一种离轴三反非球面光学系统共基准检测与加工方法与流程

本发明属于光学系统加工检测的技术领域，具体涉及一种离轴三反非球面光学系统共基准检测与加工方法。

背景技术：

在光学系统中，使用非球面可以矫正像差，改善像质，同时可以简化系统结构，减轻系统的重量，因此，非球面元件正越来越多的被用于深空探测、光电跟踪、天文观测等诸多光电设备中。尤其在空间光学领域，由于离轴三反消像散非球面系统(TMA)具有组较少、长焦距、大视场、宽波段、调制传递函数高、抑制杂光能力强等优异特性，使得大口径非球面元件在空间遥感中得到了广泛应用。

离轴三反非球面系统的光路图如图1所示，即入射光线经过离轴非球面主反射镜后进行第一次反射，反射的光束入射到次镜(一般为同轴非球面)后进行第二次反射，第二次反射后的光束入射到离轴第三反射镜进行第三次反射，反射后的光束经平面调焦镜转折后入射到CCD焦面上成像。在该系统中，主反射镜和第三反射镜均为离轴非球面，次镜一般为回转对称的同轴非球面镜，光轴位于次镜的几何中心，主反射镜和第三反射镜的光轴是统一的。

离轴三反非球面系统一般进行单个镜体的加工与检测，待所有组件满足设计要求时方可进行整个系统的装调与检验。每个单镜个体有各自的几何量加工误差，包含顶点曲率半径误差、离轴量误差和镜体左右位置偏差等，在进行整个系统装调时需要对组件支撑背板和框架机构进行反复修正，进行多次迭代收敛，才能完成整个系统的装调，装调的整个过程繁杂，有时主反射镜和第三反射镜的加工误差不匹配，整个光学系统很难达到很好的成像效果。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种离轴三反非球面光学系统共基准检测与加工方法，能够实现离轴三反非球面光学系统主反射镜和第三反射镜共基准加工，避免了繁琐的装调过程。

实现本发明的技术方案如下：

一种离轴三反非球面光学系统共基准检测与加工方法，包括以下步骤：

步骤一、单镜加工与检测

分别对主反射镜和第三反射镜进行加工直至各单镜全口径干涉检测面形的RMS值均优于1/10λ，λ为激光干涉仪工作波长；

步骤二、背板一体化设计和制作

根据设计参数，设计并加工用于固定主反射镜和第三反射镜的一体化背板；

步骤三、共基准装调与检测

将主反射镜和第三反射镜固定安装在一体化背板上，并对其进行共基准检测分别得到主反射镜和第三反射镜的面形；

步骤四、共基准离子束加工

基于共基准检测所得的主反射镜和第三反射镜的面形，将固定于一体化背板的主反射镜和第三反射镜根据设计要求进行离子束加工；

步骤五、共基准检测

对离子束加工后的主反射镜和第三反射镜进行共基准检测，直至满足设计要求，完成加工与检测。

进一步地，步骤三具体为：

步骤3.1、通过激光跟踪仪精确调整主三镜补偿器连接调整机构，使当主反射镜补偿器和第三反射镜补偿器均固定安装在主三镜补偿器连接调整机构后，主反射镜补偿器和第三反射镜补偿器二者中心的连线与光轴重合并且二者的相对位置关系满足设计参数；

步骤3.2、将主反射镜固定在一体化背板上，将主反射镜补偿器安装在主三镜补偿器连接调整机构上，根据设计参数利用激光跟踪仪精确调整激光干涉仪、主反射镜补偿器和主反射镜之间的相对位置，利用零位补偿光学检测对主反射镜进行干涉测量得到主反射镜的面形；

步骤3.3、固定主反射镜、激光干涉仪以及主三镜补偿器连接调整机构，移去主反射镜补偿器，将第三反射镜补偿器安装在主三镜补偿器连接调整机构上，将第三反射镜支撑面固定在一体化背板上，对第三反射镜进行干涉测量得到第三反射镜的面形，从而实现主三镜共基准检测。

有益效果：

本发明方法保证了反射镜加工检验过程与光学系统装调过程基准共享，从而保证加工完成后主反射镜、第三反射镜在系统中的位置就已确定，系统装调时只剩下次镜这一个环节，极大地缩短了光学系统的后续装调时间，提高了装调的精度及效率，且利用离子束进行一体化精抛光，去除函数稳定、确定性高、加工应力很小。

