[發明專利]一種全口徑光學非球面面形誤差直接檢測系統

無效

• 申請號: 201210435137.0
• 申請日: 2012-11-05
• 公開（公告）號: CN102997863A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 程灝波;文永富
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種光學非球面檢測系統，特別涉及一種全口徑非球面面形誤差直接檢測系統，屬于先進光學檢測技術領域。

背景技術

隨著先進光學制造與檢測技術的不斷發展，以非球面為關鍵元件的精密光學系統在天文、空間光學和軍事等領域得到了越來越深入的應用。其顯著優勢在于：在光學系統設計中加入非球面光學元件不僅能增加光學設計者的自由度，而且可以更有效地矯正像差、改善像質、擴大視場、增大作用距離，并且一片或少數幾片非球面鏡就能夠替代較多的球面鏡，從而簡化光學系統結構、降低成本、減輕重量。然而，高精度高質量的非球面加工和檢測技術一直是制約非球面進一步廣泛應用的瓶頸。某種程度上，實現非球面鏡的高效率、高精度加工的關鍵在于能否提供可靠的、行之有效的檢測來指導加工。因此，精確、快速的光學非球面元件的檢測顯得尤為重要。

在光學加工車間里，通常檢測非球面光學元件的設備主要有三坐標測量儀或者輪廓儀、刀口儀和干涉儀等。三坐標儀是利用高精度測頭對非球面表面進行掃描，獲得大量離散點數據，然后采用數據擬合算法得到非球面面形數據。該方法由于是逐點獲得被測面上的數據，因此測量效率較低，并且由于是接觸式測量，容易損傷被測表面；同時測量精度受測頭、運動機構影響特別大，要得到高精度的測量結果比較困難。刀口儀主要通過人眼觀察陰影分布的圖形和陰影圖的明暗對比來進行測量。這類方法的設備簡單、直觀，方便對某些二次曲面的測量，適用于車間檢測。但由于該方法是建立在眼睛襯度靈敏閾的基礎上，檢測結果只能定性不能定量，限制了檢測精度的提高，同時還存在靈敏度不高以及不能檢驗凸面等缺點。由于干涉檢測具有高分辨、高精度、高靈敏度、重復性好等優點，該技術已成為檢測光學元件面形的主要手段。利用干涉儀檢測非球面光學元件，通常的定量檢測方法有自準直法、零位補償法和子孔徑拼接法。自準直法僅適用于二次曲面的檢測，而且需要一高精度輔助鏡（凹橢球面除外），尤其是檢測大口徑凹非球面鏡所需的高精度輔助鏡制造困難，價格昂貴。零位補償法實質是借助補償鏡作為輔助光學元件，把平面波或球面波前轉換為非球面波前，并與被檢非球面鏡的理論形狀重合，即通過補償鏡來補償非球面鏡的法線像差，從而實現非球面鏡的干涉測量。對于不同被測非球面光學元件，一般都需要專門設計特定的補償器，這大大減小了其通用性，提高了成本，同時補償器的制造誤差和裝調誤差也會給最終的測量結果帶來誤差。1982年，美國Arizona光學中心的C.J.Kim首先提出了子孔徑測試概念，到目前為止子孔徑拼接測試技術得到了不斷發展。2003年，QED公司推出了世界上第一臺商用化的子孔徑拼接工作站。采用子孔徑拼接技術檢測非球面，其關鍵是在于確保對干涉儀采集到的圓形子孔徑數據的準確提取、數據拼接算法的精度以及硬件方面的必要保證。對于大口徑非球面鏡的測量，所需測量的子孔徑數目多，測量周期長，而且數據處理量非常大，同時隨著子孔徑數目的增多，其拼接精度會有所降低。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有非球面檢測技術中的輔助光學元件（大口徑高精度反射鏡、補償器）制造困難、測量周期長、成本高、裝調誤差靈敏以及數據量大等問題，提出一種全口徑光學非球面直接檢測系統。該系統具有結構簡單、檢測成本低、精度高、測量周期短、操作簡單以及數據量小易處理等特點。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明的一種全口徑光學非球面元件直接檢測系統，其特征在于：包括干涉儀、標準球面透射鏡頭、一維電控平移臺、五維精密電控平臺及數控系統；

所述一維電控平移臺采用普通商用的一維數控位移臺，不需要具備較高的重復精度和定位精度，可以控制干涉儀做一維直線運動；

所述五維精密電控平臺需要具備較高的重復精度和定位精度，可以精確調整被測非球面做扭擺、俯仰和旋轉以及二維正交直線運動；

利用標準球面透射鏡頭將干涉儀出射的平行光轉換為比較球面波，通過數控系統控制一維電控平臺和五維精密電控平臺來分別調整干涉儀和被測非球面光學元件的位置，使干涉儀產生的比較球面波與被測非球面某一內切圓相匹配，且滿足非球面全口徑干涉條紋能被干涉儀分辨，條紋對比度較好且最稀疏的位置，即為比較球面波與被測非球面某一內切圓相匹配的位置（切點），稱為最佳匹配點位置；

所述標準球面透射鏡頭的選取需要滿足標準球面透射鏡頭的F#必須小于等于被測非球面鏡的R#；

利用干涉儀自帶的數據處理軟件得到全口徑干涉條紋對應的波程差數據，并對其進行特征點數據提取及圓擬合處理得到像素坐標系下最佳匹配點位置；