专利名称：一种大口径窗口检测装置及检测方法
技术领域：
本发明属于先进光学制造与检测领域，涉及大口径窗口检测装置及检测方法，特别涉及一种大口径窗口检测方法。
背景技术：
窗口在现在的光学系统中有着不可替代的作用，随着科技及光学制造技术的不断发展，窗口口径在不断的增大，窗口精度要求也越来越高。检测精度制约加工精度，有高精度的检测方法才有高精度的加工，才有高精度的窗口。然而，对口径为I米及以上的大口径窗口进行高精度定量检测仍然存在很多挑战。
在窗口加工阶段，通常先加工窗口的第一表面，当这个表面精度达到要求后，在进入第二个表面的加工。窗口等光程修磨的主要工作也是集中在第二个工作面的面形修磨。由于实际上能得到的光学玻璃式熔石英玻璃的光学均匀性/折射率微差分布状态很难达到理想的呈中心对称的单调曲线，第二个工作面修磨后的面形并不是理论上的平面式球面，而是严格意义下的非球面。使用大口径平面干涉仪检测整体的透射波前，根据透射波前的检测结果来指导第二个工作面的抛光加工。随着窗口口径的增大，要检测窗口的整体透射波前需要大口径的平面干涉仪，但是制造大口径平面干涉仪存在很大困难，口径大于800mm更是难于实现。为了检测大口径窗口整体透射波前，谢京江(大口径高精度空间光学窗镜制造技术.光学技术，1998，3 :70-72)提出把大口径窗口放入标准球面镜的自准直光路中，在球心处放置径向剪切激光数字干涉仪进行检测。这种方法具有使用方便，但是窗口放入标准球面镜的自准直光路中，会引入系统误差(负球差)，其在实际的检测中认为此误差是小量误差，实际中忽略了此系统误差(负球差)，但是这样必然会对最终结果产生影响。传统检测窗口的方法是把窗口放入平面干涉仪和标准平面镜构成的自准直系统中进行检测，但是由于窗口的两个工作面近似于平面，检测过程中会有鬼像产生，影响检测精度。为了提高窗口检测精度，Chiayu Ai and James C. Wyant在美国授权专利号“US005398112A，*‘Method for testing an optical window with a small wedge angle，，中提出把窗口倾斜一定角度后放入干涉仪和标准平面镜构成的自准直光路中，避免鬼像产生，提高检测精度。但是对大口径窗口检测需要大口径干涉仪及大口径标准平面镜，制造大口径的干涉仪十分困难，该方法适合小口径窗口高精度检测，不适合大口窗口的高精度检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服现有技术的不足，提出一种基于补偿器和子孔径拼接的方法检测大口径窗口检测装置及检测方法，利用子孔径拼接获得大口径窗口的全口径透射波前，有效的解决其它检测方法中大口径平面干涉仪制造困难等问题，也可以解决利用干涉仪和标准球面构成的自准直系统中引入的球差的误差。本发明解决其技术问题所采用的技术方案一种大口径窗口检测装置，包括相移干涉仪I、补偿器2、被测窗口 3、标准球面镜4、调整机构5及计算机系统6 ;计算机系统6与相移干涉仪I连接，补偿器2位于相移干涉仪I和被测窗口 3之间，被测窗口 3放置在补偿器2位于与标准球面镜4之间，同时被测窗口 3与调整机构5连接；补偿器2补偿被测窗口 3放入相移干涉仪I与标准球面镜4组成的自准直光路中所引入的象差；被测窗口 3通过调整机构5进行调节，使相移干涉仪I获得被测窗口 3上有相互重叠区域的子区域透射波前信息，计算机系统6对所得到的所述子区域透射波前信息进行拼接处理获得被测窗口3的全口径透射波前信息。一种大口径窗口检测方法，其特征在于步骤如下第一步对权利要求I所述的大口径检测装置进行调整，首先调整相移干涉仪I和标准球面镜4，使光路为自准直光路，然后使补偿器2处于理想设计的位置，即光波通过补偿器产生和理论上光波通过窗口产生的象差相反的象差，最后放入被测窗口 3 ； 第二步如果大口径被测窗口 3的口径小于标准球面镜4的口径，通过干涉仪I直接获得被测窗口 3的全口径透射波前信息，测试完毕；如果被测窗口 3的口径大于标准球面镜4的口径，通过调整机构5调整被测窗口 3和相移干涉仪I之间的相互几何关系，使得相移干涉仪I测得被测窗口 3的子区域波前信息，此时保证被测件的子区域之间的重叠区域为子孔径的30%及以上；第三步通过计算机系统6将所获得的被测窗口 3的子区域透射波前信息保存下来；第四步计算机系统6对所获得的子区域透射波前信息进行拼接数据处理，拼接数据处理流程为读入被测窗口 3子区域数据，对重叠区域进行判断；将所有重叠区数据的差值同时进行最小二乘拟合，计算出具有全局优化的拼接参数相位常数和倾斜；根据拼接后的数据信息绘制出被测窗口 3的全口径透射波前信息的轮廓图和三维图；即可获得反应被测窗口 3的全口径透射波前信息。