一种大口径高陡度光学镜面在线测量系统技术方案

一种大口径高陡度光学镜面在线测量系统，包括光纤光源、会聚光路分光系统、可更换式测量光栅、高精度平面反射镜、大口径高陡度光学镜面、数字ＣＣＤ、计算机信息处理系统。从数值孔径光纤光源发出的光，通过测量光栅后产生一组阴影条纹，这些阴影条纹在经过会聚光路分光系统及高精度平面反射镜后投影到大口径高陡度光学镜面上，而后又被大口径高陡度光学镜面按原光路反射回去，再次经过高精度平面反射镜及会聚光路分光系统时产生另一束光路，并在这束光路中产生出这个光源的共额像。这个像通过数字ＣＣＤ采集后传输到计算机，由计算机信息处理系统来进行分析处理，通过比较反射回的像与理想像之间的偏差计算出这个大口径高陡度光学镜面面形误差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于先进光学制造与检测
，涉及一种光学加工过程中的在线检测 系统，特别涉及一种大口径、大相对口径、大误差范围的光学镜面在线检测系统。
技术介绍
大型的光学仪器和装备，无论是空间的还是地面的，近几年来都呈现日益迫切的 需求。随着科学技术的不断发展，所需要光学元件的口径越来越大，下一代的天文望远镜主 镜口径达到三十余米，不仅如此，空间的结构要求使的这些大口径光学镜面相对口径都比 较大，陡度较高。这些大口径光学镜面的制造需要相应的检测技术也要求越来越高。对大 口径光学镜面在线测量，尤其是对其加工初期较大误差的定量测量一直是光学加工制造业 急需解决的重要难题之一。工艺过程的检测不同于其他的检测，它不要求全面，但要有效地指导下一步工艺 进行，检测一次的时间应尽可能短，应知道主要误差的大小、主要误差的正负、主要误差的 位置；应考虑到每次检测的操作周期(包括准备、过程、得结论)，力求省时。因此不同的工 艺阶段，应当选择最合理的检测工具和检测方法，要考虑到已有的和最有可能得到的检测 工具，而对于大口径的光学元件，加工过程中的检测最好的方法就是在线检测，。在大型光学镜面加工过程中，现在国内外常用精磨阶段的检测方式主要有三坐标 测量仪、红外干涉仪等检测方法。三坐标测量仪是用测头对整个被测面进行接触式测量，因 此非常费事、费时，并且精度受测头、运动机构影响特别大，测量的口径也受到限制，对大于 使用范围的镜面就没有办法使用了，同时，也无法进行大口径光学元件的在位检测。红外干 涉仪由于大量采用红外材料，这些材料不仅制造费用非常高，而且部分还有毒性；同时，红 外干涉仪在检测非球面时需要使用补偿器，由于要进行图像传输和数据的采集，因此对机 械的振动和空气的扰动也就比价敏感，这样对使用的环境有较高的要求，不利于光学车间 的检验。1984年，日本的T. YATAGAI利用正弦朗契光栅，根据几何光学原理和相位检测技 术，获得了非球面波像差的一维分布(YATAGAI T. Fringe scanning Ronchi test for a sphericalsurfaces. Applied Optics,1984,23(20) :3676_3679.)。1988 年 T. YATAGAI 用一般的方波Ronchi光栅，根据Ronchi检验的物理光学原理，用十步移相法得到了十幅朗 契图，获得了非球面镜波像差的二维分布(YATAGAI Τ. Phase measuring Ronchi test , AppliedOptics, 1988，27 (3) =523-528)。日本的Τ. YATAGAI虽然将测量光栅用于非球面检 验，但是他仅局限理性研究和实验验证，没有做出检测装置。并且只是适用于小口径的非球 面，也没有能够拟合出三维波面。1996年南京的林桂粉等在T. YATAGAI工作的基础上，通过Zernike多项式拟合算 法求得了光学系统的波像差(林桂粉，陈磊，陈进榜.朗契检验相位探测和波面恢复.光子 学报，1996,25(12) :1125_1130.)，但是基本原理上就决定了林桂粉等搭建的实验装置只是 测量透射系统的波像差，从而无法对大口径的非球面反射镜进行测量。1998年，周晨波教授(Ronchi线条法检验大非球面镜的理论计算.应用光学，1997，18 (5) :8_12)给出了一种用 于检验大非球面的光栅线条的理论计算方法，但他仅给出计算补偿光栅的算法，却没有面 形误差分析软件，更没有形成测量系统，无法对大口径的光学元件进行在位的有效测量，最 主要的是，在他提出的测量光路中，反射回的光栅像会被自身所遮拦，从而导致CCD无法探 测到实际的光栅像，进而无法实现大口径高陡度的光学元件进行在位的有效测量。同年，钟 金刚推导了定量分析朗契图的四步移相算法，为朗契检测法定量进行像质评价提供了一种 简单有效的方法(钟金刚，凌敢，王鸣，等.用定量分析朗契图的四步相移算法.南昌大学 学报(工科版))，1998，20(4) :97-102)，但是他们同林桂粉等人的基本原理一样，只是算法 改进一下，同样只适合透射系统的测量，而无法对大口径的非球面反射镜进行在位有效测 量。综上所述，尽管国内外理论研究的比较多，但这些都只是做一些基础性理论研究 和验证性实验，没有系统的测量分析软件，更没有形成检测系统，无法实际使用于光学车 间大口径非球面的在位检验，更不能对现在的大口径高陡度的光学镜面进行在位有效的测量。