结构靠近离轴非球面镜母轴的安装面贴合固定；将离轴非球面组件固定于调整机构上，并使得离轴非球面镜矩形轮廓其中一角的两个直角边分别处于水平方向和垂直方向；

步骤2.3：调节所述离轴非球面镜，使离轴非球面镜的母轴与补偿器的光轴重合。

优选的，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：调节所述经纬仪，使平面反射镜反光面的法向与经纬仪的光轴重合，记录下此时经纬仪的水平角度θ_h2和垂直角度θ_v2；

步骤3.2：计算所述经纬仪两次水平角度的差值为Δθ_h＝θ_h2-θ_h1，计算经纬仪两次垂直角度的差值为Δθ_v＝θ_v2-θ_v1，然后计算出离轴非球面镜光轴与支撑结构安装面的夹角为

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明解决离轴非球面镜光轴与支撑结构安装面夹角的测量准确性问题，可实现组件形位公差的高精度测量；

2、本发明是一种光学非接触式测量，避免了机械接触测量对镜面的损伤，保证了镜面的安全，是一种无损检测技术；

3、本发明采用了高精度的角度测量仪器，可直接测量并快速计算出光轴与支撑结构安装面的夹角，耗费时间短；

4、本发明利用目前的精密仪器设备和光学元件，对光学镜面无损伤、检测精度高、耗时短，是一种快速高精度无损检测技术。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为离轴非球面镜光轴与支撑结构安装面夹角的光学测量系统图。

附图标记：1、干涉仪；2、平行平晶；3、经纬仪；4、补偿器；5、离轴非球面镜；6、支撑结构；7、平面反射镜。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例公开了一种离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量系统，如图1所示，包括干涉仪1、平行平晶2、补偿器4、离轴非球面组件、经纬仪3和平面反射镜7。平面反射镜7比如是小型金属平面反射镜。离轴非球面组件包括离轴非球面镜5和支撑结构6，离轴非球面镜5安装在支撑结构6上，且支撑结构6设置在离轴非球面镜5背离干涉仪1的一侧，平面反射镜7设置在支撑机构靠近离轴非球面镜5母轴的安装面上。经纬仪3发射的激光方向与干涉仪1发射的光束指向重合。

干涉仪1提供光源并检测非球面面形误差。离轴非球面镜5采用背部支撑方式，离轴非球面镜5与支撑结构6之间采用胶粘连接。干涉仪1发射的光束依次透过平行平晶2、补偿器4到达离轴非球面组件进行反射，离轴非球面组件反射出的光线依次透过补偿器4、平行平晶2进入干涉仪1内部的探测器，进入干涉仪1内部的光线与干涉仪1内部的参考光进行干涉，形成干涉条纹，并计算得出非球面面形误差。

干涉仪1为整个测量系统提供光源并检测非球面面形误差，平行平晶2和小型金属平面反射镜7为基准传递元件，经纬仪3为高精度角度测量仪器，补偿器4为离轴非球面镜5面形检测补偿组件，离轴非球面镜5和支撑结构6组成离轴非球面组件。光源从干涉仪1发出，依次透过补偿器4、到达离轴非球面镜5反射，再透过补偿器4回到干涉仪1内部的探测器上，与干涉仪1内部的参考光进行干涉，形成干涉条纹，并计算得出非球面面形误差。

补偿器4与离轴非球面组件之间的距离为预定距离，预定距离为415.376mm。离轴非球面镜5的中心曲率半径为561.99mm，二次项系数为0.246，四次项系数为2.244×10-11，离轴量为105.5mm，检测区域轮廓为矩形，长边179mm，短边139mm，补偿器4与离轴非球面镜5之间的距离为415.376mm。

离轴非球面组件采用平面波检测补偿光路设计，干涉仪1发射的光束为平行光。离轴非球面镜5采用平面波检测补偿光路设计，干涉仪1发射的光束为平行光，且该平行光束的截面直径为4英寸(101.6mm)，补偿器4的有效口径为80mm，在光源检测范围以内。

本发明实施例还提供了一种离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：建立零视场基准。步骤1包括如下步骤：步骤1.1：将干涉仪1放置在光学平台上，在干涉仪1发射的光束方向上放置平行平晶2，平行平晶2与干涉仪1的发射的光束方向相互垂直。将干涉仪1放置在光学平台上，在干涉仪1发出的光束前方放置一块夹角为1″的平行平晶2，平行平晶2与干涉仪1的出射方向相互垂直。

