Φ1.07m,F/1.5非球面反射主镜在位检测塔的设计与应用

　　0 引 言

　　大型非球面反射主镜在诸多领域发挥着球面镜无法替代的作用。随着对大型光学系统性能提升的要求，需要大型非球面反射主镜的相对孔径越来越大。非球面反射主镜的制造与检测是长期以来制约其广泛应用的关键。本文针对大口径非球面反射主镜的检测方式开展工作。前几年，国内对于大型非球面反射主镜的检测普遍采用了离线的卧式检测，如图1 所示，光电所的Φ1.3 m，F/1.5 主镜卧式检测系统中分别使用补偿器和平面反射镜的检测方式。卧式检测方案由于以下不可避免的缺陷，增加了许多不确定性：

　　1) 需要对主镜进行吊装和转运，增加了风险和调整的复杂度;

　　2) 每次检测时都需要进行大量的检测光路调整，降低了主镜的整个加工效率;

　　3) 将被加工主镜从加工的水平状态改变为垂直状态，会导致重力变形，影响检测的可靠性;

　　4) 由于气流和温度梯度的变化，容易出现图2 所示的条纹波动，影响了检测结果的可靠性。

　　在国外，大型非球面反射主镜的检测中主要采用立式检测方式，如美国 Arizona 大学的Mirror Lab 在Φ6.5 m，F/1.25 离轴抛物面主镜的加工中[1-3]，法国 REOSC 在对 8 m 量级大型镜面的检测中[4]，以及俄罗斯 LZOS 的大型光学加工均采用立式检测塔。中国科学技术大学在 Φ630 mm 抛物镜的加工中，也采用了立式检测方案进行检测[5]。在 Φ1.07 m，F/1.5 非球面反射主镜的加工中，考虑检测精度和加工效率的要求，选择采用了立式检测方案。本文设计了一套在位检测塔，检测塔位置同抛光机床在同一独立地基上。在塔上建立了干涉仪和补偿器的检测光路，当每个抛光加工周期结束后对大口径非球面反射主镜的面形直接进行在位检测，直到加工完毕。整个抛光过程不必移动工件，降低了加工过程中的风险，大大提高了检测效率和可靠性。

　　1 检测原理

　　本文采用如图3 所示的立式在位检测方案[6]，非球面反射主镜2 位于抛光机床1 上，处于工作状态，被主镜面反射回的光束由平面反射镜3 转折，通过补偿器[7]4 后与标准平面镜 5 反射回的光束形成干涉条纹，产生的干涉信号经计算机处理后显示，直接得到被检非球面的面形数据[8]。

图 3 在位检测光路图

Fig.3 Beam path of on-line measurement

图 4 立式在位检测塔三维设计图

Fig.4 3D design of vertical test tower

　　2 检测塔的设计和校核

　　2.1 结构设计

　　对于非球面反射主镜的面形检测，环境因素可能导致重要的测量误差。如空气密度的变化可能导致随机和系统误差，气流扰动可能导致随机误差，主镜和干涉仪的振动会导致检测的随机误差。对于随机误差可以通过多次测量取平均值来减小，但是系统误差就会影响检测的可靠性。为了减小因温度变化和气流扰动导致的测量误差，采用立式检测塔是关键方法之一，对于因振动带来的随机误差，采用独立地基的检测塔可以把振动的影响最小化，如图4 所示。