一种光学系统大口径主镜加工误差的后光学补偿方法技术方案

本发明专利技术涉及一种光学系统大口径主镜加工误差的后光学补偿方法，解决当前高精度大口径主镜加工难度大、周期长、成本高的问题；包括1：在光学软件中模拟包含主镜的光学系统，并对其中主镜进行加工，测量并记录加工后主镜的面型误差；2：模拟主镜的加工误差；3：将模拟主镜的加工误差叠加在步骤1的模拟光学系统的主镜中，将其中的次镜替换为自由曲面补偿镜，同时改变自由曲面补偿镜的面型和位姿，校正系统像差后，获得对主镜加工误差补偿后的光学系统；4：将重新调整的光学系统中的自由曲面补偿镜进行加工，并将其代替原光学系统的次镜，且装调位姿与步骤3中调整后的位姿相同，完成主镜加工误差的后光学补偿，获得后光学补偿后的光学系统。学系统。学系统。

【技术实现步骤摘要】
一种光学系统大口径主镜加工误差的后光学补偿方法


[0001]本专利技术属于成像光学设计领域，具体涉及一种光学系统大口径主镜加工误差的后光学补偿方法，可以应用于主镜直径在300mm以上的光学系统的后光学补偿。

技术介绍

[0002]大口径空间光学系统是对地球进行观测、对浩瀚的宇宙进行深空科学研究的重要工具，随着应用的深入和拓展，对大口径光学系统提出了更多的需求，迫切需要低成本、高效率的光学系统制造技术。然而，受限于光学加工设备的制造能力，随着光学系统口径的增加，主镜的研制难度、周期和成本都大幅度增加，并且光学系统口径的大小与主镜加工精度息息相关。对于常规可见光成像系统而言，受光学成像原理的制约，通常要求主镜的加工精度达到RMS 1/30λ～1/50λ@632.8nm量级，才能获得预期的成像质量；同时为了降低发射成本，通常需要对主镜进行高比率轻量化设计，以降低光学系统重量，导致主镜加工过程中极易产生变形，进一步加大了主镜的加工难度、周期和成本。
[0003]国内外对磁流变抛光、离子束抛光等可控柔性抛光工艺等方面进行了大量研究，但仍然无法从本质上解决上述问题，因此，有必要发展高主镜加工误差容忍度的新型光学系统技术，以大幅降低大口径主镜的加工精度要求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种光学系统大口径主镜加工误差的后光学补偿方法，解决当前高精度大口径主镜加工难度大、周期长、成本高的技术问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种光学系统大口径主镜加工误差的后光学补偿方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1：在光学软件中模拟包含主镜的光学系统，并基于模拟光学系统，对光学系统中的主镜进行加工，测量并记录主镜加工后的面型误差；
[0008]步骤2：利用光学设计软件模拟主镜的加工误差，并通过条纹泽尼克多项式表示；
[0009]步骤3：将步骤2中模拟主镜的加工误差叠加在步骤1的模拟光学系统的主镜中，将模拟光学系统中的次镜替换为自由曲面补偿镜，同时改变自由曲面补偿镜的面型和位姿，校正主镜加工误差带来的系统像差后，获得对主镜加工误差补偿后的光学系统，其中，自由曲面补偿镜采用条纹泽尼克多项式表示；
[0010]步骤4：将步骤3中，考虑了主镜加工误差后的光学系统中的自由曲面补偿镜进行加工，并将加工出的自由曲面补偿镜代替原光学系统的次镜，且装调自由曲面补偿镜的位姿与步骤3中调整后的位姿相同，完成主镜加工误差的后光学补偿，获得后光学补偿后的光学系统。
[0011]进一步地，所述步骤3具体包括以下内容：
[0012]3.1将步骤2中模拟主镜的加工误差叠加在步骤1的模拟光学系统的主镜中，同时
将模拟光学系统中的次镜替换为自由曲面补偿镜并改变其位姿，校正主镜加工误差带来的系统像差；
[0013]若补偿之后对应光学系统的像斑尺寸小于艾利斑尺寸，则表示完成主镜加工误差的校正，并执行步骤3.2，反之，则继续改变自由曲面面型并调整其位姿，进行校正，直到满足对应光学系统的像斑尺寸小于艾利斑尺寸；
[0014]3.2基于完成校正后的自由曲面补偿镜的面型和位姿，获得虑了主镜加工误差后的光学系统。
[0015]进一步地，所述光学系统为同轴三反偏视场光学系统，包括同轴依次设置的双曲面次镜、主镜和三镜以及用于改变光路的四镜。
[0016]本专利技术还提出一种光学系统大口径主镜加工误差的后光学补偿方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0017]步骤1：根据需求在光学软件中模拟光学系统，并基于模拟光学系统，对光学系统中的主镜进行加工，测量并记录主镜加工后的面型误差；
[0018]步骤2：利用光学设计软件模拟主镜的加工误差，并通过条纹泽尼克多项式表示；
[0019]步骤3：将步骤2中模拟主镜的加工误差叠加在步骤1的模拟光学系统的主镜中，同时将位于出瞳处，且与主镜所在光阑位置共轭的光学元件替换为自由曲面补偿镜，校正主镜加工误差带来的系统像差，获得考虑了主镜加工误差后的光学系统，其中，自由曲面补偿镜采用条纹泽尼克多项式表示；
