CN116222418A - 一种离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法 - Google Patents

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CN116222418A CN202211658791.8A CN202211658791A CN116222418A CN 116222418 A CN116222418 A CN 116222418A CN 202211658791 A CN202211658791 A CN 202211658791A CN 116222418 A CN116222418 A CN 116222418A
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Abstract

本发明公开了一种离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，包括：利用激光跟踪仪的测量结果，确定初始参数信息；搭建检测光路；计算得到在检测光路下激光跟踪仪靶球A与计算全息片A面中心的距离；对待加工离轴非球面反射镜进行加工；在每次加工后，进行加工过程中的面形检测，得到每次加工后的离轴非球面反射镜的面形误差；当面形误差满足设定阈值时，进行面形终检，得到最终加工面形对应的实际顶点曲率半径。本发明在全息计算干涉检测的基础上利用激光跟踪仪，解决了离轴非球面反射镜面形精度和离焦量的快速同步高精度测量问题，在加工过程中严格限定离轴非球面反射镜在检测光路中的位置，提供包含准确几何参数误差的面形误差指导加工。

Description

一种离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法
技术领域
本发明属于超精密光学检测技术领域，尤其涉及一种离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法。
背景技术
先进光学系统设计中离轴非球面的应用为设计提供了更加灵活的设计自由度，并且可以简化系统结构，提高成像质量，因此在航空、航天以及天文光学领域都有重要的应用价值。离轴非球面的顶点曲率半径以及离轴量等几何参数对光学系统最终成像质量有重要影响，是加工及检测中需要重点关注的指标。由于离轴非球面设计的多样性，其加工与检测的难度显著大于同轴光学元件。在粗抛光阶段，基于轮廓仪的检测方法其测试精度、误差分离精度和重复定位精度较低，因而无法精确获取离轴量误差，必须在精抛光阶段采取进一步控制措施。然而，在精抛光阶段采用干涉法检测面形误差时往往容易关注干涉条纹的像差而忽略了离焦量的检测，导致最后光学系统装调时出现较大系统级误差。因此，亟需一种通用性好且同时兼顾检测精度和效率的离轴非球面反射镜离焦量检测方法，为高精度加工提供准确依据。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，在全息计算干涉检测的基础上利用激光跟踪仪，解决了离轴非球面反射镜面形精度和离焦量的快速同步高精度测量问题，在加工过程中严格限定离轴非球面反射镜在检测光路中的位置，提供包含准确几何参数误差的面形误差指导加工。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，包括：
利用激光跟踪仪的测量结果，确定初始参数信息；其中，初始参数信息包括：在反射镜坐标系下激光跟踪仪靶球A与待加工离轴非球面反射镜的离轴非球面顶点的距离Ra，在反射镜坐标系下激光跟踪仪靶球A的空间位置S0，以及，在计算全息片坐标系下激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D的空间位置S1、S2和S3；
基于待加工离轴非球面反射镜、计算全息片和干涉仪，搭建检测光路；并根据S0，计算得到在检测光路下激光跟踪仪靶球A与计算全息片的A面的中心的距离RL；
对待加工离轴非球面反射镜进行加工；
在每次加工后，利用激光跟踪仪的测量结果，结合初始参数信息和RL，进行加工过程中的面形检测，得到每次加工后的离轴非球面反射镜的面形误差；
当面形误差满足设定阈值时，确定完成对待加工离轴非球面反射镜的加工，进行面形终检，得到最终加工面形对应的实际顶点曲率半径。
在上述离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法中，通过如下步骤确定S0和Ra：
将激光跟踪仪靶球座A安装在待加工离轴非球面反射镜的外形轮廓基准位置处；将安装有激光跟踪仪靶球座A的待加工离轴非球面反射镜置于高精度隔振平台上；
利用激光跟踪仪测量得到待加工离轴非球面反射镜外形轮廓基准上的多个离散点的空间位置，并结合图纸设计参数建立反射镜坐标系O-XYZ；其中，反射镜坐标系的原点O为待加工离轴非球面反射镜的离轴非球面顶点，Z轴沿光轴方向，X、Y、Z轴方向满足右手螺旋定则；
