專利名稱：一種大口徑拋物面鏡檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，特別涉及一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的大口徑拋物面鏡檢測(cè)系統(tǒng)，屬 于先進(jìn)光學(xué)制造與檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以拋物面鏡為主鏡的兩鏡光學(xué)系統(tǒng)在天文、空間光學(xué)和軍事等領(lǐng)域得到了愈來(lái)愈廣泛的 應(yīng)用，隨著光學(xué)制造技術(shù)的不斷發(fā)展所需拋物面鏡的口徑越來(lái)越大。大口徑拋物面鏡的制造 需要相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)。然而，對(duì)大口徑拋物面鏡進(jìn)行高精度檢測(cè)仍然存在很多挑戰(zhàn)。
在大口徑拋物面鏡的拋光加工階段，通常的定量檢測(cè)系統(tǒng)中所涉及到的檢測(cè)方法有自準(zhǔn) 直法和補(bǔ)償器零檢驗(yàn)法。二次曲面存在一對(duì)共軛的無(wú)像差點(diǎn)，若表面具有理想形狀，當(dāng)點(diǎn)光 源精確置于其中一個(gè)幾何焦點(diǎn)上，由表面反射的光線形成球面波前，其球心與另一幾何焦點(diǎn) 重合。拋物面的共軛點(diǎn)為幾何焦點(diǎn)和無(wú)窮遠(yuǎn)處，對(duì)其進(jìn)行自準(zhǔn)直檢測(cè)需要一塊與被測(cè)拋物鏡 口徑相當(dāng)?shù)母呔绕矫娣瓷溏R，然而對(duì)于大口徑拋物面鏡所需的高精度平面反射鏡通常制造 困難，價(jià)格昂貴，對(duì)于超大口徑拋物面鏡的自準(zhǔn)直檢測(cè)更是難以實(shí)現(xiàn)。
補(bǔ)償器零檢驗(yàn)法是廣泛使用的一種大口徑拋物面鏡的檢測(cè)方法，該方法的實(shí)質(zhì)是借助補(bǔ) 償器把平面或球面波前轉(zhuǎn)換為與被測(cè)拋物面鏡理論形狀重合的拋物面波前，由補(bǔ)償器出射的 波前，可以看作是疊在被檢拋物面鏡上的無(wú)接觸樣板，其最大優(yōu)點(diǎn)在于所適用的輔助元件(補(bǔ) 償器)的直徑比被檢驗(yàn)鏡直徑小得多。為了對(duì)被測(cè)拋物面鏡作出可靠結(jié)論，補(bǔ)償器必須具有 所要求的質(zhì)量，并相對(duì)于被檢拋物面正確地安裝。然而，隨著被測(cè)拋物面鏡口徑和相對(duì)口徑 的增大，補(bǔ)償器可能將具有的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且對(duì)其制造和裝調(diào)精度也將提出更苛刻的要求， 這使得這一檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)大口徑拋物面鏡時(shí)存在一定困難，其應(yīng)用受到一定限制。
Liu.Y.M等("Subaperture testing of aspheres with annular zones"，Ying-Moh Liu,George N丄awrence,Christ L.Koliopoulos,Applied Optics,27(21 ):4504-4513,1988)提出了一種無(wú)需輔助 元件就能檢測(cè)大口徑拋物面鏡的環(huán)形子孔徑測(cè)試技術(shù)，該檢測(cè)技術(shù)大大降低了檢驗(yàn)成本。但 是對(duì)于大口徑拋物面鏡，所需環(huán)形子孔徑數(shù)目較多，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，在檢測(cè)過(guò)程中容易受到
環(huán)境因素等的影響，同時(shí)多個(gè)子孔徑的"拼接"處理會(huì)造成誤差的累積和傳遞，影響到最終的 檢測(cè)精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種將環(huán)形子孔徑法和自準(zhǔn)直檢 測(cè)方法組合的大口徑拋物面鏡檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用通常光學(xué)加工實(shí)體己經(jīng)具備的平面 鏡工具，可以有效地解決現(xiàn)有定量檢測(cè)技術(shù)中的輔助元件(大口徑高精度平面反射鏡、零補(bǔ) 償器)制造困難、成本高、裝調(diào)誤差靈敏等問(wèn)題，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢驗(yàn)成本低、具有一定的 動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案 一種大口徑拋物面鏡檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于 包括菲索型干涉儀、平面反射鏡、被測(cè)大口徑拋物面鏡、電控平移臺(tái)、數(shù)字驅(qū)動(dòng)器及計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字驅(qū)動(dòng)器與電控平移臺(tái)連接，平面反射鏡用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)拋物面鏡中心
