大口径光学件误差均化拼接技术

　　引 言

　　随着天文、监测等方面技术的发展，为了既能提高空间分辨率又能增大信号能量，光学系统口径尺寸也在不断增大。随之而来的是大口径光学件的加工、抛光、镀膜、控制以及面形检测等方面问题，以致达到衍射极限性能的大型光学系统很难实现。越来越多研究表明，子孔径检测技术对于大口径光学件检测是一种有效方法，它相对于传统相移干涉技术，能节省一块与被检光学件尺寸相同或更大尺寸的具有标准面形的辅助光学件，可以大大节约成本与缩短辅助光学件的制作周期。在运用子孔径拼接技术对大口径光学件进行检测时，检测数据处理是关键之处。目前，一般的检测数据处理方法都是通过两两拼接方法，这样会造成误差累积，从而影响全孔径拼接精度，而且采用不同拼接方式得到不同结果，造成了求解的不确定性。本文检测数据处理采用了误差均化的方法，要求所有拼接区域相差值的平方和达到最小，这样可有效减少误差传递和积累。

　　1 误差均化拼接原理

　　子孔径拼接基本原理在于分别测量全孔径的部分区域，而且使得各部分相互之间有重叠，然后通过重叠区域检测数据提取与相邻区域之间的相对平移、旋转以及光轴方向的变动量，并通过不同数据处理方法处理，得到以子孔径拼接方法恢复的全孔径检测波面。

　　拼接测量模型的建立与求解，是实现拼接技术的两个重要环节，上面采用的是误差均化的拼接模型，可有效减少误差累积，提高拼接精度，通过以下实验可验证。

　　2 子孔径拼接实验及结果

　　2.1 实验设备

　　在实验过程中，主要使用了以下部件与设备：

　　1) Zygo GPI7.2.3 干涉仪。检测波面 PV 值精度<λ/20, RMS 值精度<λ/100; 最大检测尺寸：6 英寸;

　　2) Veeco 干涉仪。检测波面 PV 值精度<λ/20, RMS 值精度<λ/100; 最大检测尺寸：12 英寸;

　　3) 五维调整机构。光学件表面位移自由度：X: 0.002mm, Y: 0.001mm; 光轴方向位移自由度：Z:0.003mm;旋转自由度：方位: 7.3″, 俯仰: 1.7″;

　　4) 被测光学件。直径：305mm;材料：K9。

　　为了最终对全面形拼接结果进行对比分析，在进行子孔径检测之前，使用 Veeco 干涉仪对被测光学件进行检测，得到检测结果如图1 所示。

　　在此波面图中，可以清楚看到，在检测波长为 632.8nm 的情况下，全波面 RMS 值是 0.07λ，PV 值是0.406λ，通过此波面图的 Zernike 多项式系数，可以对此波面进行拟合，拟合结果如下图2 所示。

　　在进行子孔径检测过程中，采用了如图3 所示的子孔径采集方案。采用此种采集方案对光学件进行检测时，共检测了9 个子孔径，通过对检测得出的子孔径数据进行分析处理(算法采用目标函数法)，得到了拟合后的整个光学件波面如图4 所示。通过对子孔径检测恢复后的波形的 Zernike 多项式系数的拟合，可以得到恢复后的全波面 RMS 值是0.06λ，PV 值是 0.322λ。