将激光跟踪仪靶球A放置于激光跟踪仪靶球座A上，利用激光跟踪仪测量得到激光跟踪仪靶球A在反射镜坐标系中的空间位置，记为S0；
根据S0，计算得到在反射镜坐标系下激光跟踪仪靶球A与待加工离轴非球面反射镜的离轴非球面顶点的距离Ra。
在上述离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法中，激光跟踪仪靶球座A在待加工离轴非球面反射镜上的安装位置满足如下要求：
激光跟踪仪靶球座A的安装位置选择在待加工离轴非球面反射镜近轴端的外形轮廓基准放置；
激光跟踪仪靶球座A的安装位置与待加工离轴非球面反射镜机械对称面位置误差＜1mm；
激光跟踪仪靶球座A的安装位置不与加工、检测工装及设备发生干涉；
保持激光跟踪仪靶球座A在待加工离轴非球面反射镜上的位置不变，直至完成对待加工离轴非球面反射镜的加工、且交付验收后，清除固定胶，拆除激光跟踪仪靶球座A。
在上述离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法中，通过如下步骤确定S1、S2和S3：
将计算全息片置于高精度隔振平台上；其中，计算全息片在检测光路中朝向待加工离轴非球面反射镜的一面记为A面；
将计算全息片的A面朝上，利用计算全息片的外形基准和平面精度，建立计算全息片坐标系O′-X′Y′Z′；其中，计算全息片坐标系的原点O′为计算全息片的A面的中心，Z′轴沿A面法线方向，X′、Y′、Z′轴方向满足右手螺旋定则；
在计算全息片的A面上安装3个激光跟踪仪靶球座：激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D；
将激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D分别放置于激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D上；
利用激光跟踪仪测量得到激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D在计算全息片坐标系中的空间位置，记为S1、S2和S3。
在上述离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法中，激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D在计算全息片的A面上的安装位置满足如下要求：
激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D避开计算全息片的衍射区域；
激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D分布在A面外围，呈三角分布。
在上述离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法中，检测光路如下：干涉仪、计算全息片和待加工离轴非球面反射镜依次设置，干涉仪发出的球面波经计算全息片调制后传播至待加工离轴非球面反射镜表面，并由待加工离轴非球面反射镜反射，反射波透过计算全息片返回干涉仪，形成干涉条纹；其中，待加工离轴非球面反射镜通过待加工离轴非球面反射镜固定在高精度六维平移台上。
在上述离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法中，加工过程中的面形检测的流程如下：
在完成一次加工后，调整待加工离轴非球面反射镜、计算全息片和干涉仪的相对位置，并利用计算全息片的标记点限制待加工离轴非球面反射镜沿X、Y方向的位置，使调节完成后在干涉仪上形成的干涉条纹的数量最少且波像差最小；
利用激光跟踪仪测量得到此时激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D的空间位置，记为S′1、S′2和S′3；将S′1、S′2和S′3分别修改为S1、S2和S3，利用激光跟踪仪坐标系复建功能，在检测光路中建立计算全息坐标系；
利用激光跟踪仪测量得到此时激光跟踪仪靶球A的空间位置，记为S′0；并根据S′0，计算得到此时激光跟踪仪靶球A距离计算全息片的A面的中心的距离R′L；
微调高精度六维平移台，使R′L与RL相等，并且调节完成后在干涉仪上形成的干涉条纹的数量最少且波像差最小，利用干涉仪记录此时的面形误差。
在上述离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法中，若面形误差不满足设定阈值，则进行下一次加工。
在上述离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法中，面形终检的流程如下：
调整待加工离轴非球面反射镜、计算全息片和干涉仪的相对位置，不限制计算全息片的标记点与待加工离轴非球面反射镜的相对位置关系，使调节完成后在干涉仪上形成的干涉条纹的数量最少且波像差最小；
