CN113739719A - 一种高精度施密特校正板的面形检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度施密特校正板的面形检测系统，包括干涉仪、补偿器、待测施密特校正板和标准球面反射镜；干涉仪和反射面朝向干涉仪的标准球面反射镜位于检测光路的两端；在检测光路中，标准球面反射镜的曲率中心与干涉仪的焦点重合；待测施密特校正板位于检测光路中靠近标准球面反射镜的一侧；补偿器位于检测光路中干涉仪的焦点与待测施密特校正板之间，用于补偿待测施密特校正板的球差；所述干涉仪、补偿器、待测施密特校正板和标准球面反射镜在整个检测光路中同轴。本发明避免了高次非球面检测的难题，能够有效指导施密特校正板的加工过程，有助于改进加工工艺。

Description

一种高精度施密特校正板的面形检测系统及方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种高精度施密特校正板的面形检测系统及方法。

背景技术

为满足光学成像系统对大视场的需求，如大视场、低成本、高性能天文望远镜系统等，往往在系统中增加施密特校正板以满足设计要求。施密特校正板一般用来修正反射望远镜的球面镜所产生的球面像差，常被安置在望远镜前端光线进来的路径上。

施密特校正镜不是二次曲面，镜薄（径厚比一般约为1/30至1/40），因此加工和检测都比较困难。

一般从加工的角度考虑检测，通常是用高精度的测量设备（如三坐标测量机）测试镜片各环带矢高，测试其一条直径上的矢高，多次测量，根据各带与理论矢高值之差，精磨各带。

传统的施密特校正镜的面形检验方法：把校正镜作为一个元件放在整个光路中检验，抛修曲面。用大型平行光管或大型抛物面搭成的平行光管接收来自施密特光学系统发出的平行光，在其焦点放刀口进行检验。如图1所示。当非平面度大时，曲面不易抛修的平滑，因此阴影图也很难平滑。

矢高差较小（几微米）的施密特校正镜除了可用标准球面检验外，也可以用平面干涉仪直接检验；当镜面矢高差较大时，干涉仪无法直接进行面形检测，此时在干涉仪下边使用一个导轨进行局部检验，检验时可将干涉仪做左右推动。

传统的施密特校正板检验方法精度不高，且检验镜口径一般较大，检测光路中光学元件数量较多，检测光路复杂，自由度多，检测周期长，检验难度大、精度低、操作复杂，造成施密特校正板修正系统球差的性能优势下降。实际生产过程中，对高精度、操作简易的施密特校正板的面形检测方法需求较高。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高精度施密特校正板的面形检测系统及方法，解决施密特校正板面形检验问题。

本发明提供的技术方案是：

本发明公开了一种高精度施密特校正板的面形检测系统，包括干涉仪1、补偿器2、待测施密特校正板3和标准球面反射镜4；

所述干涉仪1和反射面朝向干涉仪1的标准球面反射镜4位于检测光路的两端；在检测光路中，标准球面反射镜4的曲率中心与干涉仪1的焦点重合；

所述待测施密特校正板3位于检测光路中靠近标准球面反射镜4的一侧；所述补偿器2位于检测光路中干涉仪1的焦点与待测施密特校正板3之间，用于补偿待测施密特校正板3的球差；

所述干涉仪1、补偿器2、待测施密特校正板3和标准球面反射镜4在整个检测光路中同轴。

进一步地，所述待测施密特校正板3的一面为高次非球面，一面为平面，口径＞100mm，径厚比范围为1/30至1/40。

进一步地，所述标准球面反射镜4口径为待测施密特校正板3直径的1～1.5倍。

进一步地，所述补偿器2为球面透镜，包括面向干涉仪1的球面透镜凸球面21和面向待测施密特校正板3的球面透镜凹球面22。

进一步地，所述补偿器2的透镜厚度和凹、凸两个球面的曲率半径在内的透镜参数根据被补偿的待测施密特校正板3的像差进行决定。

进一步地，所述补偿器2的透镜厚度和凹、凸两个球面的曲率半径在内的透镜参数，以及检测光路中各元器件的间隔距离参数，通过常用光学设计软件进行模拟仿真建模确定，通过参数优化，使设计残差优于待测施密特校正板3面形要求的1/5。

