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1、(10)申请公布号 CN 103335610 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103335610 A *CN103335610A* (21)申请号 201310303322.9 (22)申请日 2013.07.18 G01B 11/24(2006.01) (71)申请人 中国科学院光电技术研究所 地址 610209 四川省成都市双流 350 信箱 (72)发明人 范斌 闫锋涛 侯溪 陈强 万勇建 伍凡 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 梁爱荣 (54) 发明名称 大口径凸高次非球面的检测系统 (57) 摘要 本发明是大口径凸高次非球面。
2、的检测系统， 包括相移干涉仪、 辅助球面反射镜、 计算全息片及 计算机， 计算机与相移干涉仪连接， 计算全息片和 凸高次非球面构成的光学系统的前焦点与相移干 涉仪发出的光波焦点重合， 后焦点与辅助球面反 射镜的球心重合， 相移干涉仪发出光波经过计算 全息片后， 由凸高次非球面镜反射后成为标准球 面波并经过辅助球面反射镜反射后， 标准球面波 原路返回至相移干涉仪中， 实现对所述凸高次非 球面对应区域的子孔径零检测， 相移干涉仪获得 所述凸高次非球面上有相互重叠区域的子区域， 计算机中的数据处理单元对子区域数据进行处 理， 得到所述凸高次非球面的全口径面形分布信 息 ； 本发明还提供一种凸球面镜或。
3、凸非球面镜的 检测装置。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103335610 A CN 103335610 A *CN103335610A* 1/1 页 2 1. 一种大口径凸高次非球面光学元件的检测系统， 其特征在于 ： 包括相移干涉仪、 辅 助球面反射镜、 计算全息片及计算机， 被测光学元件是大口径凸高次非球面的光学元件， 计 算机与相移干涉仪连接， 计算全息片和被测大口径凸高次非球面构成的光学系统的前焦点 与相移干涉仪发出的。
4、光波焦点重合， 后焦点与辅助球面反射镜的球心重合， 相移干涉仪发 出的光波经过计算全息片后， 由被测大口径凸高次非球面反射后成为标准球面波， 标准球 面波经过辅助球面反射镜反射后， 标准球面波原路返回至干涉仪中， 实现对被测大口径凸 高次非球面对应区域的子孔径零检测， 通过调整被测大口径凸高次非球面和辅助球面反射 镜， 使相移干涉仪获得被测大口径凸高次非球面上有相互重叠区域的子区域， 最后计算机 中的数据处理单元对所得到的子区域数据进行处理， 得到被测大口径凸高次非球面的全口 径面形分布信息。 2. 如权利要求 1 所述大口径凸高次非球面的检测系统， 其特征在于 ： 利用相移干涉仪 检测得到被。
5、测大口径凸高次非球面的相邻两个子孔径间存在的重叠区域， 用以实现数据拼 接处理。 3. 如权利要求 1 所述大口径凸高次非球面的检测系统， 其特征在于 ： 计算全息片用于 产生测试光波、 产生对准标志。 4. 如权利要求 1 所述大口径凸高次非球面的检测系统， 其特征在于 ： 根据被测大口径 凸高次非球面的口径及辅助球面镜反射镜的参数基本对应关系， 把大口径凸高次非球面分 成一个环带或两个以上的环带进行检测。 5. 如权利要求 4 所述大口径凸高次非球面检测的系统， 其特征在于 ： 所述基本对应关 系是R 和 D 分别是辅助球面反射镜的曲率半径和口径， f 和 d 分别是被测大口径凸 高次非球。
