一种凸自由曲面反射镜的全口径面形检测方法及装置

本发明属于镜面干涉检测领域，更具体地，涉及一种凸自由曲面反射镜的全口径面形检测方法及装置。

背景技术：

1、随着国家技术的进步，空间探测、地面遥感、航空、航天、照明、显示等领域对光学系统的轻量化、小型化、系统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系统，可以提升系统优化自由度，减少光学系统设计残差和光学元件数量，在改善系统像质的同时简化光学系统结构。上述优点使得光学系统设计者可根据光学系统设计参数的特殊需要，突破传统光学系统的概念，将自由曲面运用于全新的系统设计方案中。因而，自由曲面光学系统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、头盔显示等光学系统中得到了成功应用。基于自由曲面的光学系统应用研究已经成为现代高性能光学系统发展的重要方向，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。

2、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系统的设计带来了局限性，严重制约了大曲率半径先进光学系统的开发制造。实现大口径凸自由曲面反射镜的面形测量是先进光学系统开发中的核心步骤之一，对于先进光学系统的制造具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种凸自由曲面反射镜的全口径面形检测方法及装置，其目的在于解决采用现有高精度的干涉测量技术难以实现对大口径的凸自由曲面反射镜面形的高精度测量的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种凸自由曲面反射镜的全口径面形检测方法，包括：

3、获取待测凸自由曲面反射镜的预设理论面形，用以构造相位计算全息元件的多台阶结构，该多台阶结构能够使得该全息元件对干涉仪所发出的检测光进行波前调整，且调整后检测光在由二次曲面反射镜汇聚后，能够沿着待测凸自由曲面反射镜整个全口径曲面理论轮廓的法向入射待测反射镜并沿法向返回，以实现零位补偿的干涉测量；

4、将相位计算全息元件设置在干涉仪所发出光的传播方向的一垂直面上，且将二次曲面反射镜设置在相位计算全息元件的光路下游，对干涉仪、相位计算全息元件、二次曲面反射镜及凸自由曲面反射镜对准，并进行干涉测量，得到所述待测凸自由曲面反射镜上各个检测点相对所述预设理论面形的法向偏离量，从而解析得到实际全口径面形，完成面形检测。

5、进一步，所述相位计算全息元件的面向干涉仪的一面设计有五种衍射光学功能区域，包括：主检测功能区域，与干涉仪对准用功能区域，投射二次曲面反射镜十字形功能区域，与二次曲面反射镜对准用功能区域，以及投射待测镜面十字形功能区域；

6、其中，所述主检测功能区域作为待测凸自由曲面反射镜的零位补偿测量区域，具有所述多台阶结构，用于对干涉仪所发出的检测光进行所述波前调整；所述与干涉仪对准用功能区域用于执行相位计算全息元件与干涉仪的光路对准；所述投射二次曲面反射镜十字形功能区域包括对称分布的多个十字形图案，用于粗确定二次曲面反射镜的位置；所述与二次曲面反射镜对准用功能区域用于精确定二次曲面反射镜的位置，所述投射二次曲面反射镜十字形功能区域和所述与二次曲面反射镜对准用功能区域协同实现对相位计算全息元件和二次曲面反射镜的光路对准；所述投射待测镜面十字形功能区域用于粗确定待测凸自由曲面反射镜的位置。

7、进一步，对多台阶相位计算全息元件和干涉仪对准的实现方式为：

8、粗调整相位计算全息元件与干涉仪之间的相对位置，使得干涉仪所发出的经相位计算全息元件上的所述与干涉仪对准用功能区域后再返回干涉仪内的光线，与干涉仪参考光形成干涉条纹；根据当前的干涉条纹，继续调节相位计算全息元件与干涉仪之间的相对位置，直至该干涉条纹为零条纹状态，完成干涉仪与相位计算全息元件之间的精确对准。

9、进一步，对干涉仪、相位计算全息元件和二次曲面反射镜对准的实现方式为：

10、在实现对对干涉仪和相位计算全息元件对准之后，通过相位计算全息元件上的所述投射二次曲面反射镜十字形功能区域的光线，在位于相位计算全息元件后方区域的光屏上形成多个十字线，由所述多个十字线的分布，粗确定二次曲面反射镜的位置；

11、调整二次曲面反射镜位置，使得经干涉仪所发出的经由相位计算全息元件上的所述与二次曲面反射镜对准用功能区域的光线，在经二次曲面反射镜反射而返回至所述与二次曲面反射镜对准用功能区域并到达干涉仪中后，能够与干涉仪参考光形成干涉条纹；根据当前的干涉条纹，继续调整二次曲面反射镜反射的位置，直至该干涉条纹为零条纹状态，完成干涉仪、相位计算全息元件及光学反射镜的精确对准。

