一种超长曲率半径凸球面的面形测量系统的制作方法

1.本发明涉及光学测量领域，特别是涉及一种超长曲率半径凸球面的面形测量系统。


背景技术：

2.在球面光学元件的制造过程中，常使用球面干涉仪来对元件的表面面形做测试。球面干涉仪通常需配备一个标准镜，在测试中，被测元件的反射光束与标准镜参考面的反射光束发生干涉现象，可以形成干涉条纹，对干涉条纹做分析和计算就可以获得被测元件表面的面形误差量。以菲索型干涉仪为例，为了测试凸球面的面形，需要准备一个口径和曲率半径值均大于被测凸球面的凹面标准镜，来开展面形测量。
3.在空间通信和遥感载荷技术领域中，常需要一种超长曲率半径的凸球面镜来实现相机稳像功能，此类凸球面镜的曲率半径通常在10米以上。针对此种凸球面镜，如果采用常规的干涉测量系统，则需要为干涉仪配备一个曲率半径更长的球面标准镜，但现有技术中，由于元件加工与检测的技术难度大，所以很难获得这种长曲率半径的球面标准镜，特别是当被测凸球面的口径较大时，如口径大于150mm，干涉仪和标准镜的口径需要更大，无论是购置商用干涉仪，还是自主设计开发此类大口径的干涉仪和标准镜，造价都很高昂，甚至无法实现。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单、适合常规干涉仪和球面标准镜检测超长曲率半径凸球面镜的面形测量系统。
5.技术方案：为实现上述目的，本发明所述的一种超长曲率半径凸球面的面形测量系统，该面形测量系统包括位于同一光轴上的干涉仪、球面标准镜、像差补偿透镜和被测凸球面镜，所述像差补偿透镜位于被测凸球面一侧为凹面；
6.干涉仪发出的光束，一部分被球面标准镜反射回干涉仪中，形成参考光束，另一部分透过球面标准镜、像差补偿透镜，照射在被测凸球面上，像差补偿透镜的凹面镀有分光膜，另一部分光束在像差补偿透镜与被测凸球面之间，经被测凸球面反射两次，最终经像差补偿透镜、球面标准镜，回到干涉仪，形成测试光束；
7.参考光束与测试光束发生干涉，在干涉仪内部的ccd相机上形成干涉条纹，通过对干涉条纹做分析，获得被测面的面形误差。由于光束在被测凸球面反射两次，因此，凸球面的实际面形误差，为对干涉条纹求解所得面形误差数值的二分之一。
8.其中，被测凸球面的反射率不低于10％。
9.其中，像差补偿透镜的口径大于被测凸球面的口径，为弯月型补偿透镜。
10.其中，弯月型补偿透镜的凸面镀有增透膜。
11.其中，弯月型补偿透镜的凹面镀有分光膜，分光膜反射率和透射率的大小，满足以下关系：p2＝(1-p1)
×
t
c2
×
rc×r02
，
12.其中，p2为测试光束光强与干涉仪发出全光束光强比，p1为参考光束光强与干涉仪发出全光束光强比，tc、rc分别为弯月补偿镜凹面的透过率和反射率，r0为被测凸球面的反射率，p2与1-p1产生有效干涉，形成对比度良好的干涉条纹。
13.其中，球面标准镜安装在干涉仪主机前端，干涉仪发出的光束经球面标准镜汇聚在干涉仪的焦点位置。
14.有益效果：本发明具有如下优点：本发明通过常规干涉仪和球面标准镜来测量超长曲率半径的凸球面面形，以优化波像差最小化为目标，利用像差补偿透镜，如弯月型补偿透镜来辅助测量，缩短了超长曲率半径凸球面的测量光路的长度，结构简单、方便检测、实用性强。
附图说明
15.图1为本发明中超长曲率半径凸球面的检测光路组示意图；
16.图2为优化完成的测试波像差分布图；
17.图3为实施例中弯月型补偿透镜的凹面镀膜曲线图，包含了透射曲线和反射曲线。
具体实施方式
18.下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作详细说明。
19.如图1所示，本发明所述的一种超长曲率半径凸球面的面形测量系统，根据被测凸球面的曲率半径与口径参数，构造检测光路组，本实施例中被测凸球面的口径为130mm，曲率半径为50m，根据球差系数计算公式：
20.w040＝1/32y4j3q，
21.其中，y为光线在透镜上的高度，j为光焦度，q为结构球面像差系数，得出该被测凸球面的波前球差系数w
040
为-0.064λ，依据w
040
的大小，该检测光路组依次包括位于同一光轴上的干涉仪、球面标准镜、像差补偿透镜。
22.本实施例中像差补偿透镜采用弯月补偿透镜，位于被测凸球面一侧为凹面，凹面镀有分光膜，弯月补偿透镜的口径大于被测凸球面，为160mm。
23.本实施例中选用f5～f7的球面标准镜，球面标准镜安装在干涉仪主机前端，干涉仪发出的光束经球面标准镜汇聚在干涉仪的焦点位置，干涉仪发出的光束，一部分被球面标准镜反射回干涉仪中，形成参考光束，另一部分透过球面标准镜、弯月补偿透镜，照射在被测凸球面上，光束经被测凸球面反射至弯月补偿透镜凹面，弯月补偿透镜凹面将光束反射到被测凸球面上，被测凸球面再次将光束反射至弯月补偿透镜，穿过弯月补偿透镜、球面标准镜，回到干涉仪焦点处，形成测试光束；参考光束与测试光束发生干涉，在干涉仪内部的ccd相机上形成干涉条纹，通过对干涉条纹做分析，获得被测面的面形误差。
24.基于此初始光路结构，定义优化函数，设定经凸球面反射并汇聚后的波前rms值为优化目标，以弯月补偿透镜的凸面和凹面的曲率半径为优化变量，进行优化，最终获得的优化后波像差分布如图2所示，波前误差的pv与rms值均接近于0，完成光路设计。
25.弯月补偿透镜的凸面镀增透膜，则光强在该表面的损失可以忽略，凹面分光膜反射率和透射率需要根据被测凸球面的反射率来确定，满足以下关系：p2＝(1-p1)
×
t
c2
×
rc×r02
，其中，p2为测试光束光强与干涉仪发出全光束光强比，p1为参考光束光强与干涉仪发出
全光束光强比，tc、rc分别为弯月补偿镜凹面的透过率和反射率，r0为被测凸球面的反射率，p2与1-p1是产生干涉的条纹光强，两者相差在5倍以内时，即以形成对比度良好的干涉条纹。
26.被测凸球面为硅材料，则其抛光后的反射率为r0＝30％，干涉仪光束经标准镜后，设有4％的光强反射回干涉仪内部形成参考光束，即p1为4％，另有96％的光强从干涉仪发出会在弯月补偿透镜的凹面透射两次，反射一次，并在被测凸球面表面反射两次，经过被测凸球面反射和弯月镜后返回的测试光束光强与干涉仪发出全光束光强比为p2，则p2＝96％
×
t
c2
×
rc×
30％2。
27.为了与参考光束实现高对比度的干涉，反射回测试光束的p2需介于1％～10％之间。经分配，分配透射率tc取66％，反射率rc取33％，弯月补偿透镜的凹面镀分光膜曲线图如图2所示，包含了透射曲线和反射曲线的分布。
28.本发明通过常规干涉仪和球面标准镜来测量超长曲率半径的凸球面面形，以优化波像差最小化为目标，利用弯月型补偿透镜来辅助测量，缩短了超长曲率半径凸球面的测量光路的长度，结构简单、实用性强。本发明适用于口径范围为50～500mm、曲率半径不小于10m的被测凸球面。
29.由弯月型补偿透镜返回的测试光束与参考光束，在干涉仪内部的ccd相机上形成干涉条纹，对干涉条纹做数字化分析，能够获知被测凸球面的面形分布及面形数值大小，由于光束在被测凸球面反射两次，因此，凸球面的实际面形误差，为对干涉条纹求解所得面形误差数值的二分之一。
30.下表为基于本实施例中的方法，通过zemax设计出的检测光路组中各组件的参数，包括弯月补偿透镜的曲率、厚度、材料、半径，以及弯月补偿透镜与干涉仪焦点、被测凸球面之间的距离，具体参数如表格所示：
31.32.。

