计算全息和球面反射镜检测不同离轴量非球面的方法技术

计算全息和球面反射镜检测不同离轴量非球面的方法。1.设计检测光路初始结构，确定球面反射镜曲率半径及其相对位置；2.逆向光路追迹，以球面反射镜和计算全息共同补偿离轴子镜像差；3.设计正向自准直检测光路，全息增加倾斜载频用以滤除非工作衍射级次光线；4.求解全息空间频率确定其加工工艺参数；5.设计对准全息、基准全息用以调整干涉仪测试点、计算全息、球面反射镜及待测离轴子镜之间的相对位置；6.重复步骤2‑5，使用相同光路结构、不同计算全息设计不同离轴量子镜自准直检测光路。本发明专利技术可用于不同离轴量非球面的批量检测，仅需更换相应计算全息片即可实现镜面面形的高精度检测，检测光路装调方便，大幅提高了检测效率。

A Method of Measuring Aspheric Surfaces with Different Off-Axis Quantities by Computational Holography and Spherical Mirror

【技术实现步骤摘要】
计算全息和球面反射镜检测不同离轴量非球面的方法
本专利技术属于光学干涉测量领域，具体涉及一种使用球面反射镜和计算全息片组合对不同离轴量非球面反射镜表面面形进行高精度干涉检测的方法。
技术介绍
当今流行的天文望远镜，大多采用高精度的二次曲面反射镜来对天体发出的平行光成像。望远镜光路通常为由非球面组成的两镜系统或三镜系统，望远镜收集的光能量越多，其成像也就越清晰。提高望远镜的分辨能力，主要采用两种方法，一是增加望远镜的进光量，主要是增大望远镜口径(拼接子镜阵列)，二是提高望远镜成像质量(自适应光学)。国际上正在建设的大口径望远镜主镜口径已达到30米量级，TMT(ThirtyMeterTelescope)子镜数量为492块，我国即将立项建造的12米望远镜主镜子镜数量也达到84块，如何对数量众多的离轴镜面进行批量化检测成为了其中一个难点。离轴镜面高精度零位检测常用的方法有无像差点法、补偿法、计算全息法等。小口径的离轴镜面，通常可以将其绕子镜中心点旋转平移，作为轴上自由曲面，设计计算全息片进行面形的高精度检测。然而当检测光路变长，离轴镜面口径增大时，沿非球面法线投影到计算全息片映射严重失真，干涉仪采集到的图像变形也较为严重，缩短检测光路有助于计算全息片映射失真、干涉仪采集镜面图像变形的减小。镜面面形检测光路的缩短，可以采用消球差透镜的方式进行设计，消球差透镜加工精度要求较为严格，加工误差对检测结果有较大的影响。现有技术中，大口径、大离轴量、高陡度非球面镜面面形检测时，单独一块计算全息进行镜面检测时投影畸变较为严重而丢失一些高频信息、消球差透镜与计算全息组合检测时消球差透镜难以加工，这已经成为本领域的一项技术难题。
技术实现思路
为了克服现有技术中，大口径、不同离轴量非球面镜面面形批量化检测时，单独一块计算全息进行镜面检测时投影畸变严重而丢失一些面形高频信息、消球差透镜与计算全息组合检测时大口径消球差透镜难以加工等难题，本专利技术提出了一种采用球面反射镜和计算全息组合对离轴非球面反射镜进行面形检测的方法，球面反射镜不仅起到缩短光路的作用，而且可以补偿离轴非球面大部分像差，检测光路残余像差由计算全息进行补偿。针对不同离轴量的子镜，仅需更换相应的计算全息片，重新调整光路干涉仪及计算全息位置即可实现不同离轴子镜的面形检测，结构简单，最大程度上降低了检测成本。