部分的自準(zhǔn)直檢測(cè)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制電控平移臺(tái)移動(dòng)菲索型干涉儀，所產(chǎn)生的一系 列不同曲率半徑參考球面波前將與被測(cè)大口徑拋物面鏡超過(guò)自準(zhǔn)直檢測(cè)范圍的相應(yīng)環(huán)形區(qū)域
相匹配，在所匹配的環(huán)形區(qū)域里的入射參考球面波前與被測(cè)大口徑拋物面表面之間的偏離量 將減小到干涉儀的測(cè)量范圍內(nèi)，產(chǎn)生一系列可分辨的環(huán)形干涉條紋，通過(guò)安裝在計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 上的菲索型干涉儀的數(shù)據(jù)處理軟件把可分辨干涉條紋對(duì)應(yīng)的相位數(shù)據(jù)提取出來(lái)，由環(huán)形子孔 徑拼接算法將所得到的子孔徑測(cè)試數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，然后與自準(zhǔn)直檢測(cè)結(jié)果一 起進(jìn)行全孔徑波前重構(gòu)，從而獲得被測(cè)大口徑拋物面面形信息。
所述平面反射鏡所對(duì)應(yīng)的被測(cè)大口徑拋物面鏡的中心部分由自準(zhǔn)直檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，被 測(cè)大口徑拋物面鏡對(duì)應(yīng)的平面反射鏡口徑之外的拋物面部分由環(huán)形拼接檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
所述平面反射鏡的口徑相對(duì)于被測(cè)大口徑拋物面鏡口徑小。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 本發(fā)明的系統(tǒng)中僅使用了通常光學(xué)加工實(shí)體已經(jīng)具備的口徑相對(duì)較小的平面反射 鏡，無(wú)需制造一塊與被測(cè)大口徑拋物面鏡口徑相當(dāng)?shù)钠矫娣瓷溏R，降低了檢測(cè)成本和檢測(cè)準(zhǔn) 備周期；
(2) 本發(fā)明將自準(zhǔn)直檢測(cè)方法和環(huán)形子孔徑拼接技術(shù)很好的融合起來(lái)，兼顧了它們兩者 的優(yōu)點(diǎn)，避免了這兩種技術(shù)本身的缺點(diǎn)，在節(jié)約大量硬件資源的同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑拋物 面鏡的檢測(cè)；
(3) 本發(fā)明由于使用自準(zhǔn)直檢測(cè)技術(shù)獲得了拋物面鏡一部分測(cè)試數(shù)據(jù)，較直接使用環(huán)形
子孔徑法檢測(cè)整個(gè)拋物面鏡時(shí)所需子孔徑數(shù)目大大減少，為提高最終檢測(cè)精度提供了一定的
保證；
(4) 本發(fā)明在制造平面反射鏡、裝調(diào)技術(shù)水平和環(huán)形子孔徑技術(shù)間取得一個(gè)平衡，盡可能確保檢驗(yàn)的可靠、可控，進(jìn)一步提高檢測(cè)精度；
(5)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作，主要適用于大口徑和超大口徑拋物面鏡的面形誤差
檢測(cè)。


圖1為自準(zhǔn)直檢測(cè)示意圖2為環(huán)形子孔徑拼接檢測(cè)示意圖3為自準(zhǔn)直檢測(cè)范圍示意圖4為環(huán)形子孔徑拼接檢測(cè)范圍示意圖5為對(duì)大口徑拋物面鏡環(huán)形子孔徑檢測(cè)的模擬干涉圖6為測(cè)量系統(tǒng)所涉及到的數(shù)據(jù)處理流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明主要由菲索型干涉儀l、平面反射鏡2、被測(cè)大口徑拋物面鏡3、計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)5、電控平移臺(tái)6和數(shù)字驅(qū)動(dòng)器4及組成，菲索型干涉儀1主機(jī)放置在電控平移臺(tái)6 上，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5通過(guò)數(shù)字驅(qū)動(dòng)器4與電控平移臺(tái)6連接，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5通過(guò)數(shù)字驅(qū)動(dòng)器 4控制菲索型干涉儀1在其光軸方向進(jìn)行精確移動(dòng)，被測(cè)大口徑拋物面鏡3采用側(cè)支撐系統(tǒng) 支撐，其光軸與菲索型干涉儀1光軸重合。
