CN116026255A - 一种无像差点检测光路的粗调装置及粗调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种无像差点检测光路的粗调装置及粗调方法，粗调装置包括干涉仪，一维高度调整架，标准球，三维平移调整架，五维调整架，反射镜以及光屏；干涉仪可通过一维高度调整架在竖直y轴方向移动；标准球可通过三维平移调整架在xyz三个方向移动；反射镜可通过五维调整架绕x轴/y轴方向旋转、且在xyz三个方向移动；光屏的平面与光路的光轴垂直；本发明的粗调装置及方法能够克服光路调整过程对于激光跟踪仪、水平尺等辅助设备的依赖，解决高陡度反射镜检测光路中汇聚光斑弥散带来的调整难题，极大提高重复复位检测效率，提升加工检测迭代效率。

Description

一种无像差点检测光路的粗调装置及粗调方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种无像差点检测光路的粗调装置及粗调方法。

背景技术

无像差点法是一种针对二次曲面的光学检测方法，利用二次曲面的几何性质配合补偿球面对镜面面形误差进行检测，其光路简单、不需要设计专用检具、所需补偿球面小，具有搭建效率高、成本低的优点。对于高陡度椭球面反射镜具有焦距短，镜面F数比较小的特点，干涉仪与镜面之间空间距离有限，补偿检测方法面临不可检测的问题，一方面若采用计算机生成的全息图CGH，设计、制作难度很大；另一方面若采用补偿器，其几何尺寸较大，空间尺寸方面导致难以缩小、光路难以搭建。而无像差点法光路结构简单且空间占用小，可以通过检测图拼接实现全口径面形检测，因此无像差点法是高陡度椭球面光学检测的实用有效手段。

针对高陡度椭球面的无像差点检测方法，反射光斑弥散程度对反射镜位姿敏感度较高，无法采用传统的干涉仪视场内找光斑的方式进行辅助调整，在干涉仪内无法看到光斑作为参考基准的情况下，传统方法主要借助激光跟踪仪等空间位置姿态测量设备对反射镜姿态、光路距离进行精确标定与调整，一方面时间成本较高；另一方面增加了对反射镜基准的加工要求；另外，由于高陡度面形带来的光斑弥散敏感度问题要求反射镜复位精度极高，在实际的加工检测迭代过程中目前高陡度椭球面光学元件常规方法复位后，依然无法在干涉仪视场内迅速找到光点，因此光学元件进行常规复位后依然需要进行高难度的光学粗调整。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种用于高陡度凹椭球面无像差点法光学检测的快速低成本的粗调装置及粗调方法。

本发明提供一种无像差点检测光路的粗调装置，所述粗调装置包括干涉仪1，一维高度调整架2，标准球3，三维平移调整架4，五维调整架5，反射镜6以及光屏7；

所述干涉仪1水平放置在所述一维高度调整架2上，通过所述一维高度调整架2调整所述干涉仪1在竖直y轴方向的移动；

所述标准球3放置在所述三维平移调整架4上，通过所述三维平移调整架4调整所述标准球3在竖直y轴方向的移动、水平x轴方向的移动以及水平z轴方向的移动；

所述反射镜6固定在所述五维调整架5上，通过所述五维调整架5调整所述反射镜6绕水平x轴方向的旋转、绕竖直y轴方向的旋转、在水平x轴方向的移动、在竖直y轴方向的移动以及在水平z轴方向的移动；

