CN114184140B - 一种离轴非球面镜检测装置、检测系统及误差分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光学检测领域，提供了一种离轴非球面镜检测装置、检测系统及误差分析方法。所述离轴非球面镜检测装置，包括底板、支腿组件，所述支腿组件设置于所述底板上；所述底板设有第一直角边、第二直角边、扇形边，所述第一直角边与第二直角边的交点位置与所述扇形边的圆心位置重合；所述支腿组件包括第一支腿、第二支腿、径向导轨，所述第一支腿设置于所述第一直角边与第二直角边的交点位置；所述径向导轨一端可转动的设置在所述第一支腿上，另一端延伸至所述扇形边；所述第二支腿可滑动的设置于所述径向导轨上。上述装置可以方便直观的测量出离轴非球面镜检测光路中实际离轴量与离轴角的大小，从而可以实时对光路进行调节。

Description

一种离轴非球面镜检测装置、检测系统及误差分析方法

技术领域

本发明涉及一种离轴非球面镜检测，尤其是涉及一种离轴非球面镜检测装置、检测系统及误差分析方法。

背景技术

随着光学加工与检测技术的不断进步，二次非球面在大口径光学系统的研制中极受关注，而离轴二次非球面因具有简化光学系统、提高系统的成像质量、减小仪器的尺寸和重量并可避免光学系统遮拦等特点而在天文仪器和空间光学系统中得到了广泛的应用。离轴抛物面镜因能以简单的面形产生高质量的无中心遮拦的平行光束比其它形式的平行光管更具优势而使用更为广泛。

离轴非球面镜在加工阶段和后期的装调阶段都需要进行光学检测。加工过程中由于检测手段的限制，使得离轴量以及离轴角的控制精度较低，离轴量的控制精度大约为0.5mm，离轴角的控制精度大约为。实际装调过程是根据加工提供的离轴量参数、离轴角参数进行初始定位，而离轴量误差以及离轴角误差会引入较大的初始像差，影响离轴非球面镜的面形检测精度。因此如何精确测量离轴量以及离轴角并在装调中进行校正是实现轴非球面镜光学系统精密装调的关键。

发明内容

为了解决上述问题，本发明一方面，提供了一种离轴非球面镜检测装置，包括底板、支腿组件，所述支腿组件设置于所述底板上；所述底板设有第一直角边、第二直角边、扇形边，所述第一直角边与第二直角边的交点位置与所述扇形边的圆心位置重合；所述支腿组件包括第一支腿、第二支腿、径向导轨，所述第一支腿设置于所述第一直角边与第二直角边的交点位置；所述径向导轨一端可转动的设置在所述第一支腿上，另一端延伸至所述扇形边；所述第二支腿可滑动的设置于所述径向导轨上。

进一步地，所述第一支腿包括第一底座、第一激光对准件，所述第一激光对准件上设有供激光通过的通孔。

进一步地，所述第二支腿设有第二底座、第二激光对准件，所述第二激光对准件上设有供激光通过的通孔。

进一步地，所述离轴非球面镜面调节误差检测装置还包括第三支腿，所述第三支腿位于所述第一直角边上。

进一步地，所述扇形边上设有角度尺。

进一步地，所述径向导轨上设有直线刻度尺。

本发明另一方面，提供了一种离轴非球面镜检测系统，包括球面干涉仪、反射镜、离轴非球面镜及上述的检测装置，所述球面干涉仪发出的激光经过所述第一支腿至离轴非球面镜的反射面上，所述离轴非球面镜反射面上反射的激光经第二支腿平行射入所述反射镜上。

本发明还提供了一种离轴非球面镜误差分析方法，其采用上述的离轴非球面镜检测系统进行检测，包括以下步骤：

步骤H1：调整球面干涉仪、离轴非球面镜和反射镜的相对位置，组成无像差点面形检测光路，其中球面干涉仪的焦点与离轴非球面镜的焦点重合；

步骤H2：调整第一支腿的位置至干涉仪的焦点处，调整第二支腿的位置，使第二支腿位于所述离轴非球面镜与反射镜之间的光路上，此时，第一支腿与第二支腿之间的直线距离即为离轴量，径向导轨与第二直角边之间的角度即为离轴角/>；

步骤H3：计算得到离轴量偏差，离轴角偏差/>θ；

步骤H4：计算得到离轴量偏差引起的离轴非球面镜的转动量为/>，离轴角偏差/>θ引起的离轴非球面镜的转动量为/>，以及由于离轴量偏差/>和离轴角偏差/>θ引起的离轴非球面镜的最大偏角/>，/>；

