CN114486198B - 大口径反射镜检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大口径反射镜检测系统，包括干涉仪、分光镜、补偿镜组、无像差汇聚透镜组、朗奇光栅、成像镜组和相机；干涉仪发出的平面波入射至分光镜，经分光镜反射至补偿镜组，补偿镜组将平面波调制为非球面波后入射至非球面被检镜，经非球面被检镜反射后原路返回至分光镜，一路经分光镜反射进入干涉仪形成干涉图像，另一路依次透过分光镜、无像差汇聚透镜组、朗奇光栅到达成像镜组，通过成像镜组在相机内形成朗奇条纹图像。本发明不但可以对粗加工阶段进行检测，还可对精加工阶段进行检测，二者的检测结果可实时对比校正，同时避免不同检测系统进行过程检测时多次光轴对准与大口径镜面的移动，从而提高检测效率、精简检测系统结构。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种大口径反射镜检测系统。
背景技术
大口径反射镜在航天、天文观测、靶场测量等领域有着广泛的应用，大口径反射镜分为球面镜和非球面镜两种类型，目前大口径反射镜的口径越来越大，对大口径反射镜的加工、检测要求也越来越高。大口径反射镜的加工包括粗加工与精抛光等步骤，其加工过程检测也需要实时跟进。
目前，对大口径反射镜的检测方式主要包括三坐标法、哈德曼法、CGH法、干涉仪法和朗奇光栅检测法。三坐标法对反射镜的口径有一定限制，而且检测耗时较长。CGH法受工艺精度影响较大。哈德曼法与干涉仪法的检测精度较高，但量程较小，在大口径反射镜的粗加工阶段，面型粗糙度大，哈德曼法与干涉仪法检测较困难。朗奇光栅检测法可通过调节光栅的频率实现大口径反射镜从精磨至初抛光过程的检测，适合粗加工过程的指导检测，但在后期精抛光时，难以定量测试大口径反射镜的面型参数，需要干涉仪进行测量，导致粗加工阶段与精加工阶段需要两套检测设备，更换检测设备，有时需要将大口径反射镜移动至特定检测区域，耗时费力且风险较大。更换检测设备需要重新对准光轴，过程耗时。大口径反射镜从粗加工至精加工过程采用一套检测系统的方法与设备较少。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种大口径反射镜检测系统，将朗奇光栅与干涉仪相结合应用于同一光路中，粗加工阶段与精加工阶段共用一套检测系统，无需更换检测设备及无需移动大口径反射镜。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一方面，本发明提供一种大口径非球面反射镜检测系统，包括干涉仪、分光镜、补偿镜组、无像差汇聚透镜组、朗奇光栅、成像镜组和相机；其中，分光镜设置在干涉仪的出光方向上，补偿镜组设置在分光镜的反射方向上，补偿镜组的焦点与大口径非球面反射镜的顶点球心重合，无像差汇聚透镜组、朗奇光栅、成像镜组和相机依次设置在分光镜的透射方向上；干涉仪发出的平面波入射至分光镜，经分光镜反射至补偿镜组，补偿镜组将平面波调制为非球面波后入射至大口径非球面反射镜，经大口径非球面反射镜反射后原路返回至分光镜，一路经分光镜反射进入干涉仪形成干涉图像，另一路依次透过分光镜、无像差汇聚透镜组、朗奇光栅到达成像镜组，通过成像镜组在相机内形成朗奇条纹图像。
优选地，分光镜为分光棱镜或者平板分光镜。
优选地，朗奇光栅的位置不与无像差汇聚透镜组的焦点重合。
优选地，朗奇光栅为一维光栅、二维光栅、矩形孔光栅或圆形孔光栅。
另一方面，本发明还提供一种大口径球面反射镜检测系统，包括干涉仪、分光镜、无像差汇聚透镜组、朗奇光栅、成像镜组和相机；其中，无像差汇聚透镜组与分光镜依次设置在干涉仪的出光方向上，且无像差汇聚透镜组的焦点与大口径球面反射镜的顶点球心重合，朗奇光栅、成像镜组和相机依次设置在分光镜的反射方向上；干涉仪发出的平面波依次透过无像差汇聚透镜组、分光镜入射至大口径球面反射镜，经大口径球面反射镜反射回分光镜，一路透过分光镜回到干涉仪形成干涉图像，另一路被分光镜反射至朗奇光栅，穿过朗奇光栅后通过成像镜组在相机内形成朗奇条纹图像。
优选地，分光镜为分光棱镜或者平板分光镜。
优选地，朗奇光栅的位置不与无像差汇聚透镜组的焦点重合。
