CN106225715A - 一种用于非球面反射镜的五棱镜扫描检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于非球面反射镜的五棱镜扫描检测方法，一、置备检测所需装置；二、单条母线的扫描检测；三、完成单条母线的扫描后，将非球面反射镜旋转角度a再进行下一条母线的扫描检测；四、检测数据处理及拟合；将所有的角度差值转换为非球面反射镜的反射面相应位置的斜率值，将所述斜率值与Zernike梯度多项式进行拟合，得到非球面反射镜的低阶面形误差参数，本发明能够获取反射镜的高精度低阶面形误差参数。

Description

一种用于非球面反射镜的五棱镜扫描检测方法

技术领域

本发明属于光学系统检测的技术领域，具体涉及一种用于非球面反射镜检测的五棱镜扫描检测方法。

背景技术

在光学系统中采用非球面光学元件，不仅可以减小光学系统的尺寸和重量，降低系统的复杂程度，而且可以矫正像差，改善像质，从而大幅度提高系统性能。因此，非球面光学元件是军用、民用高性能光学系统的核心元器件，在航空、航天遥感，天文观测、深空探测和光电跟踪仪器，光刻物镜，高性能照相(摄像)机镜头等诸多光电仪器领域具有广泛的应用。

但随着空间光学技术的不断发展，人们对非球面反射镜的规格和面形精度的要求越来越高，口径从原来的几百毫米拓宽至数米，面形精度从原来的RMS值1/50λ(λ＝632.8nm,为干涉仪工作波长)提升到1/100λ。而且为了使光学系统具有很高的分辨率和很大的视场，有些非球面的偏离量(非球面与其最接近球面之间的偏差)很大，将会达到几十微米甚至毫米量级。这就给非球面的加工和检测带来了很多的困难，尤其大口径非球面的高精度检测，因为它是高精度非球面确定性加工的基础和依据。

设计CGH补偿器利用零位补偿法对非球面进行测量，仍是目前检测非球面反射镜面形最常用的方法之一。但是对于大口径大偏量的非球面，尤其是初抛光阶段，由于此时反射镜表面未达到很高的反射率，不能满足CGH等透射性元件的检测需求，即使反射率勉强达到CGH检测需求，由于此阶段反射镜表面面形精度不是很高，加上偏离量很大，局部区域的面形误差已经超过了激光干涉仪的分辨能力，从而导致干涉条纹局部缺失，无法获得全口径的面形信息，如图1所示。同时随着反射镜口径的增大，传统的三坐标测量方法已经不能满足抛光阶段的检测精度需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于非球面反射镜的五棱镜扫描检测方法，能够获取反射镜的高精度低阶面形误差参数。

一种用于非球面反射镜的五棱镜扫描检测方法，包括以下步骤：

步骤一、置备检测所需装置；

检测所需装置包括激光发射器、参考五棱镜、扫描五棱镜、导轨、光电探测器件以及活动连接于导轨的滑块；

将光电探测器件固定安装在非球面反射镜的曲率中心处，在垂直于非球面反射镜的光轴方向安装导轨，激光发射器、参考五棱镜和扫描五棱镜依次安装在导轨上，参考五棱镜和扫描五棱镜固定安装在活动连接于导轨的滑块上，激光发射器固定安装在导轨远离光轴的一端；

步骤二、单条母线的扫描检测；

将参考五棱镜固定，使其折转的激光发射器光斑照射在非球面反射镜的边缘位置，移动扫描五棱镜，使扫描五棱镜折转的光斑沿导轨方向掠过整个非球面反射镜的反射面，每移动一个位置，得到一组参考光斑和扫描光斑在光电探测器上的位置信息，将此位置信息转换为角度测量值，将每组角度测量值相减得到角度差值，完成单条母线的扫描检测；

步骤三、将非球面反射镜旋转角度a再进行下一条母线的扫描检测，直至完成非球面反射镜整个镜面的扫描检测；

步骤四、检测数据处理及拟合；

将所有的角度差值转换为非球面反射镜的反射面相应位置的斜率值，利用Zernike梯度多项式对各条母线的斜率值进行最小二乘法拟合，求解出各低阶像差的系数，使用该系数重构被测非球面反射镜的面形信息，得到非球面反射镜的低阶面形误差参数。

进一步地，所述参考光斑为参考五棱镜折转的激光光斑经非球面反射镜反射至光电探测器上的光斑。

进一步地，所述扫描光斑为扫描五棱镜折转的激光光斑经非球面反射镜反射至光电探测器上的光斑。

进一步地，在扫描五棱镜移动过程中，对扫描五棱镜的位姿变化进行监测并调整，确保整个扫描过程中，扫描五棱镜的位姿一致。

有益效果：

本发明充分利用五棱镜可以将光束完美偏转90°的特性，通过对非球面的母线进行扫描测量，获取反射镜的面形斜率信息，然后经过拟合，获取反射镜的高精度低阶面形信息。由于五棱镜扫描测量获得的是面形斜率信息，结合相应的传感器尺寸，可以得到较大的测量动态范围，同时五棱镜扫描技术是一种绝对检测技术，整个过程不需要复杂的参考镜等元件，减少了误差源，可达到很高的检测精度，从而满足大口径非球面反射镜初抛光阶段的检测范围及精度需求，同时可实现在位检测，大大缩短大口径非球面反射镜的加工周期。