利用激光跟踪仪测量得到此时激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D的空间位置，记为S″1、S″2和S″3；将S″1、S″2和S″3分别修改为S1、S2和S3，利用激光跟踪仪坐标系复建功能，在检测光路中建立计算全息坐标系；
利用激光跟踪仪测量得到此时激光跟踪仪靶球A的空间位置，记为S″0；并根据S″0，计算得到此时激光跟踪仪靶球A距离计算全息片的A面的中心的距离R″L，及激光跟踪仪靶球A与计算全息片Z′轴的夹角θ″；
根据R″L、θ″和Ra，计算得到最终加工得到的离轴非球面反射镜的离轴非球面顶点与计算全息片的A面的中心的距离L″，将检测光路中离轴非球面反射镜与计算全息片的镜间距替换为L″，优化离轴非球面反射镜参数，得到最终加工面形对应的实际顶点曲率半径。
在上述离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法中，激光跟踪仪的测距精度优于10μm@10m；高精度六维平移台的平移精度优于0.1μm、旋转精度优于0.5″。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，可以同时检测离轴非球面反射镜的面形误差和离焦量误差，通用性好，检测精度高。
(2)本发明公开了一种离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，在加工过程中进行面形误差检测，提供包含准确几何参数误差的面形误差指导加工，可以精确控制离轴非球面反射镜离的检测位置，避免仅依据干涉条纹调整离轴非球面反射镜离位置导致加工后的几何参数超差；
(3)本发明公开了一种离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，检测基准在全流程加工过程中相对离轴非球面反射镜离的离轴非球面顶点的位置固定，有效保证了重复检测的精度和准确性，避免了加工的反复。
(4)本发明公开了一种离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，所需设备、操作简单，不直接接触镜面，自动化程度高。
附图说明
图1是本发明实施例中一种激光跟踪仪靶球座A在离轴非球面反射镜上的安装示意图；
图2是本发明实施例中一种反射镜坐标系的示意图；
图3是本发明实施例中一种计算全息片坐标系的示意图；
图4是本发明实施例中一种检测光路的模型示意图；
图5是本发明实施例中一种检测光路的设备布局示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
本发明的核心思想之一在于：在检测光路中，利用计算全息片的投射标记点大致确定离轴非球面反射镜的位置，随后利用高精度六维平移台细微调节离轴非球面反射镜位置使干涉条纹数量最少且波像差最小，测试得到面形误差；再利用激光跟踪仪分别测量离轴非球面反射镜上特征点在反射镜坐标系以及相对于检测光路中计算全息片的位置，根据测量所得的相对位置关系，计算离轴非球面反射镜的离轴非球面顶点与计算全息片中心的实际镜间距；在检测光路中带入实际镜间距并优化离轴非球面反射镜参数，得到检测光路实测面形误差对应的离轴非球面顶点曲率半径等特征参数。在加工过程中，为了控制离轴非球面顶点曲率半径和离轴量等参数的加工误差，在面形检测时先利用激光跟踪仪判断离轴非球面反射镜与理论检测位置的偏差，指导高精度六维平移台将离轴非球面反射镜调整至理论检测位置后再测试面形误差，作为加工的依据，从而在加工过程中实现离轴非球面反射镜离特征参数的误差控制。
在本实施例中，该离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，包括：
步骤1，利用激光跟踪仪1的测量结果，确定初始参数信息。
在本实施例中，初始参数信息可以在加工检测前通过测量计算得到，包括但不仅限于：在反射镜坐标系下激光跟踪仪靶球A与待加工离轴非球面反射镜2的离轴非球面顶点的距离Ra，在反射镜坐标系下激光跟踪仪靶球A的空间位置S0，以及，在计算全息片坐标系下激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D的空间位置S1、S2和S3。
优选的，可以通过如下步骤确定S0和Ra：
a)将激光跟踪仪靶球座A安装在待加工离轴非球面反射镜2的外形轮廓基准位置处，如图1所示。其中，激光跟踪仪靶球座A在待加工离轴非球面反射镜1上的安装位置满足如下要求：激光跟踪仪靶球座A的安装位置选择在待加工离轴非球面反射镜1近轴端的外形轮廓基准放置；激光跟踪仪靶球座A的安装位置与待加工离轴非球面反射镜1机械对称面位置误差＜1mm；激光跟踪仪靶球座A的安装位置不与加工、检测工装及设备发生干涉；保持激光跟踪仪靶球座A在待加工离轴非球面反射镜1上的位置不变，直至完成对待加工离轴非球面反射镜1的加工、且交付验收后，清除固定胶，拆除激光跟踪仪靶球座A。