进一步地，所述补偿器2的口径参数为小于100mm。

进一步地，还包括三维调整架；

所述三维调整架用于放置补偿器2，通过调节调整架的升降、平移及俯仰，对补偿器2的姿态进行微调，用于使补偿器2与检测光路的光轴同轴。

进一步地，还包括顶杆，用于控制检测光路中各器件的间隔距离；

所述顶杆为玻璃制成的空心玻璃细管，两头各固定一个金属帽；所述顶杆的长度精度不大于0.02mm。

本发明还公开了一种基于上述的面形检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤S1、采用光学设计软件对补偿器2的参数和光路中各器件的间隔距离参数进行确定和优化；

步骤S2、检测补偿器2的面形误差；

步骤S3、构建检测光路，对待测施密特校正板3进行检测；

将标准球面反射镜4的反射面朝向干涉仪1，调整标准球面反射镜4与干涉仪1出射光线同轴等高，曲率中心与干涉仪1球面镜头的焦点重合，构成检测光路；

将补偿器2和待测施密特校正板3放入检测光路中；对补偿器2进行姿态微调，使补偿器2与检测光路的光轴同轴；

使用调整后的检测光路对施密特校正板的面形进行检测。

本发明至少可实现以下有益效果之一：

本发明针对传统的施密特校正板面形检验方法精度不高，且检验镜口径一般较大，检测光路自由度多，检测光路难调，检验难度大、操作复杂等实际问题，及实际生产中对高精度、操作简易的施密特校正板的面形检测方法的需求，通过引入一个补偿器来实现对施密特校正板的面形检测，只需设计加工一片口径较小（＜100mm）的球面透镜并结合一个球面反射镜即可实现，检测光路简单，且检测精度高，可实现对本发明涉及的这种施密特校正板面形的高精度快速检测。

本发明对检验镜要求不高，检测光路简单易调试。采用定制的补偿器结合干涉仪可完成施密特校正板面形的高精度检测，检测光路的残余像差RMS可控制到小于0.005λ（λ=632.8nm），残留像差很小，可以等效为零位检测。降低了高次非球面检测的难度，能够有效指导施密特校正板的加工过程，有助于改进加工工艺。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为传统的施密特校正镜的面形检验示意图；

图2为本发明实施例中的面形检测系统示意图；

图3为本发明实施例中的面形检测系统示意图；

图4为本发明实施例中的待测施密特校正板面型参数；

图5为本发明实施例中的面形检测方法流程图；

图6为本发明实施例中的设计残差结果。

具体实施方式

下面结合说明书附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本实施例中公开的一种高精度施密特校正板的面形检测系统。如图2和3所示，包括干涉仪1、补偿器2、待测施密特校正板3和标准球面反射镜4；

其中，干涉仪1和反射面朝向干涉仪1的标准球面反射镜4位于检测光路的两端；在光路中，标准球面反射镜4的曲率中心与干涉仪1的焦点重合；干涉仪1发射检测光线，照射到标准球面反射镜4，标准球面反射镜4反射干涉仪1发射的检测光线到干涉仪1，进行光线的干涉成像。

待测施密特校正板3位于检测光路中靠近标准球面反射镜4的一侧；所述补偿器2位于检测光路中干涉仪1的焦点与待测施密特校正板3之间，用于对待测施密特校正板3的球差进行补偿；

由干涉仪1、补偿器2、待测施密特校正板3和标准球面反射镜4构成的整个检测光路同轴。

在本实施例中，在检测光路中增加的补偿器2，用于补偿待测施密特校正板3的球差以实现施密特校正板的面形检测；其中，在整个检测系统中采用了同轴光路，没有光路折转，从而使系统中减少到只有两个辅助检验镜，相较于传统的检测方法，减少了检测光路中的元件数量，即降低检测光路中的自由度和复杂度，降低了装调及检测操作时的难度。

更具体的，所述待测施密特校正板3的一个面31为高次非球面，另一个面32为平面，其口径较大（＞100mm），镜薄（径厚比一般约为1/30至1/40），非球面度较大。因此，无法像平面透镜一样直接通过平面干涉仪检测施密特校正板的面形。

本实施例的一个具体的方案中采用的待测施密特校正板3，该待测施密特校正板的面型参数如图4所示；

同时，本实施例中的标准球面反射镜4口径略大于待测施密特校正板3，控制在约为待测施密特校正板3直径的1～1.5倍；可在满足待测施密特校正板3在光路上位置调整时，使干涉仪1发射的检测光线经过待测施密特校正板3后，能够完全被标准球面反射镜4反射到待测施密特校正板3。

具体的，本实施例中补偿器2为一个球面透镜，包括面向干涉仪1的球面透镜凸球面21和面向待测施密特校正板3的球面透镜凹球面22；球面透镜的凹、凸球面之间为具有一定厚度的球面透镜本体。所述球面透镜的厚度和凹、凸两个球面的曲率半径在内的透镜参数由被补偿的待测施密特校正板3的球差决定。