附图说明

图1为离轴三反非球面系统的光路图。

图2为本发明的离轴三反非球面光学系统共基准加工与检测方法的流程图。

图3为本发明的离轴三反非球面光学系统共基准加工与检测方法的装置结构示意图。

图4为主反射镜和第三反射镜离子束共基准加工示意图。

其中，1-激光干涉仪，2-标准平面镜，3-激光跟踪仪，4-离子束加工中心，5-主反射镜补偿器，6-第三反射镜补偿器，7-主反射镜，8-第三反射镜，9-一体化背板，10-一体化背板调整机构，11-激光干涉仪调整机构，12-主三镜补偿器连接调整机构。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图2所示，本发明提供了一种离轴三反非球面光学系统共基准检测与加工方法，本发明方法所需装置主要包括激光干涉仪、标准平面参考镜、光学补偿器、主反射镜、第三反射镜、一体化背板、离子束加工中心、激光跟踪仪和调整机构等。包括以下步骤：

步骤一、单镜加工与检测

利用计算机控制光学表面成形(CCOS，Computer Controlled Optical Surfacing)技术分别对主反射镜和第三反射镜进行确定性加工，即研磨和粗抛光，在加工过程中，通过轮廓仪或者三坐标测量仪对主反射镜和第三反射镜分别进行接触式测量，当检测得到主反射镜和第三反射镜面形的峰谷值(PV值，Peak to valley)均优于2μm时，对其进行抛光加工，对抛光后的主反射镜和第三反射镜分别进行零位补偿干涉检测，依据检测结果对主反射镜和第三反射镜分别进行加工，直至各单镜全口径干涉检测面形的RMS(Root Mean Squares均方根)值优于1/10λ(λ＝632.8nm,为激光干涉仪工作波长)。

步骤二、背板一体化设计和制作

根据光学系统参数，设计并加工用于固定主反射镜和第三反射镜的一体化背板；

步骤三、共基准装调与检测

如图3所示，为共基准装调的光学系统示意图。步骤三具体过程为：

步骤3.1、通过激光跟踪仪精确测量和调整主三镜补偿器连接调整机构，使当主反射镜补偿器和第三反射镜补偿器均固定安装在主三镜补偿器连接调整机构后，主反射镜补偿器和第三反射镜补偿器二者中心的连线与光轴重合(即主三镜共光轴)并且二者的相对位置关系满足设计参数；

步骤3.2、将主反射镜固定在一体化背板上，将主反射镜补偿器安装在主三镜补偿器连接调整机构上，根据设计参数利用激光跟踪仪精确测量并调整激光干涉仪、主反射镜补偿器和主反射镜之间的相对位置，利用零位补偿光学检测对主反射镜进行干涉测量得到主反射镜的面形；

步骤3.3、固定主反射镜、激光干涉仪以及主三镜补偿器连接调整机构，移去主反射镜补偿器，将第三反射镜补偿器安装在主三镜补偿器连接调整机构上，将第三反射镜支撑面固定在一体化背板上，对第三反射镜进行干涉测量得到第三反射镜的面形，从而实现主三镜共基准检测；

步骤四、将固定于一体化背板的主反射镜和第三反射镜进行离子束加工；

我们对共基准检测后的主反射镜和第三反射镜进行背板一体化固定和装卡，然后进行共基准一体化离子束精抛光加工。离子束抛光技术是一种高精度确定性加工技术,该技术利用在真空状态下，由离子束对光学表面特定区域进行轰击，通过离子束与光学元件表面材料的物理溅射作用来实现对非球面表面材料的分子级去除,经过精确控制离子束能量密度和加工驻留时间，最终完成超高精度的非球面光学表面面形加工。离子束抛光机的基本原理属于子孔径加工技术，其基本控制算法与CCOS技术类似，该技术根据定量的面形测量结果，由计算机控制离子束，按照一定的加工轨迹对光学表面进行加工，经多次迭代直到满足精度要求。在加工过程中，离子束的去除函数非常稳定，无需进行去除函数修正，其可以实现对镜面分子级的精确去除，且加工应力很小，基本不会引起主三镜一体化位置的变化。

如图4所示，首先根据共基准干涉测定的主反射镜和第三反射镜的面形分布综合分析选择合适口径的离子束源，规划合理的加工轨迹并进行驻留时间的计算，然后利用离子束在同一加工周期内依次对主反射镜和第三反射镜进行精密抛光。

步骤五、共基准检测

对离子束一体化共基准加工后的主反射镜和第三反射镜进行共基准检测，直至满足设计要求，即主反射镜和第三反射镜面形的RMS值都优于1/50λ，完成加工与检测。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。