大口徑大偏離量非球面反射鏡拋光過(guò)程中復(fù)合檢測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】大口徑大偏離量非球面反射鏡拋光過(guò)程中復(fù)合檢測(cè)方法，屬于空間光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，為解決現(xiàn)有零位補(bǔ)償檢測(cè)技術(shù)中大口徑大偏離量非球面反射鏡出現(xiàn)干涉條紋局部缺失問(wèn)題，本發(fā)明的方法包括，一、設(shè)計(jì)并制作光學(xué)補(bǔ)償器；二、搭建并標(biāo)定干涉零位補(bǔ)償檢測(cè)光路；三、組建并調(diào)整哈特曼-拼接檢測(cè)光路；四、哈特曼-拼接檢測(cè)；五、非球面多周期加工和哈特曼拼接檢測(cè)；六、組合檢測(cè)與分析；七、非球面多周期加工和組合測(cè)試；該方法克服了大口徑大偏離量非球面反射鏡干涉檢測(cè)階段面形缺失的困難，且在最后精拋光階段零位補(bǔ)償方法和哈特曼-拼接檢測(cè)方法可以相互對(duì)比和驗(yàn)證，從而確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】大口徑大偏離量非球面反射鏡拋光過(guò)程中復(fù)合檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大口徑大偏離量非球面反射鏡拋光過(guò)程中復(fù)合檢測(cè)方法，屬于空間光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在光學(xué)系統(tǒng)中采用非球面光學(xué)元件，不僅可以降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且可以大幅度提高系統(tǒng)性能。因此，非球面光學(xué)元件是軍用、民用高性能光學(xué)系統(tǒng)的核心元器件，在航空、航天遙感，天文觀測(cè)、深空探測(cè)和光電跟蹤儀器，光刻物鏡，高性能照相(攝像)機(jī)鏡頭等諸多光電儀器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
[0003]尤其在空間光學(xué)領(lǐng)域，由于離軸三反消像散非球面光學(xué)系統(tǒng)(TMA)具有組較少、大視場(chǎng)、長(zhǎng)焦距、寬波段、調(diào)制傳遞函數(shù)高、抑制雜光能力強(qiáng)等優(yōu)異特性，使得大口徑非球面元件在空間遙感中得到了廣泛應(yīng)用。
[0004]但隨著空間光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)非球面反射鏡的規(guī)格和要求越來(lái)越高，口徑從原來(lái)的幾百毫米拓寬至l-2m甚至好幾米，面形精度從原來(lái)的RMS值1/50 λ (λ =632.8nm,為干涉儀工作波長(zhǎng))提升到1/100 λ。而且為了光學(xué)系統(tǒng)具有很高的分辨率和很大的視場(chǎng)，有些非球面的偏離量(非球面與其最接近球面之間的偏差)很大，將會(huì)達(dá)到幾十微米甚至幾毫米量級(jí)。這就給非球面的加工和檢測(cè)帶來(lái)了很多的困難，尤其需要克服大口徑大偏離量非球面檢測(cè)的瓶頸，因?yàn)樗歉呔确乔蛎娲_定性加工的基礎(chǔ)和依據(jù)。
[0005]設(shè)計(jì)補(bǔ)償透鏡利用零位補(bǔ)償法對(duì)非球面進(jìn)行測(cè)量，仍是檢測(cè)非球面反射鏡面形最常用的方法之一。但是對(duì)于大口徑大偏量的非球面，其在研磨完剛進(jìn)入拋光階段時(shí)，由于表面面形精度不是很高，加上偏離量很大，局部區(qū)域的面形誤差已經(jīng)超過(guò)了激光干涉儀的分辨能力，從而導(dǎo)致干涉條紋局部缺失，無(wú)法獲得全口徑的面形信息，如圖1所示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有零位補(bǔ)償檢測(cè)技術(shù)中大口徑大偏離量非球面反射鏡出現(xiàn)干涉條紋局部缺失問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種大口徑大偏離量非球面反射鏡拋光過(guò)程中復(fù)合檢測(cè)方法。
[0007]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題的方案是，大口徑大偏離量非球面反射鏡拋光過(guò)程中復(fù)合檢測(cè)方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一，設(shè)計(jì)并制作光學(xué)補(bǔ)償器，
[0009]根據(jù)待測(cè)大口徑大偏離量非球面反射鏡的光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)并制作光學(xué)補(bǔ)償器，使經(jīng)過(guò)光學(xué)補(bǔ)償器的波面與待測(cè)非球面反射鏡吻合；