所述补偿器2球面透镜的透镜口径参数，由补偿器2与待测施密特校正板3之间的距离确定。设计时，根据补偿器2与待测施密特校正板3之间的距离调整补偿器2球面透镜的口径范围，通过控制距离来控制补偿器2的口径，实现对检测方案的设计进行优化；

优选的，所述补偿器2的口径小于100mm，以减小补偿器2的加工难度和成本。

此外，本实施例的面形检测系统还包括高精度玻璃顶杆和三维调整架；

所述三维调整架用于放置补偿器2，通过调节调整架的升降、平移及俯仰，对补偿器2姿态进行微调，使得补偿器2与检测光路的光轴同轴；

所述高精度顶杆是一种玻璃制成的空心玻璃细管，两头各固定一个金属帽，顶杆长度根据设计要求的距离加工；顶杆加工完成后，使用游标卡尺测量顶杆长度，精度取决于游标卡尺的测量精度，一般地，顶杆长度可通过游标卡尺控制精确到0.02mm；高精度玻璃顶杆用于控制检测光路中各元件的间隔距离；

高精度玻璃顶杆控制检测光路中各元件的间隔距离的具体方法结合检测光路搭建过程描述如下：搭建检测光路时，首先将标准球面反射镜4放入检测光路中，调整标准球面反射镜4使得其曲率中心与干涉仪1的焦点重合，再根据理论设计中得到的间隔距离将其他元件依次摆到光路中的大致位置，调节检测光路满足同轴等高后使用顶杆细调各元件的位置；具体地，将定制的顶杆1的一端接触干涉仪1焦点，前后微调补偿器2位置直至顶杆1的另一端接触到21面的中心点，此时补偿器2的位置确定；然后将定制的顶杆2一端接触22面的中心点，前后微调施密特校正板的位置直至顶杆2的另一端接触到31面的中心点，此时施密特校正板的位置确定；至此，检测光路搭建完毕，可以实施检测；

具体的，本实施例中补偿器2的设计参数以及光路中各元件的间隔距离以补偿被测的施密特校正板像差使得系统残差尽可能小（接近于0）为优化目标，通过常用光学设计软件进行优化，一般要求最终检测光路的设计残差优于待测施密特校正板3面形要求的1/5即可满足检测需求。

更具体的，本实施例中补偿器2的参数以及光路中各元件的间隔距离，采用常用的光学设计软件进行模拟仿真建模后获得。

更具体的，仿真建模时，优化函数类型使用均方根光程差（RMS，Root MeanSquare；OPD），以波前（wavefront）作为优化标准，以质心作为优化参考，结合实际装配及测量精度使用光学设计软件进行模拟仿真建模，对系统中包括补偿器2厚度和两个面的曲率半径、偏心、倾斜、各元件的间隔距离在内的变量进行公差分析。在合理的公差内优化检测设计方案直到按照本方法设计的补偿器2可以补偿待测施密特校正板3的球差，最终检测光路的设计残差能够优于待测施密特校正板3面形要求的1/5。

本实施例还公开了一种高精度施密特校正板的面形检测方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤S1、采用光学设计软件对补偿器2的参数和光路中各器件的间隔距离参数进行确定和优化；

在步骤S1中，补偿器2的设计参数以及光路中各元件的间隔距离通过光学设计软件进行优化，以补偿被测的施密特校正板像差使得系统残差尽可能小（接近于0）为优化目标，一般要求最终检测光路的设计残差优于待测施密特校正板3面形要求的1/5即可满足检测需求；优化条件为干涉仪1出射光束经过补偿器2及施密特校正板后，沿球面反射镜4法线方向垂直入射，反射后光线沿原路返回，与干涉仪1参考面反射的参考光束发生干涉形成干涉条纹达到检测目的；

步骤S2、检测补偿器2的面形误差；

在补偿器2的面形误差检测中，由于补偿器2两个面均为球面，可直接使用干涉仪1搭配合适F/#的标准球面镜头，测试时使得两个面的球面球心分别与干涉仪1焦点重合，即可对其两个球面进行面形检测。通过对其两个球面进行面形检测，判断补偿器2的加工精度是否满足测试要求，及得到补偿器2的检测误差。

