[发明专利]一种激光跟踪仪测量双曲面镜参数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测领域，涉及光学检测方法，特别涉及一种双曲面镜参数的检测装置及方法。

技术背景

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。现代望远镜系统中的主镜和次镜很多都使用双曲面镜，其不仅对面形精度要求高，并且对双曲面镜的顶点曲率半径R及双曲面常数K的精度要求很高。

双曲面镜参数的测量历来都是一个难题，目前多内外主要采用的检测双曲面镜参数的方法有三座机测量拟合，法线像差计算，焦距参数关系法，直接测量顶点曲率半径R，求二次常数K等方法。

二次双曲面镜在抛光初期可以用三坐标测量机进行测量。在对二次双曲面镜进行三维形貌测量的过程中，可以通过三维数据对双曲面镜进行拟合，得到双曲面镜的顶点曲率半径R和二次常数K。此方法测量过程中，顶点曲率半径R的测量的稳定性及可靠性比较高，但是二次常数K的测量稳定性及可靠性不能令人满意。由于三坐标机测量时接触测量，为防止破坏镜面，双曲面镜的在抛光后期不能用此方法进行顶点曲率半径R及二次常数K的测量。王皓等，李莹，曾理江，冯之敬等(非球面镜顶点曲率半径测量方法，中国激光，30(增刊)，128-130，2003)等提出基于非球面法线汇与顶点曲率半径的关系对非球面镜参数进行测量，但是只是对顶点曲率半径R进行测量，并且精度不高。

为了准确的测量双曲面参数，多国学者采用了焦距参数的关系法，焦距的测量精度直接制约着双曲面参数的测量精度。其中比较著名的有哈勃望远镜次镜参数的测量，其测量方法是，先进行理论计算，计算出焦距的距离。把被测次镜，辅助球面镜安置在理论位置，通过微调节次镜，球面镜和干涉仪的距离，使得干涉仪上得到零条纹，在对实际的进行测量，最后计算得到双曲面镜参数，通过精度测量及环境控制，其对哈勃望远镜次镜顶点曲率半径R精度可到到±0.257mm。双曲面常数K精度可以达到±0.00012[Robert Parks,Hubble Space Telescope Secondary Mirror Vertex Radius/Conic Constant Test,Grant No.NAG8-863，Final Technical Report，March15，1991]。并且VISTA的次镜同样采用此测量方法，只是使用了自准直显微镜对距离进行了测量[Magomed A.Abdulkadyrov etal,M2Secondary Mirror Manufacturing for VIST Project,Proc.SPIE7018,70180B,2008]。

由于双曲面镜的顶点曲面半径容易测量，并且测量精度比较高，发展了一种直接测量顶点曲率半径R，求二次常数K的方法。该方法中利用内部测径仪和计算全息相结合的方法，测量补偿器和双曲面镜顶点距离和焦距的长度，最后通过计算得到双曲面镜的顶点曲率半径。利用等波距面推导出的双曲面的顶点曲率半径R和二次常数K的关系公式，求出二次常数K的变化量[Magomed A.Abdulkadyrov etal,M1Primary Mirror Manufacturing for VISTA Project,Proc.SPIE7018,701804,2008]。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有检测技术的不足，降低检测的难度，提供一种激光跟踪仪测量双曲面镜参数的装置及方法，利用双曲面镜的无像差点检验原理，在干涉仪利用无像差点法检测双曲面面形的过程中进行检测双曲面镜参数，不需要额外辅助器件，有效解决其它检测方法中的位置关系难以确认、检测系统搭建困难等问题，本发明结构相对简单，检测成本低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种激光跟踪仪测量双曲面镜参数的装置，包括激光跟踪仪1，干涉仪2，被测双曲面镜3及辅助球面镜4，激光跟踪仪1配合随机配送靶球测量空间位置坐标，干涉仪2发出的波面经双曲面镜3反射后，成为标准的球面波，标准的球面波经过辅助球面镜4反射后，光波原路返回，对双曲面镜进行无像差点检测，利用激光跟踪仪1配合配送靶球测量出干涉仪2焦点的空间位置坐标、辅助球面镜4球心位置坐标，双曲面镜3顶点位置坐标，最后通过这些空间位置关系求得双曲面镜3的参数。

一种激光跟踪仪测量双曲面镜参数的方法，实现步骤如下：