CN211698426U - 前后零位补偿结合检验凹非球面镜的光学系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种前后零位补偿结合检验凹非球面镜的光学系统。由检测设备发出平行光线经后零位补偿透镜汇聚到待检凹非球面镜的曲率半径球心像o后，光线发散再经前零位补偿透镜透射，至待检凹非球面镜自准反射沿原路返回。平行光检测相对会聚光路，可以忽略检测设备与补偿镜距离、偏心影响因素，装调环节少，有利于获取高精度非球面面形；前后零位补偿镜相结合，使非球面球心前后区间具有相关性，大大提升了补偿镜的像差补偿能力，可实现大相对孔径非球面检测；补偿镜与被检非球面口径比非常小仅为0.1，材料易于获取与加工；采用两片全球面透镜，数量少、结构简单，适用于各种光学仪器领域大口径、大相对孔径和高精度的非球面检测。

Description

前后零位补偿结合检验凹非球面镜的光学系统

技术领域

本专利涉及光学检测领域，具体是指将前零位补偿方法与后零位补偿方法相结合的用于高精度大相对孔径非球面检验的平行光检测光学系统。

背景技术

大口径光学系统在天文观测、空间遥感和地基空间目标探测预警等领域得到了广泛的应用。在光学系统中使用大口径非球面镜能实现提高系统性能、改善像质、减小光学元件数量以及降低系统复杂性的目的。随着非球面光学的应用发展，光学系统在焦距一定的条件下口径越大(即相对孔径越大)则接收的能量越多，对于弱小目标的探测概率就越高，而且光学系统紧凑轻巧。大相对孔径光学系统是高分辨率成像探测领域的热点需求之一，但是大相对孔径凹非球面主镜的加工和检测一直是光学领域的难题，高精度的加工精度要求更加精密的检测方法来实现大相对孔径非球面元件的面形检测。

目前常用的凹非球面镜的检验方法主要有经典非球面检验和零位补偿非球面检验。经典非球面检验利用非球面镜自身消像差点进行自准检验，光栏位于辅助面上，光线两次经过待检非球面镜。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；待检凹非球面镜是自准面，光栏位于待检凹非球面镜上，光线一次经过待检非球面镜。由于非球面镜自身消像差点自准检验方法适用于一般口径和小相对孔径的非球面镜检验，而零位补偿非球面检验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，所以应用更加广泛。

零位补偿检验中的补偿镜装调对于镜面加工精度极其重要，补偿镜到被测镜的距离和偏心必须严格控制，否则会引起无法预测的问题。如用于更加精准的观测天体和研究银河系以及河外星系的详细情况的哈勃望远镜，便遭遇到了严重的补偿器装调错误。哈勃望远镜主镜加工过程中对其面形的检测采用的是干涉测量方法，然而在光路系统装调过程中补偿器到被测镜出现了1.3mm的误差，导致主镜加工产生了极大的偏差，最终造成了上天后的观测距离由设计的140光年缩短为40光年，望远镜发射升空后不得不对其进行在轨修复。

零位补偿非球面镜检验方法有道尔前零位补偿、奥夫纳尔后零位补偿，两种方法又可分成有限元和无限远光路。无限远光路入射方式可以忽略检测设备到补偿镜的距离和偏心影响，设计变量少，装调敏感度低，不存在干涉仪与补偿透镜之间误差产生非球面参数偏离的影响因素。无限远光路相对有限元光路而言，具有结构简单、容易实施的优点，有利于获取高精度的非球面面形检测。然而，由于无限远奥夫纳尔后零位补偿和道尔前零位补偿的补偿镜像差校正能力有限，目前补偿镜与被检镜口径比为0.1时，测试非球面仅能实现相对孔径1/2.8、口径3m，不能满足大口径和大相对孔径的需求。可见道尔前零位补偿、奥夫纳尔后零位补偿这些方法对于采用平行光光束进行大相对孔径的凹非球面镜检验是比较困难的。

