离轴三反非球面系统凸非球面次镜面形拼接检测方法
【专利摘要】离轴三反非球面系统凸非球面次镜面形拼接检测方法涉及检测光学领域，通过子孔径拼接算法求解得到大口径离轴凸非球面反射镜全口径的面形，为其进一步加工提供依据和保障。该方法所用的装置包括：激光跟踪仪、激光干涉仪、第三反射镜、待测大口径离轴凸非球面次镜、主反射镜和高精度平面反射镜；系统装调检测的方法如下：系统装调，中心视场波像差检测，其它视场波像差检测，各视场面形数据拼接计算和全口径面形数据插补。该方法将光学系统波像差测试和子孔径拼接测量技术结合在一起完成对大口径离轴凸非球面面形的检测，拼接子孔径数目少，操作和运算简易，且在次镜的加工和检测过程中实现了整个光学系统的装调和测试，节省了时间，降低了成本。
【专利说明】离轴三反非球面系统凸非球面次镜面形拼接检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及检测光学领域，特别是涉及一种检测离轴三反非球面系统中凸非球面 次镜面形的方法。
【背景技术】
[0002] 在光学系统中，使用非球面元件可以很好的平衡和矫正系统像差，改善成像质量， 大幅提升光学系统的性能；同时可以简化系统，减轻系统的重量，降低系统的复杂程度，因 此，非球面元件正越来越多的被用于深空探测、光电跟踪、天文观测等诸多光电设备中。尤 其在空间光学领域，由于离轴三反消像散非球面系统（TMA)具有组件少、长焦距、大视场、 宽波段、调制传递函数高、抑制杂光能力强等优异特性，使得大口径非球面元件在空间遥感 中得到了广泛应用。
[0003] 离轴三反非球面系统中，主镜和第三镜均为离轴非球面反射镜，次镜是凸非球面 反射镜，对于如图1所示的二次成像离轴三反非球面系统（光束在汇聚在成像焦面以前有 过一次汇聚），其次镜为大口径离轴凸非球面反射镜。凸非球面尤其是离轴凸非球面镜面形 的测量一直是光学检测中的难点。
[0004] 经典的测试方法是借助大口径的Hindle球利用无像差点法进行测量，但是对 于大口径离轴凸非球面的检测，Hindle球的尺寸往往是待测镜面的几倍，高精度、大口径 Hindle球的制造延长了工程周期，并增加了成本，此外利用该方法检测时存在中心遮拦。
[0005] 利用补偿透镜或者衍射光学元件-计算全息对凸非球面进行零位补偿干涉测量， 仍是当前检测凸非球面面形最常规的方法。但是凸非球面补偿透镜的制备非常困难和复 杂，因为其透镜本身也含有非球面，要想实现对补偿透镜的加工、装调和测试，还得为补偿 透镜设计和加工一套补偿元件。利用计算全息可以很好的实现对浅度凸非球面的零位补偿 测量，但是对于大偏离量离轴凸非球面面形的检测，其计算全息的线频密度很高，现有光刻 设备根本无法实现。此外，为了与被测曲面吻合，检测凸非球面面形需要汇聚波面入射，这 就需要测量干涉仪、补偿透镜和计算全息的口径大于被检非球面元件，大尺寸的补偿透镜 和计算全息的制备目前存在诸多的困难，大口径干涉仪的价格更是昂贵。
[0006] 对于浅度（非球面度在ΙΟμπι以内）凸非球面的检测，通过小口径的干涉仪可以 对准和测量大口径凸非球面镜上多个小区域（子孔径）的相位数据，利用子孔径拼接算法 能够重构获得大口径非球面全口径的面形分布。但是如果直接采用子孔径拼接法检测大口 径、大偏离量的凸非球面，子孔径数目将会很多，分析和计算非常复杂，还会引入拼接误差 传递和累积。
【发明内容】
[0007] 为了克服以上困难，本专利提出了一种凸非球面次镜面形系统拼接检测的方法， 即在主镜和三镜加工完成满足精度后，对整个系统进行装调，并对各视场的系统波像差进 行测量，此时主镜和三镜的面形已经完好，所得到的各视场系统波像差的一半（因为来回 两次反射）即为次镜凸非球面对应各子区域（子孔径）的面形误差，通过子孔径拼接算法 可以求解得到大口径离轴凸非球面反射镜全口径的面形，从而为其进一步加工提供依据和 保障。
[0008] 离轴三反非球面系统中凸非球面次镜面形系统拼接检测方法，该方法所用的装置 包括：激光跟踪仪、激光干涉仪、第三反射镜、待测大口径离轴凸非球面次镜、主反射镜和高 精度平面反射镜；系统装调的方法如下：
[0009] 步骤一：当主反射镜和第三反射镜完成加工后，对离轴三反非球面系统进行系统 装调，并利用激光跟踪仪对各反射镜的位置姿态以及各镜体之间的相对位置进行测定和监 测；