优选地，朗奇光栅为一维光栅、二维光栅、矩形孔光栅或圆形孔光栅。
与现有技术相比，本发明能够取得如下技术效果：
1、本发明将朗奇光栅与干涉仪结合在同一光路中，可同时采用朗奇光栅与干涉仪进行检测，利用干涉仪本身发出的平面波进行检测，无需为干涉仪配备标准镜头。
2、本发明不但可以对粗加工阶段进行检测，还可对精加工阶段进行检测，二者的检测结果可实时对比校正，同时避免了不同检测系统进行过程检测时多次光轴对准与大口径镜面的移动，从而提高检测效率、精简检测系统结构。
附图说明
图1是根据本发明实施例1提供的大口径非球面反射镜检测系统的结构示意图；
图2是根据本发明实施例1提供的四种朗奇光栅的结构示意图；
图3是根据本发明实施例2提供的大口径球面反射镜检测系统的结构示意图。
实施例1的附图标记包括：干涉仪1、分光镜2、补偿镜组3、无像差汇聚透镜组4、朗奇光栅5、一维光栅5-1、二维光栅5-2、矩形孔光栅5-3、圆形孔光栅5-4、成像镜组6、相机7、大口径非球面反射镜8；
实施例2的附图标记包括：干涉仪1`、无像差汇聚透镜组2`、分光镜3`、朗奇光栅4`、成像镜组5`、相机6`、大口径球面反射镜7`。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提供的大口径反射镜检测系统分为两种，分别用于检测大口径非球面反射镜和大口径球面反射镜。下面以两个具体实施例对大口径非球面反射镜检测系统和大口径球面反射镜检测系统进行详细说明。
实施例1
图1示出了根据本发明实施例1提供的大口径非球面反射镜检测系统的结构。
如图1所示，本发明实施例1提供的大口径非球面反射镜检测系统包括干涉仪1、分光镜2、补偿镜组3、无像差汇聚透镜组4、朗奇光栅5、成像镜组6和相机7；其中，分光镜2设置在干涉仪1的出光方向上，补偿镜组3设置在分光镜2的反射方向上，补偿镜组3的焦点a与大口径非球面反射镜8的顶点球心重合，无像差汇聚透镜组4、朗奇光栅5、成像镜组6和相机7依次设置在分光镜2的透射方向上，朗奇光栅5的位置不与无像差汇聚透镜组4的焦点b重合，可位于无像差汇聚透镜组4的焦点之前或之后的位置。
干涉仪1发出的平面波入射至分光镜2，经分光镜2反射至补偿镜组3，补偿镜组3将平面波调制为非球面波后汇聚于补偿镜组3的焦点a，随后发散入射至大口径非球面反射镜8，经大口径非球面反射镜8反射后原路返回至分光镜2，一路经分光镜2反射进入干涉仪1进行干涉，在干涉仪1形成干涉图像，另一路透过分光镜2到达无像差汇聚透镜组4(像差接近于0)，穿过朗奇光栅5后汇聚于无像差汇聚透镜组4的焦点b，经成像镜组6在相机7内成像，最终在相机7内形成朗奇条纹图像。
在本发明的一个示例中，分光镜2为平板分光镜或分光棱镜，平板分光镜或分光棱镜的分光斜面与干涉仪1的出射光路呈45°夹角。
图2示出了根据本发明实施例1提供的四种朗奇光栅的结构。
如图2所示，朗奇光栅为一维光栅5-1、二维光栅5-2、矩形孔光栅5-3或圆形孔光栅5-4。当朗奇光栅为一维光栅5-1时，能够测试大口径非球面反射镜8的一个维度的面型信息。首先测试沿着一维光栅5-1缝隙方向上的一个维度的面型信息，然后旋转90°测试另一维度的面型信息。当朗奇光栅为二维光栅5-2时，可同时测试大口径非球面反射镜8两个维度的面型信息。当朗奇光栅为矩形孔光栅5-3或圆形孔光栅5-4时，可测试大口径非球面反射镜8两个维度的面型信息，同时还可测试大口径非球面反射镜8的像散等参数。
通过判断朗奇条纹的形状来确定大口径非球面反射镜8的面型加工缺陷，当面型加工至干涉仪1的检测范围后，干涉仪1的干涉条纹可更加精确指导大口径非球面反射镜8面形的加工方向。该检测系统可指导大口径非球面反射镜从粗磨至精抛光整个过程的加工，省时省力，减少了不同系统检测光路调整的步骤，提高了效率与检测系统的稳定性。
实施例2
图3示出了根据本发明实施例2提供的大口径球面反射镜检测系统的结构。
如图3所示，本发明实施例2提供的大口径球面反射镜检测系统包括干涉仪1`、无像差汇聚透镜组2`、分光镜3`、朗奇光栅4`、成像镜组5`和相机6`，其中，无像差汇聚透镜组2`与分光镜3`依次设置在干涉仪1`的出光方向上，且无像差汇聚透镜组2`的焦点a与大口径球面反射镜7`的顶点球心重合，朗奇光栅4`、成像镜组5`和相机6`依次设置在分光镜3`的反射方向上。
