[发明专利]一种大口径光学非球面镜检测系统

说明书

技术领域

本发明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领域。

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[J],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[J],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 subapertureinterferometric method[J],Xi Hou,F.W,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[J],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。

发明内容

本发明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。

本发明是通过下述技术方案实现的。