[0010] 步骤二：利用激光跟踪仪测定和监测结果均在设计公差范围之内时，调整激光干 涉仪，使干涉仪的出射光线汇聚在中心视场成像的焦面位置，根据光路可逆原理，该光束将 会经过离轴三反非球面系统后变为平行光出射；在入射光孔位置设置一高精度平面反射 镜，使其与出射平行光垂直，从而使经主镜出射后的平行光束垂直入射到高精度平面反射 镜上并沿原路返回，经过离轴三反非球面系统与干涉仪系统内的参考光束形成干涉条纹， 从而可以测定得到光学系统中心视场的波像差，待测大口径离轴凸非球面次镜凸非球面中 心区域即中心子孔径的面形误差为中心视场系统波像差的一半；
[0011] 步骤三：调整激光干涉仪，使激光干涉仪的出射光线分别汇聚在其他视场成像的 焦面位置，重复步骤二操作，依次测定得到其它各视场系统的波像差，从而得到待测大口径 离轴凸非球面次镜凸非球面其它区域即其它子孔径的面形误差；
[0012] 步骤四：假定离轴三反非球面系统共有Μ个视场，即共有Μ个子孔径拼接测量才能 覆盖整个大口径凸非球面次镜，各子孔径间有一定的重叠区域；选定非球面中心区域的子 孔径作为基准子孔径；测试过程中，大口径非球面各子孔径位置的定位不准将会引入3种 初级像差，即为相对平移、倾斜和离焦；定义中心基准子孔径的相位数据为则其它子孔 径与基准子孔径相位数据的关系可表示为（1)式：
[0013]
【权利要求】
1.离轴三反非球面系统凸非球面次镜面形拼接检测方法，该方法所用的装置包括：激 光跟踪仪、激光干涉仪、第三反射镜、待测大口径离轴凸非球面次镜、主反射镜和高精度平 面反射镜；其特征在于，系统装调检测的方法如下： 步骤一：当主反射镜和第三反射镜完成加工后，对离轴三反非球面系统进行系统装调， 并利用激光跟踪仪对各反射镜的位置姿态以及各镜体之间的相对位置进行测定和监测； 步骤二：利用激光跟踪仪测定和监测结果均在设计公差范围之内时，调整激光干涉仪， 使干涉仪的出射光线汇聚在中心视场成像的焦面位置，根据光路可逆原理，该光束将会经 过离轴三反非球面系统后变为平行光出射；在入射光孔位置设置一高精度平面反射镜，使 其与出射平行光垂直，从而使经主镜出射后的平行光束垂直入射到高精度平面反射镜上并 沿原路返回，经过离轴三反非球面系统与干涉仪系统内的参考光束形成干涉条纹，从而可 以测定得到光学系统中心视场的波像差，待测大口径离轴凸非球面次镜凸非球面中心区域 即中心子孔径的面形误差为中心视场系统波像差的一半； 步骤三：调整激光干涉仪，使激光干涉仪的出射光线分别汇聚在其他视场成像的焦面 位置，重复步骤二操作，依次测定得到其它各视场系统的波像差，从而得到待测大口径离轴 凸非球面次镜凸非球面其它区域即其它子孔径的面形误差； 步骤四：假定离轴三反非球面系统共有Μ个视场，即共有Μ个子孔径拼接测量才能覆盖 整个大口径凸非球面次镜，各子孔径间有一定的重叠区域；选定非球面中心区域的子孔径 作为基准子孔径；测试过程中，大口径非球面各子孔径位置的定位不准将会引入3种初级 像差，即为相对平移、倾斜和离焦；定义中心基准子孔径的相位数据为％，则其它子孔径与 基准子孔径相位数据的关系可表示为（1)式：
式中Wl，w2，…，^是其它子孔径的相位数据，分别是其它子孔径相对基准子孔径 沿X方向和y方向的倾斜系数，Ci和Pi是相对离焦系数和平移系数； 通过最小二乘拟合，使所有重叠区域相位数据差的平方和为最小，即为（2)式：
其中重叠区域有两种，一种为其它子孔径与中心基准子孔径的重叠区域，定义为Νι，另 一种为其它子孔径间的重叠区域，定义为N2，所有重叠区域内的采样点数定义为η ; 对各拼接因子分别求偏导并令其数值为零即为（3)式：
其中1 < i <M-1，通过（3)式就能够求解各子孔径相对基准子孔径的最佳拼接因子， 从而获得大口径凸非球面各视场拼接以后的面形信息； 步骤五：由于非球面口径比各视场成像叠加所需的理论口径略大，所以由步骤四拼接 获得的非球面面形数据并没有完全覆盖整个非球面口径，依据拼接面形数据，通过插值计 算能够求解得到未覆盖区域的面形数据，从而可以获得大口径凸非球面全口径的面形数 据，实现离轴三反非球面系统中凸非球面次镜面形系统拼接检测方法。
【文档编号】G01B11/24GK104142129SQ201410345382
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】王孝坤 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所