[发明专利]一种大口径离轴非球面测量和标定系统

说明书

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测技术领域，涉及一种光学检测系统，特别涉及一种大口径、大相对口径、大误差范围的光学镜面检测系统。

背景技术

近年来，随着人类科学技术的发展不断被突破和革新，当代科学技术面临着一个难以逾越的难题——极端制造技术。在各种极端环境下，制造极端尺度或者极高功能的器件和功能系统，是现代高端科学技术领域的一个重要特征，具体表现之一就是在激光核聚变、卫星相机、导引头光学及天文望远镜等诸多领域所使用的非球面光学元件口径越来越大，其面形结构也越来越复杂。在美国和欧洲南方航天局计划研制的TMT天文望远镜中，主镜就是由1080块离轴非球面拼接而成的，单块口径都大于1M。这些大口径的离轴非球面的研制需要相应的加工技术和检测手段，也是当前世界各国的光学加工制造业急需解决的重要难题之一。

工艺过程的检测不同于其他的检测，它不要求全面，但要有效地指导下一步工艺进行，检测一次的时间应尽可能短。应知道主要误差的大小、主要误差的正负、主要误差的位置；应考虑到每次检测的操作周期(包括准备、过程、得结论)，力求省时。

由于大口径高次离轴非球面在未来的工业、国防等领域具有非常重要的战略地位，世界各国都先后开展了相应的研究。其中，法国、美国和加拿大等国家对高次离轴非球面开展的研究工作比较早，因此其检测技术相对成熟，但是不同的国家采用的检测技术也各自不同。在对高次离轴非球面的测量中，法国的SESO公司采用的是通过干涉仪自准直+激光定位的方法，即通过三束激光来确定离轴非球面的空间位置，从而来确定非球面是否达到理想的离轴状态。这种检测方法优点是原理简单，需要的辅助光学元件少，由于采用干涉仪，其检测的精度较高；缺点是空间定位比较困难，对离轴非球面光学元件的姿态控制要求教高，同时这种方法只能用于离轴非球面抛光之后的检验。

由于美国亚利桑那光学研究中心对离轴非球面的研究工作开展的比较早，其检测技术也比较成熟和完善。在离轴非球面精磨阶段，面形误差相对较大，他们采用激光跟踪的方法进行测量；在抛光阶段面形误差小，测量精度要求高，他们采用的是计算机产生全息的方法进行检测。对于激光跟踪的测量方法，虽然方法简短，测量的动态范围广，但是由于采用逐点扫描和数据拟合的方式，因此测量费时，需要相应的辅助光学、机械装置，成本也比较高。计算机产生全息的方法优点是测量精度高，成本也相对较低，但是对于不同的离轴非球面，都需要制作不同的全息片，同时在测量的过程中，对全息片的位置的定位精度要求比较高，光路调整比较困难。

在国内，成都光电所、苏大、南京天文台、长春光机所等单位都先后对离轴非球面开展了一定的研制工作，但尚没有对大口径高次离轴非球面的进行研制。在对离轴非球面的检测中。其中苏大采用的是平面反射镜加刀口仪的方法，并通过使用一个扁平标杆来确定离轴量。这种方法使用方便，比较适合加工过程中的检测，但是，其离轴量的确定很不方便，各个测量元件的位置精度很难控制。同时，在后期的测量中，需要将刀口仪换成干涉仪进行定量测量。

长春光机所在对大口径离轴非球面的精磨和初抛光阶段面形的测量中，他们采取的是双测头的方式进行接触式测量。在测量过程中，测头按照预先设定的测量轨迹来完成对光学表面上个测量点的扫描，通过比较测量点的矢高与理论值的偏差来计算被测表面的面形，这种测量方式能够对大误差的面形进行检测，但是对于大口径的离轴非球面，需要复杂的机械运动装置，成本较高，测量耗时，精度不高。而在离轴非球面的抛光阶段，需要通过使用补偿器和干涉仪来进行面形的测量。这种测量方法能够实现高精度的测量，但需要研制高精度的补偿器和精密的五维调整系统。

综上所述，不同的国家及单位对大口径高次离轴非球面的加工、检测方法都各自不同。国外在检测离轴非球面时，需要借助复杂而精确的机械定位系统或者复杂的空间定位计算方法，检测时光路调整非常不方便，不适合于车间里加工过程中未成型的离轴非球面的检验。国内在检测离轴非球面时，一方面需要复杂的机械运动装置，另一方面却无法对离轴非球面进行精确测量，更谈不上对离轴非球面的其他参数进行控制和检测。同时，无论国内或者国外，都没有一台设备能够对离轴非球面加工过程中从精磨到抛光过程中的面形误差检测，也没有能够对离轴非球面的参数进行标定的系统。

发明内容