[发明专利]一种非球面光纤细丝测量方法

说明书

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测领域，具体涉及一种非球面光纤细丝测量方法。

背景技术

大口径高陡度非球面具有缩短系统长度，减轻系统的重量，提高系统的成像质量等优点，因此它在大口径天文望远镜、空间光学系统等领域有着广泛的应用。特别是近三十年来，随着计算机控制小磨头抛光、能动磨盘抛光，离子束抛光等一批先进加工制造技术的出现及应用，更是大大的推动了这类系统在空间通讯、光束定向、目标观测识别等领域的应用。基于这种情况，许多国家纷纷将大口径高陡度非球面制造技术视为许多大科学项目重要的单元支撑技术之一。大口径高陡度非球面主镜的可靠检测则是保证其加工的前提条件和基础。

然而，非球面的检测要比球面困难得多，这是因为：球面有无数个对称轴，而非球面只有一个，所以非球面不能采用球面加工时的对研方法加工；非球面各环带的曲率半径不同，在抛光时面形难以修正。傅科刀口是一种检验有无横向像差的方法，做法是把光线或衍射光所穿过的一个平面的某一部分挡住，使有相差的范围内出现阴影。傅科检验法操作简单、容易识别、在众多光学检验方法中是独一无二的。完全可以把傅科刀口检验法看做是光学车间使用的一个最重要的检验方法，其余各种检验法都是在其基础上发展而成的。傅科检验法可用于：测量反射镜上各个带区的曲率半径；作为零检验方法，用于检查球形波面的所有带区是否拥有相同的曲率半径。然而傅科刀口法对测量环带误差量并不敏感。因此不能检验出非球面形的微小细节，傅科图在检验非球面误差时用处也不大。由此将刀口进行改进为细丝检验法，其使用方式与带区刀口检验法相类似，即在一个非常窄的带区内遮挡偏离光线。为此，在靠近各种环状带区的法线与被检反射镜表面的光轴相交的位置放置一根不透明的细丝，这样，当被检验的环带在均匀的明亮背景下变暗时，就能在光学表面上找到一个特殊环带的特殊交点。亚利桑那大学就用过此种细丝方法对3.75m的主镜进行镜面参数的测量和确定。目前基本上各天文望远镜面形都是二次型反射式的，顶点曲率半径和二次常数是非球面的两个重要的特征参数，它的准确测量和控制对确保非球面镜零检验的可靠性非常重要。非球面的面形表达式主要由双曲线、抛物线和椭圆的部分绕其中心轴旋转而成的，表达式如下：

其中R表示镜面顶点的曲率半径，k表示圆锥系数。从上式可以看出非球面的面形表达式由R和k决定，R的测量误差影响主镜焦点的位置，k的误差影响主镜成像时的球差。由此可以看出R和k的准确测量对镜面的成像质量有着重大的意义。

发明内容

本发明要解决技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种廉价的非球面检验方法，指导镜面加工，同时在终检阶段完成对二次非球面主镜顶点曲率半径和二次常数的测量。针对刀口仪发光点大，使用过程中大量发热、单色光衍射效应严重和测量环带误差不敏感等等缺点，提出细丝检验非球面的方法，并用CCD采集成像与计算机集成一个系统，结构简单，操作方便。

为了实现所述目的，本发明采用的技术方案为：一种非球面光纤细丝测量方法，该方法步骤如下：

(a)调整实验装置

搭建实验装置，该实验装置包括被测非球面镜、直角梯形棱镜、细丝、光纤、汇聚透镜、白光光源、CCD和计算机，调节光纤接口端的位置使得透镜汇聚的白光耦合进入光纤，光线的另一端与直角梯形棱镜的边缘对齐，并固定在棱镜上，校准细丝的位置使光纤的端面与细丝在同一个面上，光纤端面与细丝的距离固定为3mm左右，并将CCD、直角梯形棱镜、光纤和细丝集成为一个整体放置在一个调整架上。将此装置放在被测非球面镜的顶点曲率中心附近，通过观察计算机上面的图像调整出对称的阴影环带图；

(b)测量距离，采集图像

通过激光跟踪仪完成曲率中心初始位置的测量，然后按照一定的步长纵向调节调整架，测量得到的初始距离加上调节的距离就是镜面上阴影处的法线在光轴上的交点与镜面顶点的距离，将计算机里采集到的每个位置对应的阴影图保存起来；

(c)图像处理，计算环带半径

将采集得到的图像用计算机内已经编好的程序进行环带内边缘和环带外边缘的提取处理，取内外边缘环带的像素半径之和的一半作为该阴影环带的像素半径，按照镜面与图像对应的比例关系计算出镜面上阴影环带的半径；

(d)计算结果

将镜面上各环阴影的半径与纵向的法线高度对应起来，利用计算机内编好的程序计算出被测镜面的顶点曲率半径和二次常数。