一种非球面光学元件微应力立式面形检测装置及检测方法与流程

本技术涉及超精密光学检测的，具体而言，涉及一种非球面光学元件微应力立式面形检测装置及检测方法。

背景技术：

1、光学系统中非球面光学元件相比球面光学元件具有更多的设计自由度，可提高光学系统成像质量，减少光学元件数量和重量，缩小光学系统体积，广泛应用于各种光学系统中。现代机载及空间光学领域对光学系统的重量有较为严格的限制，其光学系统中常用的卡塞格林和r-c系统中主要应用轻量化非球面反射镜作为光学系统，并且随着分辨率的增加，其口径不断增大，这就给其制造带来了巨大挑战。

2、高精度非球面反射镜的制造基于先进光学制造理论的确定性加工，目前主要采用计算机数控加工(包括ccos小磨头抛光、irp气囊抛光、mrf磁流变抛光、ibf离子束抛光等)和高精度面形干涉检测技术。首先通过搭建高精度面形干涉检测光路，测量非球面面形误差，然后将面形误差导入计算机数控加工工艺软件进行计算面形误差的去除量，依据去除量计算生成数控加工程序和加工路径，通过控制抛光头在高低点的驻留时间和转速等实现对高点的去除，达到面形误差修正的目的；经过面形修正和面形检测的多次迭代最终获得高精度面形。随着加工精度的提升，面形检测时镜片自重引起的支撑变形将严重影响面形精度，检测支撑方式的选择和支撑工装显得尤为重要。

3、目前常用的检测支撑方式有两种，一种是卧式检测，光轴水平，通常采用v型工装支撑，镜片的重力只作用在两条线上，应力非常集中，局部应力很大；另一种是立式检测，光轴竖直，镜片水平放置，镜片的重力分布在调整台上，应力分布比较均匀，局部应力小。上述两种支撑方式目前常用于非球面反时镜的面形检测，而对于轻量化率达到50％以上，口径200mm内的非球面反时镜，采用卧式检测方式进行支撑时，镜片的自重和支撑装置的作用力导致镜面受力不均产生变形，引入较大的检测误差，严重影响镜面面形检测精度。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种非球面光学元件微应力立式面形检测装置及检测方法，在保证检测精度的情况下，能够实现对口径200mm内的轻量化非球面反射镜的高精度面形检测。

2、本技术的实施例是这样实现的：

3、本技术实施例提供一种非球面光学元件微应力立式面形检测装置，其特征在于，包括安装立柱，及从上往下安装于所述安装立柱上的立式激光干涉仪、上调节夹具和下调节夹具，所述立式激光干涉仪的底部固定连接球面标准镜头，所述上调节夹具顶部安设上固定工装定位平面补偿镜，所述下调节夹具安设下固定工装定位待检测非球面反射镜；

4、所述平面补偿镜设有中心孔，所述中心孔与立式激光干涉仪的光轴同轴设置；

5、上调节夹具和下调节夹具均设有通光孔，所述通光孔径不小于待检测非球面镜的通光口径。

6、在一些可选的实施方案中，所述上调节夹具和下调节夹具均为五维调节夹具，包括底板、x向调节组件、y向调节组件、z向调节组件及两自由度俯仰调节组件，所述底板、x向调节组件、y向调节组件、两自由度俯仰调节组件从下往上顺次连接，所述z向调节组件固定于所述安装立柱上，通过连接件与底板相连接。

7、在一些可选的实施方案中，所述x向调节组件包括x向固定板、x向活动板和x向调节螺杆，所述x向固定板和x向活动板的接触面之间通过对应设置的x向滑轨及x向滑块相对移动，所述x向调节螺杆通过固定支座水平固定于x向固定板一侧，x相调节螺杆的内侧端与x向活动板的对应侧旋转连接，带动x向活动板沿x向滑轨水平移动。

8、在一些可选的实施方案中，所述y向调节组件包括y向活动板和y向调节螺杆，所述y向活动板与所述x向活动板的接触面之间对应设置y向滑轨及y向滑块，x向活动板的的一侧通过固定支座水平固定y向调节螺杆，所述y向调节螺杆的内侧端与y向活动板的对应侧旋转连接，带动y向活动板沿y向滑轨水平移动。

