[发明专利]基于多误差实时补偿的光学自由曲面全口径检测方法

说明书

本发明提供了一种基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置及方法，用于检测自由曲面光学元件，包括X轴运动执行系统、Y轴运动执行系统和Z轴运动执行系统；Y轴位置测量系统用于测量X轴运动执行系统在Y轴上的位置；X轴位置测量系统用于测量Z轴运动执行系统在X轴上的位置；双轴倾角传感器用于检测所述非接触位移测头在沿X轴、Y轴运动时，非接触位移测头分别在XZ和YZ平面内的空间姿态变化量，Z轴位置测量系统用于测量非接触位移测头在Z轴上的位置；非接触位移测头沿自由曲面光学元件表面扫描运动。本发明避免测量过程中对元件表面的破坏，并实时补偿测量运动误差，提高大口径自由曲面光学元件面形误差测量精度。

技术领域

本发明涉及光学超精密加工技术领域，具体涉及一种基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测方法。

背景技术

相对于传统的球面光学元件，自由曲面光学元件(如离轴非球面)在光学性能、安调空间、重量限制等方面具有诸多优越性能，已在现代大型超精密光学系统中得到广泛应用。由于自由曲面光学元件具有非旋转对称性，因此一般采用超精密磨削加工的方式实现元件的精密成形加工。磨削成形加工精度，是影响元件后续抛光加工效率、精度以及元件最终使用性能的关键技术指标。光学元件面形误差的高精度检测，一般使用平面干涉仪或球面干涉仪进行测量。磨削加工过程中，硬脆光学材料脆性断裂去除，元件亚表层会产生大量的微裂纹缺陷，导致元件的透光率或反射率较低，难易获得稳定的干涉条纹，因此难以实现元件精度的测量。

中国专利CN201510960082.9提供了一种用于超高精度凹非球面检测的补偿器光学系统，包括透射组、补偿组和待检非球面凹镜，透射组透射球面波，补偿组将透射组提供的球面波转化为与待检非球面凹镜匹配的非球面波。中国专利CN202010640723.3提供了一种基于液体透镜的非球面检测方法，该方法主要是根据液体透镜的特性实现了自变焦的功能，又由非球面的补偿原理，可以相应的设计出由液体透镜进行补偿的补偿镜，在检测过程中完全补偿非球面的法线像差，产生与理想非球面一致波前，进而可以分析非球面的面形误差信息。中国专利CN201110367837.6提供了一种基于条纹反射的离轴非球面镜检测方法，测量系统由被测镜、显示屏和CCD摄像机组成。首先以离轴非球面镜中心建立世界坐标系，并得到世界坐标系、显示屏坐标系及摄像机坐标系之间的关系。测量时，在显示屏上正(余)弦周期性条纹图样，投影在被测镜上被反射回来，由摄像机进行拍摄。通过相移技术及相位展开技术得到相位分布，再结合各坐标之间的关系得到被测非球面的法线向量分布，最后积分重建被测离轴非球面的面形高度信息。

已公开的大口径非球面检测方法，基本都是基于光学干涉测量原理，获得被测表面与参考表面的波前误差，最终解算得到元件的面形误差。针对磨削加工后的光学元件，由于表面透光率或反射率均较低，难以获得稳定清晰的干涉条纹，无法实现元件面形误差的高精度检测。采用成熟的三坐标测量机进行自由曲面面形误差的测量，在测量过程中接触式测针会在光学表面造成二次破坏并产生更深的裂纹缺陷，并且测针球头误差及其解算方法均会引入测量误差，以及测量机自身的机械运动误差，最终导致综合测量精度难以达到亚微米级别的使用要求。

因此，针对大口径自由曲面光学元件超精密制造过程中，如何实现元件面形误差非破坏性高精度测量，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测方法，避免测量过程中对元件表面的破坏，并实时补偿测量运动误差，通过后置数据处理算法去除测量运动误差，提高测量精度，解决了大口径自由曲面光学元件超精密制造过程中面形误差高精度检测的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种基于多误差实时补偿的大口径光学自由曲面全口径检测装置，用于检测自由曲面光学元件，包括X轴运动执行系统、Y轴运动执行系统和Z轴运动执行系统；