附图说明

图1为传统方法的干涉检测结果。

图2为五棱镜工作原理示意图。

图3为本发明五棱镜检测非球面原理示意图。

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3所示，本发明提供了一种用于非球面反射镜的五棱镜扫描检测方法，包括以下步骤：

步骤一、置备检测所需装置；

检测所需装置包括激光发射器、参考五棱镜、扫描五棱镜、导轨、光电探测器件以及活动连接于导轨的滑块；所述参考五棱镜和扫描五棱镜均为常规的五棱镜。

将光电探测器件固定安装在非球面反射镜的曲率中心处，在垂直于非球面反射镜的光轴方向安装导轨，激光发射器、参考五棱镜和扫描五棱镜依次安装在导轨上，参考五棱镜和扫描五棱镜固定安装在活动连接于导轨的滑块上，激光发射器固定安装在导轨远离光轴的一端。

导轨安装后的调整：

利用激光跟踪仪监测，完成导轨、光电探测器件安装后的调整，期间采用激光发射器，保证五棱镜在中间位置时，激光束经五棱镜偏转及非球面反射镜反射后可以进入光电探测器件的测量范围。由于激光跟踪仪可以建立三维坐标系，在确定非球面反射镜的空间坐标的情况下，通过一定的调试，可以很方便的实现导轨及光电探测器件的安装及调整。

步骤二、单条母线的扫描检测；

将参考五棱镜固定，使其折转的激光发射器光斑照射在非球面反射镜的边缘位置，移动扫描五棱镜，使扫描五棱镜折转的光斑沿导轨方向掠过整个非球面反射镜的反射面，每移动一个位置，得到一组参考光斑和扫描光斑在光电探测器上的位置信息，将这两个位置信息分别转换为角度测量值，将每组角度测量值相减得到角度差值，完成单条母线的扫描检测；所述参考光斑为参考五棱镜折转的激光光斑经非球面反射镜反射至光电探测器上的光斑。所述扫描光斑为扫描五棱镜折转的激光光斑经非球面反射镜反射至光电探测器上的光斑。

本检测装置使用参考测量的方式实现斜率检测，即参考五棱镜固定于导轨边缘保持不动，扫描五棱镜在电机的驱动下沿导轨移动，进而实现测量光束沿扫描母线的测量。每检测一个位置，则取此时参考光束与扫描光束的测量差作为测量角度差值，以此获取该扫描母线沿扫描方向上的面形斜率变化。

步骤三、将反射镜旋转角度a再进行下一条母线的扫描检测；通常数条母线扫描即可满足大口径非球面对低阶面形误差的检测需求。在扫描五棱镜移动过程中，对扫描五棱镜的位姿变化进行监测并调整，确保整个扫描过程中，扫描五棱镜的位姿一致。

扫描过程中精确调整扫描五棱镜位姿

如图2所示，五棱镜具有可以将光束完美偏转90°且pitch方式轻微偏摆不影响系统检测的特性，因此pitch方向的自由度可以不用考虑。五棱镜yaw方向和roll方向的角度偏摆对扫描方向的测量会分别造成一阶和二阶测量误差，因此在测量过程中需要对此变量加以控制。

步骤四、检测数据处理及拟合；

完成所有的母线扫描后，对检测数据进行滤波处理，剔除易影响拟合的高频部分，同时剔除非球面反射镜镜面本身的斜率信息，所有单条母线的角度差值即为非球面反射镜在该条母线坐标下的斜率变化，将所有的角度差值转换为非球面反射镜的反射面相应位置的的斜率值，然后使用Zernike梯度多项式对各条母线的斜率数据进行最小二乘法拟合，求解出各低阶像差的系数，使用该系数重构被测非球面反射镜的面形信息，进而知道进一步的加工过程。详细步骤如下：

首先根据光学加工理论，被测反射镜误差面形表示为Zernike多项式的线性组合形式：

$S(x,y)=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j\·Z_j(x,y)---\left(1\right)$

式(1)中，Z_j为笛卡尔坐标系下的Zernike多项式，x_j是它们的系数，J为完整的表述面形需要用到的Zernike项数。S(x,y)为反射镜面形表达式，测量路径的方向矢量定义为：

$\stackrel{\→}{i}cos\mathrm{\θ}+\stackrel{\→}{j}sin\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

于是被测反射镜面形斜率就可以表示为：

$s(x,y,\mathrm{\θ})=\underset{j=1}{\overset{J}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j\·\▿Z_j(x,y)\·(\stackrel{\→}{i}cos\mathrm{\θ}+\stackrel{\→}{j}sin\mathrm{\θ})---\left(3\right)$