9、在一些可选的实施方案中，所述两自由度俯仰调节组件包括俯仰固定板、俯仰活动板和俯仰调节螺杆，所述俯仰固定板与所述y向活动板通过连接件固定连接，所述俯仰调节螺杆为两个，分别设于俯仰活动板的对角位置，俯仰调节螺杆的底端穿过俯仰活动板与俯仰固定板旋转连接，俯仰固定板与俯仰活动板上位于两个俯仰调节螺杆之间的一个角的位置接触面上设有滑动连接件。

10、在一些可选的实施方案中，所述z向调节组件z向固定板、z向活动板和z向调节螺杆，所述z向固定板竖直固定于所述安装立柱上，z向固定板和z向活动板的接触面之间通过对应设置的z向滑轨及z向滑块相对移动，所述z向调节螺杆通过固定支座竖直固定于z向固定板一侧，z相调节螺杆的顶端与z向活动板的对应侧旋转连接，带动z向活动板沿z向滑轨上下移动。

11、在一些可选的实施方案中，所述滑动连接件包括所述俯仰固定板与俯仰活动板接触面上对称设有的上滑动卡槽和下滑动卡槽，所述上、下滑动卡槽形成的包络空腔内设有滚珠，所述滚珠沿滑动卡槽滚动。

12、在一些可选的实施方案中，所述上固定工装为环形支撑工装，与所述平面补偿镜卡合定位；所述下固定工装为液压卡盘，与所述待检测非球面反射镜卡合定位。

13、在一些可选的实施方案中，所述上调节夹具与所述球面标准镜头之间的垂直距离为球面标准镜头的焦距f；所述待测非球面反射镜与所述平面补偿镜之间的垂直距离为非球面反射镜的焦距f。

14、一种非球面光学元件微应力立式面形检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

15、步骤a，搭建检测光路：

16、将立式激光干涉仪、上调节夹具和下调节夹具固定安装在安装立柱上，并将平面补偿镜及待检测非球面反射镜分别安装在对应的上调节夹具和下调节夹具上；

17、步骤b，调整平面补偿镜：

18、将平面标准镜头安装在立式激光干涉仪上，通过上调节夹具调节平面补偿镜的俯仰倾斜角度，使平面补偿镜的像点与立式激光干涉仪十字丝交点重合，并形成零干涉条纹，实现平面补偿镜与立式激光干涉仪的对准；

19、步骤c，调节待检测非球面反射镜的空间位置：

20、立式激光干涉仪换装球面标准镜头，通过下调节夹具调整待检测非球面反射镜的x、y方向的位置，使其位于立式激光干涉仪投射光斑的正中心，计算待检测非球面反射镜的光圈系数及焦距，调节待检测非球面反射镜与平面补偿镜的中心孔的垂直距离，使得反射波前焦点与球面标准镜头焦点重合，立式激光干涉仪出现干涉条纹，使得检测光路处于零位检测状态；

21、步骤d，调节待检测非球面反射镜的空间姿态：

22、执行测量操作，得到zernike条纹多项式系数，调节待检测非球面反射镜的俯仰倾斜角度和x、y、z方向上位置，使得zernike条纹多项式系数的z3，z6，z7数值逐渐变小，经过多次迭代调节待检测非球面反射镜的空间姿态，使得测量结果zernike条纹多项式系数的z3，z6，z7数值达到最小值，立式激光干涉仪出现零条纹，完成对待检测非球面反射镜的姿态调整；

23、步骤e，待检测非球面反射镜的面形检测：

24、立式激光干涉仪计算分析干涉条纹，得到待检测非球面反射镜的面形误差分布，完成非球面反射镜的面形检测。

25、本技术的有益效果是：本发明提供一种非球面光学元件微应力立式面形检测装置及检测方法，可以实现对口径200mm内的轻量化非球面反射镜的高精度面形检测，解决了传统卧式检测方法检测轻量化反射镜产生变形的问题；相比普通卧式非球面检测方法，本发明的检测方法可以检测各种轻量化非球面反射镜，具有高精度和较好的通用性。