[发明专利]一种全口径光学非球面面形误差直接检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学非球面检测系统，特别涉及一种全口径非球面面形误差直接检测系统，属于先进光学检测技术领域。

背景技术

随着先进光学制造与检测技术的不断发展，以非球面为关键元件的精密光学系统在天文、空间光学和军事等领域得到了越来越深入的应用。其显著优势在于：在光学系统设计中加入非球面光学元件不仅能增加光学设计者的自由度，而且可以更有效地矫正像差、改善像质、扩大视场、增大作用距离，并且一片或少数几片非球面镜就能够替代较多的球面镜，从而简化光学系统结构、降低成本、减轻重量。然而，高精度高质量的非球面加工和检测技术一直是制约非球面进一步广泛应用的瓶颈。某种程度上，实现非球面镜的高效率、高精度加工的关键在于能否提供可靠的、行之有效的检测来指导加工。因此，精确、快速的光学非球面元件的检测显得尤为重要。

在光学加工车间里，通常检测非球面光学元件的设备主要有三坐标测量仪或者轮廓仪、刀口仪和干涉仪等。三坐标仪是利用高精度测头对非球面表面进行扫描，获得大量离散点数据，然后采用数据拟合算法得到非球面面形数据。该方法由于是逐点获得被测面上的数据，因此测量效率较低，并且由于是接触式测量，容易损伤被测表面；同时测量精度受测头、运动机构影响特别大，要得到高精度的测量结果比较困难。刀口仪主要通过人眼观察阴影分布的图形和阴影图的明暗对比来进行测量。这类方法的设备简单、直观，方便对某些二次曲面的测量，适用于车间检测。但由于该方法是建立在眼睛衬度灵敏阈的基础上，检测结果只能定性不能定量，限制了检测精度的提高，同时还存在灵敏度不高以及不能检验凸面等缺点。由于干涉检测具有高分辨、高精度、高灵敏度、重复性好等优点，该技术已成为检测光学元件面形的主要手段。利用干涉仪检测非球面光学元件，通常的定量检测方法有自准直法、零位补偿法和子孔径拼接法。自准直法仅适用于二次曲面的检测，而且需要一高精度辅助镜（凹椭球面除外），尤其是检测大口径凹非球面镜所需的高精度辅助镜制造困难，价格昂贵。零位补偿法实质是借助补偿镜作为辅助光学元件，把平面波或球面波前转换为非球面波前，并与被检非球面镜的理论形状重合，即通过补偿镜来补偿非球面镜的法线像差，从而实现非球面镜的干涉测量。对于不同被测非球面光学元件，一般都需要专门设计特定的补偿器，这大大减小了其通用性，提高了成本，同时补偿器的制造误差和装调误差也会给最终的测量结果带来误差。1982年，美国Arizona光学中心的C.J.Kim首先提出了子孔径测试概念，到目前为止子孔径拼接测试技术得到了不断发展。2003年，QED公司推出了世界上第一台商用化的子孔径拼接工作站。采用子孔径拼接技术检测非球面，其关键是在于确保对干涉仪采集到的圆形子孔径数据的准确提取、数据拼接算法的精度以及硬件方面的必要保证。对于大口径非球面镜的测量，所需测量的子孔径数目多，测量周期长，而且数据处理量非常大，同时随着子孔径数目的增多，其拼接精度会有所降低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有非球面检测技术中的辅助光学元件（大口径高精度反射镜、补偿器）制造困难、测量周期长、成本高、装调误差灵敏以及数据量大等问题，提出一种全口径光学非球面直接检测系统。该系统具有结构简单、检测成本低、精度高、测量周期短、操作简单以及数据量小易处理等特点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种全口径光学非球面元件直接检测系统，其特征在于：包括干涉仪、标准球面透射镜头、一维电控平移台、五维精密电控平台及数控系统；

所述一维电控平移台采用普通商用的一维数控位移台，不需要具备较高的重复精度和定位精度，可以控制干涉仪做一维直线运动；

所述五维精密电控平台需要具备较高的重复精度和定位精度，可以精确调整被测非球面做扭摆、俯仰和旋转以及二维正交直线运动；

利用标准球面透射镜头将干涉仪出射的平行光转换为比较球面波，通过数控系统控制一维电控平台和五维精密电控平台来分别调整干涉仪和被测非球面光学元件的位置，使干涉仪产生的比较球面波与被测非球面某一内切圆相匹配，且满足非球面全口径干涉条纹能被干涉仪分辨，条纹对比度较好且最稀疏的位置，即为比较球面波与被测非球面某一内切圆相匹配的位置（切点），称为最佳匹配点位置；

所述标准球面透射镜头的选取需要满足标准球面透射镜头的F#必须小于等于被测非球面镜的R#；

利用干涉仪自带的数据处理软件得到全口径干涉条纹对应的波程差数据，并对其进行特征点数据提取及圆拟合处理得到像素坐标系下最佳匹配点位置；