一种离轴抛物面反射镜快速检测方法及装置与流程

本发明涉及一种光学元件、系统制造装配过程中的调节方法，具体涉及一种离轴抛物面反射镜快速检测方法及装置。

背景技术：

二次非球面几何焦点的无像差特征,使其在大口径光学系统中被广泛地运用.其中单个轴抛物面反射镜可作为平行光管或者牛顿式望远镜使用，可以对无穷远目标完善成像，在激光准直、平行光管、大口径反射空间相机、反射式望远镜中应用越来越普遍。而离轴抛物面镜是从旋转对称的抛物面镜中取用不包含对称轴的一个部分的镜面，由于它能以简单的面形产生高质量的无中心遮拦的平行光束，常常被用来准直光束、模拟无穷远点目标、与其它非球面组成无遮拦的反射光学系统。

当单个高精度离轴抛物面作为光束准直器、平行光管或者反射光学系统中单个元件时，其装配调节或面形精度检测时均需要使用激光干涉仪及高精度自准平面反射镜来测试离轴抛物面的调节精度或面形加工精度。调节测试时需要将干涉仪焦点与离轴抛物面焦点完全重合且需要不断调节平面反射镜法线完全平行于离轴抛物面光轴才能准确测试其调节精度或面形精度。需要同时调节干涉仪、离轴抛物面、自准平面镜中的两个部件，调节过程繁琐费时效率低下。

技术实现要素：

为了解决现有离轴抛物面的测试中调节过程繁琐费时，且效率低下的问题，本发明利用角锥棱镜的特性提出了一种离轴抛物面反射镜快速检测方法及装置，调节过程只需调节干涉仪焦点与离轴抛物面的相对位置，可实现离轴抛物面反射镜反射面的快速测试。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供了一种离轴抛物面反射镜反射面的快速测试方法，包括以下步骤：

步骤1：将角锥棱镜安装于离轴抛物面反射镜的离轴抛物面前，安装干涉仪，保证干涉仪光束焦点位于离轴抛物面反射镜焦点附近，使得由干涉仪汇聚的光束通过离轴抛物面反射镜反射后变为准平行光束入射到角锥棱镜，且准平行光束通过角锥棱镜反射后可按原路自准返回到干涉仪；

步骤2：开启干涉仪的对准模式，干涉仪汇聚的光束通过待调节离轴抛物面反射镜反射后变为准平行光束入射到角锥棱镜，准平行光束通过角锥棱镜反射后按原路自准返回到干涉仪获得返回光的弥散斑；

步骤3：粗调节

若返回光的弥散斑在干涉仪对准模式下为一中心对称的圆形光斑，且圆形光斑尺寸最小，则认为干涉仪汇聚的光束焦点与离轴抛物面反射镜的焦点重合，开始执行步骤4；

若返回光的弥散斑在干涉仪对准模式下为一发散的椭圆形光斑，则干涉仪汇聚的光束焦点与离轴抛物面反射镜的焦点不重合，保持角锥棱镜、离轴抛物面反射镜不动，调节干涉仪焦点的上下、左右平移使得椭圆形光斑形状变为中心对称的圆形光斑；

若此时获得圆形光斑尺寸较大，则需要前后调节干涉仪焦点，使得圆形光斑尺寸最小后开始执行步骤4；

步骤4：精细调节

将干涉仪切换到测试模式下，查看干涉图形状，

若干涉图中的条纹为等间距平直条纹时，则干涉仪焦点与离轴抛物面焦点严格重合，开始执行步骤5；

若干涉图中的条纹为等间距的中心对称的圆环条纹时，需要微调干涉仪焦点前后距离使得条纹变为等间距平直条纹后开始执行步骤5；

若干涉图中的条纹为非等间距条纹时，需要微调干涉仪焦点上下、左右平移使得条纹变为等间距平直条纹后开始执行步骤5；

步骤5：离轴抛物面反射镜的反射面面形的测试；

保持干涉仪、离轴抛物面反射镜不动，在离轴抛物面反射镜与角锥棱镜中间插入自准直平面镜，在干涉仪对准模式下，调节自准直平面镜的左右、上下倾斜，使得自准平面镜返回光点与干涉仪参考点重合，然后切换到干涉仪测试模式下，即实现离轴抛物面反射镜的反射面面形的测试工作。

进一步地，上述角锥棱镜包括四个工作面，其中三个尺寸相同且相互垂直的面为反射面，另外一个面呈等边三角形，且该面为光束的入射面和出射面。该角锥棱镜的重要特性在于，平行的入射光束以任意角度从入射面射入，经过三个反射面依次反射后，出射光束从出射面出射且始终平行于入射光束。

基于上述调节方法，本发明还提供了一种离轴抛物面反射镜反射面的快速测试装置，包括角锥棱镜、干涉仪以及自准直平面镜；

所述角锥棱镜和干涉仪均安装于待测离轴抛物面反射镜的离轴抛物面前，干涉仪的光束焦点位于离轴抛物面反射镜焦点附近，干涉仪汇聚光束通过离轴抛物面反射镜反射后变为准平行光束入射到角锥棱镜，准平行光束通过角锥棱镜后可按原路自准返回到干涉仪，用于对干涉仪和待测离轴抛物面反射镜之间的位置进行调节；