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是为有效的弥补三坐标测量仪、红外干涉仪等现有测 量方式的不足，提供一种新的大口径高陡度光学镜面在位测量方法，该系统制作简单，其成 本低廉，远远低于三坐标测量仪、红外干涉仪的成本；同时，该方法还弥补了三坐标测量仪 口径受限、测量非常不方便的不足，有效地解决了大口径高陡度光学元件在加工过程中的 实时定量测量问题，它在拓宽了传统干涉仪的动态测量范围的同时也为红外干涉仪等一些 新兴发展的大误差测量方法提供对比依据，在简化了测量过程的同时，也增加其数据的可 靠性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案、一种大口径高陡度光学镜面在线测 量系统，其特征在于包括大数值孔径(数值孔径大于0. 22)光纤光源(1)、可更换式测量 光栅(2)、会聚光路分光系统(3)、高精度(面形的PV值小于十分之一波长)平面反射镜 (4)、大口径高陡度(一般情况下，其口径大于1000mm，相对口径大于1/2)光学镜面(5)、数 字彩色CCD(6)、计算机信息处理系统(7)；从大数值孔径光纤光源(1)发出的光将可更换式 测量光栅(2)的阴影经过会聚光路分光系统(3)后，由一块45°放置的高精度平面反射镜 (4)反射到与加工状态相一致的大口径高陡度光学镜面(5)上，高精度平面反射镜(4)将光 路折转90°，随后，这组阴影条纹被大口径高陡度光学镜面(5)沿着原来入射的光路反射 回去，再次经过高精度平面反射镜(4)后又经过会聚光路分光系统(3)，并由会聚光路分光 系统(3)产生一条垂直于原光束方向的新光路，并产生一个大数值孔径光纤光源(1)共轭 像点，这个像点的图像经过数字CCD(6)采集后，进入计算机信息处理系统(7)，由于反射回 的像点包含了大口径高陡度光学镜面(5)的面形信息，最后由安装在计算机系统(7)上的 数据处理部分把共轭像点对应的面形数据信息提取出来，从而获得被测大口径高陡度光学 镜面(5)的面形信息；所述的会聚光路分光系统(3)由五个独立的光学元件相互胶合而形成，实现了在 会聚(发散)光路中的分光，使得光源与其像点的分离而不产生附加光程差。在所述五个光学元件中，有两块是等腰直角棱镜，二者的斜边相互胶合在一起，形成一块分光立方体； 另外有两块是平凹透镜，二者形状完全相同。这两块平凹透镜的平面均与之前两块等腰直 角棱镜胶合而成的立方体的相邻两个表面再次胶合，如附图2所示，一个凹面对着大数值 孔径光纤光源，另一个对着大数值孔径光纤光源的像点。最后一块是平凸透镜，这块平凸透 镜的平面与之前两块等腰直角棱镜胶合而成的立方体另外的一个表面胶合。假设平凸透镜 的凸面半径为R2，中心厚度为D2 ；两块等腰直角棱镜胶合而成立方体的边长为A，平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大口径高陡度光学镜面在线测量系统，其特征在于包括：大数值孔径光纤光源（１）、可更换式测量光栅（２）、会聚光路分光系统（３）、高精度平面反射镜（４）、大口径高陡度光学镜面（５）、数字彩色ＣＣＤ（６）、计算机信息处理系统（７）；从大数值孔径光纤光源（１）发出的光将可更换式测量光栅（２）的阴影经过会聚光路分光系统（３）后，由一块４５°放置的高精度平面反射镜（４）反射到与加工状态相一致的大口径高陡度光学镜面（５）上，高精度平面反射镜（４）将光路折转９０°，随后，这组阴影条纹被大口径高陡度光学镜面（５）沿着原来入射的光路反射回去，再次经过高精度平面反射镜（４）后又经过会聚光路分光系统（３），并由会聚光路分光系统（３）产生一条垂直于原光束方向的新光路，并产生一个大数值孔径光纤光源（１）共轭像点，这个像点的图像经过高精度数字ＣＣＤ（６）采集后，进入计算机信息处理系统（７），由于反射回的像点包含了大口径高陡度光学镜面（５）的面形信息，最后由安装在计算机系统（７）上的数据处理部分把共轭像点对应的面形数据信息提取出来，从而获得被测大口径高陡度光学镜面（５）的面形信息；所述的会聚光路分光系统（３）由五个独立的光学元件相互胶合而形成；在所述五个光学元件中，有两块是等腰直角棱镜，二者的斜边相互胶合在一起，形成一块分光立方体；另外有两块是平凹透镜，二者形状完全相同；所述两块平凹透镜的平面均与所述两块等腰直角棱镜胶合而成的立方体的相邻两个表面再次胶合，一个凹面对着大数值孔径光纤光源，另一个对着大数值孔径光纤光源的像点；最后一块是平凸透镜，所述平凸透镜的平面与所述两块等腰直角棱镜胶合而成的立方体另外的一个表面胶合，假设平凸透镜的凸面半径为Ｒ２，中心厚度为Ｄ２；两块等腰直角棱镜胶合而成立方体的边长为Ａ，平凹透镜的凹面半径为Ｒ１，中心厚度为Ｄ１，则它们之间的几何关系为：Ｒ２＝Ｒ１＋Ｄ１＋Ｄ２＋Ａ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：雷柏平，伍凡，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]