6、面的后焦距和被测口径。 6. 如权利要求 1 所述大口径凸高次非球面检测的系统， 其特征在于 ： 设定经过辅助球 面反射镜反射的光波能够完全覆盖住被测大口径凸高次非球面镜， 被测大口径凸高次非球 面镜能一次性进行全口径面形信息检测。 7. 如权利要求 1 所述大口径凸高次非球面的检测系统， 其特征在于 ： 被测凸高次非球 面将光波反射变成标准平面波后， 辅助球面反射镜变成辅助平面镜。 8. 一种使用权利要求 1 所述检测系统的凸球面镜或凸非球面镜的检测装置， 其特征在 于 ： 包括相移干涉仪、 辅助球面反射镜、 计算全息片及计算机， 当被测光学元件为凸球面镜 或凸非球面镜时， 使计算全息片和凸。
7、球面镜或凸非球面镜构成的光学系统满足把相移干涉 仪发出的光波在凸球面镜或凸非球面镜上面反射后变成标准平面波或者标准球面波， 用于 实现所对凸球面镜或凸非球面镜进行检测。 权 利 要 求 书 CN 103335610 A 2 1/5 页 3 大口径凸高次非球面的检测系统 技术领域 0001 本发明属于先进光学制造与检测领域， 涉及光学检测方法， 特别涉及大口径凸高 次非球面检测方法。 技术背景 0002 与传统光学球面相比， 非球面在矫正像差方面有很大的优势， 往往一块非球面镜 可以替代多块球面镜的作用， 大大减小了整个光学系统单元的数量和重量， 例如美国在本 世纪初提出的 “国家点火装置” N。
8、IF(National Ignition Facility) 中， 大口径非球面具有 较大的应用比例 ； 空间光学、 天文等学科的发展， 越来越依赖于大口径光学设备， 而大口径 非球面元件已经成为起支撑作用的关键部件。 随着科学技术及现代光学系统的发展其所需 的凸高次非球面镜口径越来越大。大口径凸高次非球面镜的制造需要相应的检测技术， 然 而， 对大口径及超大口径凸高次非球面进行高精度定量检测仍然存在着巨大的挑战。 0003 在大口径凸高次非球面的粗抛光阶段， 由于面形精度不高， 采用现有的三坐标测 量机及其它检测系统可以进行检测， 在精抛光加工阶段， 常用的检测方法有入射补偿器法 和扫描法等。
9、。入射补偿器法属于非球面的法线像差补偿检验， 它通过设计一组有球差补偿 器组， 使其产生的球差与非球面的法线像差正好大小相等， 符号相反。 所需的补偿器组的口 径略大于凸高次非球面， 这对补偿器组材料的均匀性提出了较高的要求， 且大口径补偿器 组在实际制造中存在较大困难， 口径大于 1m 时更是难于实现。扫描法类似于三坐标检测， 在测试过程中， 测试光束对整个测试面进行扫描， 得到表面倾斜角的连续变化， 最后计算出 个测试点的高度变化值， 得到被测镜面的面形信息。 0004 目前国内外主要采用的补偿器检测方法包括 ： 背部球面工艺法、 反射补偿器法、 非 球面样板法和计算全息法。随着被测大口径。
10、凸高次非球面口径增大， 背部球面工艺法对材 料均匀性的苛刻要求难以实现， 反射补偿器法需要制造大口径的高精度非球面反射镜， 非 球面样板法需要制造与被测凸高次非球面口径相当的高精度非球面透镜， 计算全息板法需 要大型的激光直写设备刻划全息板 ； 并且补偿器检测法中对补偿器装调精度也提出了跟高 的要求， 使得这些检测技术在检测大口径凸高次非球面时存在一定困难， 其应用受到了一 定的限制。 0005 法国 Reosc 采用非球面样板法检测大口径凸高次非球面镜。非球面样板法通过制 造一块口径略大于被测凸高次非球面镜口径的非球面样板实现零检验， 该方法中由于测试 光要透射过非球面样板， 所以对样板的材。
11、料均匀性要求很高， 同时制造和标定这样的非球 面样板也存在相当大的挑战。由于德国 Schott 可以给法国提供大尺寸高均匀性的光学材 料， 同时法国的 Reosc 具有高精度加工设备和很强的非球面透镜加工能力， 这是法国能够 成功使用该检测方法的重要条件。但是对于口径超过 1 米的凸高次非球面使用此方法检测 难度会急剧增加。 0006 美国 SOML 实验室采用全息样板法检测大口径凸高次非球面镜， 检测中使用的计 算全息板口径略大于被测次镜， 计算全息板靠近被测次镜从而实现零检验。该检测方法中 说 明 书 CN 103335610 A 3 2/5 页 4 的计算全息板的制作要通过专用的大型激光。