步骤S3、构建检测光路，对待测施密特校正板3进行检测；

具体的，包括：

步骤S301、将标准球面反射镜4的反射面朝向干涉仪1，调整标准球面反射镜4与干涉仪1出射光线同轴等高，曲率中心与干涉仪1焦点重合，构成检测光路；

步骤S302、将补偿器2和待测施密特校正板3放入检测光路中；对补偿器2进行姿态微调，使补偿器2与检测光路的光轴同轴；

根据所述理论间距，配合高精度玻璃顶杆，将加工完成的补偿器2和待测施密特校正板3放入检测光路中；

通过三维调整架实现补偿器2的姿态微调；将补偿器2放在三维调整架上，调节调整架的升降、平移及俯仰，对补偿器2姿态进行微调，使得补偿器2与检测光路的光轴同轴。

步骤S303、使用调整后的检测光路对施密特校正板的面形进行检测。

本实施例中的补偿器2的透镜材料为肖特公司的融石英，补偿器2加工完成后，按照理论计算得到的距离搭建检测光路，对施密特校正板进行面形检测。该检测方法的理论设计残差如图6所示；从上图可见，系统残差RMS为0.0023λ（λ=632.8nm），残留像差很小，可以实现对施密特校正板面形的高精度快速检测。

本实施例中施密特校正板的具体的光学参数见下表：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度施密特校正板的面形检测系统，其特征在于，包括干涉仪（1）、补偿器（2）、待测施密特校正板（3）和标准球面反射镜（4）；

所述干涉仪（1）和反射面朝向干涉仪（1）的标准球面反射镜（4）位于检测光路的两端；在检测光路中，标准球面反射镜（4）的曲率中心与干涉仪（1）的焦点重合；

所述待测施密特校正板（3）位于检测光路中靠近标准球面反射镜（4）的一侧；所述补偿器（2）位于检测光路中干涉仪（1）的焦点与待测施密特校正板（3）之间，用于补偿待测施密特校正板（3）的球差；

所述干涉仪（1）、补偿器（2）、待测施密特校正板（3）和标准球面反射镜（4）在整个检测光路中同轴。

2.根据权利要求1所述的面形检测系统，其特征在于，所述待测施密特校正板（3）的一面为高次非球面、一面为平面，口径＞100mm，径厚比范围为1/30至1/40。

3.根据权利要求1所述的面形检测系统，其特征在于，所述标准球面反射镜（4）口径为待测施密特校正板（3）直径的1～1.5倍。

4.根据权利要求1所述的面形检测系统，其特征在于，所述补偿器（2）为球面透镜，包括面向干涉仪（1）的球面透镜凸球面（21）和面向待测施密特校正板（3）的球面透镜凹球面（22）。

5.根据权利要求4所述的面形检测系统，其特征在于，所述补偿器（2）的透镜厚度和凹、凸两个球面的曲率半径在内的透镜参数根据被补偿的待测施密特校正板（3）的球差进行决定。

6.根据权利要求5所述的面形检测系统，其特征在于，所述补偿器（2）的透镜厚度和凹、凸两个球面的曲率半径在内的透镜参数，以及检测光路中各元器件的间隔距离参数，通过常用的光学设计软件进行模拟仿真建模，通过优化参数，使残差优于待测施密特校正板（3）面形要求的1/5。

7.根据权利要求6所述的面形检测系统，其特征在于，所述补偿器（2）的口径参数为小于100mm。

8.根据权利要求1-7任一项所述的面形检测系统，其特征在于，还包括三维调整架；

所述三维调整架用于放置补偿器（2），通过调节调整架的升降、平移及俯仰，对补偿器（2）的姿态进行微调，用于使补偿器（2）与检测光路的光轴同轴。

9.根据权利要求8所述的面形检测系统，其特征在于，还包括顶杆，用于控制检测光路中各元器件的间隔距离；

所述顶杆为玻璃制成的空心玻璃细管，两头各固定一个金属帽；所述顶杆的长度精度不大于0.02mm。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的面形检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、采用常用的光学设计软件对补偿器（2）的参数和光路中各元器件的间隔距离参数进行确定和优化；

步骤S2、检测补偿器（2）的面形误差；

步骤S3、构建检测光路，对待测施密特校正板（3）进行检测；

将标准球面反射镜（4）的反射面朝向干涉仪（1），调整标准球面反射镜（4）与干涉仪（1）出射光线同轴等高，并使其曲率中心与干涉仪（1）球面镜头的焦点重合，构成检测光路；

将补偿器（2）和待测施密特校正板（3）放入检测光路中；对补偿器（2）进行姿态微调，使补偿器（2）与检测光路的光轴同轴；

使用调整后的检测光路对施密特校正板的面形进行检测。

Images