12、进一步，对干涉仪、相位计算全息元件、二次曲面反射镜和凸自由曲面反射镜对准的实现方式为：

13、在实现对干涉仪、相位计算全息元件和二次曲面反射镜对准之后，通过相位计算全息元件上的所述投射待测镜面十字形功能区域的光线，在位于二次曲面反射镜反射光方向的光屏上形成多个十字线，由所述多个十字线的分布，粗确定凸自由曲面反射镜的位置；

14、由所述凸自由曲面反射镜反射并经所述主检测功能区域而在干涉仪中形成相应的干涉条纹，根据该干涉条纹，调整凸自由曲面反射镜的位置，使得干涉仪中所形成的自由曲面检测干涉条纹趋于零条纹状态，完成凸自由曲面反射镜在光路中的精确调整，实现干涉仪、相位计算全息元件、二次曲面反射镜及凸自由曲面反射镜的精确对准。

15、本发明还提供一种凸自由曲面反射镜的全口径面形检测装置，包括：干涉仪，相位计算全息元件，二次曲面反射镜，以及凸自由曲面反射镜；

16、所述相位计算全息元件具有多台阶结构，该多台阶结构是通过基于待测凸自由曲面反射镜的预设理论面形构造得到，且该多台阶结构能使得该全息元件对干涉仪所发出的检测光进行波前调整，且调整后检测光在由二次曲面反射镜汇聚后，能够沿着待测凸自由曲面反射镜整个全口径曲面理论轮廓的法向入射待测反射镜并沿法向返回，以实现零位补偿的干涉测量；

17、所述相位计算全息元件设置在所述干涉仪所发出光的传播方向的一垂直面上，且所述二次曲面反射镜设置在所述全息元件的光路下游，干涉仪、多台阶相位计算全息元件、二次曲面反射镜及凸自由曲面反射镜在光路上实现对准，用于执行干涉测量，以得到所述待测凸自由曲面反射镜上各检测点相对所述预设理论面形的法向偏离量，从而解析得到实际全口径面形。

18、进一步，所述相位计算全息元件的面向干涉仪的一面设计有五种衍射光学功能区域，包括：主检测功能区域，与干涉仪对准用功能区域，投射二次曲面反射镜十字形功能区域，与二次曲面反射镜对准用功能区域，以及投射待测镜面十字形功能区域；

19、其中，所述主检测功能区域作为待测凸自由曲面反射镜的零位补偿测量区域，具有所述多台阶结构，用于对干涉仪所发出的检测光进行所述波前调整；所述与干涉仪对准用功能区域用于执行相位计算全息元件与干涉仪的光路对准；所述投射二次曲面反射镜十字形功能区域包括对称分布的多个十字形图案，用于粗确定二次曲面反射镜的位置；所述与二次曲面反射镜对准用功能区域用于精确定二次曲面反射镜的位置，所述投射二次曲面反射镜十字形功能区域和所述与二次曲面反射镜对准用功能区域协同实现对相位计算全息元件和二次曲面反射镜的光路对准；所述投射待测镜面十字形功能区域用于粗确定待测凸自由曲面反射镜的位置。

20、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

21、(1)本发明提出了一种多台阶的相位计算全息元件，多台阶结构是通过基于待测凸自由曲面反射镜的预设理论面形构造得到，该多台阶结构能够使得该全息元件对干涉仪所发出的检测光进行波前调整，也就是对待测镜面进行面形补偿，且调整后检测光在由二次曲面反射镜汇聚后，能够沿着待测凸自由曲面反射镜整个全口径曲面理论轮廓的法向入射待测反射镜并沿法向返回，反射光携带待测面的面型信息，并原路返回到干涉仪中，与参考光束形成干涉条纹，从而实现零位补偿的干涉测量。因此，本发明相当于提出了混合补偿的检测方式，引入了多台阶相位计算全息元件和光学二次曲面反射镜，通过多台阶相位计算全息元件调制入射光相位，再通过二次曲面反射镜会聚光束，可以实现对大口径凸自由曲面的面型检测，克服了传统测量方法难以产生大口径会聚光束，以测量大口径自由曲面的缺点。

22、(2)本发明进一步提出在多台阶相位计算全息元件中规划各功能区域，包括主检测功能区域，与干涉仪对准用功能区域，投射二次曲面反射镜十字形功能区域，与二次曲面反射镜对准用功能区域，以及投射待测镜面十字形功能区域。多台阶相位计算全息元件中的四个对准区域可以保证检测光路中光学元件的精确对准，大大提高了该测量方法的测量精度。