[發明專利]大陡度凸面光學自由曲面高頻段像差檢測系統及檢測方法

有效

• 申請號: 202210024320.5
• 申請日: 2022-01-07
• 公開（公告）號: CN114353699B
• 公開（公告）日: 2022-12-16
• 發明（設計）人: 馬鑫雪;王建立;王斌;劉欣悅
• 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: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 朱紅玲

大陡度凸面光學自由曲面高頻段像差檢測系統及檢測方法，涉及自由曲面光學檢測技術領域，本發明為解決大陡度凸面光學自由曲面高頻段像差檢測這一技術難題，進而指導自由曲面光學元件在研磨向拋光過渡階段的面形加工，實現精研磨階段盡可能多的去除面形殘差，提高光學自由曲面加工的收斂效率，最終為高精度、高性能的光學自由曲面加工及檢測提供技術支持。本發明包括高頻段像差檢測系統、計算機處理系統和光路夾持與裝調系統；光路夾持與裝調系統用于對高頻段像差檢測系統進行調整；本發明所述的檢測系統結構簡單，造價便宜，測量精度高，測量斜率的動態范圍大，而且空間分辨率高，可以測量干涉儀和哈特曼檢測無法測量的大數值斜率問題。

技術領域

本發明涉及自由曲面光學檢測技術領域，具體涉及一種大陡度凸面光學自由曲面高頻段像差檢測系統及檢測方法。

背景技術

目前，我國在高精尖光電產品加工生產方面的不足日益凸顯，我國工業經濟結構亟需轉型，這就要求我們制造業加快向著高科技、高附加值方向發展。一方面，航空航天、航海等領域對高精度、高質量光電產品的需求日益提高；另一方面，為了保持和加強產品的市場競爭力，產品的開發周期和生產周期越來越短，促使這些光電產品逐步向著微型化、高質量、小批量、多品種、低成本的方向發展。由于自由曲面具有強大的矯正像差和優化系統結構的能力，不僅能提高光學系統的性能指標，而且為光學系統的設計提供更高的自由度，所以，自由曲面越來越受到光學設計人員的青睞，具有自由曲面的光學元件在現代光電產品中的應用也隨之日益廣泛。

光學自由曲面是一類非軸對稱、不規則且隨意構造的曲面，對光學自由曲面高精度、高性能的要求增加了其加工和檢測的難度，該難度遠比球面鏡的加工和檢測復雜與困難。特別是大陡度凸面自由曲面高頻段像差的檢測，導致在研磨向拋光過渡階段的檢測還存在較多局限：測量精度不夠、技術不夠成熟、檢測周期過長、動態范圍過小、無法進行全口徑在位檢測等。如現有技術：(1)三坐標測量機采用逐點掃描的方式進行測量，測量速度慢，無法一次性得到被測元件的全場面形數據；輪廓儀只能測量面形與球面基或非球面基偏離度較小的自由曲面(局部梯度與全局梯度的偏離小于5°才可測)。(2)擺臂式輪廓掃描法也面臨著測量效率偏低及整體面形拼接過程中存在誤差等問題，且目前只能測量離軸非球面類型的自由曲面，關于測量形狀復雜、局部梯度變化大、面形數學表達較難的高自由度自由曲面的研究未見報道。(3)夏克-哈特曼波前檢測法具有測量速度快、測量精度高及動態測量范圍大等優勢，但受透鏡尺寸的限制以及大梯度自由曲面測量時光斑交疊的影響，該方法的橫向測量分辨率不高，相應的測量精度易受分辨率的影響，而且不能進行研磨到拋光階段的檢測。(4)計算全息技術面臨的問題是：一對一的補償測量模式造成其測量通用性較差，從而檢測成本較高；針對梯度較大的曲面元件，作為補償器的CGH需要通過密度很高的衍射結構來實現大梯度波面的輸出，因此計算全息的刻線密度受限于目前的微結構加工工藝水平。(5)部分零位補償技術面臨的問題是：測試光路越偏離零位條件光路，回程誤差就越大，這為被檢面形高精度恢復帶來了很大難題；在部分零位補償法檢測自由曲面的過程中，待測件的對準較為困難，影響其面形檢測精度；自由曲面非旋轉對稱性會導致干涉圖產生非旋轉對稱形變，影響面形恢復精度。目前，對于更復雜的大梯度變化自由曲面，其成功應用案例較少。(6)傾斜波面技術測量大口徑自由曲面時，需要使用大口徑標準補償鏡頭，大口徑標準補償鏡頭的加工非常困難，限制了系統的測量口徑。

本發明的目的是為解決大陡度凸面光學自由曲面高頻段像差檢測這一技術難題，指導自由曲面光學元件在研磨向拋光過渡階段的面形加工，實現精研磨階段盡可能多的去除面形殘差，提高光學自由曲面加工的收斂效率，將為光學自由曲面檢測技術研究提供理論參考和技術支撐，將推動我國在高精度和大動態范圍光學自由曲面檢測技術領域的發展，促進高性能光電產品加工方面的進步，為打破國外在高精度自由曲面檢測儀器和高性能光電產品加工上的壟斷做出貢獻，具有重要的科學意義。

發明內容