CN210862560U - 改进型奥夫纳尔检验超大口径凹非球面镜的光学系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种改进型奥夫纳尔检验超大口径凹非球面镜的光学系统。由检测设备发出光线经第一补偿透镜和第二补偿透镜透射，至待检凹非球面镜自准后返回。光学系统选用大入射光线孔径角，第一补偿透镜承担较大的非球面法线像差，大大提高了补偿能力，在小口径比条件下实现了非球面球差的平衡；补偿器口径与被检非球面口径比非常小，仅为0.025；采用两片式补偿器结构，补偿透镜数量少、全球面设计，打破了为了检验大口径非球面将补偿系统非球面镜化的设计局限，方案简单，加工周期更短；检验光路像质优良，波像差达到PV值优于0.1λ，适合高精度的非球面面形加工。改进型奥夫纳尔检验可以实现14m超大口径、1:1.43超大相对孔径的非球面镜检验。

Description

改进型奥夫纳尔检验超大口径凹非球面镜的光学系统

技术领域

本专利涉及超大口径、超大相对孔径的凹非球面镜检验，具体是指基于零位补偿检验非球面镜的改进型奥夫纳尔光学系统。光学系统适合于检验曲率半径至少为40m、口径为13.98m的凹非球面镜，相对孔径达到1/1.43；光线一次经过待检凹非球面镜。

背景技术

大口径光学系统在天文光学、空间光学和地基空间目标探测与识别等领域得到了越来越广泛的应用。非球面是大口径光学系统中的一项关键技术，其原因在于大口径非球面具有扩大视场、降低系统复杂性、提高空间分辨率以及增大信号能量等优良特性。设计大口径非球面镜的加工是通过辅助光学系统检验非球面镜实现的，光学检测的方案制约了其在光学系统中的广泛应用。因此，大口径非球面检测方法的研究对提高我国的天文观测、空间遥感和预警水平有十分重要的意义

零位补偿非球面镜检验利用补偿透镜生成的球差补偿待检凹非球面镜的法距差，进行自准检验。具有代表性的典型方法是奥夫纳尔凹非球面镜检验，利用位于待检凹非球面镜曲率半径球心后的补偿正透镜，检验凹抛物面，待检凹抛物面是自准面，属于后零位补偿非球面镜检验。

1962年以后科学家将补偿法用于干涉光路中，使补偿法的价值得到显著提高，根据干涉图形不仅可以对偏差做出定性的分析，同时还可以很高精度做出定量的判断。目前国外很多典型的大型空间望远系统主镜的检测都采用奥夫纳尔补偿方法，其中典型的美国的MMT(Multiple Mirror Telescope)主镜口径6.5m、相对孔径1:1.25，主镜检验使用两片场镜和一片补偿镜的奥夫纳尔补偿器结构，检测结果剩余波像差RMS为0.03λ，补偿镜最大口径为270mm。英国皇家天文台曾用一套三片式奥夫纳尔补偿系统检验一块通光口径为2.5m，相对孔径1:1.2的抛物面主镜，补偿后的剩余波像差RMS为0.31λ。

我国目前研制的大镜面如南京天仪中心的2.16m望远镜主镜，其相对孔径为1:3，检验方法上使用的是Offner补偿器和刀口仪实现定性测量。上海光机所的1.56m望远镜主镜的相对孔径为1:3.3，在检验方法上使用的是古典的哈特曼屏和剪切干涉仪。成都光电所研制的1.1m抛物面主镜，其相对孔径为1:5左右，检验方法上使用的是平面镜自准直技术和Offner补偿器与刀口仪结合实现定性测量。

零位补偿奥夫纳尔非球面镜检验方法利用较小的补偿透镜或反射镜可实现大口径凹非球面镜检验，国外文献表明6.5m口径、1:1.25相对孔径使用了三片补偿器结构，此时补偿镜口径已经较大为270mm；而国内大口径的凹抛物面主镜采用相对孔径较小在1:3左右。国内外发展说明利用零位补偿奥夫纳尔非球面方法检验大口径非球面时的补偿器明显复杂、补偿器口径过大造成难以获取材料等难题，因此本专利提出改进型奥夫纳尔检验光学系统，采用300mm小口径的两片式补偿镜结构来实现14m口径、1/1.43相对孔径的超大口径、超大相对孔径凹非球面镜检验。

相对于目前应用的零位补偿奥夫纳尔非球面镜检验方法，改进型奥夫纳尔检验非球面镜区别在于：

1.改进型奥夫纳尔检验非球面镜的最大补偿器口径与被检非球面口径比非常小，仅为0.025，检验14m口径的补偿器口径不超过350mm，这种口径大小的补偿器透镜材料容易获得。而MMT望远镜主镜检验时补偿器与待检镜的口径比为0.042，当检验14m口径非球面镜需要588mm口径补偿镜，补偿器口径巨大难以获取材料。

2.改进型奥夫纳尔检验非球面镜的补偿器数量仅为两片式，而目前大口径使用的补偿器多为三片或四片式，其中MMT采用三片式结构，补偿镜数量越少，加工精度越高。

3.改进型奥夫纳尔检验大口径非球面镜的相对孔径高达1:1.43，而目前国内大口径常用的相对孔径为1:3左右。一般而言相对孔径越大、非球面陡度越高、设计检验光路难度越大。