本發(fā)明的工作過(guò)程及檢測(cè)步驟如下
第一步如圖1所示，首先以口徑相對(duì)較小的平面反射鏡2對(duì)被測(cè)大口徑拋物面鏡3進(jìn) 行自準(zhǔn)直檢測(cè)，其檢測(cè)原理和光路調(diào)整可以參考"潘君驊，光學(xué)非球面的設(shè)計(jì)、加工與檢驗(yàn)， 北京:科學(xué)出版社,1994."和"楊力，先進(jìn)光學(xué)制造技術(shù)，北京科學(xué)出版社,2001."書中相關(guān)內(nèi)容。 受到平面反射鏡2 口徑的限制，對(duì)被測(cè)大口徑拋物面鏡3的檢測(cè)范圍為圖3中陰影部分所示， 通過(guò)安裝在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5上的干涉儀數(shù)據(jù)處理軟件將自準(zhǔn)直檢測(cè)獲得的相位值保存下來(lái)平 面反射鏡2所對(duì)應(yīng)的被測(cè)大口徑拋物面鏡3的中心部分由自準(zhǔn)直檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，被測(cè)拋物 面鏡3對(duì)應(yīng)的平面反射鏡2 口徑之外的拋物面部分由環(huán)形拼接檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
第二步如圖2所示，移除平面反射鏡2，對(duì)被測(cè)大口徑拋物面鏡3的檢測(cè)范圍為圖4 中陰影部分所示，與第一步自準(zhǔn)直檢測(cè)范圍剛好互補(bǔ)。對(duì)圖4中陰影部分進(jìn)行環(huán)形子孔徑檢 測(cè)。圖5為對(duì)大口徑拋物面鏡環(huán)形子孔徑檢測(cè)的模擬干涉圖，可以看出僅有部分干涉條紋具 有很好的對(duì)比度而且密度較小，可以被安裝在菲索型干涉儀l內(nèi)的CCD所分辨。通過(guò)安裝在 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5上的干涉儀數(shù)據(jù)處理軟件將可以分辨的干涉條紋部分的相位值提取出來(lái)，然后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5通過(guò)數(shù)字驅(qū)動(dòng)器4控制電控平移臺(tái)6在菲索型干涉儀1的光軸方向移動(dòng)，讓 不同曲率半徑的參考球面波前來(lái)匹配拋物面鏡上不同的環(huán)形區(qū)域，在所匹配的環(huán)形區(qū)域里的
入射參考球面波前與被測(cè)大口徑拋物面3表面之間的偏離量將減小到干涉儀的測(cè)量范圍內(nèi)， 使得在不同的區(qū)域產(chǎn)生可以分辨的千涉條紋。如圖4中陰影部分所示，以上測(cè)試過(guò)程可以從 被測(cè)大口徑拋物面鏡3內(nèi)環(huán)帶開始向邊緣進(jìn)行， 一旦取得了所有子孔徑測(cè)試數(shù)據(jù)，就可由環(huán) 形子孔纟仝"拼接"算法重構(gòu)出圖4陰影部分的波前信息。具體的數(shù)據(jù)提取方法可以參考文獻(xiàn)"侯 溪，伍凡，楊力，吳時(shí)彬，陳強(qiáng)，環(huán)形子孔徑檢測(cè)技術(shù)中測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確提取方法，光電工 程，2006，<formula>formula see original document page 6</formula>
第三步全孔徑波前重構(gòu)；重構(gòu)方法如下如果被測(cè)拋物面鏡3存在中心遮攔，所得到 的自準(zhǔn)直檢測(cè)數(shù)據(jù)和子孔徑數(shù)據(jù)均成環(huán)域分布；如果被測(cè)拋物面鏡3不存在中心遮攔，所得 到的自準(zhǔn)直檢測(cè)數(shù)據(jù)為圓域分布，其余均為環(huán)域分布。圓域分布的子孔徑數(shù)據(jù)采用圓域里正 交的圓Zemike多項(xiàng)式("Principles of optics",Bom M, Wolf E,464-468,1980)來(lái)擬合，環(huán)域分 布的子孑L徑數(shù)據(jù)采用環(huán)域里正交的環(huán)Zernike多項(xiàng)式("Zernike annular polynomials for imaging systems w他annularpupils," V.N.Mahanjan ， J.Opt.Soc.Am 71: 75-85,1981)來(lái)擬合。自準(zhǔn)直檢