步骤1.2：干涉仪1发射的光束透过平行平晶2的光线方向上设置经纬仪3，调节经纬仪3的激光方向与干涉仪1的光束指向重合，记录下此时经纬仪3的水平角度θ_h1和垂直角度θ_v1。平行平晶2的前方放置一台经纬仪3，经纬仪3正对着平行平晶2，调节经纬仪3的激光方向与干涉仪1的光束指向重合，并作为系统的光轴，记录下此时经纬仪3的水平角度θ_h1和垂直角度θ_v1。

步骤2：调节离轴非球面镜5补偿检测光路。根据零视场基准调节离轴非球面镜5补偿检测光路。步骤2包括如下步骤：步骤2.1：将补偿器4固定于调整机构上，使补偿器4的通光口径处于干涉仪1发出的光斑中央区域，将平行平晶2设置在补偿器4靠近干涉仪1的镜筒端面上，调节补偿器4的光轴与干涉仪1发射的光束指向平行；调节补偿器4的光轴与经纬仪3的光轴重合。将补偿器4固定于调整机构上，使补偿器4的通光口径处于干涉仪1发出的光斑中央区域，将平行平晶2的一面靠在补偿器4靠近干涉仪1一边的镜筒断面，调节补偿器4的光轴与干涉仪1的光束指向近似平行；调节补偿器4的光轴与经纬仪3的光轴重合。

步骤2.2：将平面反射镜7的反光面与支撑结构6靠近离轴非球面镜5母轴的安装面贴合固定；将离轴非球面组件固定于调整机构上，并使得离轴非球面镜5矩形轮廓其中一角的两个直角边分别处于水平方向和垂直方向。先将小型金属平面反射镜的反光面与支撑结构6靠近离轴非球面镜5母轴的安装面贴合在一起，并用C型夹夹紧；之后将离轴非球面组件整体固定于调整机构上，并使得离轴非球面镜5矩形轮廓的两个直角边分别处于水平方向和垂直方向。

步骤2.3：调节离轴非球面镜5，使离轴非球面镜5的母轴与补偿器4的光轴重合。

步骤3：测量并计算出光轴与结构安装面之间的夹角。根据零视场基准和离轴非球面镜5补偿检测光路测量并计算出离轴非球面镜5光轴与支撑结构6安装面之间的夹角。步骤3包括如下步骤：步骤3.1：调节经纬仪3，使平面反射镜7反光面的法向与经纬仪3的光轴重合，记录下此时经纬仪3的水平角度θ_h2和垂直角度θ_v2。

步骤3.2：计算两次水平角度和垂直角度的差值为Δθ_h＝θ_h2-θ_h1，Δθ_v＝θ_v2-θ_v1。然后计算出离轴非球面镜5光轴与支撑结构6安装面的夹角为计算经纬仪3两次水平角度的差值为Δθ_h＝θ_h2-θ_h1，计算经纬仪3两次垂直角度的差值为Δθ_v＝θ_v2-θ_v1，然后计算出离轴非球面镜5光轴与支撑结构6安装面的夹角为/>

本发明经纬仪3用于角度测量，平行平晶2和小型金属平面反射镜用于基准传递，补偿器4和离轴非球面组件一起组成非球面面形检测光路，通过非球面面形检测光路来实现离轴非球面镜5光轴与支撑结构6安装面夹角的测量。针对离轴非球面镜5光轴与支撑结构6安装面夹角采用的光学测量步骤为：建立零视场基准；调节离轴非球面镜5补偿检测光路；测量并计算出光轴与结构安装面之间的夹角。通过本发明可以快速、无损且精确的测量和计算出离轴非球面镜5光轴与支撑结构6安装面之间的夹角。

本发明非球面面形检测光路设计的输入条件是平行光零视场，在零视场时，平行光光源入射方向与离轴非球面镜5光轴方向是重合的，后续的面形加工和检测均是在上述条件下进行的，因此，可以把检测非球面面形误差应用到测量离轴非球面镜5光轴与安装面夹角中。

当干涉仪1检测到的非球面面形误差有与加工后验收时测得的面形一致时，则整个系统的装调误差为零，即说明检测光路中所有的光学元件均是共光轴的。本发明是利用平行平晶2和经纬仪3标定出干涉仪1的入射光方向；利用平行平晶2靠在补偿器4靠近干涉仪入射光一边的端面上，将补偿器4的光轴方向调至与干涉仪1的入射光方向重合；最后调节补偿器4的偏心使得补偿器4中各镜面的曲率中心均与经纬仪3的光轴重合。至此，经纬仪3的光轴即为非球面镜的光轴。通过非球面面形检测光路来标定出非球面镜面的光轴。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量系统，其特征在于，包括干涉仪(1)、平行平晶(2)、补偿器(4)和离轴非球面组件；