所述干涉仪1与所述反射镜6具有对准光路，所述光屏7的平面与所述对准光路的光轴垂直。

优选的，所述光屏7包括底座和中心小孔，所述中心小孔可通光；所述光屏7通过所述底座放置于所述三维平移调整架4上。

本发明还提供一种无像差点检测光路的粗调方法，所述粗调方法通过上述的粗调装置实现。

优选的，所述粗调方法包括步骤：

S1、搭建所述干涉仪1与所述反射镜6的对准光路；

S2、调整所述反射镜6相对所述干涉仪1的位姿，实现所述干涉仪1与所述反射镜6的位姿粗对准；

S3、调整所述标准球3在所述对准光路中的位置；

S4、根据所述对准光路的反射汇聚光斑形状，调整所述反射镜6的位姿，完成调整。

优选的，所述搭建所述干涉仪1与所述反射镜6的对准光路包括：

通过所述一维高度调整架2调整所述干涉仪1的高低位置，使所述干涉仪1的光轴与所述反射镜6的光轴一致。

优选的，所述对准光路中，将所述光屏7放置在所述反射镜6的汇聚焦点处，通过所述光屏7可以观察到通过所述反射镜6反射后的反射汇聚光斑。

优选的，所述调整所述反射镜6相对所述干涉仪1的位姿包括：

S21、通过所述一维高度调整架2调整所述干涉仪1在竖直y轴方向的高度，配合所述反射镜6绕所述水平x轴方向的旋转，将所述对准光路的反射汇聚光斑的形状调整为沿所述水平x轴方向对称；

S22、通过所述五维调整架5调整所述反射镜6在所述水平x轴方向的移动，以及所述反射镜6绕所述竖直y轴方向的旋转，调整所述反射汇聚光斑的形状为圆形边缘，实现所述干涉仪1与所述反射镜6的位姿粗对准。

优选的，所述调整所述标准球3在所述对准光路中的位置包括：

S31、通过所述三维平移调整架4调整所述标准球3的在竖直y轴方向的高度，使所述干涉仪1的内光斑位于视野十字叉丝中心，所述内光斑的形状为完整圆形，所述标准球3的球心高度与所述光轴的高度一致；

S32、通过所述三维平移调整架4调整所述标准球3在所述水平z轴方向的位置，使所述标准球3的球心与所述反射镜6的汇聚焦点重合。

优选的，所述根据所述对准光路的反射汇聚光斑形状，调整所述反射镜6的位姿包括：

将所述光屏7放置于所述干涉仪1的焦点处，使所述干涉仪1发出的汇聚光线通过所述光屏7上的中心小孔，所述光屏7上呈现反射汇聚光斑，所述反射汇聚光斑的形状为不对称的“V”形、“Λ”形、“＞”形或“＜”形。

优选的，若所述反射汇聚光斑形状为“V”形或者“Λ”形，通过所述五维调整架5调整所述反射镜6在所述水平x轴方向的移动，以及所述反射镜6绕所述竖直y轴方向的旋转，将所述反射汇聚光斑的形状调整为沿竖直y轴方向对称；

再通过所述五维调整架5调整所反射镜6在所述竖直y轴方向的移动，以及所述反射镜6绕水平x轴方向的旋转，减小所述反射镜6在所述竖直y轴方向的位姿偏差，并使所述反射汇聚光斑逐渐汇聚，并收敛至所述干涉仪1的焦点，完成调整；

若所述汇聚光斑形状为“＞”形或“＜”形，通过所述五维调整架5调整所述反射镜6在所述竖直y轴方向的移动，以及所述反射镜6绕所述水平x轴方向的旋转，将所述反射汇聚光斑的形状调整为沿所述水平x轴方向对称；

再通过所述五维调整架5调整所反射镜6在所述水平x轴方向的移动，以及所述反射镜6绕所述竖直y轴方向的旋转，减小所述反射镜6在所述水平x轴方向的位姿偏差，并使所述反射汇聚光斑逐渐汇聚，并收敛至所述干涉仪1的焦点，完成调整。

本发明提供的无像差点检测光路的粗调装置及方法，能够克服光路调整过程对于激光跟踪仪、水平尺等辅助设备的依赖，解决高陡度反射镜检测光路中反射汇聚光斑弥散带来的调整难题，极大提高重复复位检测效率，提升加工检测迭代效率；而且，本发明提供的无像差点检测光路的粗调装置及方法并不局限于高陡度凹椭球面的无像差点法光学检测，还可以广泛应用到其他采用补偿器、CGH的非球面反射镜光路的调整中。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中粗调装置的光路原理示意图；

