大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测系统及检测方法技术方案

大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测系统及检测方法，涉及自由曲面光学检测技术领域，本发明专利技术为解决大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测这一技术难题，进而指导自由曲面光学元件在研磨向抛光过渡阶段的面形加工，实现精研磨阶段尽可能多的去除面形残差，提高光学自由曲面加工的收敛效率，最终为高精度、高性能的光学自由曲面加工及检测提供技术支持。本发明专利技术包括高频段像差检测系统、计算机处理系统和光路夹持与装调系统；光路夹持与装调系统用于对高频段像差检测系统进行调整；本发明专利技术所述的检测系统结构简单，造价便宜，测量精度高，测量斜率的动态范围大，而且空间分辨率高，可以测量干涉仪和哈特曼检测无法测量的大数值斜率问题。率问题。率问题。

【技术实现步骤摘要】
大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测系统及检测方法


[0001]本专利技术涉及自由曲面光学检测
，具体涉及一种大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测系统及检测方法。

技术介绍

[0002]目前，我国在高精尖光电产品加工生产方面的不足日益凸显，我国工业经济结构亟需转型，这就要求我们制造业加快向着高科技、高附加值方向发展。一方面，航空航天、航海等领域对高精度、高质量光电产品的需求日益提高；另一方面，为了保持和加强产品的市场竞争力，产品的开发周期和生产周期越来越短，促使这些光电产品逐步向着微型化、高质量、小批量、多品种、低成本的方向发展。由于自由曲面具有强大的矫正像差和优化系统结构的能力，不仅能提高光学系统的性能指标，而且为光学系统的设计提供更高的自由度，所以，自由曲面越来越受到光学设计人员的青睐，具有自由曲面的光学元件在现代光电产品中的应用也随之日益广泛。
[0003]光学自由曲面是一类非轴对称、不规则且随意构造的曲面，对光学自由曲面高精度、高性能的要求增加了其加工和检测的难度，该难度远比球面镜的加工和检测复杂与困难。特别是大陡度凸面自由曲面高频段像差的检测，导致在研磨向抛光过渡阶段的检测还存在较多局限：测量精度不够、技术不够成熟、检测周期过长、动态范围过小、无法进行全口径在位检测等。如现有技术：(1)三坐标测量机采用逐点扫描的方式进行测量，测量速度慢，无法一次性得到被测元件的全场面形数据；轮廓仪只能测量面形与球面基或非球面基偏离度较小的自由曲面(局部梯度与全局梯度的偏离小于5
°
才可测)。(2)摆臂式轮廓扫描法也面临着测量效率偏低及整体面形拼接过程中存在误差等问题，且目前只能测量离轴非球面类型的自由曲面，关于测量形状复杂、局部梯度变化大、面形数学表达较难的高自由度自由曲面的研究未见报道。(3)夏克
‑
哈特曼波前检测法具有测量速度快、测量精度高及动态测量范围大等优势，但受透镜尺寸的限制以及大梯度自由曲面测量时光斑交叠的影响，该方法的横向测量分辨率不高，相应的测量精度易受分辨率的影响，而且不能进行研磨到抛光阶段的检测。(4)计算全息技术面临的问题是：一对一的补偿测量模式造成其测量通用性较差，从而检测成本较高；针对梯度较大的曲面元件，作为补偿器的CGH需要通过密度很高的衍射结构来实现大梯度波面的输出，因此计算全息的刻线密度受限于目前的微结构加工工艺水平。(5)部分零位补偿技术面临的问题是：测试光路越偏离零位条件光路，回程误差就越大，这为被检面形高精度恢复带来了很大难题；在部分零位补偿法检测自由曲面的过程中，待测件的对准较为困难，影响其面形检测精度；自由曲面非旋转对称性会导致干涉图产生非旋转对称形变，影响面形恢复精度。目前，对于更复杂的大梯度变化自由曲面，其成功应用案例较少。(6)倾斜波面技术测量大口径自由曲面时，需要使用大口径标准补偿镜头，大口径标准补偿镜头的加工非常困难，限制了系统的测量口径。
[0004]本专利技术的目的是为解决大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测这一技术难题，指导自由曲面光学元件在研磨向抛光过渡阶段的面形加工，实现精研磨阶段尽可能多的去
除面形残差，提高光学自由曲面加工的收敛效率，将为光学自由曲面检测技术研究提供理论参考和技术支撑，将推动我国在高精度和大动态范围光学自由曲面检测
的发展，促进高性能光电产品加工方面的进步，为打破国外在高精度自由曲面检测仪器和高性能光电产品加工上的垄断做出贡献，具有重要的科学意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决大陡度凸面光学自由曲面形检测的这一技术难题，设计一种大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测系统及检测方法，指导自由曲面光学元件在研磨向抛光过渡阶段的面形加工，实现精研磨阶段尽可能多的去除面形残差，提高光学自由曲面加工的收敛效率，最终为高精度、高性能的光学自由曲面加工及检测提供技术支持。
