CN110567392A - 一种凸自由曲面反射镜面形测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于先进光学***技术领域，公开了一种凸自由曲面反射镜面形测试方法，能够构建由干涉仪、空间光调制器、球面反射镜、凸自由曲面反射镜组成的精确测试光路；其中，空间光调制器被划分为四种调制区域，分别用于对凸自由曲面反射镜进行测量、与干涉仪对准、与球面反射镜对准、以及投射十字线。本发明通过对测试光路的整体设计及光学元器件对准方式等进行改进，构建的精确测试光路能够基于混合补偿干涉测量凸自由曲面反射镜，与现有技术相比提供了一种新的测试思路，尤其能够有效解决大口径凸面干涉测量困难的问题，该方法通过利用球面反射镜提供会聚光路，同时结合空间光调制器对凸自由曲面反射镜完成零位补偿。

Description

一种凸自由曲面反射镜面形测试方法

技术领域

本发明属于先进光学***技术领域，更具体地，涉及一种凸自由曲面反射镜面形测试方法，该方法是一种凸自由曲面反射镜镜面面形干涉检测方法，利用空间光调制器与球面反射镜相结合的方法，对凸自由曲面完成零位补偿测量，获得自由曲面全口径面形测试结果，该面形测试方法是基于空间光调制器与球面反射镜的混合补偿方式完成的，尤其适用于对大口径凸自由曲面反射镜的全口径面形测试。

背景技术

随着国家技术的进步，空间探测、地面遥感、航空、航天、照明、显示等领域对光学***的轻量化、小型化、***像质优化等方面提出了更高的要求。将自由曲面应用于光学***，可以提升***优化自由度，减少光学***设计残差和光学元件数量，在改善***像质的同时简化光学***结构。上述优点使得光学***设计者可根据光学***设计参数的特殊需要，突破传统光学***的概念，将自由曲面运用于全新的***设计方案中。因而，自由曲面光学***具有减少光学元件数量，提高成像质量，适应轻量化要求等优势。目前自由曲面已在空间相机、照明光学、头盔显示等光学***中得到了成功应用。基于自由曲面的光学***应用研究已经成为现代高性能光学***发展的重要方向，对高精度自由曲面光学元件的制造需求随之而来，而自由曲面的高精度测量则是高精度自由曲面光学元件制造的基础。干涉测量作为一种通用的光学元件最终精度检测方法，其理想状态是实现对待测元件的零位检测。

凸自由曲面，尤其是直径大于等于100mm的大口径凸自由曲面，由于其几何形式的特殊性，需要大口径汇聚光束入射到自由曲面反射镜表面以完成其干涉测量，鉴于现有检测设备及器件方法等因素的限制，难以产生大口径汇聚光束，上述检测中的实际困难为相关光学***的设计带来了局限性，严重制约了大曲率半径先进光学***的开发制造。实现大口径凸自由曲面反射镜的面形测量是先进光学***开发中的核心步骤之一，对于先进光学***的制造具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种凸自由曲面反射镜面形测试方法，其中通过对测试光路的整体设计及光学元器件对准方式等进行改进，构建的精确测试光路能够基于混合补偿干涉测量凸自由曲面反射镜，与现有技术相比提供了一种新的测试思路，尤其能够有效解决大口径凸面干涉测量困难的问题，该方法通过利用球面反射镜提供会聚光路，同时结合空间光调制器对凸自由曲面反射镜完成零位补偿；并且，为实现检测光路中干涉仪、空间光调制器、球面光学反射镜及待测凸自由曲面反射镜的精确对准，通过在空间光调制器上设计相应的功能区域，共同保证了检测光路中各光学元件的精确对准及凸自由曲面反射镜面形结果的测量获得，测量得到的面形检测结果是基于对凸自由曲面反射镜的零位补偿测量，没有代入非共路误差，检测结果将直接与镜面面形结果一致。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种凸自由曲面反射镜面形测试方法，其特征在于，该方法能够构建由干涉仪、空间光调制器、球面反射镜、及凸自由曲面反射镜四个光学元器件组成的精确测试光路；其中，所述空间光调制器是作为补偿元件，被划分为四种调制区域分别作为四种衍射光学区域，这四种衍射光学区域分别为用于将空间光调制器与凸自由曲面反射镜对准并进行测量的主检测区域，用于将空间光调制器与干涉仪对准的第一区域，用于将空间光调制器与球面反射镜对准的第二区域，以及至少四个作为十字线投射区域的第三区域，并且这些第三区域沿该空间光调制器的边缘分布；