图2为本发明具体实施方式中粗调方法的流程示意图；

附图标记

1干涉仪，2一维高度调整架，3标准球，4三维平移调整架，5五维调整架，6反射镜，7光屏。

具体实施方式

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。

具体实施方式中，如图1所示，本发明提供一种无像差点检测光路的粗调装置，所述粗调装置包括干涉仪1，一维高度调整架2，标准球3，三维平移调整架4，五维调整架5，反射镜6以及光屏7。

具体实施方式中，所述干涉仪1水平放置在所述一维高度调整架2上，通过所述一维高度调整架2调整所述干涉仪1在竖直y轴方向的移动；所述标准球3放置在所述三维平移调整架4上，通过所述三维平移调整架4调整所述标准球3在竖直y轴方向的移动、水平x轴方向的移动以及水平z轴方向的移动；所述反射镜6固定在所述五维调整架5上，通过所述五维调整架5调整所述反射镜6绕水平x轴方向的旋转、绕竖直y轴方向的旋转、在水平x轴方向的移动、在竖直y轴方向的移动以及在水平z轴方向的移动；所述干涉仪1与所述反射镜6具有对准光路，所述光屏7的平面与所述对准光路的光轴垂直；所述光屏7包括底座和中心小孔，所述中心小孔可通光；所述光屏7通过所述底座放置于所述三维平移调整架4上。

本发明提供的无像差点检测光路的粗调装置中，在反射镜6与干涉仪1之间放置光屏7观察汇聚光斑的形状，通过调整汇聚光斑的边缘为圆形，实现反射镜6的位姿相对干涉仪1的粗对准；而且，将标准球3放置于其球心与干涉仪1的焦点重合的位置，通过调整标准球3的高度使干涉仪1的内光斑位于视野十字叉丝中心，且内光斑为完整圆形，实现标准球3的高度相对干涉仪1的高度的对准。另外，将光屏7放置于干涉仪1的焦点处，根据反射镜6返回光斑的形状判断失调位姿方向，根据汇聚光斑形状调整水平x轴方向与竖直y这周方向两个方向的失调量，最终实现返回光斑汇聚并与干涉仪1的焦点重合。

具体的实施方式中，本发明提供的无像差点检测光路的粗调装置中的光线传播过程如下：干涉仪1的内部发出光线，经过干涉仪1窗口的标准球3汇聚后形成发散球面光后，向反射镜6传播，经过反射镜6反射后近似原路返回；假如反射镜6的镜面是理想面，且位置是理想位置，那么会沿着设计的原路返回，获得一个理想汇聚光斑；然而实际反射镜6的镜面并非理想面而是带有一定面形误差，且位置相对理想位置有一定偏差，光线的返回路径会与理想光路产生偏差，导致反射后汇聚的光斑产生畸形而不是一理想光斑。

具体实施方式中，如图2所示，本发明还提供一种无像差点检测光路的粗调方法，所述粗调方法通过上述的粗调装置实现。具体的，所述粗调方法包括步骤：

S1、搭建所述干涉仪1与所述反射镜6的对准光路；具体包括：

通过所述一维高度调整架2调整所述干涉仪1的高低位置，使所述干涉仪1的光轴与所述反射镜6的光轴一致或者基本一致；所述对准光路中，将所述光屏7放置在所述反射镜6的汇聚焦点处，通过所述光屏7可以观察到通过所述反射镜6反射后的反射汇聚光斑。

S2、调整所述反射镜6相对所述干涉仪1的位姿，实现所述干涉仪1与所述反射镜6的位姿粗对准；具体包括：

S21、通过所述一维高度调整架2调整所述干涉仪1在竖直y轴方向的高度，配合所述反射镜6绕所述水平x轴方向的旋转，将所述对准光路的反射汇聚光斑的形状调整为沿所述水平x轴方向对称，此时反射汇聚光斑仍然有畸变而不是圆形；

S22、通过所述五维调整架5调整所述反射镜6在所述水平x轴方向的移动，以及所述反射镜6绕所述竖直y轴方向的旋转，调整所述反射汇聚光斑的形状为圆形边缘，实现所述干涉仪1与所述反射镜6的位姿粗对准。