測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)為零檢驗(yàn)子孔徑數(shù)據(jù)，而環(huán)形子孔徑拼接檢測(cè)所獲得的子孔徑數(shù)據(jù)為非零檢 測(cè)子孔徑數(shù)據(jù)，每個(gè)子孔徑測(cè)試數(shù)據(jù)均可以表達(dá)為正交的Zemike多項(xiàng)式的線性組合形式。這 樣各個(gè)子孔徑測(cè)試數(shù)據(jù)就簡(jiǎn)化為一系列的子孔徑Zernike擬合系數(shù)。
因?yàn)榉扑餍透缮鎯x1與被測(cè)非球面鏡3在相對(duì)移動(dòng)過(guò)程中存在調(diào)整誤差，每個(gè)子孔徑測(cè) 量主要有不同的相位常數(shù)、傾斜和離焦量。具有調(diào)整誤差的全孔徑波前『(P，0，s。)可以按照 Zernike環(huán)多項(xiàng)式的形式分解為具有全局面形信息和局部子孔徑調(diào)整誤差分析， ,(P,0，eo) = ;￡ |XZfa(A，《^) + ￡5,Z,(P, ，f0)
其中(^'e)為第k個(gè)子孔徑歸一化的局部像素坐標(biāo)，(p， )為全孔徑歸一化的全局坐
標(biāo)。K表示子孔徑數(shù)目，L為所用Zernike環(huán)多項(xiàng)式項(xiàng)數(shù)，bki為第A:個(gè)子孔徑第i項(xiàng)Zernike 調(diào)整誤差系數(shù),Bi為第i項(xiàng)Zernike全孔徑系數(shù)。全孔徑和第k個(gè)子孔徑的中心遮攔比分別為ff(>
和^ ; Zto"，e，&)為第k個(gè)子孔徑第i項(xiàng)Zemike環(huán)多項(xiàng)式，2'(1>，0^。)為全孔徑第i項(xiàng)Zernike 環(huán)多項(xiàng)式。這里所使用的Zernike多項(xiàng)式的排序與Zygo開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件MetroPro中所采 用的排序相同。
類似于分段函數(shù)，全孔徑波前也可以表示為如下形式，其中au表示第k個(gè)子孔徑和第i項(xiàng)Zernike多項(xiàng)式的子孔徑系數(shù)。 既然非球面自身不會(huì)改變，等式(1)與等式(2)必然相等,即
X 丄 K 4 i
"1f=l A=l/=1 '=5 (3)
將方程(3)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，將其改寫為矩陣形式并進(jìn)行一些變換和運(yùn)算，全孔徑Zernike 系數(shù)Bi可以被計(jì)算出。更詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程可參考文獻(xiàn)"Xi Hou， Fan Wu， Li Yang， Shi-bin Wu, Qiang Chen,Full-aperture wavefront reconstruction from annular subaperture interferometric data using Zernike annular polynomials and matrix method for testing large鄉(xiāng)heric surfaces, Applied Optics,2006，45(15):3442 3455."。根據(jù)全孔徑Zernike系數(shù)，即可進(jìn)行全孔徑面形重構(gòu)，可以 繪制出全孔徑波前圖，并計(jì)算其PV (峰谷值)、RMS值(均方差值)。
測(cè)量系統(tǒng)所涉及到的數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示，環(huán)形子孔徑數(shù)據(jù)需先進(jìn)行拼接處理，并 減去拋物面理論面形，再與自準(zhǔn)直檢測(cè)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行全孔徑重構(gòu)，去除調(diào)整誤差后，所獲得 的結(jié)果為全孔徑面形誤差信息。
權(quán)利要求