干涉仪1`发出的平面波入射至无像差汇聚透镜组2`汇聚于无像差汇聚透镜组2`的焦点a，再透过分光镜3`入射至大口径球面反射镜7`，经大口径球面反射镜7`反射回分光镜3`，一路透过分光镜3`回到干涉仪1`进行干涉，在干涉仪1`内形成干涉图像，另一路经分光镜3`反射汇聚于焦点b(焦点b与焦点a共轭)，再穿过朗奇光栅4`后经成像镜组5`在相机6`内成像，最终在相机6`内形成朗奇条纹图像。
无像差汇聚透镜组2`和朗奇光栅4`分别与实施例1的无像差汇聚透镜组4和朗奇光栅5相同，故在此不再赘述。
由于实施例2的被测反射镜为球面反射镜，所以实施例2无需设置补偿镜组对球面反射镜进行补偿。
本发明通过将朗奇光栅与干涉仪相结合，应用于同一光路中，充分利用干涉仪光源结构实现朗奇光栅与干涉仪对大口径反射镜的同时检测。在粗加工阶段，利用朗奇光栅进行检测，随着加工精度的提高，更换高密度光栅，提高检测精度。当镜面的加工精度提高至干涉仪的检测范围后，通过读取干涉仪的检测结果判断镜面的加工精度，整个检测系统采用同一光源，可以同时对被检镜进行检测，互相对比校正，对整个镜面加工过程进行实时检测，避免了不同检测系统进行过程检测时多次光轴对准与大口径镜面的移动，提高了检测效率、精简了检测系统结构。
本发明以平面波作为检测光源，无需为干涉仪配备标准镜头。若以球面波作为检测光源，则需为干涉仪配备标准镜头，将干涉仪发出的平面波转换为球面波。这需要根据大口径反射镜的参数选择适当F数的标准镜头与大口径反射镜的F数匹配，否则会出现干涉图样的尺寸过小或检测不全的问题。而干涉仪的标准镜头一般为独立F数的镜头，无连续F数的标准镜头，与大口径反射镜的F数难以实现完全匹配。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种大口径非球面反射镜检测系统，其特征在于，包括干涉仪、分光镜、补偿镜组、无像差汇聚透镜组、朗奇光栅、成像镜组和相机；其中，所述分光镜设置在所述干涉仪的出光方向上，所述补偿镜组设置在所述分光镜的反射方向上，所述补偿镜组的焦点与大口径非球面反射镜的顶点球心重合，所述无像差汇聚透镜组、所述朗奇光栅、所述成像镜组和所述相机依次设置在所述分光镜的透射方向上；所述分光镜为分光棱镜或者平板分光镜，所述朗奇光栅的位置不与所述无像差汇聚透镜组的焦点重合；
所述干涉仪发出的平面波入射至所述分光镜，经所述分光镜反射至补偿镜组，所述补偿镜组将所述平面波调制为非球面波后入射至所述大口径非球面反射镜，经所述大口径非球面反射镜反射后原路返回至所述分光镜，一路经所述分光镜反射进入所述干涉仪形成干涉图像，另一路依次透过所述分光镜、所述无像差汇聚透镜组、所述朗奇光栅到达所述成像镜组，通过所述成像镜组在所述相机内形成朗奇条纹图像。
2.如权利要求1所述的大口径非球面反射镜检测系统，其特征在于，所述朗奇光栅为一维光栅、二维光栅、矩形孔光栅或圆形孔光栅中的任意一种。
3.一种大口径球面反射镜检测系统，其特征在于，包括干涉仪、分光镜、无像差汇聚透镜组、朗奇光栅、成像镜组和相机；其中，
所述无像差汇聚透镜组与所述分光镜依次设置在所述干涉仪的出光方向上，且所述无像差汇聚透镜组的焦点与大口径球面反射镜的顶点球心重合，所述朗奇光栅、所述成像镜组和所述相机依次设置在所述分光镜的反射方向上；所述分光镜为分光棱镜或者平板分光镜，所述朗奇光栅的位置不与所述无像差汇聚透镜组的焦点重合；
所述干涉仪发出的平面波依次透过所述无像差汇聚透镜组、所述分光镜入射至所述大口径球面反射镜，经所述大口径球面反射镜反射回所述分光镜，一路透过所述分光镜回到所述干涉仪形成干涉图像，另一路被所述分光镜反射至所述朗奇光栅，穿过所述朗奇光栅后通过所述成像镜组在所述相机内形成朗奇条纹图像。
4.如权利要求3所述的大口径球面反射镜检测系统，其特征在于，所述朗奇光栅为一维光栅、二维光栅、矩形孔光栅或圆形孔光栅中的任意一种。
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