S3、调整所述标准球3在所述对准光路中的位置；具体包括：

S31、通过所述三维平移调整架4调整所述标准球3的在竖直y轴方向的高度，使所述干涉仪1的内光斑位于视野十字叉丝中心，所述内光斑的形状为完整圆形，所述标准球3的球心高度与所述光轴的高度一致或相当；

S32、通过所述三维平移调整架4调整所述标准球3在所述水平z轴方向的位置，使所述标准球3的球心与所述反射镜6的汇聚焦点重合或大致重合。

S4、根据所述对准光路的反射汇聚光斑的形状，调整所述反射镜6的位姿，完成调整。具体包括：

将所述光屏7放置于所述干涉仪1的焦点处，使所述干涉仪1发出的汇聚光线通过所述光屏7上的中心小孔，所述光屏7上呈现反射汇聚光斑，所述反射汇聚光斑的形状为不对称的“V”形、“Λ”形、“＞”形或“＜”形。

具体的实施方式中，若所述反射汇聚光斑的形状为“V”形或者“Λ”形，通过所述五维调整架5调整所述反射镜6在所述水平x轴方向的移动，以及所述反射镜6绕所述竖直y轴方向的旋转，将所述反射汇聚光斑的形状调整为沿竖直y轴方向对称；

再通过所述五维调整架5调整所反射镜6在所述竖直y轴方向的移动，以及所述反射镜6绕水平x轴方向的旋转，减小所述反射镜6在所述竖直y轴方向的位姿偏差，并使所述反射汇聚光斑逐渐汇聚，并收敛至所述干涉仪1的焦点，此时在干涉仪align模式下可以看到对准光点，在view模式下可以看到镜面干涉条纹，完成调整。

具体的实施方式中，若所述反射汇聚光斑的形状为“＞”形或“＜”形，通过所述五维调整架5调整所述反射镜6在所述竖直y轴方向的移动，以及所述反射镜6绕所述水平x轴方向的旋转，将所述反射汇聚光斑的形状调整为沿所述水平x轴方向对称；

再通过所述五维调整架5调整所反射镜6在所述水平x轴方向的移动，以及所述反射镜6绕所述竖直y轴方向的旋转，减小所述反射镜6在所述水平x轴方向的位姿偏差，并使所述反射汇聚光斑逐渐汇聚，并收敛至所述干涉仪1的焦点，此时在干涉仪align模式下可以看到对准光点，在view模式下可以看到镜面干涉条纹，完成调整。

本发明提供的无像差点检测光路的粗调装置及方法，能够克服光路调整过程对于激光跟踪仪、水平尺等辅助设备的依赖，解决高陡度反射镜检测光路中汇聚光斑弥散带来的调整难题，极大提高重复复位检测效率，提升加工检测迭代效率；而且，本发明提供的无像差点检测光路的粗调装置及方法并不局限于高陡度凹椭球面的无像差点法光学检测，还可以广泛应用到其他采用补偿器、CGH的非球面反射镜光路的调整中。

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做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 (10)

1.一种无像差点检测光路的粗调装置，其特征在于，所述粗调装置包括干涉仪，一维高度调整架，标准球，三维平移调整架，五维调整架，反射镜以及光屏；

所述干涉仪水平放置在所述一维高度调整架上，通过所述一维高度调整架调整所述干涉仪在竖直y轴方向的移动；

所述标准球放置在所述三维平移调整架上，通过所述三维平移调整架调整所述标准球在竖直y轴方向的移动、水平x轴方向的移动以及水平z轴方向的移动；

所述反射镜固定在所述五维调整架上，通过所述五维调整架调整所述反射镜绕水平x轴方向的旋转、绕竖直y轴方向的旋转、在水平x轴方向的移动、在竖直y轴方向的移动以及在水平z轴方向的移动；