该方法具体包括以下步骤：

(1)干涉仪与空间光调制器的对准步骤：调整所述干涉仪与所述空间光调制器两者的相对位置，使该干涉仪发出的光线经所述空间光调制器中的第一区域后返回至干涉仪，与该干涉仪参考光形成干涉条纹；然后继续调节所述干涉仪与所述空间光调制器两者的相对位置，使该干涉条纹调至零条纹状态，实现所述干涉仪与所述空间光调制器两者的精确对准；

(2)球面反射镜的对准步骤：在所述干涉仪与所述空间光调制器两者完成精确对准的前提下，调整位于所述空间光调制器后端的球面反射镜的位置，使所述干涉仪发出的光线经所述空间光调制器中的第二区域，并经过球面反射镜反射，返回至所述第二区域，再返回至干涉仪，与该干涉仪参考光形成干涉条纹；然后继续调节所述球面反射镜的位置，使该干涉条纹调至零条纹状态，实现球面反射镜与空间光调制器、干涉仪的精确对准；

(3)凸自由曲面反射镜的粗对准步骤：在球面反射镜与空间光调制器、干涉仪完成精确对准的前提下，基于在所述球面反射镜后端出现的至少四个十字线放置所述凸自由曲面反射镜，使其中心在被这些十字线围绕的中心点附近，由此完成凸自由曲面反射镜的粗对准；

(4)凸自由曲面反射镜的精确对准步骤：所述干涉仪发出的光线将经所述空间光调制器中的主检测区域，并经过球面反射镜反射、凸自由曲面反射镜反射、球面反射镜的再次反射，返回至所述主检测区域，并最终返回至干涉仪，与该干涉仪参考光形成干涉条纹；利用该干涉条纹，通过调节所述凸自由曲面反射镜的位置，使该干涉条纹变得稀疏，即可完成凸自由曲面反射镜与测试光路中其他光学元器件的之间精确对准，得到精确构建的精确测试光路；

(5)基于所述步骤(4)得到的精确测试光路，利用所述主检测区域，实现对所述凸自由曲面反射镜的面形测量。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(4)中，使干涉条纹变得稀疏优选是使该干涉条纹调至零条纹状态。

作为本发明的进一步优选，对于所述空间光调制器，所述主检测区域、所述第一区域、及所述第二区域三者共圆心依次由内而外排列分布；至少四个所述第三区域均位于所述第二区域内，并且这些第三区域沿所述空间光调制器的边缘均匀分布。

作为本发明的进一步优选，所述凸自由曲面反射镜的直径大于等于100mm。

作为本发明的进一步优选，所述第三区域优选为偶数个。

作为本发明的进一步优选，所述第三区域优选为四个。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，基于空间光调制器与球面光学反射镜相结合的混合补偿方式实现凸自由曲面反射镜镜面面形干涉测量，尤其适用于大口径凸自由曲面反射镜(当然，也适用于小口径凸自由曲面反射镜)。本发明通过设计混合补偿检测光路(即测试光路)，引入空间光调制器与光学球面反射镜，通过空间光调制器对入射光相位进行调制，结合球面反射镜提供会聚光束，能够完成对于凸自由曲面反射镜(尤其是大口径凸自由曲面反射镜)的零位补偿(即，使光线沿自由曲面反射镜镜面各点法向入射，同时沿法向出射)。

本发明采用凹球面反射镜提供汇聚光束，凹球面反射镜制造难度小，解决了现有技术难以向凸自由曲面反射镜，尤其是大口径凸自由曲面反射镜提供大口径汇聚光束的问题。本发明通过将空间光调制器与球面反射镜相结合的方式，在实现大口径会聚光束的同时，完成了对于待测凸自由曲面反射镜的零位补偿测量；零位补偿测量能够保证面形检测结果中没有代入非共路误差，检测结果将直接与镜面面形结果一致。

光学元件对准中的失调会在干涉检测结果中引入额外像差，为保证干涉检测光路中各光学元件的精确对准，本发明通过在空间光调制器中规划设计各功能区域，即包括主测量区域(即，主检测区域、主区域)、空间光调制器与干涉仪对准区域(即第一区域)、空间光调制器与球面反射镜对准区域(即第二区域)、空间光调制器投射十字线区域(即第三区域)四者在内的四种衍射区域；其中，主测量区域能够用于完成凸自由曲面反射镜的补偿测量，并进一步用于面形测试；第一区域用于完成检测光路中干涉仪与空间光调制器的对准；第二区域用于完成检测光路中球面反射镜与空间光调制器的对准；数量至少为四个的第三区域可以在待测凸自由曲面反射镜四周对应投射至少四个十字线，便于实现待测凸自由曲面反射镜在检测光路中位置的粗对准。利用这些功能区域的设计及彼此配合，并基于该方法的整体对准步骤设计，共同保证了检测光路中各光学元件的精确对准及凸自由曲面反射镜面形结果的测量获得，尤其适用于大口径凸自由曲面反射镜全口径面形的测量。