步骤H5：在仿真分析中，设定由于离轴量偏差和离轴角偏差/>θ引起的离轴非球面镜的最大偏角/>，并对其进行仿真分析。

进一步地，由离轴量偏差引起的离轴非球面镜转动量为/>，离轴角偏差/>θ引起的离轴非球面镜转动量为/>的计算公式为：

，

，

式中，为焦距，H为离轴量，/>为离轴角。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明所提供的离轴非球面镜检测装置和系统可以方便的测量出每次检测时的离轴量和离轴角，可以保证离轴非球面镜重复检测结果的一致性。

（2）通过本发明所提供的离轴非球面镜检测系统可以获得由于离轴量偏差和离轴角偏差起的离轴非球面镜的最大偏角，采用本发明所提供的离轴非球面镜误差分析方法，对轴非球面镜进行误差仿真分析时，在软件中设置此最大偏角后再对其进行仿真分析。从分析结果可知，离轴量和离轴角偏差均会导致离轴非球面镜在XYZ坐标系中绕轴X旋转产生一定偏摆误差，从而导致离轴非球面镜的面形误差分布中出现椭圆像散误差。此分析方法使得对于离轴非球面镜的误差分析更为精确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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，下面所描述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是本发明中离轴非球面镜检测装置结构示意图；

图2是本发明中离轴非球面镜检测原理图；

图3是本发明中离轴量偏差导致的离轴非球面镜姿态偏差示意图；

图4是本发明中离轴角偏差导致的离轴非球面镜姿态偏差示意图；

图5是本发明中采用ZEMAX软件进行仿真分析布局图；

图6是本发明中在理想位置时波前畸变误差分布图；

图7是本发明中离轴非球面镜偏摆1'6.88″后面形误差分布图；

图中：A-球面干涉仪，B-离轴非球面镜，C-反射镜，D-检测装置，F-焦点，

1-底板，2-第一支腿，21-第一底座，22-第一激光对准件，3-第二支腿，31-第二底座，33-第二激光对准件，4-第三支腿，5-径向导轨。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

如图1所示，一种离轴非球面镜检测装置D，包括底板1、支腿组件，所述支腿组件设置于所述底板1上；所述底板1设有第一直角边11、第二直角边12、扇形边13，所述第一直角边11与第二直角边12的交点位置与所述扇形边的圆心位置P重合；所述支腿组件包括第一支腿2、第二支腿3、径向导轨5，所述第一支腿2设置于所述第一直角边11与第二直角边12的交点位置；所述径向导轨5一端可转动的设置在所述第一支腿2上，另一端延伸至所述扇形边13；所述第二支腿3可滑动的设置于所述径向导轨5上。

采用本发明的上述技术方案，可以方便直观的测量出离轴非球面镜检测光路中实际离轴量与离轴角的大小，从而可以实时对光路进行调节。其中，定位支腿一2和定位支腿3之间的直线距离即为离轴量的大小，径向导轨5与第二直角边12之间的角度即为离轴角的大小。

在一个实施例中，所述第一支腿2包括第一底座21、第一激光对准件22，所述第一激光对准件22上设有供激光通过的通孔。上述方案中，第一激光对准件22设置于第一底座21之上，当第一支腿2在检测光路中的位置存在偏差时，激光会落在第一激光对准件22上的非通孔区域，此时则需重新调整检测装置D的位置，直至激光穿过第一激光对准件22中间的通孔。

在一个实施例中，所述第二支腿3设有第二底座31、第二激光对准件32，所述第二激光对准件32上设有供激光通过的通孔。上述方案中，第二激光对准件32设置于第一底座31之上，当第二支腿3在检测光路中的位置存在偏差时，激光会落在第二激光对准件32上的非通孔区域，此时则需重新第二支腿3的位置，直至激光穿过第二激光对准件32中间的通孔。

需要说明的是，由于第二支腿3可滑动的设置于径向导轨5上，径向导轨5一端可转动的安装于第一支腿2上，故，对第二支腿3的位置调节包括，将第二支腿3远离或者靠近第一支腿2，或调整径向导轨5的位置，使第二支腿3相对与第一支腿2转动。