自准直平面镜放置在角锥棱镜和待测离轴抛物面反射镜之间，用于在干涉仪和待测离轴抛物面反射镜的相对位置确定后，对待测离轴抛物面反射镜的反射面面型进行测试。

进一步地，上述角锥棱镜包括四个工作面，其中三个尺寸相同且相互垂直的面为反射面，另外一个面呈等边三角形，且该面为光束的入射面和出射面。该角锥棱镜的重要特性在于，平行的入射光束以任意角度从入射面射入，经过三个反射面依次反射后，出射光束从出射面出射且始终平行于入射光束。

进一步地，上述干涉仪为zygo公司的gpixp系列干涉仪。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、不需要精密调节自准光学元件角度。现有平面镜自准干涉测试时，干涉仪焦点在不同位置时离轴抛物面出射平行光束对应平面镜不同自准角度，该角度需要精密调节。本发明利用角锥棱镜保证了任何角度入射光束自准返回，不需在测试过程中频繁精密调节，且角锥棱镜对于安装角度要求精度低。

2、调节检测速度快，相比于自准直平面镜自检测需要同时调节自准反射镜角度及干涉仪焦点位置，本发明仅仅调节干涉仪焦点位置即可。

附图说明：

图1本发明的离轴抛物面快速调节示意图。

图2本发明的角锥棱镜示意图。

图3为返回光的光斑为圆形时的图像。

图4为返回光的光斑为椭圆形时的图像。

图5为干涉条纹呈等间隔平直条纹时的干涉图。

图6为干涉条纹呈等间隔中心对称的圆环条纹时的干涉图。

图7为干涉条纹呈非等间距条纹时的干涉图。

附图标记如下：

1-角锥棱镜、2-干涉仪、3-离轴抛物面反射镜、4-自准平面反射镜。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种离轴抛物面反射镜反射面的快速测试装置的具体结构，包括角锥棱镜1、干涉仪2以及角锥棱镜；其中本实施例中采用的干涉仪为zygo公司的gpixp系列干涉仪。

角锥棱镜1和干涉仪2均安装于待测离轴抛物面反射镜3的离轴抛物面前，干涉仪1的光束焦点位于待测离轴抛物面反射镜3焦点附近，干涉仪2汇聚光束通过待测离轴抛物面反射镜3反射后变为准平行光束入射到角锥棱镜1，准平行光束通过角锥棱镜后可按原路自准返回到干涉仪2；

自准直平面镜放置在角锥棱镜和待测离轴抛物面反射镜之间，用于在干涉仪和待测离轴抛物面反射镜的相对位置确定后，对待测离轴抛物面反射镜的反射面面型进行测试。

本实施例中角锥棱镜1由立方体切下一角而形成，如图2所示。包括四个工作面(面ade、面ahe、面adh以及面deh)，其中三个尺寸相同且相互垂直的面为反射面(即图2中面ade、面ahe、面deh)，另外一个面呈等边三角形(即图2中面adh，该面为从立方体上获取该角锥棱镜时的切割面)，且该面为光束的入射面和出射面。角锥棱镜的重要特性在于，平行的入射光束以任意角度从入射面射入，经过三个反射面依次反射后，出射光束从出射面出射且始终平行于入射光束。

通过该装置实现离轴抛物面反射镜调节的具体过程如下：

1、测试前先将角锥棱镜1和干涉仪2均安装于待测离轴抛物面反射镜3的离轴抛物面前，保证干涉仪3出射的汇聚光束焦点位于待测离轴抛物面反射镜焦点(图中a位置)上附近，干涉仪的出射光束经过待测离轴抛物面反射镜后变为准平行光束出射，角锥棱镜1将准平行光束原路返回至待测离轴抛物面反射镜3，待测离轴抛物面反射镜3后返回至干涉仪接收；

2、干涉仪和待测离轴抛物面反射镜之间相互位置的调节；

2.1、粗调节

开启干涉仪的对准模式下查看返回光形成的弥散斑形状及尺寸：

若返回光的弥散斑为一中心对称的圆形光斑，且圆形光斑尺寸最小，如图3所示，则认为干涉仪汇聚的光束焦点与离轴抛物面反射镜的焦点重合，开始执行下一步精细调节；

若返回光斑为非对称的椭圆形状(图4)，则干涉仪汇聚的光束焦点与离轴抛物面反射镜的焦点不重合，保持角锥棱镜、离轴抛物面反射镜不动，调节干涉仪焦点的上下、左右平移使得椭圆形光斑形状变为中心对称的圆形光斑，

若此时获得圆形光斑尺寸较大，则需要前后调节干涉仪焦点，使得圆形光斑尺寸最小(如图3所示)后开始执行下一步精细调节；

2.2、精细调节

将干涉仪的模式由对准模式调节为测试模式，查看干涉条纹形式；

若干涉图中的条纹为等间距平直条纹，则干涉仪焦点与离轴抛物面焦点严格重合(如图5所示)，开始执行下一步骤；

若干涉图中的条纹为等间距的中心对称的圆环条纹时(如图6所示)，需要微调干涉仪焦点前后距离使得条纹变为等间距平直条纹后开始执行下一步骤；

若干涉图中的条纹为非等间距条纹(如图7所示)，需要微调干涉仪焦点上下、左右平移使得条纹变为等间距平直条纹后开始执行下一步骤；

3、离轴抛物面反射镜的反射面面形的测试；

保持干涉仪2、离轴抛物面反射镜3不动，在离轴抛物面反射镜3与角锥棱镜1中间插入自准直平面镜4，在干涉仪对准模式下，调节自准直平面镜4的左右、上下倾斜，使得自准直平面镜4返回光点与干涉仪2参考点重合，然后切换到干涉仪测试模式下，即实现离轴抛物面反射镜的反射面面形的测试工作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。