实现上述专利技术目的的技术方案是：计算全息和球面反射镜检测不同离轴量非球面的方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：检测光路逆向追迹，以离轴非球面母镜中心子镜为检测目标，设计球面反射镜，其口径为待测镜面1/3-1/2，球面曲率半径大约设置为待测镜到球面反射镜的距离，使沿中心子镜法线出射的光线，经球面反射镜反射，汇聚到点列图光斑尺寸最小的位置；换言之，步骤1是设计一个球面反射镜，该球面镜可以缩短检测光路距离，补偿离轴子镜大部分像差，为方便检测光路装调，其曲率半径与待测离轴镜面到球面反射镜距离大致相同；步骤2：离轴子镜中心法线方向为检测光路光轴方向，球面反射镜与离轴子镜中心点距离与步骤1母镜中心子镜和球面反射镜距离相同，旋转球面反射镜使沿离轴子镜法线方向出射光线汇聚到轴外一点，以点列图光斑最小均方根半径值为优化目标，球面反射镜到光线汇聚点距离为自变量进行优化，使汇聚光点列图光斑达到最小；步骤3：在球面反射镜光线汇聚光路，插入一块计算全息片，检测光路离轴镜面大部分像差由球面反射镜承担，光路残余像差由计算全息进行补偿，全息区域初始半径设置为40mm，计算全息补偿相位用泽尼克条纹相位多项式进行拟合，以点列图光斑最小均方根半径值为优化目标，泽尼克条纹相位多项式系数为变量进行优化，使汇聚光线点列图优化到艾里斑内，完成检测光路逆向追迹；步骤4：将步骤2、步骤3所设计的逆向检测光路反向旋转，更改为实际镜面测试时的正向自准直光路，计算全息增加倾斜载频用以分离非工作衍射级次光线，以避免杂散衍射级次光线进入干涉仪对检测结果造成影响；步骤5：对计算全息片相位分布一阶求导计算其空间频率，空间频率的倒数即为空间周期。现有加工工艺，计算全息最小空间周期大于10微米/线对(um/lp)时，可以保证非球面的高精度检测，当最小空间周期小于10um/lp时，需增大计算全息口径以提高其设计空间周期，重复步骤3-4，计算镜面检测全息区域相位分布，确保其最小空间周期符合现有加工工艺；步骤6：在非球面检测主全息区域外，设计基准全息、对准全息用以调整计算全息和干涉仪测试点之间的相对位置、以及计算全息和球面反射镜之间的相对位置；步骤7：不同离轴量的非球面子镜，仍然采用如上球面反射镜补偿离轴非球面大部分像差，检测光路离轴子镜到球面反射镜距离相同，球面反射镜相对子镜中心法线方向偏转角度相同，仅球面镜到光线汇聚点距离不同，记录该球面镜到光线汇聚点距离“不同”的数据；步骤8，重复步骤3-步骤6，设计不同计算全息元件，即可完成不同离轴量非球面反射镜的高精度零位检测。步骤3中所述计算全息其本质为空间周期随空间位置变化的光栅，除工作衍射级次外，其它衍射级次返回光线均需通过增加倾斜载频的方式用孔径光阑进行滤除，以去除杂散衍射级次光线对检测结果的不良影响。步骤6，除检测离轴镜面主全息区域外，还需设计基准全息和对准全息区域，实现干涉仪测试点、计算全息、球面反射镜、待测离轴镜面之间的相对位置校准。步骤7，不同离轴子镜检测光路，各离轴子镜到球面反射镜距离相同，球面反射镜相对离轴子镜中心法线方向偏转角度相同，降低了不同离轴子镜检测光路装调难度。本专利技术方法采用一块球面反射镜缩短检测光路长度，并且补偿离轴镜面大部分像差，可以有效减小计算全息映射失真，避免复杂光学元件(如消球差透镜)的加工，以实现离轴镜面的高精度检测。不同离轴量子镜，采用相同的检测光路，球面反射镜在光路中位置，偏转角度不变，更换离轴非球面后，仅需调整干涉仪、计算全息沿光轴位置即可实现不同离轴子镜的快速批量化检测。附图说明图1为大口径望远镜拼接主镜俯视图与侧视图，大型天文望远镜主镜由84块子镜组成，对主镜区域进行分析，可以分为6个扇形区域，每个区域包含14种类型的离轴子镜。除中心子镜为旋转对称镜面外，其余子镜均为不同离轴量的非球面子镜；图2为检测光路球面反射镜设计思路；图3为离轴非球面子镜检测光路，不同离轴量子镜到球面反射镜距离相同，且球面反射镜与子镜中心法线方向偏转角度相同，避免了不同离轴子镜检测时，检测光路的大范围调整，球面反射镜到汇聚点距离不同，检测不同离轴子镜，仅需更换相应计算全息片、调节干涉仪测试点到计算全息距离、计算全息到球面反射镜距离即可；图4-1、图4-2为边缘子镜检测光路设计结果，点列图达到衍射极限，波像差PV为0.0002λ，RMS为0.0000λ。