CN112923871B - 一种自由曲面反射镜曲率半径检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于镜面检测技术领域，提供了一种CGH补偿器及基于该CGH补偿器的自由曲面反射镜曲率半径检测装置，可以对失去回转对称性的镜头进行检测。通过获取待检镜面型数据以及离焦量，根据离焦量计算得到待检镜的曲率半径误差，利用曲率误差公式对各个区域的测量值进行合成，得到曲率半径误差，得到待检镜的曲率半径。

Description

一种自由曲面反射镜曲率半径检测装置及方法

技术领域

本发明属于镜面检测技术领域，具体涉及一种CGH补偿器，及利用该CGH补偿器实现自由曲面反射镜曲率半径检测装置和方法。

背景技术

曲率半径是光学元件的重要参数之一，其准确性影响着光学系统的性能。曲率半径的测量精度直接影响其他光学参数，进而影响光学系统的成像质量。因此，对光学元件曲率半径的高精度测量是极其重要的环节。但影响曲率半径测量精度的因素众多，因此高精度曲率半径测量一直是光学检测中的一个难题。

测量曲率半径的方法有很多，按照测量方式主要分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法有样板法、牛顿环法、球径仪法、三坐标测量法、激光跟踪仪法等。接触式测量方法测量范围广泛，但是这些方法在测量过程中需要接触被测光学元件，易划伤被测表面，因此应用会受到一定的限制。非接触式测量主要有刀口阴影法、自准直显微镜法、激光干涉测量法、激光差动共焦法等方法。刀口阴影法测量方法简单，但在检测过程中对环境要求较高，要求检测环境振动较小且稍暗。自准直显微镜法根据自准直技术来测量曲率半径，但该方法的测量精度受限于人眼的调焦误差与测长系统。激光干涉测量法是目前使用最广泛的一种曲率半径测量方法，但其光路易受检测环境影响，抗干扰能力弱。激光差动共焦法将差动共焦原理应用于曲率半径测量，该方法较其他方法定焦精度高，但是该测量系统装置复杂，且只能用于测量球面曲率半径，对于使用广泛的非球面中心点曲率半径的测量并不适用。

发明内容

本发明为了解现有技术中无法对自由曲面的待检镜进行检测，提出了一种自由曲面反射镜曲率半径检测装置和方法，可以测量球面、非球面、自由曲面顶点的曲率半径检测，能够精确的实现光学元件的面形测量的同时兼顾曲率半径的检测，检测精度较高，装置简单，操作简单易行。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种CGH补偿器设计方法，包括：

S1、设计主区域，在光学设计软件中输入待检镜的参数，将主区域面形设置为泽尼克相位，通过改变泽尼克系数及距离参数，进行优化，使得波前为零；

S2、设计对准区域，使得光线入射到对准区域上，被CGH补偿器反射回来，以此来判断干涉仪和CGH补偿器的位置关系，改变对准区域的泽尼克系数，优化使得波前为零；

S3、设计猫眼区域，根据待检镜参数、主区域和对准区域的参数，进行双光路光线追迹，使通过猫眼区域的光线透射到待检镜上对称返回，改变泽尼克系数，优化使得波前为零。

优选地，对准区域位于外环带，用于对准CGH补偿器和干涉仪；

主区域位于中间环带，用于检测待检镜的面形误差及离焦量；

猫眼区域位于内环带，用于检测CGH补偿器与待检镜的距离偏差。

优选地，主区域180°旋转对称。

一种自由曲面反射镜曲率半径检测装置，采用干涉仪对自由曲面待检镜进行检测，包括标准镜和CGH补偿器。

优选地，标准镜放置在干涉仪和CGH补偿器之间，待检镜放置在CGH补偿器的另一侧；

干涉仪发出的光线经过标准镜后出射，出射光束的焦点位置放置滤波器，经过滤波器的光入射到CGH补偿器上，根据CGH补偿器不同的区域，光束反射回干涉仪或经过CGH补偿器透射后入射到待检镜上，通过主区域检测待检镜面形及曲率半径误差，通过分析得到待检镜的面形误差和离焦量。

优选地，还包括用于分别调节使干涉仪、CGH补偿器和待检镜同轴的干涉仪调整机构、CGH调整机构和待检镜调整机构。

一种自由曲面反射镜曲率半径检测方法，其特征在于，包括：

S1、对准CGH补偿器和干涉仪：安装干涉仪的标准镜，并将标准镜与干涉仪光源调至共光路，将小孔滤波器置于干涉仪光束焦点位置；CGH补偿器根据上述方法设计得到，调整CGH补偿器相对于干涉仪的位置，使对准区域的干涉图为零条纹；