[0006]大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测系统，包括高频段像差检测系统、计算机处理系统和光路夹持与装调系统；所述光路夹持与装调系统用于对高频段像差检测系统进行调整；
[0007]所述高频段像差检测系统包括待测凸面自由曲面、发光屏和相机；
[0008]所述计算机处理系统采用计算机辅助光线追迹测量方法对所述高频段像差检测系统的结构参数进行初步标定，然后再对所述结构参数初步标定的基础上，对包括待测凸面自由曲面在内的系统元件偏移以及倾斜参量进行逆向优化，实现对标定误差的有效校正，标定测量得到发光屏、外置针孔和待测凸面自由曲面之间的距离；
[0009]在标定过程中，外置针孔安装在相机镜头的外部，对发光屏、外置针孔的相机和待测凸面自由曲面1进行准直，使相机3的光轴和待测凸面自由曲面1的光轴重合，且待测凸面自由曲面1的光轴与发光屏2的屏幕平行，将相机3调焦在待测凸面自由曲面1的表面；
[0010]所述发光屏2上显示光强编码的相移条纹图通过待测凸面自由曲面1后，经过相机针孔投射到相应的相机的焦平面上，获得对应光线的位置，根据光学系统的几何关系计算波前斜率，重构出波前面形，并计算出波像差；获得待测凸面自由曲面的高频段面形；
[0011]所述光路夹持与装调系统包括X、Y、Z轴旋转台，工装件，单轴连接板，双轴连接板和气浮隔振平台；
[0012]所述相机台固定在单轴连接板上，发光屏固定在双轴连接板上，X、Y、Z轴旋转台固定在工装件上；工装件垂直固定于气浮隔振平台上，待测凸面自由曲面通过夹持机构固定在X、Y、Z轴旋转台上，使所述待测凸面自由曲面实现绕X、Y、Z方向的旋转。
[0013]大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测方法，该方法由以下步骤实现：
[0014]步骤1、对高频段像差检测系统和进行搭建和装调；
[0015]步骤2、采用装调后的高频段像差检测系统对待测凸面自由曲面进行图像信息的采集；
[0016]步骤3、采用计算机对采集的图像信息进行高频段像差进行处理，获得待测凸面自由曲面的面形信息。
[0017]本专利技术的有益效果：本专利技术提出基于计算机调制光学检测系统(Software Configurable Optical Test System,SCOTS)检测大陡度凸面光学自由曲面高频段像差的方法，采用计算机辅助逆哈特曼法协同测量大陡度凸面光学自由曲面高频段像差，以解决在研磨向抛光过渡阶段的检测存在的测量精度不够、技术不够成熟、检测周期过长、动态范
围过小、无法进行全口径在位检测等问题，解决光学自由曲面面形检测这一技术难题，指导自由曲面光学元件在研磨向抛光过渡阶段的面形加工，实现精研磨阶段尽可能多的去除面形残差，提高光学自由曲面加工的收敛效率，最终为高精度、高性能的光学自由曲面加工及检测提供技术支持。本专利技术所述的检测系统结构简单，造价便宜，解决了大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测问题，测量精度高，测量斜率的动态范围大，而且空间分辨率高，可以测量干涉仪和哈特曼检测无法测量的大数值斜率问题。
附图说明
[0018]图1为本专利技术所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测系统，包括高频段像差检测系统(A1)、计算机处理系统(A2)和光路夹持与装调系统(A3)，所述光路夹持与装调系统(A3)用于对高频段像差检测系统(A1)进行调整；其特征是：所述高频段像差检测系统(A1)包括待测凸面自由曲面(1)、发光屏(2)和相机(3)；所述计算机处理系统(A2)采用计算机辅助光线追迹测量方法对所述高频段像差检测系统(A1)的结构参数进行初步标定，然后再对所述结构参数初步标定的基础上，对包括待测凸面自由曲面(1)在内的系统元件偏移以及倾斜参量进行逆向优化，实现对标定误差的有效校正，标定测量得到发光屏(2)、外置针孔(4)和待测凸面自由曲面(1)之间的距离；在标定过程中，外置针孔(4)安装在相机(3)镜头的外部，对发光屏(2)、外置针孔的相机(3)和待测凸面自由曲面(1)进行准直，使相机(3)的光轴和待测凸面自由曲面(1)的光轴重合，且待测凸面自由曲面(1)的光轴与发光屏(2)的屏幕平行，将相机(3)调焦在待测凸面自由曲面1的表面；所述发光屏(2)上显示光强编码的相移条纹图通过待测凸面自由曲面(1)后，经过相机针孔投射到相应的相机的焦平面上，获得对应光线的位置，根据光学系统的几何关系计算波前斜率，重构出波前面形，并计算出波像差；获得待测凸面自由曲面(1)的高频段面形；所述光路夹持与装调系统(A3)包括X、Y、Z轴旋转台(8)，工装件(9)，单轴连接板(10)，双轴连接板(11)和气浮隔振平台(12)；所述相机(3)固定在单轴连接板(10)上，发光屏(2)固定在双轴连接板(11)上，X、Y、Z轴旋转台(8)固定在工装件(9)上；工装件(9)垂直固定于气浮隔振平台(12)上，待测凸面自...

【专利技术属性】
技术研发人员：马鑫雪，王建立，王斌，刘欣悦，
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：