技术特征：
1.一种超长曲率半径凸球面的面形测量系统，其特征在于，该面形测量系统包括位于同一光轴上的干涉仪、球面标准镜、像差补偿透镜和被测凸球面镜，所述像差补偿透镜位于被测凸球面一侧为凹面；干涉仪发出的光束，一部分被球面标准镜反射回干涉仪中，形成参考光束，另一部分透过球面标准镜、像差补偿透镜，照射在被测凸球面上，像差补偿透镜的凹面镀有分光膜，另一部分光束在像差补偿透镜与被测凸球面之间，经被测凸球面反射两次，最终经像差补偿透镜、球面标准镜，回到干涉仪，形成测试光束；参考光束与测试光束发生干涉，在干涉仪内部的ccd相机上形成干涉条纹，通过对干涉条纹做分析，获得被测面的面形误差。2.根据权利要求1所述的超长曲率半径凸球面的面形测量系统，其特征在于：被测凸球面的反射率不低于10％。3.根据权利要求1所述的超长曲率半径凸球面的面形测量系统，其特征在于：像差补偿透镜的口径大于被测凸球面的口径，为弯月型补偿透镜。4.根据权利要求3所述的超长曲率半径凸球面的面形测量系统，其特征在于：弯月型补偿透镜的凸面镀有增透膜。5.根据权利要求4所述的超长曲率半径凸球面的面形测量系统，其特征在于：弯月型补偿透镜的凹面镀有分光膜，分光膜反射率和透射率的大小，满足以下关系：p2＝(1-p1)
×
t
c2
×
r
c
×
r
02
，其中，p2为测试光束光强与干涉仪发出全光束光强比，p1为参考光束光强与干涉仪发出全光束光强比，t
c
、r
c
分别为弯月补偿镜凹面的透过率和反射率，r0为被测凸球面的反射率，p2与1-p1产生有效干涉，形成对比度良好的干涉条纹。6.根据权利要求1所述的超长曲率半径凸球面的面形测量系统，其特征在于：球面标准镜安装在干涉仪主机前端，干涉仪发出的光束经球面标准镜汇聚在干涉仪的焦点位置。

技术总结
本发明公开了一种超长曲率半径凸球面的面形测量系统，该面形测量系统包括位于同一光轴上的干涉仪、球面标准镜、像差补偿透镜和被测凸球面镜，所述像差补偿透镜位于被测凸球面一侧为凹面；干涉仪发出的光束，一部分被球面标准镜反射回干涉仪中，形成参考光束，另一部分透过球面标准镜、像差补偿透镜，照射在被测凸球面上，经被测凸球面反射两次，最终经像差补偿透镜、球面标准镜，回到干涉仪，形成测试光束；参考光束与测试光束发生干涉，形成干涉条纹，通过对干涉条纹做分析，获得被测面的面形误差。本发明解决了现有技术中检测超长曲率半径凸球面镜面形，需要检测设备尺寸大、成本高、难以实现的问题。难以实现的问题。难以实现的问题。


技术研发人员：苏志德 宋治平 范一
受保护的技术使用者：南京茂莱光学科技股份有限公司
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/12