本发明中搭建的光路，通过依次放置干涉仪与空间光调制器、调节空间光调制器与球面反射镜在光路中的位置、调节空间光调制器与凸自由曲面反射镜在光路中的位置，可完成检测光路的对准从而实现对凸自由曲面反射镜的零位补偿面形测量。

综上，本发明可以完成凸自由曲面反射镜的干涉测量，尤其适用于直径大于等于100mm的大口径凸自由曲面反射镜，为现代先进光学***的制造开发提供保证，具有检测精度高，检测场地环境及尺寸要求简单等优点。

附图说明

图1为凸自由曲面混合补偿检测光路示意图。

图2为空间光调制器规划区域分布示意图。

图3中的(a)、(b)均为空间光调制器与干涉仪对准后对应位置干涉图示意图。

图4为空间光调制器投射十字线与待测凸自由曲面反射镜位置关系示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，为本发明中凸自由曲面反射镜干涉检测光路图(尤其适用于大口径凸自由曲面)，干涉检测中需要利用球面反射镜对检测光路中光线进行汇聚以提供凸自由曲面检测时所需要的会聚光束，同时需要利用补偿元件空间光调制器对凸自由曲面反射镜进行补偿以对自由曲面反射镜实现零位补偿检测(所谓零位补偿检测，即每条入射光线均沿自由曲面反射镜镜法线入射，同时沿法线出射)。鉴于凸自由曲面反射镜检测光路中涉及到干涉仪、空间光调制器、球面反射镜及凸自由曲面反射镜四个光学元件。光学元件对准中的失调会在干涉检测结果中引入额外像差，为保证干涉检测光路中各光学元件的精确对准，需要在空间光调制器上设计相应的功能区域，其功能区域分布如图2所示。

空间光调制器上包含四种衍射光学区域，分别为主检测区域、与干涉仪对准区域(即第一区域)、与球面反射镜对准区域(即第二区域)及十字线投射区域(即第三区域)。其中主检测区域为凸自由曲面反射镜零位补偿测量区域，可用于最终测量自由曲面反射镜的面形；与干涉仪对准区域用于空间光调制器与干涉仪对准，检测时通过调整空间光调制器与干涉仪间相对位置(包括三维平移及倾斜)，使得干涉仪发出光线经空间光调制器与干涉仪对准区域后返回干涉仪内，并与干涉仪参考光形成干涉条纹，继续调节空间光调制器与干涉仪相对位置，将干涉条纹调至零条纹状态(干涉条纹为全黑或全白，如图3中的(a)、(b)所示；当然，干涉条纹出现的具体区域，与图2示出的与干涉仪对准区域相一致)，此时干涉仪与空间光调制器完成精确对准；在完成干涉仪与空间光调制器精确对准后，在光路中放置球面反射镜，通过调节球面反射镜位置，使得光线经干涉仪发出，经由空间光调制器上的空间光调制器与球面反射镜对准区域，及球面反射镜反射，返回至空间光调制器与球面反射镜对准区域，再返回至干涉仪中并与干涉仪参考光形成干涉条纹，通过继续调整球面反射镜反射的位置将干涉条纹调至零条纹状态(对应位置干涉条纹为全黑或者全白，如图3中的(a)、(b)所示；当然，干涉条纹出现的具体区域，与图2示出的与球面反射镜对准区域相一致)，此时干涉仪、空间光调制器及光学反射镜完成精确对准；