将前零位补偿检验和后零位补偿检验相结合应用于非球面检测中，增加了非球面曲率半径球心前后区间的相关性，大大提高了像差的补偿能力；平行光束入射方式可以忽略光源到补偿镜的距离和偏心影响，设计变量少，装调简单，更容易直接通过平面干涉图像定量得到待检非球面的面形误差，不存在干涉仪与补偿透镜之间误差产生非球面参数偏离的影响因素，容易实施，解决了大口径和大相对孔径的高精度非球面面形定量测试问题。

发明内容

综上所述，如何设计大口径、大相对孔径且简单易实施的高精度凹非球面平行光检验光学系统，乃是本专利所要解决的技术问题。

一种前后零位补偿结合检验凹非球面镜的光学系统，包括待检凹非球面镜1、前零位补偿透镜2和后零位补偿透镜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；由检测设备发出的平行光线经后零位补偿透镜3汇聚到待检凹非球面镜1的曲率半径球心像o后，光线发散再经前零位补偿透镜2透射，至待检凹非球面镜1自准反射，随后再次经过前零位补偿透镜2、待检凹非球面镜1的曲率半径球心像o和后零位补偿透镜3透射原路回到检测设备；所述的后零位补偿透镜3的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₁＝0，后零位补偿透镜3与待检凹非球面镜1口径比α₁＝-0.1。

本专利所述的前零位补偿透镜2的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₂＝1.5，前零位补偿透镜2与待检凹非球面镜1口径比α₂＝0.1。

本专利所述的前零位补偿透镜2承担系统较小部分光焦度为25％，后零位补偿透镜3承担系统绝大部分光焦度为75％。

本专利所述的前后零位补偿结合检验凹非球面镜的光学系统设计方法，光学系统初始结构参数确定方法如下：所述的各参数定义h₁为光线在后零位补偿透镜3上的入射高度，h₂为光线在前零位补偿透镜2上的入射高度，光线在后零位补偿透镜3的入射角为u₁、出射角为u₁′，光线在前零位补偿透镜2的入射角为u₂、出射角为u₂′，

为光线在后零位补偿透镜3产生的偏角，

为光线在前零位补偿透镜2产生的偏角，

为后零位补偿透镜3的光焦度，

为前零位补偿透镜2的光焦度，v₁和v₂分别是后零位补偿透镜3和前零位补偿透镜2的入射孔径角规化值，p₁为后零位补偿透镜3的初级球差参量，p₂为前零位补偿透镜2的初级球差参量，p₁为P₁的规化值，p₂为P₂的规化值，Q₁为后零位补偿透镜3弯曲，Q₂为前零位补偿透镜2弯曲，后零位补偿透镜3和前零位补偿透镜2的规化曲率半径分别为r₁、r₂、r₃、r₄。

根据后零位补偿透镜3光线孔径角β₁和前零位补偿透镜2光线孔径角β₂，计算光线的光线孔径角如公式(1)，

u₁＝0，u₂′＝1，u₂＝β₂×u₂′，u₁′＝u₂ (1)

由公式(1)计算光线偏角如公式(2)，

由公式(2)计算光线孔径角规化值如公式(3)，

当前零位补偿透镜2和后零位补偿透镜3材料的折射率为n时，

定义如公式(4)，

后零位补偿透镜3和前零位补偿透镜2的初级球差参量p₁、p₂与规化值P₁和P₂的关系如公式(5)，

后零位补偿透镜3和前零位补偿透镜2的弯曲Q₁和Q₂见公式(6)，

后零位补偿透镜3和前零位补偿透镜2的曲率半径r₁、r₂、r₃、r₄如公式(7)，

给定初始β₁、β₂、α₁、α₂参数值，通过解算公式(1)到公式(7)可以求出后零位补偿透镜3和前零位补偿透镜2的曲率半径规化参数r₁、r₂、r₃、r₄。

从前后零位补偿结合检验凹非球面镜的光学系统原理分析和设计结果来看，前后零位补偿结合检验能力优于常规零位补偿检验的能力。本专利与现有技术相比具有以下优点：

1.本专利将前零位补偿方法和后零位补偿方法相结合，使得非球面曲率半径球心前后区间具有相关性，后零位补偿透镜承担系统75％较大部分光焦度，前零位补偿透镜承担系统25％较小部分光焦度，通过合理的参数分配，大大提升了像差的补偿能力，可以实现大相对孔径和大口径的非球面检测。