4.改进型奥夫纳尔检验大口径非球面镜的光学系统放大倍率(即入射第一补偿镜光线孔径角与出射第二补偿镜光线孔径角之比)β设计为-1.7，打破了常用光学设计-1＜β≤0的使用局限，找到了初始解，获取了小口径补偿器条件下的光学参数。

5.改进型奥夫纳尔检验光学系统的像质优良，系统波像差达到PV值优于0.1λ(λ＝633nm)，RMS波像差优于0.025λ(λ＝633nm)，设计结果优于国外目前水平。

因此，改进型奥夫纳尔检验可以实现大口径、大相对孔径的非球面镜检验，甚至实现超大口径、超大相对孔径的非球面镜检验。

发明内容

改进型奥夫纳尔检验适用于凹非球面镜检验，为研究大口径、大相对孔径甚至超大口径、超大相对孔径的非球面镜检验提供了光学设计模型。一种改进型奥夫纳尔检验超大口径凹非球面镜的光学系统，包括待检凹非球面镜1、第一补偿透镜2和第二补偿透镜3，其特征在于，由检测设备发出的光线经第一补偿透镜2和第二补偿透镜3透射后，至待检凹非球面镜1自准反射，再经第二补偿透镜3和第一补偿透镜2透射原路回到检测设备。

本专利所述的第一补偿透镜2的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₁＝-2.16，第二补偿透镜3的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₂＝0.79，补偿透镜总的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β＝-1.71；第一补偿透镜2与待检凹非球面镜1口径比α₁＝-0.025，第二补偿透镜3与待检凹非球面镜1口径比α₂＝-0.0075；光路可检验曲率半径至少为40m、口径为13.98m的待检凹非球面镜1，相对孔径达到1/1.43；光学系统光栏位于待检凹非球面镜1上；光线一次经过待检凹非球面镜1。

本专利所述的第一补偿透镜2和第二补偿透镜3为K9、石英等玻璃材料；本专利所述的待检凹非球面镜1材料为金属镜或玻璃镜，面形为二次非球面或高次非球面。

从改进型奥夫纳尔检验超大口径凹非球面镜的光学系统原理分析和设计结果来看，改进型奥夫纳尔检验能力优于常规零位补偿检验的能力。改进型奥夫纳尔检验光学系统选用大入射光线孔径角，让第一补偿镜承担补偿比例较大的非球面法线像差，提高了补偿能力，在小口径比条件下实现了非球面球差的平衡；改进型奥夫纳尔检验非球面镜的最大补偿器口径与被检非球面口径比非常小，仅为0.025，小口径补偿器材料容易获取，便于进行零件加工；采用两片式补偿器结构，补偿透镜数量少、全球面设计，打破了为了检验大口径非球面将球面补偿系统非球面镜化的设计局限，方案简单，检验精度更高，加工周期更短；检验光路像质优良，系统波像差达到PV值优于0.1λ(λ＝633nm)，RMS波像差优于0.025λ(λ＝633nm)，适合高精度的非球面面形加工。改进型奥夫纳尔检验凹非球面镜场合，在40m曲率半径时检验非球面的口径高达14m，相对孔径达到1:1.43，可以实现超大口径、超大相对孔径的非球面镜检验。

附图说明

图1为改进型奥夫纳尔检验超大口径凹非球面镜的光学系统光路，1为待检凹非球面镜、2为第一补偿透镜、3为第二补偿透镜。

具体实施方式

本专利提出了改进型奥夫纳尔检验超大口径凹非球面镜的光学系统，主要技术指标如下：

1.第一补偿器与被检凹非球面镜口径比：0.025；

2.补偿透镜总的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β＝-1.71，第一补偿透镜的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₁＝-2.16，第二补偿透镜的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₂＝0.79；

3.检验非球面口径为13.98m、曲率半径为40m、相对孔径为1/1.43；

4.检验光路波像差PV值优于0.1λ(λ＝633nm)，RMS波像差优于0.025λ(λ＝633nm)。

光学系统设计参数如表1所示：

表1改进型奥夫纳尔检验光学系统设计参数

Claims (1)

1.一种改进型奥夫纳尔检验超大口径凹非球面镜的光学系统，包括待检凹非球面镜(1)、第一补偿透镜(2)和第二补偿透镜(3)，其特征在于，

所述光学系统的光栏位于待检凹非球面镜(1)上；由检测设备发出的光线经第一补偿透镜(2)和第二补偿透镜(3)透射后，至待检凹非球面镜(1)自准反射，再经第二补偿透镜(3)和第一补偿透镜(2)透射原路回到检测设备；

所述的第一补偿透镜(2)的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₁＝-2.16，第一补偿透镜(2)与待检凹非球面镜(1)口径比α₁＝-0.025；

所述的第二补偿透镜(3)的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₂＝0.79，第二补偿透镜(3)与待检凹非球面镜(1)口径比α₂＝-0.0075；

补偿透镜总的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β＝-1.71。

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