b)将安装有激光跟踪仪靶球座A的待加工离轴非球面反射镜2置于高精度隔振平台上。利用激光跟踪仪1测量得到待加工离轴非球面反射镜2外形轮廓基准上的多个离散点的空间位置，并结合图纸设计参数建立反射镜坐标系O-XYZ。其中，如图2所示，反射镜坐标系的原点O为待加工离轴非球面反射镜2的离轴非球面顶点，Z轴沿光轴方向，X、Y、Z轴方向满足右手螺旋定则。
c)将激光跟踪仪靶球A放置于激光跟踪仪靶球座A上，利用激光跟踪仪1测量得到激光跟踪仪靶球A在反射镜坐标系中的空间位置，记为S0(可取3～5次测量的平均值，每次测量的时间间隔不少于10分钟)。
d)根据S0，计算得到在反射镜坐标系下激光跟踪仪靶球A与待加工离轴非球面反射镜2的离轴非球面顶点的距离Ra。
优选的，可以通过如下步骤确定S1、S2和S3：
a)将计算全息片3置于高精度隔振平台上。其中，计算全息片3在检测光路中朝向待加工离轴非球面反射镜2的一面记为A面。
b)将计算全息片3的A面朝上，利用计算全息片3的外形基准和平面精度，建立计算全息片坐标系O′-X′Y′Z′。其中，如图3所示，计算全息片坐标系的原点O′为计算全息片3的A面的中心，Z′轴沿A面法线方向，X′、Y′、Z′轴方向满足右手螺旋定则。
c)在计算全息片3的A面上安装3个激光跟踪仪靶球座：激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D。其中，激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D在计算全息片3的A面上的安装位置满足如下要求：激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D避开计算全息片3的衍射区域；激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D分布在A面外围，呈三角分布。
d)将激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D分别放置于激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D上。
e)利用激光跟踪仪1测量得到激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D在计算全息片坐标系中的空间位置，记为S1、S2和S3(为了保证测量精度，可取3～5次测量的平均值，每次测量的测量偏差不大于10μm)。
步骤2，基于待加工离轴非球面反射镜2、计算全息片3和干涉仪4，搭建检测光路；并根据S0，计算得到在检测光路下激光跟踪仪靶球A与计算全息片3的A面的中心的距离RL。
在本实施例中，搭建的检测光路如图4和图5所示，干涉仪4、计算全息片3和待加工离轴非球面反射镜2依次设置，干涉仪4发出的球面波经计算全息片3调制后传播至待加工离轴非球面反射镜2表面，并由待加工离轴非球面反射镜2反射，反射波透过计算全息片3返回干涉仪4，形成干涉条纹。其中，待加工离轴非球面反射镜2通过待加工离轴非球面反射镜2固定在高精度六维平移台5上。
优选的，激光跟踪仪1的测距精度优于10μm@10m；高精度六维平移台5的平移精度优于0.1μm、旋转精度优于0.5″。
步骤3，对待加工离轴非球面反射镜2进行加工。
步骤4，在每次加工后，利用激光跟踪仪1的测量结果，结合初始参数信息和RL，进行加工过程中的面形检测，得到每次加工后的离轴非球面反射镜的面形误差。
在本实施例中，加工过程中的面形检测的流程如下：
a)在完成一次加工后，调整待加工离轴非球面反射镜2、计算全息片3和干涉仪4的相对位置，并利用计算全息片3的标记点限制待加工离轴非球面反射镜2沿X、Y方向的位置，使调节完成后在干涉仪4上形成的干涉条纹的数量最少且波像差最小。
b)利用激光跟踪仪1测量得到此时激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D的空间位置，记为S′1、S′2和S′3(为了保证测量精度，可取3～5次测量的平均值，每次测量的测量偏差不大于10μm)。
c)将S′1、S′2和S′3分别修改为S1、S2和S3，利用激光跟踪仪1坐标系复建功能，在检测光路中建立计算全息坐标系。
d)利用激光跟踪仪1测量得到此时激光跟踪仪靶球A的空间位置，记为S′0；并根据S′0，计算得到此时激光跟踪仪靶球A距离计算全息片3的A面的中心的距离R′L。
e)微调高精度六维平移台，使R′L与RL相等，并且调节完成后在干涉仪4上形成的干涉条纹的数量最少且波像差最小，利用干涉仪4记录此时的面形误差(为了保证测量精度，可取10次测量的平均值)。
在本实施例中，若当前测量计算得到的面形误差不满足设定阈值，则进行下一次加工，且可基于包含准确几何参数误差的面形误差指导下一次加工。若面形误差满足设定阈值，则确定完成对待加工离轴非球面反射镜2的加工，执行步骤5。
步骤5，进行面形终检，得到最终加工面形对应的实际顶点曲率半径。
在本实施例中，面形终检的流程如下：