S2、对准CGH补偿器和待检镜：保持干涉仪与CGH补偿器相对位置不变，调整待检镜位置，使通过猫眼区域的光束达到待检镜上，经猫眼区域对称返回；

S3、计算获取待检镜的曲率半径。

优选地，能够对凸非球面或者凹非球面的自由曲面待检镜进行检测。

本发明能够取得以下技术效果：

1、该方法将光学干涉技术、CGH补偿器补偿光路、曲率半径检测原理有效的融合在一起，有效的实现了检测自由曲面面形的同时进行曲率半径的检测。

2、不仅适用于大口径自由曲面望远镜曲率半径的测量，而且可以控制待检镜的位置误差，实现对于拼接式望远镜子镜曲率一致性的测量。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种自由曲面反射镜曲率半径检测装置结构示意图；

图2是本发明一个实施例的CGH补偿器示意图；

图3是常规猫眼区域光路示意图；

图4是本发明一个实施例的检测方法流程图。

附图标记：

干涉仪1、标准镜2、CGH补偿器3、待检镜4、干涉仪调整机构5、CGH调整机构6、待检镜调整机构7、对准区域8、主区域9、猫眼区域10。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种CGH补偿器，并利用其进行自由曲面反射镜曲率半径检测的装置及方法，可以对球面、非球面、自由曲面顶点的曲率半径进行检测。下面将对本发明提供的一种自由曲面反射镜曲率半径检测装置及方法，通过具体实施例来进行详细说明。

本发明的测量光学元件曲率半径的装置主要包括干涉仪1、CGH补偿器3以及对应的调整机构等。首先，根据待检镜4的参数设计制作CGH补偿器3，然后通过CGH补偿器3搭建检测光路，通过干涉条纹先调整干涉仪1和CGH补偿器3对准，再调整CGH补偿器3和待检镜4相对位置关系，调整完成后，便可通过CGH补偿器3的主区域9检测待检镜4的面形及曲率半径误差，通过分析即可得到待检镜4的面形误差和离焦量。

如图2所示的CGH补偿器3，包括对准区域8，主区域9和猫眼区域10，其中，对准区域8位于最外环带，用于对准CGH补偿器3和干涉仪1；

主区域9位于中间环带，用于检测待检镜4的面形误差和离焦量；

猫眼区域10位于内环带，检测CGH补偿器3与待检镜4的距离偏差；

猫眼区域10的中心与主区域9的中心重合，或者不重合。

在本发明的一个优选实施例中，对CGH补偿器3通过如下方法设计：

首先设计主区域9，在光学设计软件中输入待检镜4的参数，将主区域9面形设置为泽尼克相位，通过改变泽尼克系数及距离参数，进行优化，使得波前为零；

其次设计对准区域8，使得光线入射到对准区域8上，被反射回来，以此来判断干涉仪1和CGH补偿器3的位置关系，改变对准区域8的泽尼克系数，优化使得波前为零；

最后设计猫眼区域10，根据待检镜4参数、主区域9和对准区域8的参数，进行双光路光线追迹，使通过猫眼区域10的光线透射到待检镜4上对称返回，改变泽尼克系数，优化使得波前为零。

在本发明的另一个实施例中，根据光学设计软件设计，在直径为150mm的基板上刻画所需CGH补偿器3。在光学设计软件优化时，CGH补偿器3的刻线精度需控制在1％精度以内。

常规猫眼设计图样的猫眼区域10的光路图，如图3所示，猫眼点A位于待检镜4的镜面中心处。由于自由曲面的待检镜4中心的面形不一定与光轴垂直，使得猫眼点A不一定在待检镜4的镜面中心，因此本发明设计了如图2所示的CGH补偿器3：

将猫眼点A(经猫眼区10透射的光线在待检镜4上的交点)偏置设计，光束经猫眼区域10对称返回，使得猫眼区域10的中心可以不与主区域9的中心重合，参见图1。

在本发明的一个优选实施例中，主区域9可以设计成180°旋转对称的任意形状区域。

因此本发明不仅适用于大口径自由曲面望远镜曲率半径的测量，而且可以控制待检镜的位置误差，实现对于拼接式望远镜子镜曲率一致性的测量。

图1示出了本发明的自由曲面反射镜曲率半径检测装置，采用干涉仪1对自由曲面的待检镜4进行检测，包括标准镜2、CGH补偿器3以及用于分别调节使干涉仪1、CGH补偿器3和待检镜4同轴的干涉仪调整机构5、CGH调整机构6和待检镜调整机构7。

干涉仪1发出的光线经过标准镜2后出射，出射光束的焦点处放置滤波器，经过滤波器的光入射到CGH补偿器3上，根据CGH补偿器3不同的区域，光束反射回干涉仪1或经过CGH补偿器3上透射到待检镜4上，通过主区域9检测待检镜4的面形及曲率半径误差，通过分析即可得到待检镜4的面形误差和离焦量。