在完成干涉仪、空间光调制器及球面反射镜的精确对准后，基于空间光调制器上的投射十字线区域，会形成四个十字线，如图4所示，将凸自由曲面反射镜放置在四个十字线中央附近(例如，使凸自由曲面反射镜中心与被这些十字线围绕的中心点的间距不超过预先设定的距离最大值要求，预先设定的距离最大值可灵活设定；当然，这两个中心也可以直接相重合)，此时完成了凸自由曲面反射镜在光路中的粗对准，其将通过空间光调制器主区域在干涉仪中形成相应的干涉条纹，通过进一步调整凸自由曲面反射镜的位置(如平移及倾斜)，干涉仪中所形成的自由曲面检测干涉条纹将会变得稀疏甚至可以得到零条纹的情况，此时即完成了自由曲面反射镜在光路中的精确调整，即实现了干涉仪、空间光调制器、球面反射镜及凸自由曲面反射镜的精确对准，通过干涉测量即可得到凸自由曲面反射镜的面形检测结果，面形检测结果中没有代入非共路误差，检测结果将直接与镜面面形结果一致。

本发明测试光路中所采用的元器件(如空间光调制器等)可直接采用市售元器件；此外，空间光调制器上四种调制区域的划分，可参考产品手册等现有技术自行编程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种凸自由曲面反射镜面形测试方法，其特征在于，该方法能够构建由干涉仪、空间光调制器、球面反射镜、及凸自由曲面反射镜四个光学元器件组成的精确测试光路；其中，所述空间光调制器是作为补偿元件，被划分为四种调制区域分别作为四种衍射光学区域，这四种衍射光学区域分别为用于将空间光调制器与凸自由曲面反射镜对准并进行测量的主检测区域，用于将空间光调制器与干涉仪对准的第一区域，用于将空间光调制器与球面反射镜对准的第二区域，以及至少四个作为十字线投射区域的第三区域，并且这些第三区域沿该空间光调制器的边缘分布；

该方法具体包括以下步骤：

(1)干涉仪与空间光调制器的对准步骤：调整所述干涉仪与所述空间光调制器两者的相对位置，使该干涉仪发出的光线经所述空间光调制器中的第一区域后返回至干涉仪，与该干涉仪参考光形成干涉条纹；然后继续调节所述干涉仪与所述空间光调制器两者的相对位置，使该干涉条纹调至零条纹状态，实现所述干涉仪与所述空间光调制器两者的精确对准；

(2)球面反射镜的对准步骤：在所述干涉仪与所述空间光调制器两者完成精确对准的前提下，调整位于所述空间光调制器后端的球面反射镜的位置，使所述干涉仪发出的光线经所述空间光调制器中的第二区域，并经过球面反射镜反射，返回至所述第二区域，再返回至干涉仪，与该干涉仪参考光形成干涉条纹；然后继续调节所述球面反射镜的位置，使该干涉条纹调至零条纹状态，实现球面反射镜与空间光调制器、干涉仪的精确对准；

(3)凸自由曲面反射镜的粗对准步骤：在球面反射镜与空间光调制器、干涉仪完成精确对准的前提下，基于在所述球面反射镜后端出现的至少四个十字线放置所述凸自由曲面反射镜，使其中心在被这些十字线围绕的中心点附近，由此完成凸自由曲面反射镜的粗对准；

(4)凸自由曲面反射镜的精确对准步骤：所述干涉仪发出的光线将经所述空间光调制器中的主检测区域，并经过球面反射镜反射、凸自由曲面反射镜反射、球面反射镜的再次反射，返回至所述主检测区域，并最终返回至干涉仪，与该干涉仪参考光形成干涉条纹；利用该干涉条纹，通过调节所述凸自由曲面反射镜的位置，使该干涉条纹变得稀疏，即可完成凸自由曲面反射镜与测试光路中其他光学元器件的之间精确对准，得到精确构建的精确测试光路；

(5)基于所述步骤(4)得到的精确测试光路，利用所述主检测区域，实现对所述凸自由曲面反射镜的面形测量。

2.如权利要求1所述凸自由曲面反射镜面形测试方法，其特征在于，所述步骤(4)中，使干涉条纹变得稀疏优选是使该干涉条纹调至零条纹状态。

3.如权利要求1所述凸自由曲面反射镜面形测试方法，其特征在于，对于所述空间光调制器，所述主检测区域、所述第一区域、及所述第二区域三者共圆心依次由内而外排列分布；至少四个所述第三区域均位于所述第二区域内，并且这些第三区域沿所述空间光调制器的边缘均匀分布。

4.如权利要求1所述凸自由曲面反射镜面形测试方法，其特征在于，所述凸自由曲面反射镜的直径大于等于100mm。

5.如权利要求1－4任意一项所述凸自由曲面反射镜面形测试方法，其特征在于，所述第三区域优选为偶数个。

6.如权利要求1－5任意一项所述凸自由曲面反射镜面形测试方法，其特征在于，所述第三区域优选为四个。