检测光学自由曲面反射镜面形的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种检测光学自由曲面反射镜面形的方法，包括步骤：S1、对待测自由曲面反射镜的子孔径区域中心的空间位置进行子孔径规划；S2、通过夏克哈特曼波扫描方法获得所述待测自由曲面反射镜的全口径自由曲面检测的光斑位置；S3、以理想自由曲面面型作为参考面型，根据反射定理获得光斑与微透镜阵列的对应关系，再通过逆向光线追迹方法，获得所述待测自由曲面反射镜的失高，实现对所述待测自由曲面反射镜的面形检测。本发明专利技术的方法可通过计算得到光斑与微透镜阵列的对应关系，增大了检测动态范围，避免了利用斜率重构波前的计算误差，提高了面形检测的精度。提高了面形检测的精度。提高了面形检测的精度。

【技术实现步骤摘要】
检测光学自由曲面反射镜面形的方法及装置


[0001]本专利技术涉及光学检测
，特别涉及一种检测光学自由曲面反射镜面形的方法及装置。

技术介绍

[0002]自由曲面的定义很广泛，区别于工业上自由曲面不能用初等函数完全清楚的表达，在光学领域内的自由曲面主要是指非旋转对称的曲面，相较于球面、非球面具有更多的设计自由度来改变面型。正是由于更多的设计自由度，利用自由曲面可以在使用更少的光学元件数量的情况下，矫正光学系统的像差；利用自由曲面非旋转对称特性，可以突破传统的光学成像设计思路，具有更灵活的空间布局，更高的像差平衡能力。因此，自由曲面在照明系统、显示系统、成像系统等领域具有广泛的应用。然而，自由曲面在成像领域尚未进行大规模应用的原因是光学成像领域对自由曲面面形的高精度要求，难点主要表现为光学自由曲面的设计、加工和检测，其中光学自由曲面的检测尤为重要。
[0003]目前，光学自由曲面的检测方法主要是依据非球面检测方法进行了改进，大致可以分为轮廓检测法、波前斜率测量法以及干涉检测法。轮廓检测法分为接触式测量法和非接触式测量。其中，接触式测量方法主要代表有三坐标测量法和轮廓仪法，检测机理是对待测镜进行逐点或逐线的离散数据采样，从而获得采样位置的空间坐标。该方法需要进行大量的数据点采样，因此检测耗时长；检测头在接触待测面时，容易对元件表面产生划伤。非接触式轮廓测量法中，Luphoscan是一种非接触式三维测量系统，面形检测精度在亚微米级，但其价格昂贵，且测量范围有限，尤其是在检测大口径自由曲面面形方面受到限制。波前斜率测量法通过测得x方向和y方向的横向像差偏离量，利用几何像差与波像差关系，经过数值积分获得面形。对于大曲率半径的自由曲面，该方法的检测动态范围受到限制，空间分辨率有限，对自由曲面面形中的高频信息产生平滑效果。干涉法检测原理是双光束干涉，产生的干涉条纹需在干涉仪的动态范围内。干涉法检测自由曲面时通常需要进行补偿，然而由于自由曲面面型的复杂性，补偿器受到设计制作的限制，难以单独完成补偿，采用多个补偿器叠加使用的方式或者若干子区域拼接检测的方式，进行零位或非零位的干涉检测。计算全息图(CGH)检测自由曲面的设计制作难度大，加工成本高，而且不通用；非零位检测中主要面临着回程误差的影响。综上所述，目前光学自由曲面的面形检测方法主要面临着检测精度与动态范围之间的矛盾。

