【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学工程，具体为一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统及设计方法。
技术介绍
1、随着光学加工技术的不断发展，非球面由于其优异的光学性能，在大口径、大相对口径光学系统的设计中得到广泛的应用。在光学系统中，使用大口径、大相对口径非球面镜能够满足提高系统性能、改善成像质量、缩短系统总长、减少光学元件的数量以及系统的复杂难度的设计目的，满足现代光学成像系统对于大视场、长焦距和接近于衍射极限像质的迫切需求。而目前，在检测工作方面存在的一个难题就是大口径、大相对口径非球面的面形检测。这主要是大相对口径非球面的像差较大，补偿器结构更为复杂，相应地受限于补偿器的加工和装调精度，补偿检验的精度更难提高。高精密的光学加工精度要求更加精密、能够提供指导和反馈的检测方法来实现大相对口径非球面镜的面形检测。
2、目前常用于凹非球面镜的干涉检测方法主要有无像差点法、零位补偿检测法和计算全息法(computer generated hologram，cgh)。无像差点法利用二次非球面镜自身消像差点进行自准检验，光阑位于辅助面上，光线两次经过待检非球面，但该方法只适用于二次非球面的检测。零位补偿检测法其原理是根据被测镜的参数，通过复杂的计算及高精度加工，制造出标准补偿器，利用补偿器生成的球差来对非球面的像差进行补偿的方法，但是零位补偿检测法对相对口径较大的非球面镜补偿能力较弱。在零位补偿检测方法中，待检非球面作为自准面，光阑位于待检非球面上，光线一次经过待检非球面。计算全息法其原理是通过计算全息图生成与待测面一致的波前来完成对非球面
3、为了实现对大相对口径非球面的光学检测，目前常采用的方法是在零位补偿检测法的基础上，通过添加多块补偿透镜或球面补偿透镜非球面化的设计方式来对非球面的像差进行校正，以实现对待检非球面的补偿检测。在补偿检验系统中，补偿镜的装调对于镜面的加工精度极其重要，补偿镜到待检镜之间的距离和倾斜偏心等因素必须严格控制，否则会导致无法预估的问题。如哈勃望远镜，由于在装调的过程中，补偿器到被测镜出现了1.3mm的误差，导致哈勃望远镜上天后的观测距离由设计的140光年缩短为40光年，望远镜升空后不得不对其进行在轨修复。通过添加多块补偿镜的方式对大相对口径非球面进行检测无疑会增加加工及装调难度。因此，要求一种补偿能力强，装调难度相对简单的高精度非球面检测方法，来实现对大相对口径非球面的检测，是十分有必要的。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于：提供一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统及设计方法，以解决以上缺陷。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统，包括由补偿镜、自准校正镜和场镜共同组合成的补偿器以及待检凹非球面镜；所述补偿镜、自准校正镜、场镜、待检凹非球面镜依次安装固定，且所述自准校正镜与场镜紧密接触并形成组合透镜使用，并建立起大相对口径非球面自准补偿检测方法的光路结构。
4、优选地，在整个光路结构中，光线路径为：由检测设备发出的球面波经补偿镜折射后，入射至自准校正镜和场镜，经自准校正镜和场镜折射后入射至待检凹非球面镜，随后被待检凹非球面镜反射后再次经过场镜和自准校正镜，最后，光线经过自准校正镜自准后反射沿原光路依次分别经过场镜、待检凹非球面镜、场镜、自准校正镜、补偿镜返回至检测设备。
5、一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统的设计方法，包括以下步骤：
6、s1、对补偿器的初始结构参数进行设定，所述初始结构参数包括补偿镜与待检凹非球面镜的口径比α1，组合透镜与待检凹非球面镜的口径比α2，待检凹非球面镜的放大率β4，各个镜面的像差分担因子mi；
7、s2、计算出所述补偿器中各个镜面的假设像差系数；
8、s3、计算所述补偿器中各个面镜的假设初始结构参数，包括各个面的入射角ui、出射角ui′，光线在各个面入射高度hi以及补偿器中各个透镜的曲率半径ri；
9、s4、给定补偿镜增加一定厚度，重复步骤s3求解补偿镜加厚后的补偿器的假设初始结构参数，并计算此时补偿器中各面的假设像差系数；
10、s5、将s4求得的补偿镜加厚后的补偿器的假设初始结构参数代入消球差公式s1中，计算补偿器各镜面的实际像差系数；
11、s6、计算s5步骤的实际像差系数与s4步骤的假设像差系数的两次像差系数的差异值；
12、s7、改变待检凹非球面镜的放大率β4的大小并重复s2～s6步骤，直至两次像差系数的差异值小于预定值，从而获得稳定的能够自准补偿的大相对口径非球面的结构参数。
13、优选地，所述补偿镜与待检凹非球面镜的口径比为α1＝h1/h4＝0.17，所述自准校正镜与待检凹非球面镜的口径比为α2＝h5/h4＝0.18；所述自准校正镜与场镜的组合透镜，其厚度在归一化的条件下设定为0.03，设置在待检凹非球面镜的曲率中心处，且场镜与自准校正镜的口径相等。
14、优选地，所述s1步骤，具体为：