12、直写设备把计算全息图刻划在球面上以产生 与被测高次非球面面形一致的检测波前， 同时需要一块大口径非球面主镜与球面次镜组成 照明系统。制造如此大的计算全息难度系数很高。 0007 美国 SOML 实验室考虑到大口径计算全息版和非对称全息版制造的困难， 提出将 子孔径拼接方法引入到凸非球面的检测中， 在抗震菲索型干涉仪的基础上扩展一个带有非 球面样板的辅助光学系统组成口径 1 米级的抗振菲索型干涉仪， 一次检测次镜面形的局部 区域， 最后通过拼接处理得到次镜全口径面形信息。该方法同样要制造大口径非球面透镜 作为补偿器件， 并且一个补偿器基本只能检测一种类型的非球面， 检测成本高。 0008 张孟伟。
13、， 陈洪斌等人 ( 大口径高次非球面高精度面形检测方法探讨， 光电工程， 26( 增刊 )， 1-6， 1999) 提出使用细光束干涉测试方法检测大口径凸高次非球面， 测试系统 中， 光学头固定在测试系统基座上， 采用五棱镜沿导轨运动来完成对待测表面的扫描。 光学 头出射两路细光束对 - 测试光束对和校正光束对。测试光束对经反射镜和扫描五棱镜， 沿 被测表面扫描测试 ： 校正光束通过导轨前端的固定五棱镜， 垂直投向与待测表面同一转台 上安置的基准反射镜。测试时， 扫描五棱镜在待测表面中心与外圆之间来回移动， 进行一 系列的扫描， 移动距离扫描导轨上的长光栅传感器给出， 计算机控制系统根据事先给。
14、定的 采样间距对应读取 CCD 传感器上条纹位置， 完成一条扫描线的扫描后， 计算机控制测试转 台旋转一个给定角度， 扫描五棱镜继续扫描， 进行下一扫描线的测试， 直至整个镜面测试完 毕。 根据测试数据， 获得整个待测表面的三维轮廓图 ； 测试数据与待测表面的理论计算数据 进行对比分析计算， 可以给出待测表面的误差结果。 该测试系统中， 误差源比较多测试精度 不高。 发明内容 0009 本发明要解决的技术问题 ： 克服现有检测技术的不足， 提出一种基于计算全息和 辅助球面反射镜的大口径凸高次非球面检测系统， 该检测系统利用容易加工实现的标准球 面反射镜和小口径计算全息片， 可以有效解决其它检测。
15、系统中的辅助元件制造困难、 成本 高、 材料均匀性高等问题， 本发明结构相对简单， 检测成本低。 0010 本发明解决其技术问题所采用的技术方案 ： 大口径凸高次非球面的检测系统， 包 括相移干涉仪、 辅助球面反射镜、 计算全息片及计算机， 被测光学元件是大口径凸高次非球 面的光学元件， 计算机与相移干涉仪连接， 计算全息片和被测大口径凸高次非球面构成的 光学系统的前焦点与相移干涉仪发出的光波焦点重合， 后焦点与辅助球面反射镜的球心重 合， 相移干涉仪发出的光波经过计算全息片后， 由被测大口径凸高次非球面反射后成为标 准球面波， 标准球面波经过辅助球面反射镜反射后， 标准球面波原路返回至相移干。
16、涉仪中， 实现对被测大口径凸高次非球面对应区域的子孔径零检测， 通过调整被测大口径凸高次非 球面和辅助球面反射镜， 使相移干涉仪获得被测大口径凸高次非球面上有相互重叠区域的 子区域， 最后计算机中的数据处理单元对所得到的子区域数据进行处理， 得到被测大口径 凸高次非球面的全口径面形分布信息。 0011 本发明与现有技术相比的优点在于 ： 0012 (1) 本发明的系统中使用通常光学加工容易制造的辅助球面反射镜及小口径计算 全息片， 计算全息片用于产生测试光波、 产生对准标志， 用于降低系统中光学器件位置调整 说 明 书 CN 103335610 A 4 3/5 页 5 的复杂度， 从而降低检测。