式(3)中▽Z_j(x,y)表示Zernike多项式的梯度函数，其与测量路径方向矢量的点积就可以表示为Zernike多项式在测量方向上的空间斜率的值。由于测量方式为离散的采样扫描测量，将(3)式转化为矩阵形式如下：

$A\·\stackrel{\→}{x}=\stackrel{\→}{b}---\left(4\right)$

式(4)中矩阵A为m×n的Zernike多项式斜率值的矩阵，m为扫描采样点的数目，n为拟合需要用的Zernike多项式的项数，为每个扫描点测量的面形斜率组成的向量。为Zernike多项式中各项系数组成的向量，例如：用Zernike多项式的低阶项Z₄-Z₉来拟合面形，则矩阵A可以表示为：

$A=\left[\begin{array}{cccccc}\▿Z_4\left(1\right)& \▿Z_5\left(1\right)& \▿Z_6\left(1\right)& \▿Z_7\left(1\right)& \▿Z_8\left(1\right)& \▿Z_9\left(1\right)\\ \▿Z_4\left(2\right)& \▿Z_5\left(2\right)& \▿Z_6\left(2\right)& \▿Z_7\left(2\right)& \▿Z_8\left(2\right)& \▿Z_9\left(2\right)\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .\\ \▿Z_4\left(m\right)& \▿Z_5\left(m\right)& \▿Z_6\left(m\right)& \▿Z_7\left(m\right)& \▿Z_8\left(m\right)& \▿Z_9\left(m\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中▽Z_n(m)为Zernike第n项在扫描方向上第m个扫描点的空间斜率，则可以得到式(4)的最小二乘解为：

$\stackrel{\→}{x}={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^T\stackrel{\→}{b}---\left(6\right)$

矩阵为一个n×1的向量，包含n项Zernike多项式的系数。Zernike多项式系数确定之后，代入式(1)就可重构被测面的误差面形，进而指导进一步的加工过程。

误差与精度分析；

五棱镜扫描检测大口径非球面反射镜受较多因素影响：五棱镜初始安装精度、光电探测器的初始安装精度、探测器测量精度、机构调整精度以及测试环境等影响。结合实验室现有条件，采用五棱镜扫描技术进行非球面检测，其单点测量不确定度可以达到0.8″rms。

以现有2m非球面反射镜为例，其光学参数为直径D＝2040mm，R＝6040mm，K＝-1，对其进行五棱镜扫描检测，系统采用CCD尺寸为1K×1K，则系统检测的动态范围理论值可高达PV 200μm，对低阶面形误差的测量精度可达100nm rms，满足大口径非球面反射镜粗抛光阶段的需求。

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。

Claims (4)

1.一种用于非球面反射镜的五棱镜扫描检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、置备检测所需装置；

检测所需装置包括激光发射器、参考五棱镜、扫描五棱镜、导轨、光电探测器件以及活动连接于导轨的滑块；

将光电探测器件固定安装在非球面反射镜的曲率中心处，在垂直于非球面反射镜的光轴方向安装导轨，激光发射器、参考五棱镜和扫描五棱镜依次安装在导轨上，参考五棱镜和扫描五棱镜固定安装在活动连接于导轨的滑块上，激光发射器固定安装在导轨远离光轴的一端；

步骤二、单条母线的扫描检测；

将参考五棱镜固定，使其折转的激光发射器光斑照射在非球面反射镜的边缘位置，移动扫描五棱镜，使扫描五棱镜折转的光斑沿导轨方向掠过整个非球面反射镜的反射面，每移动一个位置，得到一组参考光斑和扫描光斑在光电探测器上的位置信息，将此位置信息转换为角度测量值，将每组角度测量值相减得到角度差值，完成单条母线的扫描检测；

步骤三、将非球面反射镜旋转角度a再进行下一条母线的扫描检测，直至完成非球面反射镜整个镜面的扫描检测；

步骤四、检测数据处理及拟合；

将所有的角度差值转换为非球面反射镜的反射面相应位置的斜率值，利用Zernike梯度多项式对各条母线的斜率值进行最小二乘法拟合，求解出各低阶像差的系数，使用该系数重构被测非球面反射镜的面形信息，得到非球面反射镜的低阶面形误差参数。

2.如权利要求1所述的一种用于非球面反射镜的五棱镜扫描检测方法，其特征在于，所述参考光斑为参考五棱镜折转的激光光斑经非球面反射镜反射至光电探测器上的光斑。

3.如权利要求1所述的一种用于非球面反射镜的五棱镜扫描检测方法，其特征在于，所述扫描光斑为扫描五棱镜折转的激光光斑经非球面反射镜反射至光电探测器上的光斑。

4.如权利要求1所述的一种用于非球面反射镜的五棱镜扫描检测方法，其特征在于，在扫描五棱镜移动过程中，对扫描五棱镜的位姿变化进行监测并调整，确保整个扫描过程中，扫描五棱镜的位姿一致。