[發明專利]大口徑離軸非球面光學元件幾何參數的測算方法

有效

• 申請號: 201310517036.2
• 申請日: 2013-10-28
• 公開（公告）號: CN103591888A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 郭玲玲;任建岳;張星祥;張立國;何斌;李亞鵬
• 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: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/255
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 陶尊新

技術領域

本發明涉及光學檢測領域，具體涉及大口徑離軸非球面光學元件幾何參數的測算方法。

背景技術

隨著空間光學與天文光學的迅速發展，大口徑離軸非球面光學元件的需求日益增多。在光學設計中使用非球面元件，能夠比球面元件更有效地校正像差。離軸非球面元件還能夠避免中心遮攔，保證結構緊湊，提高傳遞函數，實現大視場。故而以大口徑離軸非球面元件為核心的光學系統在空間遙感、天文觀測、深空探測等領域倍受青睞。

非球面元件的加工和檢測難度遠高于球面元件。非球面上頂點以外的各點曲率半徑與頂點處的曲率半徑各不相同，離軸特性又使得虛頂點位置難以測量，導致離軸非球面元件的幾何參數（頂點曲率半徑、圓錐系數、高次系數等）很難準確測量。在光學系統中，非球面元件幾何參數的檢測準確性是確保整個系統性能的前提，故對于大口徑離軸非球面鏡，需要尋求一種具有高精度、高可靠性且通用性好的幾何參數測量方法。

目前非球面元件幾何參數的測量方法分為非接觸測量與接觸測量兩種。非接觸測量方法主要是基于光波面補償的干涉測量，非球面的幾何參數是由面形數據擬合得到，面形測量中的微小誤差可能導致較大的幾何參數測量誤差，且測量系統通常較復雜。接觸測量使用三坐標機或激光跟蹤儀即可實現，其測量準確度與測量過程以及數據處理方式有關。王孝坤等人的專利中提出的使用干涉儀與激光跟蹤儀共同測量曲率半徑的方法僅適用與光學球面元件的檢測。而李銳剛等人的專利中提出的采用激光跟蹤儀測量非球面頂點半徑的方法中，需要測算非球面頂點的空間位置，對于離軸非球面元件不再適用。

發明內容

本發明為解決現有大口徑離軸非球面光學元件幾何參數難以準確測量的問題，提供一種大口徑離軸非球面光學元件幾何參數的測算方法。

大口徑離軸非球面光學元件幾何參數的測算方法該方法由以下步驟實現：

步驟一、調整補償器、干涉儀與待檢非球面光學元件同軸；

步驟二、采用激光跟蹤儀與球形角錐反射鏡分別測量補償器柱面的坐標數據以及待檢非球面光學元件鏡面處的坐標數據；

步驟三、利用步驟二獲得的補償器柱面的坐標數據，擬合待檢非球面光學元件的光軸方向；具體為：對補償器柱面的坐標數據，通過最小化測量點到光軸距離的標準差，計算獲得測量坐標系下的待檢非球面光學元件光軸方向；

步驟四、依據擬合的光軸方向將測量坐標系下待檢非球面光學元件的坐標測量點進行旋轉，使旋轉后的測量點對應的光軸與測量坐標系下的Z軸平行；

步驟五、對旋轉后的待檢非球面光學元件的球形角錐反射鏡球心測量點坐標，進行非線性最小二乘擬合，獲得待檢非球面光學元件的幾何參數。

本發明的有益效果：

一、本發明采用激光跟蹤儀的高精度選項測量坐標數據，并在測量中保證激光跟蹤的旋轉角編碼器移動較小，從而一定程度上提高坐標的測量精度。利用補償器與待檢非球面的共軸關系，將待檢非球面處的坐標測量點旋轉至光軸與Z軸平行的位置，從而可以精確分析測量點的數學模型，并利用計算機進行曲面擬合得到非球面光學元件的幾何參數。其數據處理過程包含如下三個核心步驟：a、擬合光軸：對補償器圓柱面處的坐標數據，通過最小化測量點到光軸距離的標準差，計算得到測量坐標系下的光軸方向。b、旋轉待檢非球面鏡處測量點坐標：按照將測量坐標系下的光軸旋轉至Z軸方向的旋轉矩陣，將待檢非球面鏡處的坐標測量點旋轉至新的位置。c、擬合角錐反射鏡球心所在曲面在接觸測量離軸非球面元件時，球形角錐反射鏡的球心與待測非球面元件之間滿足固定的幾何關系，球心測量點構成一個包絡曲面。使用計算機輔助推導，可以得到該球心包絡曲面的曲面方程。對旋轉后的非球面鏡處的測量點，用導出的球心所在曲面方程進行擬合，使用置信域算法進行求解非球面鏡的幾何參數。從給定的初始解出發，在逐步迭代中計算試探步長，校正置信域，從而不斷改進直至獲得近似最優解。

二、本發明通過盡量保證激光跟蹤儀的旋轉角編碼器移動較小，并使用激光跟蹤儀的高準度選項，以及采用精準的曲面擬合模型計算非球面鏡的幾何參數，有效提高了測算精度，而且測量簡便快捷、重復性好。本發明可應用于大口徑離軸非球面鏡的拋光階段或最終檢測階段的幾何參數測量。

附圖說明

圖1為本發明所述的大口徑離軸非球面光學元件幾何參數的測算方法的檢測裝置圖；

圖2為本發明所述的大口徑離軸非球面光學元件幾何參數的測算方法中補償器的柱面測量示意圖；

圖3為本發明所述的大口徑離軸非球面光學元件幾何參數的測算方法中待檢非球面光學元件的測量示意圖；