在一个实施例中，所述离轴非球面镜面调节误差检测装置还包括第三支腿4，所述第三支腿4位于所述第一直角边上11。上述方案中，第一支腿2和第三支腿4的设置，便于离轴非球面镜检测光路中基准光轴的确定。

在一个实施例中，所述扇形边13上设有角度尺。上述方案中，在扇形边13上设置角度尺，在检测装置的位置调整无误后，可以从角度尺上直接读出离轴角的大小。

在一个实施例中，所述径向导轨5上设有直线刻度尺。上述方案中，在径向导轨5上设置直线刻度尺，在检测装置的位置调整无误后，可以从直线刻度尺上直接读出离轴量H的大小。

如图1、图2所示，本发明另一方面，提供了一种离轴非球面镜检测系统，包括球面干涉仪A、离轴非球面镜B、反射镜C、及上述的检测装置D，所述球面干涉仪A发出的激光经过所述第一支腿2至离轴非球面镜B的反射面上，所述离轴非球面镜B反射面上反射的激光经第二支腿3平行射入所述反射镜C上。

采用本发明的上述技术方案，将球面干涉仪A、离轴非球面镜B、反射镜C按照无像差点面形检测光路进行位置调整，具体位置如图2所示，再将上述的检测装置D在检测光路中的位置进行调整，具体的，所述第一支腿2位于球面干涉仪A的焦点F处，第二支腿2位于离轴非球面镜B和反射镜C之间的光路上。此时定位支腿一2和定位支腿3之间的直线距离即为离轴量的大小，径向导轨5与第二直角边12之间的角度即为离轴角/>的大小。

本发明还提供了一种离轴非球面镜误差分析方法，其采用上述的离轴非球面镜检测系统进行检测，包括以下步骤：

步骤H1：调整球面干涉仪A、离轴非球面镜B和反射镜C的相对位置，组成无像差点面形检测光路，其中球面干涉仪A的焦点F与离轴非球面镜B的焦点重合；

步骤H2：调整第一支腿2的位置至球面干涉仪A的焦点F处，调整第二支腿3的位置，使第二支腿3位于所述离轴非球面镜B与反射镜C之间的光路上，此时，第一支腿2与第二支腿3之间的直线距离即为离轴量，径向导轨5与第二直角边12之间的角度即为离轴角/>；

步骤H3：计算得到离轴量偏差，离轴角偏差/>θ；

步骤H4：计算得到离轴量偏差引起的离轴非球面镜的转动量为/>，离轴角偏差/>θ引起的离轴非球面镜的转动量为/>，以及由于离轴量偏差/>和离轴角偏差/>θ引起的离轴非球面镜的最大偏角/>，/>；

步骤H5：在仿真分析中，设定由于离轴量偏差和离轴角偏差/>引起的离轴非球面镜的最大偏角/>，并对其进行仿真分析。

在一个实施例中，由离轴量偏差引起离轴非球面镜转动量为/>，离轴角偏差/>θ引起离轴非球面镜转动量为/>的计算公式为：

，

，

式中，为焦距，H为离轴量，/>为离轴角。

如图3中，O为离轴非球面镜中心点，H为离轴量，为离轴角，/>为离轴量偏差，为离轴非球面镜转动前和转动后，离轴非球面镜底面的夹角，即由离轴量偏差/>引起的离轴非球面镜转动量为/>。通过图3可以得到/>的计算公式为：

。

如图4中，O为离轴非球面镜中心点，H为离轴量，为离轴角，/>θ为离轴角偏差，为离轴非球面镜转动前和转动后，离轴非球面镜底面的夹角，即由离轴角偏差/>θ引起的离轴非球面镜转动量为/>。通过图4可以得到/>的计算公式为：

。

在一个实施例中，根据步骤H1和步骤H2的方法对离轴非球面镜检测光路进行调节，获得检测光路中的离轴量和离轴角/>，如/>=300，/>=21.24°；

计算获得离轴量偏差，离轴角偏差/>θ，如/>为0.5mm，/>θ为25'；

根据上述公式，可计算得到由离轴量偏差引起的离轴非球面镜转动量为/>为1.113'；

由离轴角偏差θ引起的离轴非球面镜转动量为/>为0.1″，由于离轴量偏差和离轴角偏差/>θ引起的离轴非球面镜的最大偏角/>为1'6.88″；

应用ZEMAX软件离轴非球面镜件偏摆对波前畸变的影响进行了仿真分析，如图5所示；当离轴非球面镜处于理想的检测位置时，ZEMAX软件计算出的波前图如图6所示；

在仿真分析中，设定由于离轴量偏差和离轴角偏差/>θ引起的离轴非球面镜在坐标系XYZ 中绕轴X旋转1'6.88″的偏摆误差，应用ZEMAX进行分析，获得，面形误差为PV=2.9186λ，RMS = 0.66985λ(λ= 633nm ) , 其产生的误差分布如图7所示。