a)调整待加工离轴非球面反射镜2、计算全息片3和干涉仪4的相对位置，不限制计算全息片3的标记点与待加工离轴非球面反射镜2的相对位置关系，使调节完成后在干涉仪4上形成的干涉条纹的数量最少且波像差最小。
b)利用激光跟踪仪1测量得到此时激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D的空间位置，记为S″1、S″2和S″3(测量3-5次，取平均值，测量偏差不大于10μm)。
c)将S″1、S″2和S″3分别修改为S1、S2和S3，利用激光跟踪仪1坐标系复建功能，在检测光路中建立计算全息坐标系。
d)利用激光跟踪仪1测量得到此时激光跟踪仪靶球A的空间位置，记为S″0；并根据S″0，计算得到此时激光跟踪仪靶球A距离计算全息片3的A面的中心的距离R″L，及激光跟踪仪靶球A与计算全息片3Z′轴的夹角θ″。
e)根据R″L、θ″和Ra，计算得到最终加工得到的离轴非球面反射镜的离轴非球面顶点与计算全息片3的A面的中心的距离L″，将检测光路中离轴非球面反射镜与计算全息片3的镜间距替换为L″，优化离轴非球面反射镜参数，得到最终加工面形对应的实际顶点曲率半径。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，其特征在于，包括：
利用激光跟踪仪(1)的测量结果，确定初始参数信息；其中，初始参数信息包括：在反射镜坐标系下激光跟踪仪靶球A与待加工离轴非球面反射镜(2)的离轴非球面顶点的距离Ra，在反射镜坐标系下激光跟踪仪靶球A的空间位置S0，以及，在计算全息片坐标系下激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D的空间位置S1、S2和S3；
基于待加工离轴非球面反射镜(2)、计算全息片(3)和干涉仪(4)，搭建检测光路；并根据S0，计算得到在检测光路下激光跟踪仪靶球A与计算全息片(3)的A面的中心的距离RL；
对待加工离轴非球面反射镜(2)进行加工；
在每次加工后，利用激光跟踪仪(1)的测量结果，结合初始参数信息和RL，进行加工过程中的面形检测，得到每次加工后的离轴非球面反射镜的面形误差；
当面形误差满足设定阈值时，确定完成对待加工离轴非球面反射镜(2)的加工，进行面形终检，得到最终加工面形对应的实际顶点曲率半径。
2.根据权利要求1所述的离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，其特征在于，通过如下步骤确定S0和Ra：
将激光跟踪仪靶球座A安装在待加工离轴非球面反射镜(2)的外形轮廓基准位置处；将安装有激光跟踪仪靶球座A的待加工离轴非球面反射镜(2)置于高精度隔振平台上；
利用激光跟踪仪(1)测量得到待加工离轴非球面反射镜(2)外形轮廓基准上的多个离散点的空间位置，并结合图纸设计参数建立反射镜坐标系O-XYZ；其中，反射镜坐标系的原点O为待加工离轴非球面反射镜(2)的离轴非球面顶点，Z轴沿光轴方向，X、Y、Z轴方向满足右手螺旋定则；
将激光跟踪仪靶球A放置于激光跟踪仪靶球座A上，利用激光跟踪仪(1)测量得到激光跟踪仪靶球A在反射镜坐标系中的空间位置，记为S0；
根据S0，计算得到在反射镜坐标系下激光跟踪仪靶球A与待加工离轴非球面反射镜(2)的离轴非球面顶点的距离Ra。
3.根据权利要求2所述的离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，其特征在于，激光跟踪仪靶球座A在待加工离轴非球面反射镜(1)上的安装位置满足如下要求：
激光跟踪仪靶球座A的安装位置选择在待加工离轴非球面反射镜(1)近轴端的外形轮廓基准放置；
激光跟踪仪靶球座A的安装位置与待加工离轴非球面反射镜(1)机械对称面位置误差＜1mm；
激光跟踪仪靶球座A的安装位置不与加工、检测工装及设备发生干涉；
保持激光跟踪仪靶球座A在待加工离轴非球面反射镜(1)上的位置不变，直至完成对待加工离轴非球面反射镜(1)的加工、且交付验收后，清除固定胶，拆除激光跟踪仪靶球座A。
4.根据权利要求2所述的离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，其特征在于，通过如下步骤确定S1、S2和S3：
将计算全息片(3)置于高精度隔振平台上；其中，计算全息片(3)在检测光路中朝向待加工离轴非球面反射镜(2)的一面记为A面；
将计算全息片(3)的A面朝上，利用计算全息片(3)的外形基准和平面精度，建立计算全息片坐标系O′-X′Y′Z′；其中，计算全息片坐标系的原点O′为计算全息片(3)的A面的中心，Z′轴沿A面法线方向，X′、Y′、Z′轴方向满足右手螺旋定则；
在计算全息片(3)的A面上安装3个激光跟踪仪靶球座：激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D；
将激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D分别放置于激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D上；
