[发明专利]小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统及检测方法

说明书

小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统及检测方法，涉及自由曲面光学检测技术领域，本发明为解决小陡度凹凸面光学自由曲面的全频段像差检测中动态范围与检测精度不可兼得这一矛盾，进而解决小陡度凹凸面光学自由曲面高精度检测问题。基于相位恢复算法和子孔径拼接算法的横向平移差异相位恢复和计算机辅助逆哈特曼法协同测量小陡度凹凸面光学自由曲面全频段像差检测方法。本发明将高频段像差测量比较准确的计算机辅助反向哈特曼检测法和中低频段像差测量比较准确的横向平移差异相位恢复法相结合，通过Zernike多项式拟合的方式进行小陡度凹凸面光学自由曲面全频段像差检测，从而弥补现在小陡度凹凸面光学自由曲面全频段像差检测方法的不足。

技术领域

本发明涉及自由曲面光学检测技术领域，具体涉及一种小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统及检测方法。

背景技术

由于光学自由曲面具有强大矫正像差和优化系统结构的能力，已逐渐成为国防、航空航天、军事等领域高速发展不可缺少的关键光学元件，其应用广度、生产发展的速度，已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。然而，对于光学自由曲面高精度、高性能的要求增加了其加工和检测的难度，特别是加工制造过程中检测的难度，远比球面镜的加工与检测复杂和困难：高精度自由曲面光学关键元件的成功制造，不单单依赖数控机床的精度、先进光学设计、加工工艺，更有赖于自由曲面光学检测技术的综合考虑以及庞大复杂的数据演算和大量试验数据验证，才得以提高光学自由曲面的加工及检测质量；此外，光学自由曲面是一类非轴对称、不规则、随意构造的曲面，其形状比较复杂，精度要求很高，其没有一个明确的基准面，因此能否实现自由曲面的基准面和测量面之间的最佳匹配问题是自由曲面检测的关键，自由曲面面形精密检测仍是主要障碍，一些关键科学问题和技术瓶颈仍没有得到很好的解决，迄今为止仍没有统一成形的检测技术。所以，光学自由曲面加工及检测技术成为制约其应用和发展的最重要因素。

对光学自由曲面高精度、高性能的要求增加了其加工和检测的难度，该难度远比球面镜的加工和检测复杂与困难。特别在研磨阶段及研磨向抛光过渡阶段的检测还存在较多局限：测量精度不够、技术不够成熟、检测周期过长、动态范围过小、无法进行全口径在位检测等。如现有技术：(1)三坐标测量机采用逐点扫描的方式进行测量，测量速度慢，无法一次性得到被测元件的全场面形数据；轮廓仪只能测量面形与球面基或非球面基偏离度较小的自由曲面(局部梯度与全局梯度的偏离小于5°才可测)。(2)摆臂式轮廓扫描法也面临着测量效率偏低及整体面形拼接过程中存在误差等问题，且目前只能测量离轴非球面类型的自由曲面，关于测量形状复杂、局部梯度变化大、面形数学表达较难的高自由度自由曲面的研究未见报道。(3)夏克-哈特曼波前检测法具有测量速度快、测量精度高及动态测量范围大等优势，但受透镜尺寸的限制以及大梯度自由曲面测量时光斑交叠的影响，该方法的横向测量分辨率不高，相应的测量精度易受分辨率的影响，而且不能进行研磨到抛光阶段的检测。(4)计算全息技术面临的问题是：一对一的补偿测量模式造成其测量通用性较差，从而检测成本较高；针对梯度较大的曲面元件，作为补偿器的CGH需要通过密度很高的衍射结构来实现大梯度波面的输出，因此计算全息的刻线密度受限于目前的微结构加工工艺水平。(5)部分零位补偿技术面临的问题是：测试光路越偏离零位条件光路，回程误差就越大，这为被检面形高精度恢复带来了很大难题；在部分零位补偿法检测自由曲面的过程中，待测件的对准较为困难，影响其面形检测精度；自由曲面非旋转对称性会导致干涉图产生非旋转对称形变，影响面形恢复精度。目前，对于更复杂的大梯度变化自由曲面，其成功应用案例较少。(6)倾斜波面技术测量大口径自由曲面时，需要使用大口径标准补偿镜头，大口径标准补偿镜头的加工非常困难，限制了系统的测量口径。