所述干涉仪(1)提供光源并检测非球面面形误差；

所述干涉仪(1)发射的光束依次透过平行平晶(2)、补偿器(4)到达离轴非球面组件进行反射，所述离轴非球面组件反射出的光线依次透过补偿器(4)、平行平晶(2)进入干涉仪(1)内部的探测器，进入所述干涉仪(1)内部的光线与干涉仪(1)内部的参考光进行干涉，形成干涉条纹，并计算得出非球面面形误差；

所述离轴非球面镜(5)采用背部支撑方式，离轴非球面镜(5)与支撑结构(6)之间采用胶粘连接；

还包括平面反射镜(7)，所述离轴非球面组件包括离轴非球面镜(5)和支撑结构(6)，所述离轴非球面镜(5)安装在支撑结构(6)上，且支撑结构(6)设置在离轴非球面镜(5)背离干涉仪(1)的一侧；所述平面反射镜(7)设置在支撑机构靠近离轴非球面镜(5)母轴的安装面上；

还包括经纬仪(3)，所述经纬仪(3)发射的激光方向与干涉仪(1)发射的光束指向重合；

所述干涉仪(1)发射的光束透过平行平晶(2)的光线方向上设置经纬仪(3)，调节经纬仪(3)的激光方向与干涉仪(1)的光束指向重合，记录下此时经纬仪(3)的水平角度θ_h1和垂直角度θ_v1；

调节所述经纬仪(3)，使平面反射镜(7)反光面的法向与经纬仪(3)的光轴重合，记录下此时经纬仪(3)的水平角度θ_h2和垂直角度θ_v2；

计算所述经纬仪(3)两次水平角度的差值为Δθ_h＝θ_h2-θ_h1，计算经纬仪(3)两次垂直角度的差值为Δθ_v＝θ_v2-θ_v1，然后计算出离轴非球面镜(5)光轴与支撑结构(6)安装面的夹角为

2.根据权利要求1所述的离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量系统，其特征在于，所述补偿器(4)与离轴非球面组件之间的距离为预定距离。

3.根据权利要求1所述的离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量系统，其特征在于，所述离轴非球面组件采用平面波检测补偿光路设计，所述干涉仪(1)发射的光束为平行光。

4.一种离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量方法，其特征在于，应用权利要求1-3任一所述的一种离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量系统，包括如下步骤：

步骤1：建立零视场基准；

步骤2：根据所述零视场基准调节离轴非球面镜(5)补偿检测光路；

步骤3：根据所述零视场基准和离轴非球面镜(5)补偿检测光路测量并计算出离轴非球面镜(5)光轴与支撑结构(6)安装面之间的夹角。

5.根据权利要求4所述的离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量方法，其特征在于，所述步骤1包括如下步骤：

步骤1.1：将所述干涉仪(1)放置在光学平台上，在干涉仪(1)发射的光束方向上放置平行平晶(2)，平行平晶(2)与干涉仪(1)的发射的光束方向相互垂直；

步骤1.2：所述干涉仪(1)发射的光束透过平行平晶(2)的光线方向上设置经纬仪(3)，调节经纬仪(3)的激光方向与干涉仪(1)的光束指向重合，记录下此时经纬仪(3)的水平角度θ_h1和垂直角度θ_v1。

6.根据权利要求5所述的离轴非球面镜光轴与安装面夹角的光学测量方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：将所述补偿器(4)固定于调整机构上，使补偿器(4)的通光口径处于干涉仪(1)发出的光斑中央区域，将平行平晶(2)设置在补偿器(4)靠近干涉仪(1)的镜筒端面上，调节补偿器(4)的光轴与干涉仪(1)发射的光束指向平行；调节补偿器(4)的光轴与经纬仪(3)的光轴重合；

步骤2.2：将所述平面反射镜(7)的反光面与支撑结构(6)靠近离轴非球面镜(5)母轴的安装面贴合固定；将离轴非球面组件固定于调整机构上，并使得离轴非球面镜(5)矩形轮廓其中一角的两个直角边分别处于水平方向和垂直方向；

步骤2.3：调节所述离轴非球面镜(5)，使离轴非球面镜(5)的母轴与补偿器(4)的光轴重合。