利用激光跟踪仪(1)测量得到激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D在计算全息片坐标系中的空间位置，记为S1、S2和S3。
5.根据权利要求4所述的离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，其特征在于，激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D在计算全息片(3)的A面上的安装位置满足如下要求：
激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D避开计算全息片(3)的衍射区域；
激光跟踪仪靶球座B、激光跟踪仪靶球座C和激光跟踪仪靶球座D分布在A面外围，呈三角分布。
6.根据权利要求4所述的离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，其特征在于，检测光路如下：干涉仪(4)、计算全息片(3)和待加工离轴非球面反射镜(2)依次设置，干涉仪(4)发出的球面波经计算全息片(3)调制后传播至待加工离轴非球面反射镜(2)表面，并由待加工离轴非球面反射镜(2)反射，反射波透过计算全息片(3)返回干涉仪(4)，形成干涉条纹；其中，待加工离轴非球面反射镜(2)通过待加工离轴非球面反射镜(2)固定在高精度六维平移台(5)上。
7.根据权利要求6所述的离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，其特征在于，加工过程中的面形检测的流程如下：
在完成一次加工后，调整待加工离轴非球面反射镜(2)、计算全息片(3)和干涉仪(4)的相对位置，并利用计算全息片(3)的标记点限制待加工离轴非球面反射镜(2)沿X、Y方向的位置，使调节完成后在干涉仪(4)上形成的干涉条纹的数量最少且波像差最小；
利用激光跟踪仪(1)测量得到此时激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D的空间位置，记为S′1、S′2和S′3；将S′1、S′2和S′3分别修改为S1、S2和S3，利用激光跟踪仪(1)坐标系复建功能，在检测光路中建立计算全息坐标系；
利用激光跟踪仪(1)测量得到此时激光跟踪仪靶球A的空间位置，记为S′0；并根据S′0，计算得到此时激光跟踪仪靶球A距离计算全息片(3)的A面的中心的距离R′L；
微调高精度六维平移台，使R′L与RL相等，并且调节完成后在干涉仪(4)上形成的干涉条纹的数量最少且波像差最小，利用干涉仪(4)记录此时的面形误差。
8.根据权利要求7所述的离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，其特征在于，若面形误差不满足设定阈值，则进行下一次加工。
9.根据权利要求7所述的离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，其特征在于，面形终检的流程如下：
调整待加工离轴非球面反射镜(2)、计算全息片(3)和干涉仪(4)的相对位置，不限制计算全息片(3)的标记点与待加工离轴非球面反射镜(2)的相对位置关系，使调节完成后在干涉仪(4)上形成的干涉条纹的数量最少且波像差最小；
利用激光跟踪仪(1)测量得到此时激光跟踪仪靶球B、激光跟踪仪靶球C和激光跟踪仪靶球D的空间位置，记为S″1、S″2和S″3；将S″1、S″2和S″3分别修改为S1、S2和S3，利用激光跟踪仪(1)坐标系复建功能，在检测光路中建立计算全息坐标系；
利用激光跟踪仪(1)测量得到此时激光跟踪仪靶球A的空间位置，记为S″0；并根据S″0，计算得到此时激光跟踪仪靶球A距离计算全息片(3)的A面的中心的距离R″L，及激光跟踪仪靶球A与计算全息片(3)Z′轴的夹角θ″；
根据R″L、θ″和Ra，计算得到最终加工得到的离轴非球面反射镜的离轴非球面顶点与计算全息片(3)的A面的中心的距离L″，将检测光路中离轴非球面反射镜与计算全息片(3)的镜间距替换为L″，优化离轴非球面反射镜参数，得到最终加工面形对应的实际顶点曲率半径。
10.根据权利要求6所述的离轴非球面反射镜离焦量的高精度检测方法，其特征在于，激光跟踪仪(1)的测距精度优于10μm@10m；高精度六维平移台(5)的平移精度优于0.1μm、旋转精度优于0.5″。
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CN115166932A (zh) * 2022-06-30 2022-10-11 北京空间机电研究所 一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法

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