一种大口径光学非球面镜检测系统技术方案

本发明专利技术涉及一种大口径光学非球面镜检测系统，包括干涉仪、标准球面透射镜头、一维电控平移台、五维电控精密平台及计算机数控系统，通过计算机控制一维电控平移台和五维电控精密平台来调整干涉仪与被测非球面的相对位置，完成对非球面的检测。检测过程中，干涉仪发出的比较球面波与被测非球面相应的内切圆匹配，产生一系列可分辨的子孔径干涉条纹，提取各干涉条纹对应的波程差数据并存储；在完成对各子孔径波程差数据预处理后，由子孔径拼接算法重构出被测非球面面形误差。本发明专利技术无需设计和制造补偿器以及高精度电控平移台，为大口径、大相对口径非球面的检测提供了一种有效手段，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学非球面检测系统，特别涉及一种大口径光学非球面镜检测系 统，属于先进光学制造与检测
技术背景随着先进光学加工和检测技术的不断发展，以非球面为关键元件的精密光学系统 在天体观察、空间遥感系统和强激光武器等诸多领域中得到了越来越广泛的应用。在光学 设计中采用非球面元件具有球面镜无法比拟的优点，如可增加光学设计的自由度、改善像 质、简化结构、减轻重量等特点。然而，现代大中型光学非球面镜制造技术的核心思想是确 定性加工，要求对面形误差进行定量检测和修正。为此，要实现非球面镜的高效率、高精度 加工必须以精确、快速的非球面检测技术为前提，所以光学非球面元件尤其是大口径非球 面镜的高精度检测成为现在的一个热点问题。通常在大口径非球面镜的精密抛光阶段，非球面镜的定量检测方法一般有无像差 点法和补偿器零位检验法。无像差点法主要利用二次曲面存在一对共轭的无像差点，即若 对理想的二次表面检测时，当点光源精确放在其中一个几何焦点上，由表面反射的光线必 然会汇聚到另外一个焦点上或从焦点发散出去(若为虚焦点)。对于二次曲面的检测，通常 需要在干涉仪的工作光路中加入一个高精度标准辅助反射镜(平面或球面镜)组成自准直 系统。这种方法对检测大口径、大相对口径非球面镜所需的高精度大口径辅助镜的制造非 常困难，并且被测非球面镜测量精度受辅助镜精度限制。补偿器零位检验法是一种被广泛采用的大口径非球面镜的检测方法，其实质是借 助补偿镜作为辅助光学元件，把平面波前或球面波前转换为非球面波前，并与被检非球面 镜的理论面形重合，即通过补偿镜来补偿非球面镜的法线像差，从而实现非球面镜的干涉 测量。随着非球面镜口径和相对口径的增大，将对补偿器的设计、制造和装调提出更苛刻要 求，另外，对于不同被测非球面光学元件，一般都需要专门设计特定的补偿器，不仅提高了 成本、延长了周期，而且辅助元件本身将会引入一定的加工误差和装调误差。Liu 等人在 “Subaperture testing of asphere with annular zones , Y. M. Liu, G. N. Lawrence, and C. L. Koliopoulos, Applied Optics, 1988, 27 (21) :4504-4513” 中提出了采用环带子孔径拼接的方法测量大口径旋转对称非球面，该方法无需辅助 光学元件，从而避免了辅助光学元件的设计、制造和装调误差对检测精度的影响，并 且增大了纵向测量范围。随后Melozzi等人在文献“Testing aspherical surfaces using multiple annularinterferograms, Melozzi, M. , L. Pezzati and A. Mazzoni ,SPIE, 1992，1781:232-240”中详细介绍环形子孔径拼接技术，并对测量过程中误差源 进行了分析，提出为获得高精度测量结果，位移装置需要达到微米量级。Hou X.等人 “Experimental study onmeasurement of aspheric surface shape with complementary annular subapertureinterferometrie method, Xi Hou, F. ff, L. Y. , Optics Express, 2007, 15(20) : 12890. ”也对环形子孔径拼接进行了大量研究，仔细研究发现其算法精度也严重依赖干涉仪和被测非球面镜间的相对移动距离。最近，戴一帆等在文献“环 形子孔径测试的迭代拼接算法及其实验验证，戴一帆，曾生跃，陈善勇，光学精密工程， 2009, 17(2) : 251-256”中提出了迭代拼接算法，该算法对定位精度的要求相对宽松，但是其 存在拼接算法复杂以及计算效率低等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述检测技术中存在的不足，提供一种大口径光学非球面镜 检测系统。