1. 一種大口徑拋物面鏡檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包括菲索型干涉儀(1)、平面反射鏡(2)、被測(cè)大口徑拋物面鏡(3)、電控平移臺(tái)(6)、數(shù)字驅(qū)動(dòng)器(4)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(5)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(5)通過(guò)數(shù)字驅(qū)動(dòng)器(4)與電控平移臺(tái)(6)連接，平面反射鏡(2)用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)拋物面鏡中心部分的自準(zhǔn)直檢測(cè)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(5)控制電控平移臺(tái)(6)移動(dòng)菲索型干涉儀(1)，所產(chǎn)生的一系列不同曲率半徑參考球面波前將與被測(cè)大口徑拋物面鏡(3)超過(guò)自準(zhǔn)直檢測(cè)范圍的相應(yīng)環(huán)形區(qū)域相匹配，在所匹配的環(huán)形區(qū)域里的入射參考球面波前與被測(cè)大口徑拋物面(3)表面之間的偏離量將減小到干涉儀的測(cè)量范圍內(nèi)，產(chǎn)生一系列可分辨的環(huán)形干涉條紋，通過(guò)安裝在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(5)上的菲索型干涉儀的數(shù)據(jù)處理軟件把可分辨干涉條紋對(duì)應(yīng)的相位數(shù)據(jù)提取出來(lái)，由環(huán)形子孔徑拼接算法將所得到的子孔徑測(cè)試數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(5)進(jìn)行處理，然后與自準(zhǔn)直檢測(cè)結(jié)果一起進(jìn)行全孔徑波前重構(gòu)，從而獲得被測(cè)大口徑拋物面(3)面形信息。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑拋物面鏡檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于平面反射鏡(2)所 對(duì)應(yīng)的被測(cè)大口徑拋物面鏡(3)的中心部分由自準(zhǔn)直檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，被測(cè)大口徑拋物面鏡(3)對(duì)應(yīng)的平面反射鏡(2) 口徑之外的拋物面部分由環(huán)形拼接檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大口徑拋物面鏡檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于平面反射鏡(2)的 口徑相對(duì)于被測(cè)大口徑拋物面鏡(3) 口徑小。
全文摘要
一種大口徑拋物面鏡檢測(cè)系統(tǒng)，包括菲索型干涉儀、高精度平面反射鏡、被測(cè)拋物面鏡、電控平移臺(tái)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；平面反射鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)拋物面鏡中心部分的自準(zhǔn)直檢測(cè)，之后移除平面鏡，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制電控平移臺(tái)移動(dòng)菲索型干涉儀，使得標(biāo)準(zhǔn)鏡頭產(chǎn)生的不同曲率半徑的參考球面波前，與被測(cè)拋物面的平面反射鏡口徑外相應(yīng)環(huán)形區(qū)域相匹配，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的菲索型干涉儀數(shù)據(jù)處理軟件把可分辨干涉條紋對(duì)應(yīng)的相位數(shù)據(jù)提取出來(lái)；由環(huán)形子孔徑“拼接”算法對(duì)所得子孔徑測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后與平面鏡自準(zhǔn)直檢測(cè)所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行全孔徑波前重構(gòu)獲得被測(cè)拋物面面形信息；本發(fā)明為大口徑和超大口徑拋物面鏡的研制提供了一種有效的檢測(cè)手段，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01M11/02GK101285732SQ200810113460
公開日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者凡 伍, 溪 侯, 強(qiáng) 陳, 雷柏平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所