通过本发明所提供的离轴非球面镜检测系统可以获得由于离轴量偏差和离轴角偏差起的离轴非球面镜的最大偏角，采用本发明所提供的离轴非球面镜误差分析方法，对轴非球面镜进行误差仿真分析时，在软件中设置此最大偏角后再对其进行仿真分析。从分析结果可知，离轴量和离轴角偏差均会导致离轴非球面镜在XYZ坐标系中绕轴X旋转产生一定偏摆误差，从而导致离轴非球面镜的面形误差分布中出现椭圆像散误差。此分析方法使得对于离轴非球面镜的误差分析更为精确。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种离轴非球面镜误差分析方法，其特征在于，采用离轴非球面镜检测系统进行检测，包括以下步骤：

步骤H1：调整球面干涉仪（A）、离轴非球面镜（B）和反射镜（C）的相对位置，组成无像差点面形检测光路，其中球面干涉仪（A）的焦点（F）与离轴非球面镜（B）的焦点重合；

步骤H2：调整第一支腿（2）的位置至球面干涉仪（A）的焦点（F）处，调整第二支腿（3）的位置，使第二支腿（3）位于所述离轴非球面镜（A）与反射镜（C）之间的光路上，此时，第一支腿（2）与第二支腿（3）之间的直线距离即为离轴量，径向导轨（5）与第二直角边（12）之间的角度即为离轴角/>；

步骤H3：计算得到离轴量偏差，离轴角偏差/>θ；

步骤H4：计算得到离轴量偏差引起的离轴非球面镜的转动量为/>，离轴角偏差θ引起的离轴非球面镜的转动量为/>，以及由于离轴量偏差/>和离轴角偏差/>θ引起的离轴非球面镜的最大偏角/>，/>；

步骤H5：在仿真分析中，设定由于离轴量偏差和离轴角偏差/>θ引起的离轴非球面镜的最大偏角/>，并对其进行仿真分析；

，

，

式中，为焦距，H为离轴量，/>为离轴角；

所述离轴非球面镜检测系统，包括球面干涉仪（A）、反射镜（B）、离轴非球面镜（C），还包括检测装置（D），所述球面干涉仪（A）发出的激光经过所述第一支腿（2）至离轴非球面镜（B）的反射面上，所述离轴非球面镜（B）的反射面上反射的激光经第二支腿（3）平行射入所述反射镜（C）；

所述检测装置（D）包括底板（1）、支腿组件，所述支腿组件设置于所述底板（1）上；

所述底板（1）设有第一直角边（11）、第二直角边（12）、扇形边（13），所述第一直角边（11）与第二直角边（12）的交点位置与所述扇形边（13）的圆心位置重合；

所述支腿组件包括第一支腿（2）、第二支腿（3）、径向导轨（5），所述第一支腿（2）设置于所述第一直角边（11）与第二直角边（12）的交点位置；所述径向导轨（5）一端可转动的设置在所述第一支腿（2）上，另一端延伸至所述扇形边（13）；所述第二支腿（3）可滑动的设置于所述径向导轨（5）上。

2.如权利要求1所述的一种离轴非球面镜误差分析方法，其特征在于，所述第一支腿（2）包括第一底座（21）、第一激光对准件（22），所述第一激光对准件（22）上设有供激光通过的通孔。

3.如权利要求2所述的一种离轴非球面镜误差分析方法，其特征在于，所述第二支腿（3）设有第二底座（31）、第二激光对准件（32），所述第二激光对准件（32）上设有供激光通过的通孔。

4.如权利要求3所述的一种离轴非球面镜误差分析方法，其特征在于，还包括第三支腿（4），所述第三支腿（4）位于所述第一直角边（11）上。

5.如权利要求4所述的一种离轴非球面镜误差分析方法，其特征在于，所述扇形边（13）上设有角度尺。

6.如权利要求5所述的一种离轴非球面镜误差分析方法，其特征在于，所述径向导轨（5）上设有直线刻度尺。