大口径光学元件的检测方法及系统与流程

本发明涉及光学器件，尤其涉及一种大口径光学元件的检测方法及系统。

背景技术：

1、目前检测大口径光学系统元件的常用方法一般是使用大型平面干涉仪，这要求有一块与被检测光学元件尺寸相同或更大的标准平面镜。大口径标准平面镜的制造难度大，且制造周期长，成本昂贵，而且自身的检测也非常困难，这是大型望远镜系统室内检测的难点。

2、子孔径拼接干涉测试技术是一种以低成本高分辨率检测大口径光学元件的有效手段。子孔径拼接干涉测试技术是利用哈特曼或小口径干涉仪，分别多次检测大口径光学镜面的各个部位(即子孔径)，使这些子孔径几乎完全覆盖整个被测镜面，然后利用拼接算法将这些子孔径的参考面拼接到同一个参考面上来，从而恢复出全口径波面的完整面形。目前常用的子孔径拼接算法有k-t算法、s-f算法、重叠法等。本发明提供一种新的子孔径拼接方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种大口径光学元件的检测方法及系统，基于新的子孔径拼接算法进行拼接检测。

2、为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种大口径光学元件的检测方法，包括以下步骤：

4、s1，在被测光学元件的镜面上设定多个子孔径，并将全孔径划分成多个边缘区域孔径和一个中心区域孔径，中心区域孔径与边缘区域孔径存在重叠区域，每个边缘区域孔径和中心区域孔径都包含一定数量的子孔径；

5、s2，布置第一平面镜和第二平面镜，第一平面镜扫描中心区域孔径，且第一平面镜所在平面为参考面，第二平面镜旋转扫描边缘区域孔径，测量得到各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的波前，并计算斜率分布；

6、s3，将所有边缘区域孔径和中心区域孔径内的子孔径拼接到参考面，重构得到被测光学元件全孔径上的波前。

7、所述步骤s2中，得到各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的斜率分布，包括：

8、步骤s21，设第k个边缘区域孔径的实测波前为，拼接到参考平面后的波前为，则有    （2），其中、分别为第k个边缘区域孔径上实测的x、y方向斜率，、分别为拼接到参考面后的x、y方向斜率，、分别为沿x、y方向的倾斜误差，k为大于1的整数；

9、步骤s22，在中心区域孔径与边缘区域孔径的重叠区域内选择第个子孔径，设第个子孔径在中心区域孔径上的x、y方向斜率分别为、，在边缘区域孔径上的x、y方向斜率分别为、，由公式（2）有：   （3），、与、均由测量所得，i为大于1的整数；

10、步骤s23，将由公式（3）得到的、代回公式（2）即可求出第k个边缘区域孔径拼接到参考面后的x、y方向斜率与；

11、按照第k个边缘区域孔径的相同处理步骤，求得全孔径上所有的子孔径的斜率。

12、所述步骤s22中，在重叠区域内选取n个子孔径，n为大于1的整数，由如下公式（4）计算得到第k个边缘区域分别为沿x、y方向的倾斜误差、，

13、    （4）

14、所述步骤s23中则是将由公式（4）得到的、代回公式（2）。

15、上述方案中，通过选择多个子孔径并计算平均值，可以使得倾斜误差的计算值更准确。

16、所述步骤s3包括：

17、设、分别为波前在第个子孔径处x、y方向上的波前斜率，将波前用多项式表示有：

18、                                 （5）

19、其中，为多项式系数，则第个子孔径分别在x、y方向上的平均斜率可表示为： ，，其中，  ， ；

20、用矩阵表示为：

21、

22、可简写为：，则有：；

23、、为已知量，由拼接可得，m为多项式的项数，则通过上式解出多项式系数，再代回公式（5）即可求出全孔径上的波前。

24、另一方面，本发明还提供了一种大口径光学元件的检测系统，包括被测光学元件、第一平面镜、第二平面镜、旋转台、干涉仪、次镜系统和计算机处理系统，旋转台带动第二平面镜旋转扫描，干涉仪用于测量子孔径波前，计算机处理系统执行以下操作：在被测光学元件的镜面上设定多个子孔径，并将全孔径划分成多个边缘区域孔径，每个边缘区域孔径都包含一定数量的子孔径；以测量得到的各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的波前计算斜率分布，并将所有边缘区域孔径和中心区域孔径内的子孔径拼接到参考面，重构得到被测光学元件全孔径上的波前。

25、与现有技术相比，本发明以一种新的斜率拼接方式实现大口径光学元件检测，可以检测口径大于1.5m的光学元件，检测重复性精度小于λ/30，λ=632.8nm。

技术特征：

1.一种大口径光学元件的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的大口径光学元件的检测方法，其特征在于，所述步骤s2中，得到各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的斜率分布，包括：

3.根据权利要求2所述的大口径光学元件的检测方法，其特征在于，所述步骤s22中，在重叠区域内选取n个子孔径，n为大于1的整数，由如下公式（4）计算得到第k个边缘区域分别为沿x、y方向的倾斜误差、，

4.根据权利要求3所述的大口径光学元件的检测方法，其特征在于，所述步骤s3包括：

5.一种大口径光学元件的检测系统，其特征在于，包括被测光学元件、第一平面镜、第二平面镜、旋转台、干涉仪、次镜系统和计算机处理系统，旋转台带动第二平面镜旋转扫描，干涉仪用于测量子孔径波前，计算机处理系统执行以下操作：

6.根据权利要求5所述的大口径光学元件的检测系统，其特征在于，设第k个边缘区域孔径的实测波前为，拼接到参考平面后的波前为，则有 （2），其中、分别为第k个边缘区域孔径上实测的x、y方向斜率，、分别为拼接到参考面后的x、y方向斜率，、分别为沿x、y方向的倾斜误差；

7.根据权利要求6所述的大口径光学元件的检测系统，其特征在于，在重叠区域内选取n个子孔径，由如下公式（4）计算得到第k个边缘区域分别为沿x、y方向的倾斜误差、，    （4）。

8.根据权利要求7所述的大口径光学元件的检测系统，其特征在于，设、分别为波前在第个子孔径处x、y方向上的波前斜率，将波前用多项式表示有：

技术总结
本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种大口径光学元件的检测方法及系统，该方法包括步骤：S1，在被测光学元件的镜面上设定多个子孔径，并将全孔径划分成多个边缘区域孔径和一个中心区域孔径，中心区域孔径与边缘区域孔径存在重叠区域，每个边缘区域孔径和中心区域孔径都包含一定数量的子孔径；S2，测量得到各个边缘区域孔径和中心区域孔径包含的子孔径的波前，并计算斜率分布；S3，将所有边缘区域孔径和中心区域孔径内的子孔径拼接到参考面，重构得到被测光学元件全孔径上的波前。本发明以一种新的拼接方式实现大口径光学元件检测，可以检测口径大于1.5m的光学元件，检测重复性精度小于λ/30。

技术研发人员：孙林,贾松涛,庞晨涛
受保护的技术使用者：苏州致将智能光电有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15