本发明与现有技术相比的优点在于( I)本发明的检测装置在检测被测大口径窗口过程中，不需要大口径平面干涉仪和大口径标准平面镜，只需要一个标准4英寸小口径球面干涉仪、标准球面镜和补偿器；，利用补偿器补偿被测窗口放入干涉仪与标准球面镜构成的自准直系统中引入的球差，检测结果不引入此类误差，有效的解决其它检测方法中大口径平面干涉仪制造困难等问题，也可以解决利用干涉仪和标准球面构成的自准直系统中引入的球差的误差。(2)本发明既可以用小口径标准球面镜结合子孔径拼接的方法检测大口径窗口，也可以用大口径标准球面镜全口径检测窗口。(3)本发明的检测方法利用补偿器补偿被测窗口放入干涉仪和标准球面构成的自准直系统中引入的象差，如果窗口口径小于标准球面镜的口径，可以一次测得窗口的透射波前信息，如果窗口口径大于标准球面的口径，可以利用子孔径拼接的方法获得大口径窗口的全口径透射波前，这种检测方法不仅可以有效的解决其它检测方法中大口径平面干涉仪制造困难等问题，也可以解决利用干涉仪和标准球面构成的自准直系统中引入的球差的误差。
图I为本发明检测装置构成示意图，窗口口径大于标准球面镜口径；图2为本发明检测装置构成示意图，窗口口径小于标准球面镜口径；图3为本发明干涉仪检测大口径窗口的中心子区域示意图；图4为本发明干涉仪检测大口径窗口的一个边缘子区域示意图；图5为本发明干涉仪检测被测大口径窗口的所有子区域分布图示意图；图6为本发明计算机系统中拼接数据处理流程图。图中1为相移干涉仪，2为补偿器，3为被测窗口，4标准球面镜，5为调整机构，6为计算机系统。
具体实施例方式如图I所示，本发明实施例中的一种大口径窗口检测装置，包括相移干涉仪I、补偿器2、被测窗口 3、标准球面镜4、调整机构5及计算机系统6 ;计算机系统6与相移干涉仪I连接，补偿器2补偿被测窗口 3放入相移干涉仪I与标准球面镜4组成的自准直光路中所引入的象差；被测窗口 3通过调整机构5进行调节，使相移干涉仪I获得被测窗口 3上有相互重叠区域的子区域透射波前信息，最后由安装在计算机系统6上的数据处理软件对所得到的子区域透射波前信息进行拼接处理，获得被测窗口 3的全口径透射波前信息；当被测大口径窗口 3 口径小于标准球面4镜口径如图2所示时，此时通过相移干涉仪I可以一次获得被测大口径窗口 3的透射波前信息。一种大口径窗口检测方法的步骤如下第一步调整光路到理想位置，首先调整相移干涉仪I和标准球面镜4，使其光路为自准直光路，然后使补偿器2处理理想设计的位置，即光波通过补偿器产生和理论上光波通过窗口产生的象差相反的象差，最后放入大口径被测窗口 3，如图I所示。第二步如果大口径被测窗口 3的口径小于标准球面镜口径，通过干涉仪I直接获得大口径窗口的全口径透射波前信息，测试完毕；如果大口径被测窗口 3的口径大于标准球面镜口径，通过调整机构5调整大口径被测窗口 3和相移干涉仪I之间的相互几何关系，使得相移干涉仪I测得被测大口径被测窗口 3的子区域波前信息，如图3和图4所示，此时保证被测件的子区域之间的重叠区域为子孔径的30%及以上，图5表示子区域之间的相互关系。第三步通过安装在计算机系统6上的干涉仪处理软件将所获得的大口径被测窗口 3的子区域透射波前信息保存下来。第四步拼接数据处理。拼接数据处理流程如图6所示大口径被测窗口 3的子区域测量时由于调整误差的影响，使得测量数据中主要包含调整误差信息、透射波前信息。具体过程如下读入大口径被测窗口 3子区域数据，对重叠区域进行判断；将所有重叠区数据的差值同时进行最小二乘拟合，计算出具有全局优化的拼接参数相位常数和倾斜；根据拼接后的数据信息绘制出大口径被测窗口 3的全口径透射波前信息的轮廓图和三维图；即可获得反应大口径被测窗口 3的全口径透射波前信息，通过分析获得的检测结果指导下阶段的加工，如果检测结果符合设计要求那么此结果即是最终检测结果。
