[發(fā)明專利]一種離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法和裝置

有效

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• 申請日: 2013-03-04
• 公開（公告）號: CN103175481A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發(fā)明（設計）人: 張星祥;任建岳
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01B11/08
• 分類號: G01B11/08
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 張偉

技術領域

本發(fā)明屬于光學檢測技術領域，特別涉及一種離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法和裝置。

背景技術

隨著光學技術的發(fā)展，對高分辨率和大視場成像要求的不斷提高，都需要較長的焦距、反射式光學系統(tǒng)。為了滿足成像質(zhì)量和視場的需求，反射鏡形式由最初的球面，向二次曲面甚至高次非球面方向發(fā)展，其中最典型的就是離軸三反系統(tǒng)（TMA系統(tǒng)），系統(tǒng)中三個反射鏡都是高次非球面或離軸高次非球面。非球面的最大的技術難題在于非球面的加工與檢測，離軸非球面的面形可以用補償器進行檢測；由于離軸特性，離軸非球面的頂點位置實際存在但又不能準確定位，所以不能準確測量離軸非球面的頂點半徑。然而離軸非球面的頂點半徑在系統(tǒng)裝調(diào)中是非常重要的，非球面頂點半徑的準確性直接決定了系統(tǒng)裝調(diào)中反射鏡之間的相對位置精度，不能準確測量離軸非球面的頂點，就不能對離軸三反光學系統(tǒng)進行準確、精細、高精度的系統(tǒng)裝調(diào)；甚至有可能出現(xiàn)局部無解，無法滿足裝調(diào)要求的情況。

球面反射鏡鏡面光軸是任意的，如圖1所示，測量球面上任意一點到球心的距離即為球面反射鏡的頂點半徑。所以球面半徑的檢測相對比較簡單。可以采用跨橋法，如圖2所示，兩點弦長和三角求解來計算球面半徑；也可在干涉面形檢測時，測量標準鏡頭焦點到球面干涉像的距離，如圖3，但干涉面形檢測方法只能適用于半徑較小的球面半徑。

對于離軸非球面鏡來說，面形檢測采用補償器法線檢測方法，在其面形達到要求后，沿光軸方向上，測量補償器到非球面頂點的距離來確定非球面的頂點半徑，所以離軸非球面的光軸是唯一的，如圖4所示。離軸非球面的頂點半徑測量，就不能如球面半徑一樣采用弦長法來計算，因為非球面在不同口徑處的弦長跨度大小是不一樣的，求出的半徑大小也不一樣，測量誤差很大，無法滿足實際應用。由于離軸特性，使得離軸非球面與光軸的交點是虛點，不能夠直接測量，測量離軸口徑內(nèi)的點誤差非常大，沒有實際意義。干涉檢測時測距非球面頂點半徑也是不可行的，因為離軸非球面的法線與光軸沒有唯一的交點，是隨著口徑大小的不同而變化的；而且，隨著需求的不斷變化，離軸非球面的尺寸、口徑都越來越大，移動距離測量的難度也越大，準確性大大降低。

用以上方法來測量離軸非球面鏡的頂點半徑，要么測量誤差太大，要么是接觸測量，對離軸非球面鏡的表面會造成劃痕或劃傷，尤其是表面改性或表面鍍膜的反射鏡面，基本上不可實施。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決離軸非球面鏡頂點半徑不能準確測量的技術難題，以及現(xiàn)有測量方法精度不高，或接觸測量對鏡面劃傷等問題，本發(fā)明提供了一種利用離軸非球面檢測補償器來確定光軸，結(jié)合細光束反射鏡定律來測量離軸非球面鏡上任意一點的法線夾角，計算出非球面矢高；并對非球面上的進行多點采樣，根據(jù)非球面公式和三角關系，利用最小二乘法來擬合求解出離軸非球面鏡的幾何參數(shù)（包括頂點半徑、二次系數(shù)和高次系數(shù)）的，離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法和裝置。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案具體如下：

一種離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法，包括以下步驟：

步驟i：利用離軸非球面鏡上不同點法線與光軸交點不同的特性并結(jié)合光的反射鏡定律和三角函數(shù)關系，求出離軸非球面鏡上采用點的法線與光軸夾角、口徑高度；根據(jù)非球面公式并求導，建立非球面幾何參數(shù)與法線的數(shù)學模型；

步驟ii：測量數(shù)據(jù)多點采樣，并覆蓋整個離軸非球面口徑范圍；根據(jù)數(shù)學模型，采用最小二乘方法進行數(shù)據(jù)處理和求解。

在上述技術方案中，所述非球面幾何參數(shù)包括：頂點半徑、二次系數(shù)和高次系數(shù)。

在上述技術方案中，該測量方法具體包括：

發(fā)射機上的激光器發(fā)出的細光束經(jīng)過離軸非球面鏡上的P_i點反射回到光軸上，水平驅(qū)動并轉(zhuǎn)動接收機，使得光束能夠進入到接收機的近遠心鏡頭中，并在CCD相機上成像；

通過發(fā)射機、接收機、繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系的編碼器分別讀出：出射光束與光軸夾角α_i，發(fā)射光束與光軸夾角β_i、繞光軸的夾角γ_i，并用光柵尺測量出發(fā)射機和發(fā)射機的軸向距離L_i；

根據(jù)測量得到的α_i，β_i、γ_i、L_i，根據(jù)三角關系，計算得到離軸非球面鏡上P_i點發(fā)射機和接收機的夾角θ_i；

求得離軸非球面鏡在P_i處的法線與光軸的夾角Ф_i