[0010]步驟二，搭建并標(biāo)定干涉零位補(bǔ)償檢測(cè)光路，
[0011]依據(jù)光學(xué)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)方案對(duì)拋光后的非球面反射鏡搭建零位補(bǔ)償干涉光路，激光干涉儀、光學(xué)補(bǔ)償器及非球面反射鏡同軸放置，并利用激光跟蹤儀對(duì)非球面反射鏡幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)測(cè)；[0012]其特征是，步驟三，組建并調(diào)整哈特曼-拼接檢測(cè)光路，
[0013]利用激光跟蹤儀監(jiān)測(cè)，保持原零位補(bǔ)償測(cè)試光路不變，在原檢測(cè)光路的激光干涉儀與光學(xué)補(bǔ)償器之間安置半透半反鏡，安裝并調(diào)整哈特曼波前傳感器，使其對(duì)準(zhǔn)經(jīng)非球面反射鏡反射后經(jīng)過(guò)半透半反鏡再次反射的光束；若入射到哈特曼波前傳感器的波前有畸變，則其CCD焦面上得到的光斑將偏離理想位置，形成不規(guī)則的光斑陣列，通過(guò)計(jì)算這些散亂光斑的質(zhì)心位置偏離理想位置的大小并運(yùn)用波前重構(gòu)算法即可將入射波前重構(gòu)出來(lái)，從而得到待測(cè)非球面反射鏡的面形信息；
[0014]步驟四，哈特曼-拼接檢測(cè)，
[0015]由于哈特曼波前傳感器的通光孔徑很小，其只能探測(cè)到大口徑非球面反射鏡的部分面形信息，通過(guò)移動(dòng)和調(diào)整哈特曼波前傳感器使其對(duì)準(zhǔn)入射光束其他區(qū)域，從而可以測(cè)定大口徑非球面反射鏡其它區(qū)域的相位分布，通過(guò)子孔徑拼接算法可以重構(gòu)得到大口徑大偏量非球面反射鏡全口徑的面形分布；
[0016]步驟五，非球面多周期加工和哈特曼拼接檢測(cè)，
[0017]依據(jù)哈特曼-拼接檢測(cè)結(jié)果，對(duì)大口徑大偏離量非球面反射鏡經(jīng)過(guò)多個(gè)周期的加工，直至全口徑拼接面形的PV值優(yōu)于5 λ ;
[0018]步驟六，組合檢測(cè)與分析，
[0019]當(dāng)全口徑拼接面形的PV值小于5 λ時(shí)，利用干涉儀零位補(bǔ)償測(cè)試光路對(duì)非球面進(jìn)行全口徑測(cè)量，這時(shí)非球面的面形誤差已經(jīng)較小，干涉儀能夠分辨測(cè)試到全口徑的面形信息，并將全口徑零位補(bǔ)償檢測(cè)結(jié)果與哈特曼-拼接測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，當(dāng)兩種測(cè)試方法所得到的面形分布一致，且其PV值和RMS值的相對(duì)偏差都小于10%時(shí)，利用兩種測(cè)試方法的綜合分析結(jié)果指導(dǎo)非球面進(jìn)行后續(xù)精拋光；若兩種測(cè)試方法所得到的面形分布不一致，且其PV值和RMS值的相對(duì)偏差都大于10%，則需仔細(xì)精確測(cè)定和調(diào)整測(cè)試光路，并再次進(jìn)行兩種方法測(cè)試和比對(duì)，直至滿(mǎn)足精度要求；
[0020]步驟七，非球面多周期加工和組合測(cè)試，
[0021]利用全口徑零位補(bǔ)償和哈特曼-拼接兩種方法組合檢測(cè)綜合分析得到的全口徑面形數(shù)據(jù)對(duì)大口徑非球面進(jìn)行多個(gè)周期的確定性精密加工，直至其全口徑面形的RMS值優(yōu)于1/50 λ，從而滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，完成對(duì)大口徑大偏離量非球面反射鏡的加工和測(cè)試。
[0022]所述步驟四中所述的拼接方法包括以下步驟:
[0023]假定共有M個(gè)子孔徑拼接測(cè)量才能覆蓋整個(gè)大口徑非球面，為了求解拼接系數(shù)，各子孔徑間有一定的重疊，為了便于定位和測(cè)量，選擇非球面中心區(qū)域的子孔徑作為基準(zhǔn)子孔徑；由于非球面各子孔徑區(qū)域已經(jīng)經(jīng)過(guò)零位補(bǔ)償，因此各子孔徑間位置的相對(duì)失調(diào)量?jī)H帶來(lái)相對(duì)平移、傾斜和離焦；假使基準(zhǔn)子孔徑的相位分布為％，則其它子孔徑相位分布與基準(zhǔn)子孔徑相位分布的關(guān)系為公式一:
【權(quán)利要求】