图5-1、图5-2为计算全息片区域布局及边缘子镜相应主全息条纹(放大150倍)，其中主全息用于非球面面形的检测，对准全息用于CGH(Computergeneratedhologram)和干涉仪焦点之间的对准，基准全息用于实现CGH、球面反射镜、待测离轴子镜的相对位置调节。具体实施方式实施例1，计算全息和球面反射镜检测不同离轴量非球面的方法，结合附图对本专利技术作进一步详细描述。图中，非球面母镜1，子镜口径2，离轴量3，母镜中心轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.计算全息和球面反射镜检测不同离轴量非球面的方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：检测光路逆向追迹，以离轴非球面母镜中心子镜为检测目标，设计球面反射镜，其口径为待测镜面1/3‑1/2，球面曲率半径大约设置为待测镜到球面反射镜的距离，使沿中心子镜法线出射的光线，经球面反射镜反射，汇聚到点列图光斑尺寸最小的位置；步骤2：以离轴子镜中心点法线方向作为光轴方向，不同离轴量子镜和球面反射镜的距离与中心子镜和球面反射镜的距离相同，检测光路球面反射镜旋转相同的角度，进行逆向光路追迹；步骤3：优化球面反射镜到测试点距离，在测试点前插入计算全息片，计算全息补偿相位用泽尼克条纹相位多项式进行拟合，优化计算全息相位，使光线汇聚到艾里斑内，完成检测光路逆向追迹；步骤4：将所设计的逆向检测光路反向旋转，更改为实际镜面测试时的正向自准直光路，计算全息增加倾斜载频用以分离非工作衍射级次光线，以避免杂散衍射级次光线进入干涉仪对检测结果造成影响；步骤5：根据计算全息相位分布求解空间频率，确定其加工工艺参数；步骤6：在非球面检测主全息区域外，设计基准全息、对准全息用以调节干涉仪测试点、计算全息、球面反射镜、待测离轴镜面之间的相对位置；步骤7：不同离轴量的非球面子镜，离轴镜中心和球面反射镜中心距离与中心子镜和球面反射镜的距离相同，检测光路球面反射镜相对子镜中心法线方向偏转角度相同，仅球面镜到光线汇聚点距离不同，记录球面镜到光线汇聚点距离数据；步骤8，重复步骤3‑步骤6，设计不同计算全息元件，即可完成不同离轴量非球面反射镜的高精度零位检测。...

【技术特征摘要】
1.计算全息和球面反射镜检测不同离轴量非球面的方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：检测光路逆向追迹，以离轴非球面母镜中心子镜为检测目标，设计球面反射镜，其口径为待测镜面1/3-1/2，球面曲率半径大约设置为待测镜到球面反射镜的距离，使沿中心子镜法线出射的光线，经球面反射镜反射，汇聚到点列图光斑尺寸最小的位置；步骤2：以离轴子镜中心点法线方向作为光轴方向，不同离轴量子镜和球面反射镜的距离与中心子镜和球面反射镜的距离相同，检测光路球面反射镜旋转相同的角度，进行逆向光路追迹；步骤3：优化球面反射镜到测试点距离，在测试点前插入计算全息片，计算全息补偿相位用泽尼克条纹相位多项式进行拟合，优化计算全息相位，使光线汇聚到艾里斑内，完成检测光路逆向追迹；步骤4：将所设计的逆向检测光路反向旋转，更改为实际镜面测试时的正向自准直光路，计算全息增加倾斜载频用以分离非工作衍射级次光线，以避免杂散衍射级次光线进入干涉仪对检测结果造成影响；步骤5：根据计算全息相位分布求解空间频率，确定其加工工艺参数；步骤6：在非球面检测主全息区域外，设计基准全息、对准全息用以调节干涉仪测试点、计算全息、球面反射镜、待测离轴镜面之间的相...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新南，王丰璞，徐晨，黄亚，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32