[发明专利]一种离轴光学非球面镜顶点半径的测量方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，特别涉及一种离轴光学非球面镜顶点半径的测量方法和装置。

背景技术

随着光学技术的发展，对高分辨率和大视场成像要求的不断提高，都需要较长的焦距、反射式光学系统。为了满足成像质量和视场的需求，反射镜形式由最初的球面，向二次曲面甚至高次非球面方向发展，其中最典型的就是离轴三反系统（TMA系统），系统中三个反射镜都是高次非球面或离轴高次非球面。非球面的最大的技术难题在于非球面的加工与检测，离轴非球面的面形可以用补偿器进行检测；由于离轴特性，离轴非球面的顶点位置实际存在但又不能准确定位，所以不能准确测量离轴非球面的顶点半径。然而离轴非球面的顶点半径在系统装调中是非常重要的，非球面顶点半径的准确性直接决定了系统装调中反射镜之间的相对位置精度，不能准确测量离轴非球面的顶点，就不能对离轴三反光学系统进行准确、精细、高精度的系统装调；甚至有可能出现局部无解，无法满足装调要求的情况。

球面反射镜镜面光轴是任意的，如图1所示，测量球面上任意一点到球心的距离即为球面反射镜的顶点半径。所以球面半径的检测相对比较简单。可以采用跨桥法，如图2所示，两点弦长和三角求解来计算球面半径；也可在干涉面形检测时，测量标准镜头焦点到球面干涉像的距离，如图3，但干涉面形检测方法只能适用于半径较小的球面半径。

对于离轴非球面镜来说，面形检测采用补偿器法线检测方法，在其面形达到要求后，沿光轴方向上，测量补偿器到非球面顶点的距离来确定非球面的顶点半径，所以离轴非球面的光轴是唯一的，如图4所示。离轴非球面的顶点半径测量，就不能如球面半径一样采用弦长法来计算，因为非球面在不同口径处的弦长跨度大小是不一样的，求出的半径大小也不一样，测量误差很大，无法满足实际应用。由于离轴特性，使得离轴非球面与光轴的交点是虚点，不能够直接测量，测量离轴口径内的点误差非常大，没有实际意义。干涉检测时测距非球面顶点半径也是不可行的，因为离轴非球面的法线与光轴没有唯一的交点，是随着口径大小的不同而变化的；而且，随着需求的不断变化，离轴非球面的尺寸、口径都越来越大，移动距离测量的难度也越大，准确性大大降低。

用以上方法来测量离轴非球面镜的顶点半径，要么测量误差太大，要么是接触测量，对离轴非球面镜的表面会造成划痕或划伤，尤其是表面改性或表面镀膜的反射镜面，基本上不可实施。

发明内容

为了解决离轴非球面镜顶点半径不能准确测量的技术难题，以及现有测量方法精度不高，或接触测量对镜面划伤等问题，本发明提供了一种利用离轴非球面检测补偿器来确定光轴，结合细光束反射镜定律来测量离轴非球面镜上任意一点的法线夹角，计算出非球面矢高；并对非球面上的进行多点采样，根据非球面公式和三角关系，利用最小二乘法来拟合求解出离轴非球面镜的几何参数（包括顶点半径、二次系数和高次系数）的，离轴光学非球面镜顶点半径的测量方法和装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种离轴光学非球面镜顶点半径的测量方法，包括以下步骤：

步骤i：利用离轴非球面镜上不同点法线与光轴交点不同的特性并结合光的反射镜定律和三角函数关系，求出离轴非球面镜上采用点的法线与光轴夹角、口径高度；根据非球面公式并求导，建立非球面几何参数与法线的数学模型；

步骤ii：测量数据多点采样，并覆盖整个离轴非球面口径范围；根据数学模型，采用最小二乘方法进行数据处理和求解。

在上述技术方案中，所述非球面几何参数包括：顶点半径、二次系数和高次系数。

在上述技术方案中，该测量方法具体包括：

发射机上的激光器发出的细光束经过离轴非球面镜上的P_i点反射回到光轴上，水平驱动并转动接收机，使得光束能够进入到接收机的近远心镜头中，并在CCD相机上成像；

通过发射机、接收机、绕光轴旋转轴系的编码器分别读出：出射光束与光轴夹角α_i，发射光束与光轴夹角β_i、绕光轴的夹角γ_i，并用光栅尺测量出发射机和发射机的轴向距离L_i；

根据测量得到的α_i，β_i、γ_i、L_i，根据三角关系，计算得到离轴非球面镜上P_i点发射机和接收机的夹角θ_i；

求得离轴非球面镜在P_i处的法线与光轴的夹角Ф_i