一种大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统和方法，属于先进光学系统技术领域。本发明专利技术通过将曲面计算全息图与球面反射镜相结合，对自由曲面反射镜完成零位补偿。为实现检测光路中干涉仪、曲面计算全息图、球面反射镜及待测凸自由曲面反射镜的精确对准，在曲面计算全息图上设计相应的功能区域，其中曲面计算全息图共包含凸面部分的干涉仪对准区域以及凹面部分主检测区域、投射十字线区域及球面反射镜对准区域等多个衍射区域，上述区域相结合共同保证了检测光路中各光学元件的精确对准及自由曲面面形结果的测量获得。本发明专利技术具有检测精度高、检测场地环境及尺寸要求简单等优点，为现代先进光学系统的制造开发提供保证。

A system and method for measuring the surface shape of large convex free-form mirror

【技术实现步骤摘要】
一种大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统和方法
本专利技术属于先进光学系统
，更具体地，涉及一种大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统和方法。
技术介绍
自由曲面具有改善光学系统像质、提高光学系统设计自由度、简化光学系统结构等优点，是现代光学系统的核心元件，其已经在空间相机光学系统、光刻系统、显示及成像系统中得到了广泛的应用。鉴于自由曲面光学元件自身的优势及广泛的应用，不符合精度要求的反射镜面形会严重影响光学系统的性能，例如对于成像系统将不会获得好的像质、对于光刻系统将难以得到超高分辨率等，其元件表面面形的高精度测量显得尤为重要。通常作为光学镜面最终面形测试手段，干涉测量是光学元件高精度制造的基础。大口径凸自由曲面光学反射镜在光学系统中有着广泛的应用，尤其对于空间相机光学系统及大口径望远镜光学系统，通常将其作为次镜应用于光学系统中。对于空间相机，目前其次镜口径正在逼近1m量级，对于正在建造的三十米望远镜(ThirtyMeterTelescope，TMT)及欧洲极大望远镜(EuropeanExtremelyLargeTelescope，E-ELT)项目，其次镜口径甚至已经超过1.5m。对于此类大口径光学凸面反射镜，通常采用拼接测量方式，但是该方式检测时间长、检测次数多，同时拼接算法的精度会限制最终镜面面形重构精度。上述困难为相关光学系统的设计及制造带来了局限性，严重制约了相关先进光学系统的开发制造。因而，实现大口径凸自由曲面反射镜镜面面形测量是现代先进光学系统开发中的核心步骤之一，对于其制造具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统和方法，旨在解决大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测精度不高的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统，包括待测凸自由曲面反射镜、曲面计算全息图、球面反射镜和干涉仪；所述曲面计算全息图的凸面部分包括干涉仪对准区域(A1)和凸面遮拦反射区域(A2)，所述曲面计算全息图的凹面部分包括球面反射镜对准区域(B1)、十字线投射区域(B2)及主检测区域(B3)；所述干涉仪对准区域(A1)用于所述曲面计算全息图与干涉仪的精确对准；所述球面反射镜对准区域(B1)用于所述曲面计算全息图与球面反射镜的精确对准。进一步地，所述曲面计算全息图的前后表面均为球面。进一步地，所述干涉仪对准区域(A1)位于所述曲面计算全息图凸面部分的中心。进一步地，所述球面反射镜对准区域(B1)位于所述主检测区域(B3)的外围。本专利技术还提供了一种基于上述大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统的检测方法，包括以下步骤：S1、利用所述干涉仪对准区域(A1)完成所述曲面计算全息图与干涉仪的对准；S2、放置球面反射镜，调节球面反射镜的位置，使所述干涉仪、球面反射镜及曲面计算全息图精确对准；S3、将所述凸自由曲面反射镜放置在所述曲面计算全息图后方形成的四个十字线中央，完成所述凸自由曲面反射镜在光路中的粗对准，此时将通过所述主检测区域(B3)在干涉仪中形成相应的干涉条纹；S4、调整所述凸自由曲面反射镜的位置，使干涉仪中所形成的自由曲面检测干涉条纹尽可能地接近零条纹状态；S5、测得对应所述凸自由曲面反射镜的波像差结果，结合像差调整所述凸自由曲面反射镜的精确位置，进行所述凸自由曲面反射镜的零位补偿测量。进一步地，所述步骤S1包括：调整所述曲面计算全息图与干涉仪之间相对位置，使得干涉仪发出的光线经所述干涉仪对准区域(A1)后返回干涉仪内，并与干涉仪参考光形成干涉条纹；继续调节曲面计算全息图与干涉仪相对位置，将干涉条纹调至零条纹状态。进一步地，所述步骤S2包括：放置球面反射镜并调节其位置，使得干涉仪发出的光线经曲面计算全息图的凸面部分反射到球面反射镜、再由球面反射镜反射到曲面计算全息图的凸面，经由所述球面反射镜对准区域(B1)反射后沿原路返回至干涉仪，并与干涉仪参考光形成干涉条纹；继续调节球面反射镜的位置，直至干涉条纹变为零条纹状态。