该系统可以有效地解决现有的几种定量检测方法存在的问题，无需设计和制造 复杂非球面辅助镜，并且不需要高精密的定位平台，具有设备及算法简单、检测成本低、检 测精度及效率高等特点。本专利技术是通过下述技术方案实现的。本专利技术的一种大口径光学非球面镜检测系统，其特征在于包括干涉仪、标准球面 透射镜头、一维电控平移台、五维电控精密平台及计算机数控系统。将标准球面透射镜头 安装在干涉仪上，干涉仪出射的平行光经标准球面透射镜头后转变为比较球面波；根据被 测非球面几何参数将其划分为若干子孔径，通过计算机数控系统控制一维电控平移台来带 动干涉仪沿非球面对称轴方向移动，通过计算机数控系统控制五维电控精密平台调整被测 非球面与干涉仪的相对位置，以完成对非球面各子孔径的检测；检测过程中，干涉仪发出的 一系列不同曲率半径的比较球面波与被测非球面相应的内切圆匹配，产生一系列可分辨的 子孔径干涉条纹，各干涉条纹中对比度较好且条纹最稀疏的部分为被测非球面相应内切圆 的切点位置，即最佳匹配点在像素坐标系下的位置，通过干涉仪自带数据处理软件将一系 列子孔径干涉条纹对应的波程差数据提取出来并存储；在完成各子孔径数据的预处理操作 后，利用重叠区域面形信息的一致性，由子孔径拼接算法进行全孔径面形误差重构，从而获 得被测非球面面形误差信息。所述一种大口径光学非球面镜检测系统，不仅可以用于旋转对称光学非球面元件 的面形误差检测，也可用于离轴光学非球面元件的检测。所述一维电控平移台，采用普通商用的一维数控位移台，可以控制干涉仪做一维 直线运动。所述五维电控平台，可精确调整被测非球面做扭摆、俯仰和旋转以及二维正交直 线运动。所述子孔径数据的预处理操作，包括波程差数据特征点提取及圆拟合操作、无约 束非线性优化迭代算法。所述无约束非线性优化迭代算法，采用公知的精确或不精确线性搜索算法实现。有益效果本专利技术无需制造特殊的辅助光学元件，检测准备周期短，并且无需依赖高精密的 位移调整装置，同时检测系统结构简单、数据处理量小易于操作且算法简单，较好地兼顾了 检测系统性能、检测成本和检测效率。图中，1-被测非球面、2-比较球面波、3-干涉仪、4-标准球面透射镜头、5- —维电 控平移台、6-五维精密电控平台、7-计算机数控系统、8-特征点。附图说明图1为本专利技术中提到的检测系统装置示意图2为本专利技术轴向移动干涉仪过程中，干涉仪产生的比较球面波前和被测非球面在不同内切圆位置相匹配时的示意图3为本专利技术中的像素坐标系和空间坐标系的几何关系图4为本专利技术中提到的干涉条纹之一，比较球面波前与被测非球面某一内切圆相匹配时的情形；对应图2中的内切圆中心坐标在Zl处的干涉图5为本专利技术中干涉仪软件对图4中的干涉条纹直接处理得到的波程差数据等高线图6为本专利技术中提到的干涉条纹之二，比较球面波前与被测非球面某一内切圆相匹配时的情形；对应图2中的内切圆中心坐标在Z2处的干涉图7为本专利技术中干涉仪软件对图6中的干涉条纹直接处理得到的波程差数据等高线图8为本专利技术对图5数据进行特征点数据提取及圆拟合结果示意图9为本专利技术提及的无约束非线性优化迭代算法流程图。图10为图5数据经无约束非线性优化迭代处理后的真实面形误差等高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大口径光学非球面镜检测系统，包括干涉仪、标准球面透射镜头、一维电控平移台、五维电控精密平台及计算机数控系统；将标准球面透射镜头安装在干涉仪上；干涉仪出射的平行光经标准球面透射镜头后转变为标准球面波；根据被测非球面几何参数将其划分为若干子孔径，通过计算机数控系统控制一维电控平移台以带动干涉仪沿非球面对称轴方向移动，然后通过计算机数控系统控制五维电控精密平台来调整被测非球面与干涉仪的相对位置，以完成对非球面各子孔径的检测；检测过程中，干涉仪发出的一系列不同曲率半径的比较球面波与被测非球面相应的内切圆匹配，产生一系列由中心向边缘移动的可分辨的干涉条纹，通过干涉仪自带数据处理软件将一系列可分辨的干涉条纹对应的波程差数据提取出来并存储；随后对所得各子孔径数据进行预处理操作，最后由子孔径拼接算法进行全孔径面形误差重构，从而获得被测非球面面形误差信息。所述的子孔径数据预处理操作，包括波程差特征点提取及圆拟合操作，无约束非线性优化迭代算法。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程灏波，文永富，张慧静，周东梅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：