15、s11、在整个光路结构中，所述球面波依次经过的透射或反射面分别为m1～m11，且m1、m11为经过补偿镜的透射或反射面，m2、m10为经过自准校正镜的透射或反射面，m3、m5、m7、m9为经过场镜的透射或反射面，m4、m8为经过待检凹非球面镜的透射或反射面；
16、s12、整个光路结构的消球差条件为球差系数s1＝0，即消球差公式s1为：
17、
18、式中，h1、h2、h3、h4、……h11分别为光线入射透射或反射面m1、m2、m3、m4、……m11上的高度；pi为光线经过第i面时所对应的镜面p值，pi和分别代表光线沿光轴方向和逆光轴方向时经过镜面的情形，即p1、p2、p3、p4、p7、p8分别为光线沿光轴方向经过面m1、m2、m3、m4、m7、m8时所对应的镜面p值，而分别为光线逆光轴方向经过面m5、m6、m9、m10、m11时所对应的镜面p值；而r4为待检凹非球面镜的曲率半径，为待检凹非球面镜的偏心率的平方，n4、n′4分别为光线入射到第4透射或反射面m4上的入射折射率和出射折射率；
19、s13、对光路结构的结构参数进行定义：ni、n′i分别为光线入射到第i透射或反射面mi上的入射折射率和出射折射率；补偿镜和组合透镜的材料折射率在光线沿光轴方向传播时为n，逆光轴方向传播时为-n；ui、u′i分别为光线入射到第i透射或反射面mi上的入射角和出射角并设定当光线沿光轴方向传播时光学系统中各光学元件之间的空气折射率为1，当光线沿逆光轴方向传播时光学系统中各光学元件之间的空气折射率为-1；
20、s14、对已定义的光路结构参数进行消参设定：h4＝h8，h1＝h11，h2＝h10，h3＝h9，h5＝h7；p4＝p8，第6面即m6为自准面，不具备球差校正效果，即u1＝u′11，u′1＝u2＝u′10＝u11，u′2＝u3＝u′9＝u10，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统，其特征在于，包括由补偿镜(1)、自准校正镜(2)和场镜(3)共同组合成的补偿器以及待检凹非球面镜(4)；所述补偿镜(1)、自准校正镜(2)、场镜(3)、待检凹非球面镜(4)依次安装固定，且所述自准校正镜(2)与场镜(3)紧密接触并形成组合透镜使用，并建立起大相对口径非球面自准补偿检测方法的光路结构。
2.根据权利要求1所述的一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统，其特征在于，在整个光路结构中，光线路径为：由检测设备发出的球面波经补偿镜(1)折射后，入射至自准校正镜(2)和场镜(3)，经自准校正镜(2)和场镜(3)折射后入射至待检凹非球面镜(4)，随后被待检凹非球面镜(4)反射后再次经过场镜(3)和自准校正镜(2)，最后，光线经过自准校正镜(2)自准后反射沿原光路依次分别经过场镜(3)、待检凹非球面镜(4)、场镜(3)、自准校正镜(2)、补偿镜(1)返回至检测设备。
3.一种基于权利要求1或2所述的一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种
5.根据权利要求4所述的一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统的设计方法，其特征在于，所述S1步骤，具体为：
6.根据权利要求5所述的一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统的设计方法，其特征在于，所述S2步骤，具体为：
7.根据权利要求6所述的一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统及设计方法，其特征在于，所述S3步骤，具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统，其特征在于，包括由补偿镜(1)、自准校正镜(2)和场镜(3)共同组合成的补偿器以及待检凹非球面镜(4)；所述补偿镜(1)、自准校正镜(2)、场镜(3)、待检凹非球面镜(4)依次安装固定，且所述自准校正镜(2)与场镜(3)紧密接触并形成组合透镜使用，并建立起大相对口径非球面自准补偿检测方法的光路结构。
2.根据权利要求1所述的一种大相对口径非球面镜补偿检测光学系统，其特征在于，在整个光路结构中，光线路径为：由检测设备发出的球面波经补偿镜(1)折射后，入射至自准校正镜(2)和场镜(3)，经自准校正镜(2)和场镜(3)折射后入射至待检凹非球面镜(4)，随后被待检凹非球面镜(4)反射后再次经过场镜(3)和自准校正镜(2)，最后，光线经过自准校正镜(2)自准后反射沿原光路依次分别经过场镜(3)、待检凹非球面镜(4)、场镜(3)、自准校正镜(2)、补偿镜(1)返回至检测设备。
3.一种基于权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡明勇，刘天，褚奇，袁梦雨，封志伟，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
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