[發(fā)明專利]大口徑平面光學(xué)元件在位面形拼接測量裝置及方法

有效

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• 申請日: 2020-12-23
• 公開（公告）號: CN112577446B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 段亞軒;達(dá)爭尚;陳曉義;袁索超;范堯;李銘;王璞
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G06F17/14;G06T7/62;G06T7/66;G06T7/73;G06T17/20
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 王凱敏

為了解決現(xiàn)有的測量大口徑平面光學(xué)元件面形的方案易受空氣氣流擾動和振動的影響、測量動態(tài)范圍小、面形測量分辨率不高、無法應(yīng)用于在位各種姿態(tài)面形測量，以及當(dāng)大口徑平面光學(xué)元件面形中存在Power時無法測量的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種大口徑平面光學(xué)元件在位面形拼接測量裝置及方法，利用激光器、半透半反鏡、準(zhǔn)直物鏡、光闌、小孔光闌、準(zhǔn)直目鏡、二元光學(xué)器件、探測器、衰減板、遠(yuǎn)場探測器、驅(qū)動控制器、電控光闌、反射鏡陣列、角錐棱鏡陣列、六自由度運(yùn)動平臺，實現(xiàn)對被測大口徑平面光學(xué)元件在位各種姿態(tài)下的動態(tài)高精度面形拼接測量，測量精度不受外界環(huán)境的影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種大口徑平面光學(xué)元件面形測量裝置及其方法。本發(fā)明所述的大口徑平面光學(xué)元件，是指口徑大于300mm的平面光學(xué)元件。

背景技術(shù)

大口徑平面光學(xué)元件主要應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡、高功率激光慣性約束聚變等裝置中。由于大口徑平面光學(xué)元件在傾斜工作姿態(tài)下，面形將受到重力、支撐夾具和裝調(diào)狀態(tài)等因素的影響發(fā)生形變，從而嚴(yán)重影響裝置的穩(wěn)定性及輸出光束的波前質(zhì)量。因此，實現(xiàn)大口徑平面光學(xué)元件在位面形測量，并根據(jù)測量結(jié)果實時進(jìn)行姿態(tài)或支撐夾具方式的調(diào)整，以保證大口徑光學(xué)元件在位面形和加工面形保持一致具有重要意義。

目前測量大口徑平面光學(xué)元件面形的方法主要分為：直接測量和間接測量兩種。

直接測量主要采用大口徑干涉測量方法。傳統(tǒng)壓電陶瓷驅(qū)動的靜態(tài)相移干涉儀(如美國Zygo相移激光干涉儀)，由于通過在時間域上進(jìn)行相移來得到被測波前相位結(jié)果，故易受空氣氣流擾動和振動的影響，尤其對于大口徑光學(xué)元件，對測量環(huán)境的要求更苛刻，所以此干涉儀無法滿足大口徑光學(xué)元件在位各種姿態(tài)測量的需求。美國4D公司研制的菲索型動態(tài)平面干涉儀 (FizCam系列)，最大可實現(xiàn)Ф300mm口徑的平面光學(xué)元件面形的動態(tài)測量，但測量動態(tài)范圍小，且價格昂貴，對于大于Ф300mm口徑的平面光學(xué)元件面形無法直接在位測量。基于大口徑擴(kuò)束系統(tǒng)和夏克-哈特曼波前傳感器可實現(xiàn)超大口徑平面光學(xué)元件面形測量，但受擴(kuò)束系統(tǒng)的擴(kuò)束比和夏克-哈特曼波前傳感器分辨率的限制，面形測量分辨率不高，同時測量精度受大口徑擴(kuò)束系統(tǒng)透射波前影響。

間接測量主要有瑞奇-康芒法、子孔徑拼接測量等方法。瑞奇-康芒法對檢測環(huán)境要求嚴(yán)格，且需要比被測平面鏡口徑大20％～30％的大口徑的標(biāo)準(zhǔn)球面鏡，測量成本高，同時此方法無法應(yīng)用于大口徑平面光學(xué)元件在位各種姿態(tài)面形測量。子孔徑拼接測量方法是目前比較常用的一種大口徑平面光學(xué)元件面形測量的方法，將小口徑動態(tài)干涉儀固定在二維掃描裝置上，將被測面劃分為多個相互重疊的小孔徑，然后利用動態(tài)干涉儀進(jìn)行掃描測量，最后將各個子孔測量結(jié)果利用拼接算法拼接在一起得到被測大口徑平面光學(xué)元件全口徑面形。由于子孔徑拼接測量需要掃描運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其在掃描過程中會引入傾斜和平移，傳統(tǒng)方法通過利用相鄰子孔徑間的重疊區(qū)域求出相對平移和傾斜誤差，并對其進(jìn)行補(bǔ)償，然而當(dāng)被測大口徑平面光學(xué)元件面形中存在Power 時，此方法無法分辨Power引入的傾斜，故無法實現(xiàn)對含Power較大的平面光學(xué)元件的在位面形測量。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有的測量大口徑平面光學(xué)元件面形的方案易受空氣氣流擾動和振動的影響、測量動態(tài)范圍小、面形測量分辨率不高、無法應(yīng)用于在位各種姿態(tài)面形測量，以及當(dāng)大口徑平面光學(xué)元件面形中存在Power時無法測量的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種大口徑平面光學(xué)元件在位面形拼接測量裝置及方法，可實現(xiàn)大口徑平面光學(xué)元件在位各種姿態(tài)下的面形動態(tài)高精度測量，尤其可實現(xiàn)對含Power較大的平面光學(xué)元件在位面形測量，且測量精度不受外界環(huán)境(空氣氣流擾動、振動等)的影響。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

大口徑平面光學(xué)元件在位面形拼接測量裝置，其特殊之處在于：包括圖像數(shù)據(jù)處理單元、六自由度運(yùn)動平臺以及設(shè)置在六自由度運(yùn)動平臺上的激光器、第一半透半反鏡、準(zhǔn)直物鏡、第二半透半反鏡、光闌、第三半透半反鏡、小孔光闌、準(zhǔn)直目鏡、二元光學(xué)器件、探測器、衰減板、遠(yuǎn)場探測器、驅(qū)動控制器、電控光闌、反射鏡陣列和角錐棱鏡陣列；