[0020]步骤4：将步骤3中，考虑了主镜加工误差后的光学系统中的自由曲面补偿镜进行加工，并将加工出的自由曲面补偿镜代替原光学系统的同一个光学元件，获得后光学补偿后的光学系统。
[0021]进一步地，所述步骤3具体包括以下内容：
[0022]3.1将步骤2中模拟主镜的加工误差叠加在步骤1的模拟光学系统的主镜中，同时将模拟光学系统中的次镜替换为自由曲面补偿镜，校正主镜加工误差带来的系统像差；
[0023]若补偿之后对应光学系统的像斑尺寸小于艾利斑尺寸，则表示完成主镜加工误差的校正，并执行步骤3.2，反之，则继续改变自由曲面面型，进行校正，直到满足对应光学系统的像斑尺寸小于艾利斑尺寸；
[0024]3.2基于完成校正后的自由曲面补偿镜的面型，获得虑了主镜加工误差后的光学系统。
[0025]进一步地，所述光学系统为同轴三反偏视场光学系统，包括同轴依次设置的双曲面次镜、主镜和三镜以及用于改变光路的四镜，所述四镜位于主镜所在光阑位置的共轭位置。
[0026]本专利技术的有益效果：
[0027]本专利技术提出的主镜加工误差后光学自由曲面补偿技术，在光学系统后光路中引入小口径自由曲面光学元件，结合元件位姿改变对系统像差的影响，通过对系统波前进行调控，校正大口径主镜加工误差带来的系统像差，从而将大口径主镜的加工精度要求降低1个数量级左右，降低主镜的加工难度、周期和成本。
附图说明
[0028]图1(a)是大口径同轴三反偏视场光学系统示意图；
[0029]图1(b)是本专利技术实施例1中大口径同轴三反偏视场光学系统的主镜添加加工误差前的系统点列图；
[0030]图1(c)是本专利技术实施例1中大口径同轴三反偏视场光学系统的主镜添加加工误差后的系统点列图；
[0031]图2(a)是本专利技术实施例1中主镜添加泽尼克彗差项表示的加工误差后系统点列图；
[0032]图2(b)是本专利技术实施例1中主镜添加泽尼克彗差项表示的加工误差后的系统像散全视场显示；
[0033]图2(c)是本专利技术实施例1中主镜添加泽尼克彗差项表示的加工误差后系统彗差全视场显示；
[0034]图2(d)是本专利技术实施例1中次镜位姿补偿后系统点列图；
[0035]图2(e)是本专利技术实施例1中次镜位姿补偿后系统像散全视场显示；
[0036]图2(f)是本专利技术实施例1中次镜位姿补偿后系统彗差全视场显示；
[0037]图3(a)是本专利技术实施例1中三镜添加泽尼克彗差项后系统彗差全视场显示；
[0038]图3(b)是本专利技术实施例1中三镜添加泽尼克彗差项后系统像散全视场显示；
[0039]图3(c)是本专利技术实施例1中次镜添加泽尼克彗差项后系统彗差全视场显示；
[0040]图3(d)是本专利技术实施例1中次镜添加泽尼克彗差项本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学系统大口径主镜加工误差的后光学补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在光学软件中模拟包含主镜的光学系统，并基于模拟光学系统，对光学系统中的主镜进行加工，测量并记录主镜加工后的面型误差；步骤2：利用光学设计软件模拟主镜的加工误差，并通过条纹泽尼克多项式表示；步骤3：将步骤2中模拟主镜的加工误差叠加在步骤1的模拟光学系统的主镜中，将模拟光学系统中的次镜替换为自由曲面补偿镜，同时改变自由曲面补偿镜的面型和位姿，校正主镜加工误差带来的系统像差后，获得对主镜加工误差补偿后的光学系统，其中，自由曲面补偿镜采用条纹泽尼克多项式表示；步骤4：将步骤3中，考虑了主镜加工误差后的光学系统中的自由曲面补偿镜进行加工，并将加工出的自由曲面补偿镜代替原光学系统的次镜，且装调自由曲面补偿镜的位姿与步骤3中调整后的位姿相同，完成主镜加工误差的后光学补偿，获得后光学补偿后的光学系统。2.根据权利要求1所述的一种光学系统大口径主镜加工误差的后光学补偿方法，其特征在于：所述步骤3具体包括以下内容：3.1将步骤2中模拟主镜的加工误差叠加在步骤1的模拟光学系统的主镜中，同时将模拟光学系统中的次镜替换为自由曲面补偿镜并改变其位姿，校正主镜加工误差带来的系统像差；若补偿之后对应光学系统的像斑尺寸小于艾利斑尺寸，则表示完成主镜加工误差的校正，并执行步骤3.2，反之，则继续改变自由曲面面型并调整其位姿，进行校正，直到满足对应光学系统的像斑尺寸小于艾利斑尺寸；3.2基于完成校正后的自由曲面补偿镜的面型和位姿，获得虑了主镜加工误差后的光学系统。3.根据权利要求1或2所述的一种光学系统大口径主镜加工误差的后光学补偿方法，其特征在于：所述光学系统为同轴三反偏视场光学系统，包括同轴依次设置的双曲面次镜(1)、主镜(3)和三镜(4)以及用于改变...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛祥龙，黄成，李锦鹏，谢永军，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：