在本发明的一个优选实施例中，如图4示出的检测方法流程图，选择合适的标准镜2，利用CGH补偿器3搭建补偿光路：

S1、对准CGH补偿器3和干涉仪1：

将标准镜2与干涉仪1光源调至共光路，并将小孔滤波器置于干涉仪1的光束焦点位置；调整CGH补偿器3相对于干涉仪1的位置，使准区域8的干涉图为零条纹，即实现了CGH的精确对准，此时干涉仪1的RMS为最小；

S2、对准CGH补偿器3和待检镜4：

保持干涉仪1与CGH补偿器3相对位置不变，调整待检镜4位置，使得通过猫眼区域10的光束达到待检镜4上，经猫眼区域10对称返回，此时干涉仪1的POWER值为最小；

S3、计算获取待检镜4的曲率半径：

在本发明的另一个实施例中，以待检镜4为凹面镜为例，选取F/number≤R/number的标准镜2。

在本发明的另一个实施例中，根据步骤S3获得的待检镜4的面型数据，在剔除平移、倾斜等误差后，在干涉仪采集软件，如Metropro上读出主区域9的离焦数据，根据离焦量计算得到待检镜4的曲率半径误差，并且利用猫眼区域10部分误差解耦出全口径位置误差，进而用曲率误差合成公式及理想曲率半径数值进行合成，得到待检镜4的曲率半径。

在本发明的另一个实施例中，自由曲面曲率半径检测方法会受到CGH补偿器3的制作误差、环境、检测过程中调整误差等因素的影响。把CGH补偿器3制作误差剔除掉，精确控制检测环境的条件下，对本发明的检测结果进行精度分析，以获得检测曲率半径精度优于30μm，误差测量范围大于2mm，满足对于非球面反射镜曲率半径检测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种CGH补偿器设计方法，其特征在于，

S1、设计主区域，在光学设计软件中输入待检镜的参数，将所述主区域面形设置为泽尼克相位，通过改变泽尼克系数及距离参数，进行优化，使得波前为零；

S2、设计对准区域，使得光线入射到所述对准区域上，被所述CGH补偿器反射回来，以此来判断干涉仪和所述CGH补偿器的位置关系，改变所述对准区域的泽尼克系数，优化使得波前为零；

S3、设计猫眼区域，根据所述待检镜的参数、所述主区域和所述对准区域的参数，进行双光路光线追迹，使通过所述猫眼区域的光线透射到所述待检镜上对称返回，改变泽尼克系数，优化使得波前为零；

所述对准区域位于外环带，用于对准所述CGH补偿器和所述干涉仪；

所述主区域位于中间环带，用于检测所述待检镜的面形误差及离焦量；

所述猫眼区域位于内环带，用于检测所述CGH补偿器与所述待检镜的距离偏差。

2.根据权利要求1所述的CGH补偿器设计方法，其特征在于，所述主区域180°旋转对称。

3.一种自由曲面反射镜曲率半径检测装置，采用干涉仪对自由曲面待检镜进行检测，其特征在于，包括标准镜和如权利要求1-2中任意一项设计的CGH补偿器。

4.根据权利要求3所述的自由曲面反射镜曲率半径检测装置，其特征在于，所述标准镜放置在所述干涉仪和所述CGH补偿器之间，所述待检镜放置在所述CGH补偿器的另一侧；

所述干涉仪发出的光线经过所述标准镜后出射，出射光束的焦点位置放置滤波器，经过所述滤波器的光入射到所述CGH补偿器上，根据所述CGH补偿器不同的区域，所述光束反射回所述干涉仪或经过所述CGH补偿器透射后入射到所述待检镜上，通过所述主区域检测所述待检镜面形及曲率半径误差，通过分析得到所述待检镜的面形误差和离焦量。

5.根据权利要求3所述的自由曲面反射镜曲率半径检测装置，其特征在于，还包括用于分别调节使所述干涉仪、所述CGH补偿器和所述待检镜同轴的干涉仪调整机构、CGH调整机构和待检镜调整机构。

6.一种自由曲面反射镜曲率半径检测方法，其特征在于，包括：

S1、对准CGH补偿器和干涉仪：安装干涉仪的标准镜，并将所述标准镜与所述干涉仪光源调至共光路，将小孔滤波器置于所述干涉仪光束焦点位置；所述CGH补偿器根据权利要求1-2中任意一项设计得到，调整所述CGH补偿器相对于所述干涉仪的位置，使所述对准区域的干涉图为零条纹；

S2、对准所述CGH补偿器和待检镜：保持所述干涉仪与所述CGH补偿器相对位置不变，调整所述待检镜的位置，使通过所述猫眼区域的光束达到所述待检镜上，经所述猫眼区域对称返回；

S3、计算获取所述待检镜的曲率半径。

7.根据权利要求6所述的一种自由曲面反射镜曲率半径检测方法，其特征在于，用于对凸非球面或者凹非球面的自由曲面待检镜进行检测。

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