17、成本 ； 0013 (2) 本发明采用反射光路布局， 无需制造口径巨大的透射补偿器， 避免了对光学材 料均匀性的苛刻要求 ； 0014 (3) 本发明方法中计算全息采用组合全息的方法， 不仅可以产生测试光波， 而且可 以产生对准标志， 降低了系统中光学器件位置调整的复杂度 ； 0015 (4) 本发明结构简单， 易于操作， 主要用于大口径凸高次非球面的制造过程和最终 误差面形检测 ； 0016 (5) 用相移干涉仪检测得的相邻两个子孔径间存在的重叠区域， 用以实现稳定的 数据拼接处理。 0017 (6) 本发明方法不仅适用于凸高次非球面， 同样适用于凸球面及凸非球面 ； 0018 (7) 本发。
18、明较好的平衡了检测系统性能和检测成本。 附图说明 0019 图 1 为系统构成示意图 ； 0020 图 2 为检测系统光路图 ； 0021 图 3 为一次检测时子孔径数据的采样分布示意图 ； 0022 图 4 为覆盖被测大口径凸高次非球面全口径通光区域的子孔径数据采样分布示 意图 ； 0023 图 5 为测试系统所涉及到的数据处理流程图。 0024 图中标记符号说明 ： 0025 1 为相移干涉仪， 2 为辅助球面反射镜， 3 为计算全息片， 0026 4 为被测凸高次非球面， 5 为计算机。 具体实施方式 0027 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚明白， 以下结合具体实施例， 并参。
19、照 附图， 对本发明进一步详细说明。 0028 图 1 所示， 本实施例的一种大口径径凸高次非球面检测方法包括相移干涉仪 1、 辅 助球面反射镜 2、 计算全息片 3 及计算机系统 5， 被测光学元件是大口径凸高次非球面 4 的 光学元件， 计算机 5 与相移干涉仪 1 连接， 计算全息片 3 和被测大口径凸高次非球面 4 构成 的光学系统的前焦点与相移干涉仪 1 发出的光波焦点重合， 后焦点与辅助球面反射镜 2 的 球心重合， 相移干涉仪 1 发出的光波经过计算全息片 3 后， 由被测大口径凸高次非球面 4 反 射后成为标准球面波， 标准球面波经过辅助球面反射镜 2 反射后， 标准球面波原路。
20、返回至 相移干涉仪1中， 实现对被测大口径凸高次非球面4对应区域的子孔径零检测， 通过调整被 测大口径凸高次非球面4和辅助球面反射镜2， 使相移干涉仪1获得被测大口径凸高次非球 面 4 上有相互重叠区域的子区域， 最后计算机 5 中的数据处理单元对所得到的子区域数据 进行处理， 得到被测大口径凸高次非球面 4 的全口径面形分布信息。 0029 其中， 利用相移干涉仪 1 检测得到的被测大口径凸高次非球面 4 的相邻两个子孔 径间存在的重叠区域， 用以实现数据拼接处理。 0030 其中， 计算全息片 3 用于产生测试光波、 产生对准标志， 用于降低系统中光学器件 说 明 书 CN 1033356。
21、10 A 5 4/5 页 6 位置调整的复杂度。 0031 其中， 根据被测大口径凸高次非球面 4 的口径及辅助球面镜反射镜 2 的参数基本 对应关系， 把大口径凸高次非球面 4 分成一个环带或两个以上的环带进行检测。 0032 其中， 所述基本对应关系为R 和 D 分别是辅助球面反射镜的曲率半径和口 径， f 和 d 分别是被测大口径凸高次非球面的后焦距和被测口径。 0033 其中， 设定经过辅助球面反射镜反射的光波能够完全覆盖住被测大口径凸高次非 球面镜， 被测大口径凸高次非球面镜能一次性进行全口径面形信息检测。 0034 其中， 被测凸高次非球面将光波反射变成标准平面波后， 辅助球面反射。