技术实现思路

[0004]本专利技术为解决上述问题，提供一种检测光学自由曲面反射镜面形的方法及装置。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：
[0006]提供一种检测光学自由曲面反射镜面形的方法，包括步骤：
[0007]S1、对待测自由曲面反射镜的子孔径区域中心的空间位置进行子孔径规划；
[0008]S2、通过夏克哈特曼波扫描方法获得所述待测自由曲面反射镜的全口径自由曲面
检测的光斑位置；
[0009]S3、以理想自由曲面面型作为参考面型，根据反射定理获得光斑与微透镜阵列的对应关系，再通过逆向光线追迹方法，获得所述待测自由曲面反射镜的失高，实现对所述待测自由曲面反射镜的面形检测。
[0010]优选地，所述方法还包括步骤：S4、获得所述待测自由曲面反射镜的失高后，通过反复迭代，直至面形检测的面形精度RMS优于5nm，实现对所述待测自由曲面反射镜的面形检测。
[0011]优选地，所述反复迭代包括：以获得失高对应的面型作为参考面型，获得第二失高；再以第二失高对应的面型作为参考面型，获得第三失高。
[0012]优选地，所述夏克哈特曼波扫描方法包括步骤：
[0013]S21、将平行光束垂直入射至所述待测自由曲面反射镜的子孔径区域中心，平行光束垂直入射所述待测自由曲面反射镜的反射波前被分为多个子波前区域，每个子波前经过微透镜阵列成像在电荷耦合器件上，获得光斑位置；
[0014]S22、按照所述子孔径规划移动所述待测自由曲面反射镜的位置，在不同位置分别按照步骤S21进行操作，获得所述全口径自由曲面检测的光斑位置。
[0015]优选地，所述步骤S21中，获得光斑位置包括：通过电荷耦合器件探测到光斑像素点，通过求其质心代表光斑位置。
[0016]优选地，所述步骤S3中所述通过逆向光线追迹方法，获得所述待测自由曲面反射镜的失高包括：通过逆向光线追迹方法，将通过所述光斑位置与所述微透镜阵列的中心的光线作为入射光线，将所述入射光线与所述理想自由曲面面型的交点的X、Y坐标近似为所述平行光束入射到所述待测自由曲面反射镜的入射点的X、Y坐标，根据反射定理获得所述待测自由曲面反射镜的失高。
[0017]本专利技术还提供一种检测光学自由曲面反射镜面形的装置，所述装置包括夏克哈特曼波扫描装置，所述夏克哈特曼波扫描装置包括激光光源、准直镜、分束器、微透镜阵列以及电荷耦合器件探测器；所述激光光源用于产生球面波，所述球面波经过所述准直镜变为平行光；所述平行光入射至所述分束器发生反射，形成反射光；所述反射光垂直入射至待测自由曲面反射镜的子孔径区域中心，形成面形信息反射光；所述面形信息反射光从所述分束器透射，形成透射光；所述微透镜阵列对所述透射光进行空间采样，分成若干小光束，所述若干小光束在所述电荷耦合器件探测器上分别会聚形成光斑像点。
[0018]优选地，所述装置还包括运动平台，所述运动平台用于搭载所述待测自由曲面反射镜，并带动所述待测自由曲面反射镜根据子孔径规划结果进行运动。
[0019]优选地，所述运动包括平移、偏转和旋转。
[0020]本专利技术所提供的检测光学自由曲面反射镜面形的方法，可通过计算得到光斑与微透镜阵列的对应关系，增大了检测动态范围；通过子孔径拼接的方法，提高了空间分辨率，通用性强；在恢复面型时，避免了利用斜率重构波前的计算误差；利用反射定理和迭代方法计算面型矢高，提高了面形检测的精度。
附图说明
[0021]图1是本专利技术一种实施例中检测光学自由曲面反射镜面形的方法流程图。
[0022]图2是本专利技术一种实施例中待测自由曲面反射镜的子孔径规划结果。
[0023]图3是本专利技术一种实施例中夏克哈特曼扫描拼接检测理想自由曲面反射镜的子孔径光线追迹图。
[0024]图4是本专利技术一种实施例中夏克哈特曼扫描拼接检测待测自由曲面反射镜的子孔径光线追迹图。
[0025]图5是本专利技术一种实施例中夏克哈特曼扫描方法的光路结构示意图。
[0026]附图标记：1、激光光源；2、准直镜；3、分束器；4、微透镜阵列；5、CCD探测器；6、待测自由曲面反射镜。
具体实施方式
[0027]为了使本专利技术的目的、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，对本专利技术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专利技术，而不构成对本专利技术的限制。
[0028]如图1所示，为本专利技术一种实施例中检测光学自由曲面反射镜面形的方法流程图，具体的，所检测的面形为残差，即实际面型与理想(或参考)面型的差值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种检测光学自由曲面反射镜面形的方法，其特征在于，包括步骤：S1、对待测自由曲面反射镜的子孔径区域中心的空间位置进行子孔径规划；S2、通过夏克哈特曼波扫描方法获得所述待测自由曲面反射镜的全口径自由曲面检测的光斑位置；S3、以理想自由曲面面型作为参考面型，根据反射定理获得光斑与微透镜阵列的对应关系，再通过逆向光线追迹方法，获得所述待测自由曲面反射镜的失高，实现对所述待测自由曲面反射镜的面形检测。2.如权利要求1所述的检测光学自由曲面反射镜面形的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：S4、获得所述待测自由曲面反射镜的失高后，通过反复迭代，直至面形检测的面形精度RMS优于5nm，实现对所述待测自由曲面反射镜的面形检测。3.如权利要求2所述的检测光学自由曲面反射镜面形的方法，其特征在于，所述反复迭代包括：以获得失高对应的面型作为参考面型，获得第二失高；再以第二失高对应的面型作为参考面型，获得第三失高。4.如权利要求1所述的检测光学自由曲面反射镜面形的方法，其特征在于，所述夏克哈特曼波扫描方法包括步骤：S21、将平行光束垂直入射至所述待测自由曲面反射镜的子孔径区域中心，平行光束垂直入射所述待测自由曲面反射镜的反射波前被分为多个子波前区域，每个子波前经过微透镜阵列成像在电荷耦合器件上，获得光斑位置；S22、按照所述子孔径规划移动所述待测自由曲面反射镜的位置，在不同位置分别按照步骤S21进行操作，获得所述全口径自由曲面检测的光斑位置。5.如权利要求4所述的检测光学自由曲面反射镜面形的方法，其特征在于，所述步骤S21中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王孝坤，王晶，罗霄，李凌众，苏航，张学军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：