一种激光跟踪仪测量双曲面镜参数的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光跟踪仪测量双曲面镜参数的装置及方法，包括激光跟踪仪，干涉仪，被测双曲面镜及辅助球面镜，激光跟踪仪配合随机配送靶球测量空间点位置坐标，干涉仪发出的波面经双曲面镜反射后，成为标准的球面波，标准的球面波经过辅助球面镜反射后，光波原路返回，对双曲面镜进行无像差点检测，在干涉仪以对双曲面镜进行无像差点检测的同时，利用激光跟踪仪配合靶球测量出干涉仪焦点空间位置坐标、辅助镜球心位置坐标，双曲面镜顶点坐标，最后通过这些空间位置坐标关系求得双曲面镜参数；本发明对双曲面镜的参数控制及研制提供了一种有效的检测手段，具有较大的应用价值。
【专利说明】—种激光跟踪仪测量双曲面镜参数的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于先进光学制造与检测领域，涉及光学检测方法，特别涉及ー种双曲面镜參数的检测装置及方法。
技术背景
[0002]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，往往ー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。
[0003]双曲面镜參数的测量历来都是ー个难题，目前多内外主要采用的检测双曲面镜參数的方法有三座机测量拟合，法线像差计算，焦距參数关系法，直接测量顶点曲率半径R，求二次常数K等方法。
[0004]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測量方法，中国激光，30 (増刊)，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參数进行测量，但是只是对顶点曲率半径R进行测量，并且精度不高。
[0005]为了准确的测量双曲面參数，多国学者采用了焦距參数的关系法，焦距的测量精度直接制约着双曲面參数的測量精度。其中比较著名的有哈勃望远镜次镜參数的測量，其測量方法是，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參数，通过精度測量及环境控制，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 [RobertParks, Hubble bpace Telescope Secondary Mirror Vertex Radius/Conic ConstantTest, Grant N0.NAG8-863, Final Technical Report, Marchi5,1991]。 并且 VISTA的次镜同样采用此測量方法，只是使用了自准直显微镜对距离进行了測量[MagomedA.Abdulkaayrov etal, M2Secondary Mirror Manufacturing for VIST Project, Proc.SPIE7018, 70180B, 2008]。
[0006]由于双曲面镜的顶点曲面半径容易測量，并且测量精度比较高，发展了ー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，測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, MlPrimary Mirror Manufacturingfor VISTA Project, Proc.SPIE7018, 701804，2008]。
【发明内容】
[0007]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測量双曲面镜參数的装置及方法，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參数，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。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案:一种激光跟踪仪測量双曲面镜參数的装置，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I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I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的參数。
[0009]一种激光跟踪仪測量双曲面镜參数的方法，实现步骤如下:
[0010]第一歩:干涉仪首先对辅助球面镜进行測量，干涉仪通过辅助球面镜反射得到零条纹；保持干涉仪位置不变，将靶球放在干涉仪焦点的位置，得到经过靶球反射的零条纹，激光跟踪仪测量此时靶球位置，得到辅助镜球心位置坐标F2 (x2, y2, z)；
[0011]第二步:得到辅助镜球心位置坐标后，保持球面镜和激光跟踪仪位置不动，调整干涉仪和双曲面镜空间位置，干涉仪中得到无像差点检验的零条纹，此时辅助镜球心位置为双曲面镜的ー个焦点，坐标为F2 (x2, y2, Z2)；
[0012]第三步:干涉仪得到无像差点检验的零条纹后，靶球移动到干涉仪焦点位置，干渉仪得到经过靶球反射的零条纹，激光跟踪仪測量此时靶球位置，得到被测双曲面镜的另一个焦点位置F1U1, y1; Z1)；
[0013]第四步:把靶球移动到双曲面镜上任意一点，轻轻接触双曲面镜，測量靶球空间坐标，得到此位置的祀球坐标F3 (x3, y3, z3)；
[0014]第五步:循环迭代计算靶球与双曲面镜接触点坐标F4 (x4，y4, z4)；
[0015]F4点满足以下性质，靶球表面和双曲面在此点处切平面重合；.点F1, F2, F3, F4共面；向量F4F3和向量F4Fi的夹角和向量F4F3和向量F2F4的夹角相等；.F3F4的长度为靶球的半径r ；
[0016]根据上述F4点的性质，循环迭代出F4点坐标(x4，y4，z4)；
[0017]第六步:利用双曲面的性质进行计算双曲面镜參数K与R`
[0018]假设双曲面镜前焦点F1和双曲面镜上ー点(x4，y4, Z4)的距离为D1,则
【权利要求】
1.一种激光跟踪仪測量双曲面镜參数的装置，其特征在于:包括激光跟踪仪，干涉仪，被测双曲面镜及辅助球面镜；激光跟踪仪配合随机配送靶球测量空间位置坐标，干涉仪发出的波面经被测双曲面镜反射后，成为标准的球面波，标准的球面波经过辅助球面镜反射后，光波原路返回，对双曲面镜进行无像差点检测，利用激光跟踪仪配送靶球测量出干涉仪焦点的空间位置坐标、辅助球面镜球心位置坐标、双曲面镜上顶点位置坐标，最后通过这些空间位置坐标关系求得双曲面镜的參数。
2.一种激光跟踪仪測量双曲面镜參数的方法，其特征在于实现步骤如下: 第一歩:干涉仪首先对辅助球面镜进行測量，干涉仪通过辅助球面镜反射得到零条纹；保持干涉仪位置不变，将靶球放在干涉仪焦点的位置，得到经过靶球反射的零条纹，激光跟踪仪测量此时靶球位置，得到辅助镜球心位置坐标F2 (x2, y2, Z2)； 第二步:得到辅助镜球心位置坐标后，保持球面镜和激光跟踪仪位置不动，调整干涉仪和双曲面镜空间位置，干涉仪中得到无像差点检验的零条纹，此时辅助镜球心位置为双曲面镜的ー个焦点，坐标为F2 (x2, y2, z2)； 第三步:干涉仪得到无像差点检验的零条纹后，靶球移动到干涉仪焦点位置，干涉仪得到经过靶球反射的零条纹，激光跟踪仪測量此时靶球位置，得到被测双曲面镜的另ー个焦点位置 F1 (X1, Y1, Z1)； 第四步:把靶球移动到双曲面镜上任意一点，轻轻接触双曲面镜，測量靶球空间坐标，得到此位置的靶球坐标F3 (x3, y3, z3)； 第五步:循环迭代计算靶球与双曲面镜接触点坐标F4 (x4，y4，Z4)； F4点满足以下性质，靶球表面和双曲面在此点处切平面重合；.点F1, F2, F3, F4共面；向量F4F3和向量F4F1的夹角和向量F4F3和向量F2F4的夹角相等；.F3F4的长度为靶球的半径r ； 根据上述F4点的性质,循环迭代出F4点坐标(x4, y4, z4)； 第六步:利用双曲面的性质进行计算双曲面镜參数K与R 假设双曲面镜前焦点F1和双曲面镜上ー点(x4，y4, z4)的距离为D1,则
3.根据权利要求2所述的激光跟踪仪測量双曲面镜參数的方法，其特征在于:所述辅助球面镜不要求一次性覆盖整个双曲面镜，辅助球面镜满足检测双曲面镜的ー个子区域即可。
4.根据权利要求2所述的激光跟踪仪測量双曲面镜參数的方法，其特征在于:所述双曲面镜顶点位置不一定找准，测得双曲面镜上任意一点空间坐标，同样能够測量双曲面镜參数。
5.根据权利要求2所述的激光跟踪仪測量双曲面镜參数的方法，其特征在于:所述方法不仅能够测量旋转对称的双曲面镜參数，在满足无像差法检验的基础上，同样能够測量离轴双曲面镜參数。
6.根据权利要求2所述的激光跟踪仪測量双曲面镜參数的方法，其特征在于:所述方法不仅能够检测双曲面镜，同样能够检测有两个共轭焦点的椭球面镜。
7.根据权利要求2所述的激光跟踪仪測量双曲面镜參数的方法，其特征在于:所述方法中，在整个检测的过程中 ，激光跟踪仪位置要始終保持不变。
【文档编号】G01B11/00GK103499310SQ201310492267
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】范斌, 闫锋涛, 吴永前, 侯溪, 陈强, 万勇建, 伍凡 申请人:中国科学院光电技术研究所