1.大口徑大偏離量非球面反射鏡拋光過(guò)程中復(fù)合檢測(cè)方法，包括以下步驟: 步驟一，設(shè)計(jì)并制作光學(xué)補(bǔ)償器， 根據(jù)待測(cè)大口徑大偏離量非球面反射鏡(7)的光學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)并制作光學(xué)補(bǔ)償器(6)，使經(jīng)過(guò)光學(xué)補(bǔ)償器(6)的波面與待測(cè)非球面反射鏡(7)吻合； 步驟二，搭建并標(biāo)定干涉零位補(bǔ)償檢測(cè)光路， 依據(jù)光學(xué)補(bǔ)償器(6)設(shè)計(jì)方案對(duì)拋光后的非球面反射鏡(7)搭建零位補(bǔ)償干涉光路，激光干涉儀(I)、光學(xué)補(bǔ)償器及非球面反射鏡(7)同軸放置，并利用激光跟蹤儀(3)對(duì)非球面反射鏡(7)幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)測(cè)； 其特征是，步驟三，組建并調(diào)整哈特曼-拼接檢測(cè)光路， 利用激光跟蹤儀(3)監(jiān)測(cè)，保持原零位補(bǔ)償測(cè)試光路不變，在原檢測(cè)光路的激光干涉儀(I)與光學(xué)補(bǔ)償器(6)之間安置半透半反鏡(4)，安裝并調(diào)整哈特曼波前傳感器(5)，使其對(duì)準(zhǔn)經(jīng)非球面反射鏡(7)反射后經(jīng)過(guò)半透半反鏡(4)再次反射的光束；若入射到哈特曼波前傳感器(5)的波前有畸變，則其CCD焦面上得到的光斑將偏離理想位置，形成不規(guī)則的光斑陣列，通過(guò)計(jì)算這些散亂光斑的質(zhì)心位置偏離理想位置的大小并運(yùn)用波前重構(gòu)算法即可將入射波前重構(gòu)出來(lái)，從而得到待測(cè)非球面反射鏡(7)的面形信息； 步驟四，哈特曼-拼接檢測(cè)， 由于哈特曼波前傳感器(5)的通光孔徑很小，其只能探測(cè)到大口徑非球面反射鏡(7)的部分面形信息，通過(guò)移動(dòng)和調(diào)整哈特曼波前傳感器(5)使其對(duì)準(zhǔn)入射光束其他區(qū)域，從而可以測(cè)定大口徑非球面反射鏡(7)其它區(qū)域的相位分布，通過(guò)子孔徑拼接算法可以重構(gòu)得到大口徑大偏量非球面反射鏡(7)全口徑的面形分布； 步驟五，非球面多周期加工和哈特曼拼接檢測(cè)， 依據(jù)哈特曼-拼接檢測(cè)結(jié)果，對(duì)大口徑大偏離量非球面反射鏡經(jīng)過(guò)多個(gè)周期的加工，直至全口徑拼接面形的PV值優(yōu)于5 λ ； 步驟六，組合檢測(cè)與分析， 當(dāng)全口徑拼接面形的PV值小于5 λ時(shí)，利用干涉儀零位補(bǔ)償測(cè)試光路對(duì)非球面進(jìn)行全口徑測(cè)量，這時(shí)非球面的面形誤差已經(jīng)較小，干涉儀能夠分辨測(cè)試到全口徑的面形信息，并將全口徑零位補(bǔ)償檢測(cè)結(jié)果與哈特曼-拼接測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，當(dāng)兩種測(cè)試方法所得到的面形分布一致，且其PV值和RMS值的相對(duì)偏差都小于10%時(shí)，利用兩種測(cè)試方法的綜合分析結(jié)果指導(dǎo)非球面進(jìn)行后續(xù)精拋光；若兩種測(cè)試方法所得到的面形分布不一致，且其PV值和RMS值的相對(duì)偏差都大于10%，則需仔細(xì)精確測(cè)定和調(diào)整測(cè)試光路，并再次進(jìn)行兩種方法測(cè)試和比對(duì)，直至滿(mǎn)足精度要求； 步驟七，非球面多周期加工和組合測(cè)試， 利用全口徑零位補(bǔ)償和哈特曼-拼接兩種方法組合檢測(cè)綜合分析得到的全口徑面形數(shù)據(jù)對(duì)大口徑非球面進(jìn)行多個(gè)周期的確定性精密加工，直至其全口徑面形的RMS值優(yōu)于1/50 λ，從而滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，完成對(duì)大口徑大偏離量非球面反射鏡的加工和測(cè)試。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑大偏離量非球面反射鏡拋光過(guò)程中復(fù)合檢測(cè)方法，步驟四中所述的拼接方法包括以下步驟: 假定共有M個(gè)子孔徑拼接測(cè)量才能覆蓋整個(gè)大口徑非球面，為了求解拼接系數(shù)，各子孔徑間有一定的重疊，為了便于定位和測(cè)量，選擇非球面中心區(qū)域的子孔徑作為基準(zhǔn)子孔徑；由于非球面各子孔徑區(qū)域已經(jīng)經(jīng)過(guò)零位補(bǔ)償，因此各子孔徑間位置的相對(duì)失調(diào)量?jī)H帶來(lái)相對(duì)平移、傾斜和離焦；假使基準(zhǔn)子孔徑的相位分布為％，則其它子孔徑相位分布與基準(zhǔn)子孔徑相位分布的關(guān)系為公式一:
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK104006759SQ201410187160
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】王孝坤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所