2.本专利采用平行光路形式，无需考虑检测设备与补偿元件之间的距离和偏心等装调因素，装配简单、不敏感，稳定性高，容易实施，能直接通过平面干涉图像定量获得待检非球面的面形误差。

3.本专利的最大补偿器口径与被检非球面口径比非常小，仅为0.1，小口径补偿器材料容易获取，便于进行零件加工；采用两片式补偿光学元件，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。

4.本专利检验光路像质优良，系统波像差PV值优于0.1λ(λ＝633nm)，RMS波像差优于0.015λ(λ＝633nm)，适合高精度的非球面面形加工。

5.本专利利用小口径补偿透镜，通过合理的光线孔径角和光焦度参数选择，实现了平行光路条件下的光学系统球差平衡，适用于各种光学仪器领域大口径、大相对孔径和高精度的非球面检测。

附图说明

图1为前后零位补偿结合检验凹非球面镜的光学系统光路，1为待检凹非球面镜、2为前零位补偿透镜、3为后零位补偿透镜。

具体实施方式

本专利提出了前后零位补偿结合检验凹非球面镜的光学系统及设计方法，主要技术指标如下：

1.检测设备与后零位补偿透镜之间为平行光路；

2.前零位补偿透镜和后零位补偿透镜分别与被检凹非球面镜口径比为0.1；

3.前零位补偿透镜的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₁＝1.5，后零位补偿透镜的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₂＝0；

4.前零位补偿透镜承担系统光焦度为25％，后零位补偿透镜承担系统光焦度为75％；

5.检验非球面口径为3.5m、曲率半径为8m、相对孔径为1/1.15；

6.检验光路波像差PV值优于0.1λ(λ＝633nm)，RMS波像差优于0.015λ(λ＝633nm)。

采用非球面参数K＝-1的凹抛物面，计算光学系统规化设计参数过程如下：确定参数β₁＝0、β₂＝1.5，由公式(1)计算u₁＝0，u₂′＝1，u₂＝1.5，u₁′＝1.5，由公式(2)计算光线偏角

由公式(3)计算光线孔径角规化值v₁＝0、v₂＝-3，由公式(4)当前零位补偿透镜2和后零位补偿透镜3材料为K9时计算

由公式(5)计算初级球差参量规化值P₁＝2.815、P₂＝4，由公式(6)计算透镜弯曲Q₁＝-1.827、Q₂＝-4.152，由公式(7)计算透镜的曲率半径r₁＝0.060、r₂＝-0.081、r₃＝-0.165、r₄＝-0.063。

将规化初始光学参数带入光学软件程序，进行缩放后可以获得最终设计参数，如表1所示。

表1前后零位补偿结合检验凹非球面镜光学系统设计参数

Claims (1)

1.一种前后零位补偿结合检验凹非球面镜的光学系统，包括待检凹非球面镜(1)、前零位补偿透镜(2)和后零位补偿透镜(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；由检测设备发出的平行光线经后零位补偿透镜(3)汇聚到待检凹非球面镜(1)的曲率半径球心像o后，光线发散再经前零位补偿透镜(2)透射，至待检凹非球面镜(1)自准反射，随后再次经过前零位补偿透镜(2)、待检凹非球面镜(1)的曲率半径球心像o和后零位补偿透镜(3)透射原路回到检测设备；

所述的后零位补偿透镜(3)的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₁＝0，后零位补偿透镜(3)与待检凹非球面镜(1)口径比α₁＝-0.1；

所述的前零位补偿透镜(2)的入射光线孔径角与出射光线孔径角之比β₂＝1.5，前零位补偿透镜(2)与待检凹非球面镜(1)口径比α₂＝0.1；

所述的前零位补偿透镜(2)承担系统较小部分光焦度为25％，后零位补偿透镜(3)承担系统绝大部分光焦度为75％。

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