专利名称：大口径离轴凸非球面反射镜面形检测方法
技术领域：
本发明涉及一种检测光学非球面面形的方法，特别涉及一种检测大口径离轴凸非球面反射镜面形的方法。
背景技术：
在光学系统中使用非球面元件，能矫正像差，改善像质，而且可以减小光学系统的尺寸和重量，因此非球面光学元件正越来越多的被用于各个领域。在众多应用领域中，凸非球面元件是较为常用的核心部件。但是凸非球面面形的测量一直是光学检测中的难点，以往我们一般采用无像差点法对其进行测量，其实质是若待测表面是理想的，而点光源精确置于其中的一个几何焦点上，则由表面反射的光线形成球面波前，其球心与另一几何焦点重合。通过求解波前的变形量及其方向，并据此确定引起波前形变的非球面形状偏差。无像差点法是一种经典、可靠的检验二次曲面的方法，其优点是设计理论误差为零；但缺点是当检验大口径非球面时，就需要更大口径的Hindle球或者大口径的辅助平面，尤其是检测凸非球面，辅助镜面的口径往往是待测镜面的几倍，这就造成了材料和工艺上的难度。此外利用该方法在检测反射系统时，非球面的中心部位往往无法检测。目前，设计补偿透镜利用零位补偿法对凸非球面进行测量，仍是检测凸非球面镜最常用的方法之一。但是凸非球面补偿器的设计要比凹非球面补偿器的设计要复杂得多， 凸非球面的补偿器至少要有两片透镜组成，有时补偿器本身可能还含有非球面元件，而要实现该非球面的高精度检测还要为其再设计一套补偿器，因此又给加工和装调带来了很多的困难。此外，通过计算全息(CGH)进行零位补偿可以较好的实现对非球面的检测，但是对于高陡度、大偏离量的非球面，计算全息的线频密度非常高，从而使其刻划制作成为不可能。此外，由于检测凸非球面需要汇聚波前作为参考波面，这就需要所使用的干涉仪的口径和补偿透镜或CGH的口径大于待测凸非球面的口径，大口径的补偿透镜和CGH的制作和装调在目前仍然存在很多的困难。由此可得，要想完成对大口径离轴凸非球面的检测，最常规的方法之一是制作零位补偿透镜，但是补偿器将由几块透镜组成，结构复杂，且补偿透镜本身可能还含有非球面，此外补偿器的口径将非常大，因此该方法存在很多瓶颈；另一种常规的方法是制作衍射元件计算全息完成对其测量，但是对于大偏离量大口径的凸非球面，需制作很大口径且线频密度很高的计算全息元件，目前计算全息制作受口径和刻划线频密度的限制，从而使这种方法很难实现。此外，利用子孔径拼接法测定多个子孔径的相位分布，通过子孔径拼接算法可以完成对浅度凸非球面的拼接测量，但是对于大口径、大偏离量的凸非球面的拼接检测，子孔径数目很多，运算非常复杂，且不可避免的带来拼接误差传递和累积。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种将计算全息补偿与子孔径拼接技术联用，补
权利要求
1. 一种大口径离轴凸非球面反射镜面形检测方法，其特征在于包括如下步骤1)将干涉仪(1)和待测凸非球面反射镜(6)分别安装在第一和第三调整机构(3、5) 上；设干涉仪的光轴为Z轴，待测凸非球面反射镜的顶点为坐标系XYZ的原点，则过待测凸非球面反射镜的顶点且垂直于干涉仪光轴的面为XOY面；2)将待测凸非球面反射镜中心区域的子孔径作为基准子孔径；利用与待测非球面反射镜基准子孔径区域面形相应的计算全息元件对基准子孔径区域进行零位补偿干涉测量将计算全息元件(2)安装在第二调整机构(4)上；利用第一、第二、第三调整机构(3、 4、5)调整干涉仪(1)、计算全息元件( 和待测凸非球面反射镜(6)之间的位置关系，使得干涉仪(1)出射的光束经计算全息元件( 