22、镜变成辅 助平面镜。 0035 本发明系统的工作过程及检测步骤如下 ： 0036 第一步 ： 如图 1 所示， 辅助球面反射镜 2 在光轴的一侧， 计算全息片 3 在靠近相移 干涉仪 1 焦点的光轴上， 图 2 为该状态下的光路图， 辅助球面反射镜 2 满足其子孔径区域可 以覆盖住凸高次非球面中心遮拦到外部边缘的子孔径检测。根据计算全息片 3 中对准全息 确定辅助球面反射镜 2 和计算全息片 3 与被测大口凸高次非球面 4 的相对位置关系， 使得 辅助球面反射镜 2 对应的检测区域在干涉仪上形成可被解析的干涉条纹， 图 3 为对应的子 孔径数据采集分布示意图。 0037 第二步 ： 保存由相移。
23、干涉仪 1 获得的子孔径数据， 绕光轴旋转被测大口凸高次非 球面 4， 调节其与辅助球面反射镜 2 的相对位置关系， 保证相邻子孔径间存在足够的重叠区 域， 当测得的子孔径区域覆盖住整个被测大口径凸高次非球面镜 4 时停止。图 4 为子孔径 检测数据在被测大口径凸高次非球面 4 的上的采样分布示意图。 0038 第三步 ： 子孔径数据拼接处理， 测量系统所涉及到的数据处理流程如图 5 所示 ： 各 个子孔径测量时由于调整误差的影响， 使得测量数据中主要包含调整误差信息和面形误差 信息， 数据拼接处理的核心就是把面形误差信息从子孔径测量信息中分离出来， 具体的步 骤如下 ： 0039 步骤 S1。
24、 ： 首先计算机 5 读入所有的子孔径检测数据 ； 0040 步骤 S2 ： 根据调整机构移动位置或者镜面标记点， 判读所有的重叠区域数据， 提 取重叠区域数据 ； 0041 步骤 S3 ： 将重叠区域的数据进行均化误差处理， 得到线性方程组 ； 0042 步骤 S4 ： 对线性方程组进行计算， 得到具有全局优化的拼接参数 ； 0043 步骤 S5 ： 根据全局优化的拼接参数对所有子孔径检测数据进行校正， 使其具有相 同的参考标准 ； 对拼接好的全口径数据进行 Zernike 多项式拟合， 得到全口数据的低频面 形信息 ； 0044 步骤 S6 ： 对拼接好的全口径数据去除波前调整误差的影响，。
25、 计算面形误差评价参 数 ： 波谷值 (PV) 和均方根值 (RMS)， 得到去除调整误差的全口径面形信息 ； 0045 步骤 S7 ： 根据拼接好的全口径信息绘制出被测大口径凸高次非球面 4 的面形信息 图及三维图 ； 即可获得反映被测大口径凸高次非球面 4 的面形误差的全孔径波前信息。 0046 本发明中 ： 如果辅助球面反射镜2足够大， 被测大口径凸高次非球面4可以一次性 进行全口径面形信息检测， 不必进行拼接处理 ； 如果从相移干涉仪 1 发出的光波经过被测 说 明 书 CN 103335610 A 6 5/5 页 7 大口径凸高次非球面 4 反射后， 成为标准平面波， 辅助球面反射镜。
26、 2 可以变为辅助平面镜。 0047 本发明中可以利用大口径凸高次非球面检测系统的凸球面镜或凸非球面镜检测 装置， 如果被测大口径凸高次非球面4换成为凸球面镜及凸非球面镜， 只要计算全息片3和 凸球面镜或凸非球面镜构成的光学系统满足把相移干涉仪 1 发出的光波在凸球面镜或凸 非球面镜上面反射后变成标准平面波或者标准球面波， 此检测方法都可以对凸球面镜或凸 非球面镜进行检测。 0048 以上所述， 仅为本发明中的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内， 可理解想到的变换或替换， 都应涵盖在 本发明的包含范围之内。 说 明 书 CN 103335610 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103335610 A 8 2/2 页 9 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103335610 A 9 。