所述干涉仪与所述反射镜具有对准光路，所述光屏的平面与所述对准光路的光轴垂直。

2.如权利要求1所述的粗调装置，其特征在于，所述光屏包括底座和中心小孔，所述中心小孔可通光；所述光屏通过所述底座放置于所述三维平移调整架上。

3.一种无像差点检测光路的粗调方法，其特征在于，所述粗调方法通过权利要求2所述的粗调装置实现。

4.如权利要求3所述的粗调方法，其特征在于，所述粗调方法包括步骤：

S1、搭建所述干涉仪与所述反射镜的对准光路；

S2、调整所述反射镜相对所述干涉仪的位姿，实现所述干涉仪与所述反射镜的位姿粗对准；

S3、调整所述标准球在所述对准光路中的位置；

S4、根据所述对准光路的反射汇聚光斑的形状，调整所述反射镜的位姿，完成调整。

5.如权利要4所述的粗调方法，其特征在于，所述搭建所述干涉仪与所述反射镜的对准光路包括：

通过所述一维高度调整架调整所述干涉仪的高低位置，使所述干涉仪的光轴与所述反射镜的光轴一致。

6.如权利要求4所述的粗调方法，其特征在于，所述对准光路中，将所述光屏放置在所述反射镜的汇聚焦点处，通过所述光屏可以观察到通过所述反射镜反射后的反射汇聚光斑。

7.如权利要求4所述的粗调方法，其特征在于，所述调整所述反射镜相对所述干涉仪的位姿包括：

S21、通过所述一维高度调整架调整所述干涉仪在竖直y轴方向的高度，配合所述反射镜绕所述水平x轴方向的旋转，将所述对准光路的反射汇聚光斑的形状调整为沿所述水平x轴方向对称；

S22、通过所述五维调整架调整所述反射镜在所述水平x轴方向的移动，以及所述反射镜绕所述竖直y轴方向的旋转，调整所述反射汇聚光斑的形状为圆形边缘，实现所述干涉仪与所述反射镜的位姿粗对准。

8.如权利要求4所述的粗调方法，其特征在于，所述调整所述标准球在所述对准光路中的位置包括：

S31、通过所述三维平移调整架调整所述标准球的在竖直y轴方向的高度，使所述干涉仪的内光斑位于视野十字叉丝中心，所述内光斑的形状为完整圆形，所述标准球的球心高度与所述光轴的高度一致；

S32、通过所述三维平移调整架调整所述标准球在所述水平z轴方向的位置，使所述标准球的球心与所述反射镜的汇聚焦点重合。

9.如权利要求4所述的粗调方法，其特征在于，所述根据所述对准光路的反射汇聚光斑的形状，调整所述反射镜的位姿包括：

将所述光屏放置于所述干涉仪的焦点处，使所述干涉仪发出的汇聚光线通过所述光屏上的中心小孔，所述光屏上呈现反射汇聚光斑，所述反射汇聚光斑的形状为不对称的“V”形、“Λ”形、“＞”形或“＜”形。

10.如权利要求9所述的粗调方法，其特征在于，若所述反射汇聚光斑的形状为“V”形或者“Λ”形，通过所述五维调整架调整所述反射镜在所述水平x轴方向的移动，以及所述反射镜绕所述竖直y轴方向的旋转，将所述反射汇聚光斑的形状调整为沿竖直y轴方向对称；

再通过所述五维调整架调整所反射镜在所述竖直y轴方向的移动，以及所述反射镜绕水平x轴方向的旋转，减小所述反射镜在所述竖直y轴方向的位姿偏差，并使所述反射汇聚光斑逐渐汇聚，并收敛至所述干涉仪的焦点，完成调整；

若所述反射汇聚光斑的形状为“＞”形或“＜”形，通过所述五维调整架调整所述反射镜在所述竖直y轴方向的移动，以及所述反射镜绕所述水平x轴方向的旋转，将所述反射汇聚光斑的形状调整为沿所述水平x轴方向对称；

再通过所述五维调整架调整所反射镜在所述水平x轴方向的移动，以及所述反射镜绕所述竖直y轴方向的旋转，减小所述反射镜在所述水平x轴方向的位姿偏差，并使所述反射汇聚光斑逐渐汇聚，并收敛至所述干涉仪的焦点，完成调整。

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