零位补偿后能够沿法向入射到待测凸非球面反射镜(6)的基准子孔径区域，该光束经待测凸非球面反射镜(6)反射后与干涉仪(1)的参考波面形成干涉条纹，得到待测凸非球面反射镜(6)基准子孔径的相位分布；3)利用与待测非球面反射镜离轴子孔径区域面形相应的计算全息元件对离轴子孔径区域进行零位补偿干涉测量依次将与离轴子孔径区域面形相应的计算全息元件安装在第二调整机构(4)上，并利用第一、第二、第三调整机构(3、4、幻调整待测凸非球面反射镜(6)、计算全息元件与干涉仪(1)的相对位置关系，使得干涉仪(1)的出射光束经各计算全息元件零位补偿后能够沿法向入射到待测凸非球面反射镜(6)上对应的离轴子孔径区域，该光束经待测凸非球面反射镜(6)反射后与干涉仪(1)的参考波面形成干涉条纹，得到待测凸非球面反射镜的各离轴子孔径区域相位分布；4)求解待测凸非球面反射镜全口径面形分布选择测量各子孔径相位分布时各子孔径的顶点ο为子孔径坐标系xyz的原点，过各子孔径顶点ο且垂直于干涉仪光轴的平面为xoy面；利用式(1)求出各子孔径重叠区域相位差的平方和值S并令其为最小值；-V1ηs = Σ Σ iwo(^o-M, y0-J]h) — [Wji , yh.Jlh) + Ph询Κ ,·ΛN2η+ α ■ χ ■ .. + b ■ ν ■ .. 1 }2 + > > {「^F . (χ . . . , ν ...)J\ J\-J\hΛ,Λ—ΛΖι」)L^L^ 1 L J2 ν Ji-Ji1I ‘ ^ Ji~J2l2 }i2[WJ2 ,wJ3+ ρ . χ . _ . . + a ■ χ ■_■ ■ + b ■ ν _ 1L Jl Jl ~ Jll2Jl Jl ~ Jll2Jl Jl ~ Jll2—\W (X V ^ + D X +(2 X + b V 1 )2L h v h - hl2 ' ^ i3 - hl2 } t^ h h~ hl2h h ~ hl2"3 , "3 - "3 」J(1)式(1)中，N1是离轴子孔径与基准子孔径的重叠区域数，N2是离轴子孔径间的重叠区域数，η是重叠区域内的采样点数UVm，>V;A)为测得的基准子孔径⑴相位分布中基准子孔径⑴与第J1个离轴子孔径⑵的重叠区域⑶中“点的相位，Wh ^xh-hh ‘ ^A-Ah^^ Ji(2)α)与第J1个离轴子孔径O)的重叠区域(3)中ii点的相位；《Λ』Λ和巧为、别是第J1个离轴子孔径(2)相对基准子孔径(1)沿X方向的倾斜系数、沿Y方向的倾斜系数和Z方向相对平移系数-’WJ2 (xJ2-JA，J2个离轴子 ⑷才目位分布中第J2个离轴子 (4)与第j3个离轴子孔径(5)的重叠区域(6)中i2点的相位，^为测得的第j3个离轴子孔径(5)相位分布中第j2个离轴子孔径(4)与第j3个离轴子孔径(5)的重叠区域(6)中i2点的相位、\和巧2分别是第j2个离轴子孔径(5)相对基准子孔径 (1)沿X方向的倾斜系数、沿Y方向的倾斜系数和Z方向相对平移系数；《Λ、\和巧3分别是第j3个离轴子孔径(5)相对基准子孔径(1)沿X方向的倾斜系数、沿Y方向的倾斜系数和Z方向相对平移系数；利用最小二乘拟合，对各个系数分别求偏导并令其值为零，得到离轴子孔径相对基准子孔径的最佳拼接因子 、bj和Pj
全文摘要
本发明涉及一种大口径离轴凸非球面反射镜面形检测方法，该方法包括如下步骤利用与待测非球面反射镜基准子孔径区域面形相应的计算全息元件对基准子孔径区域进行零位补偿干涉测量；利用与待测非球面反射镜离轴子孔径区域面形相应的计算全息元件对离轴子孔径区域进行零位补偿干涉测量求解待测凸非球面反射镜全口径面形分布；将各离轴子孔径在xyz坐标系内的坐标换算为XYZ坐标系下的坐标，通过计算得到待测凸非球面反射镜全孔径相位分布；从全口径相位分布中剔去系统调整误差获得待测凸非球面反射镜全口径面形误差分布。本发明数据处理和数学运算简单，实验操作简单易行，检测成本很低，测试时间短。
文档编号G01B11/24GK102519388SQ20111033485
公开日2012年6月27日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者张学军, 王孝坤, 郑立功, 黎发志 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所