权利要求
1.一种大口径窗口检测装置，其特征在于包括相移干涉仪(I)、补偿器(2)、被测窗口(3)、标准球面镜(4)、调整机构(5)及计算机系统(6);计算机系统(6)与相移干涉仪(I)连接，补偿器(2)位于相移干涉仪(I)和被测窗口(3)之间，被测窗口(3)放置在补偿器(2)位于与标准球面镜(4)之间，同时被测窗口(3)与调整机构(5)连接；补偿器(2)补偿被测窗口(3)放入相移干涉仪(I)与标准球面镜(4)组成的自准直光路中所引入的象差；被测窗口(3)通过调整机构(5)进行调节，使相移干涉仪(I)获得被测窗口(3)上有相互重叠区域的子区域透射波前信息，计算机系统(6)对所得到的所述子区域透射波前信息进行拼接数据处理获得被测窗口(3)的全口径透射波前信息。
2.根据权利要求I所述的一种大口径窗口检测装置，其特征在于所述计算机系统(6)对所得到的所述子区域透射波前信息进行拼接数据处理过程为读入被测窗口(3)子区域数据，对重叠区域进行判断；将所有重叠区数据的差值同时进行最小二乘拟合，计算出具有全局优化的拼接参数相位常数和倾斜；根据拼接后的数据信息绘制出被测窗口(3)的全口径透射波前信息的轮廓图和三维图；即可获得反应被测窗口(3)的全口径透射波前信肩、O
3.根据权利要求I所述的一种大口径窗口检测装置，其特征在于所述的标准球面镜(4)为口径小于窗口的小口径球面镜或者口径大于窗口的大口径球面镜。
4.根据权利要求I所述的一种大口径窗口检测装置，其特征在于所述装置用于被测窗口(3)最终面形检测，或被测窗口(3)抛光制造的过程检测。
5.根据权利要求I所述的一种大口径窗口检测装置，其特征在于所述相移干涉仪(I)采集到得子区域透射波前信息的两个子孔径之间的重叠区域为子孔径的30%及以上，以实现高精度的数据拼接处理。
6.一种大口径窗口检测方法，其特征在于步骤如下 第一步对权利要求I所述的大口径检测装置进行调整，首先调整相移干涉仪(I)和标准球面镜(4)，使光路为自准直光路，然后使补偿器(2)处于理想设计的位置，即光波通过补偿器产生和理论上光波通过窗口产生的象差相反的象差，最后放入被测窗口(3)； 第二步如果大口径被测窗口(3)的口径小于标准球面镜(4)的口径，通过干涉仪(I)直接获得被测窗口(3)的全口径透射波前信息，测试完毕；如果被测窗口(3)的口径大于标准球面镜(4 )的口径，通过调整机构(5 )调整被测窗口( 3 )和相移干涉仪(I)之间的相互几何关系，使得相移干涉仪(I)测得被测窗口(3)的子区域波前信息，此时保证被测件的子区域之间的重叠区域为子孔径的30%及以上； 第三步通过计算机系统(6)将所获得的被测窗口(3)的子区域透射波前信息保存下来； 第四步计算机系统(6)对所获得的子区域透射波前信息进行拼接数据处理，拼接数据处理流程为读入被测窗口(3)子区域数据，对重叠区域进行判断；将所有重叠区数据的差值同时进行最小二乘拟合，计算出具有全局优化的拼接参数相位常数和倾斜；根据拼接后的数据信息绘制出被测窗口(3)的全口径透射波前信息的轮廓图和三维图；即获得反应被测窗口( 3 )的全口径透射波前信息。
全文摘要
一种大口径窗口检测装置及检测方法，基于补偿器和子孔径拼接原理，包括相移干涉仪、补偿器、被测窗口、标准球面镜、调整机构及计算机系统；计算机系统与相移干涉仪连接，补偿器补偿被测窗口放入相移干涉仪与标准球面镜组成的自准直光路中所引入的象差；被测窗口通过调整机构进行调节，使相移干涉仪获得被测窗口上有相互重叠区域的子区域透射波前信息，最后由安装在计算机系统上的数据处理软件对所得到的子区域透射波前信息进行拼接处理，获得被测窗口的全口径透射波前信息；本发明为高精度大口径窗口加工测量提供检测装置及检测方法，具有较大的应用价值。
文档编号G01M11/02GK102889978SQ20121033968
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者闫锋涛, 范斌, 伍凡, 侯溪, 万勇建 申请人:中国科学院光电技术研究所
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