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本专利技术取得了下列有益效果：(1)本专利技术将曲面计算全息图与球面反射镜结合使用，通过混合补偿的方式，实现了对凸自由曲面反射镜的零位补偿，从而完成大口径凸自由曲面反射镜镜面全口径干涉测量，不仅提高了检测精度，而且对检测场地环境及尺寸的要求简单，可操作性强，为现代先进光学系统的制造开发提供了保证。(2)本专利技术通过在曲面计算全息图上设计相应的多个功能区域，共同保证了检测光路中各光学元件的精确对准，进一步确保了最终凸自由曲面面形结果的准确获得。附图说明图1为大口径凸自由曲面反射镜镜面面形干涉检测光路示意图；图2(a)、图2(b)分别为CGH凸面和凹面区域分布示意图；图3为CGH与干涉仪对准后对应位置干涉图；图4为CGH投射十字线与大口径凸自由曲面反射镜位置关系示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术公开了一种基于球面反射镜及曲面计算全息图对凸自由曲面反射镜进行全口径补偿测量的方法，解决了大口径凸自由曲面反射镜镜面全口径干涉测量困难的问题。该方法通过将曲面计算全息图与球面反射镜相结合，实现了对凸自由曲面反射镜的零位补偿。而且，为实现检测光路中干涉仪、曲面计算全息图、球面反射镜及待测凸自由曲面反射镜的精确对准，在曲面计算全息图上设计相应的功能区域，其中曲面计算全息图共包含四种衍射区域，分别为位于凸面部分的干涉仪对准区域和位于凹面部分的主检测区域、十字线投射区域及球面反射镜对准区域，上述四种区域共同保证了检测光路中各光学元件的精确对准及自由曲面面形结果的准确测量。下面结合具体实施例介绍本专利技术的测量方法。图1所示为大口径凸自由曲面反射镜镜面面形干涉检测光路图，干涉检测中需要利用球面反射镜及曲面计算全息图对自由曲面进行全口径补偿测量，实现零位检测，即每条入射光线均沿自由曲面反射镜法线入射、沿法线出射。具体地，检测光路中涉及待测凸自由曲面反射镜1、曲面计算全息图2、球面反射镜3及干涉仪4四个光学元件，其中曲面计算全息图的前后表面均为球面。光路中光学元件的失调会导致在检测结果中引入额外的像差，因此，为保证检测时各光学元件间的精确对准，在曲面计算全息图2上设计相应的对准区域，其对准区域如图2所示，在曲面计算全息图的凸面部分设计了干涉仪对准区域A1和凸面遮拦反射区域A2，在曲面计算全息图的凹面部分设计球面反射镜对准区域B1、十字线投射区域B2及主检测区域B3。干涉仪对准区域A1位于所述曲面计算全息图凸面部分的中心，完成曲面计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统，其特征在于，包括待测凸自由曲面反射镜、曲面计算全息图、球面反射镜和干涉仪；/n所述曲面计算全息图的凸面部分包括干涉仪对准区域(A1)和凸面遮拦反射区域(A2)，所述曲面计算全息图的凹面部分包括球面反射镜对准区域(B1)、十字线投射区域(B2)及主检测区域(B3)；/n所述干涉仪对准区域(A1)用于所述曲面计算全息图与干涉仪的精确对准；/n所述球面反射镜对准区域(B1)用于所述曲面计算全息图与球面反射镜的精确对准。/n

【技术特征摘要】
1.一种大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统，其特征在于，包括待测凸自由曲面反射镜、曲面计算全息图、球面反射镜和干涉仪；
所述曲面计算全息图的凸面部分包括干涉仪对准区域(A1)和凸面遮拦反射区域(A2)，所述曲面计算全息图的凹面部分包括球面反射镜对准区域(B1)、十字线投射区域(B2)及主检测区域(B3)；
所述干涉仪对准区域(A1)用于所述曲面计算全息图与干涉仪的精确对准；
所述球面反射镜对准区域(B1)用于所述曲面计算全息图与球面反射镜的精确对准。


2.如权利要求1所述的大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统，其特征在于，所述曲面计算全息图的前后表面均为球面。


3.如权利要求2所述的大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统，其特征在于，所述干涉仪对准区域(A1)位于所述曲面计算全息图凸面部分的中心。


4.如权利要求2所述的大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统，其特征在于，所述球面反射镜对准区域(B1)位于所述主检测区域(B3)的外围。


5.基于权利要求1-4任一项所述的大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用所述干涉仪对准区域(A1)完成所述曲面计算全息图与干涉仪的对准；
S2、放置球...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫力松，莫言，晁联盈，陈晓晨，马冬林，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42