F/1.3抛物面零检验补偿器设计

　　引 言

　　目前，随着小磨具数控抛光、应力盘抛光和离子束抛光等技术的成功应用和不断完善，制造高质量的大相对孔径非球面主镜已非难事，现今所加工的主镜大多数相对孔径在1∶1 ~ 1∶1.5之间，有的甚至达到1∶0.8[1]。补偿检验技术在大口径非球面镜的检验中已被越来越广泛地使用，它成功地解决了过去依靠同等直径以上的平面镜才能完成抛物面主镜检验的难题。由于用于补偿检验的补偿器的直径比被检验的非球面镜的直径小得多，因此，在大多数情况下将补偿器设计成简单的两片或三片式光学系统。当非球面相对孔径小于1∶2时，其法线像差相对较小，补偿器的设计不是一件困难的事情;但是随着相对孔径的增大，其法线像差急剧增加，特别是高级像差，这时，选取一个什么样的结构方案去设计制造高质量的补偿器就成为补偿检验的关键问题。

　　本文针对一块相对孔径1∶1.3的抛物面，讨论分析了大相对孔径补偿器的结构，并根据实际使用情况，设计了用于会聚光路中的 Offner补偿器和用于平行光路中的两片式补偿器，分析比较了补偿器性能与剩余波像差、制造公差、安装调整和加工特性等因素的关系，确定了较佳的结构形式。

　　1 Offner 补偿器设计

　　Offner 补偿器在大口径非球面检验中的重要性是众所周知的，尽管如此，关于这种零补偿器的性质、公差、调整、限制和结构的重要性却少有文章论述。虽然也有一些分析和介绍，但对各种结构形式并未计算和详细分析[1, 2]，而这一点对于设计一个用于大相对孔径非球面检验的Offner补偿器正是至关重要的。折射式Offner补偿器由补偿镜和场镜组成。补偿镜几乎全部用于补偿非球面产生的球差，场镜则用于把补偿镜成像在非球面上并消除部分高级像差。补偿镜的形状在一定范围内与补偿器的优化关系不大，但从加工特性和装调的观点出发，则希望将其设计成平凸型。因此，在Offner补偿器设计中，一般为两个平凸透镜。从实际使用来看，这是一种合理可行的最佳结构形式，设计上也相对简单和方便;但是当相对孔径增大时(如大于1 1.5 时)要补偿的剩余球差过大，时必须考虑其它结构形式。比如，补偿镜仍为平凸透镜不变，而将场镜变为双凸透镜。此时，从非球面近轴曲率中心的位置来看，主要有三种情况：近轴曲率中心位于两透镜之间，位于场镜顶点附近和远离场镜，如图1 所示。图中C 为非球面近轴曲率中心，C 为边缘光线与光轴的交点位置，场镜为双凸型。由于所检验的对象是相对孔径为11.3 的抛物面，相对孔径大，因此排除了补偿镜和场镜均为平凸的情况，而采用补偿镜为平凸，场镜为双凸，按C 处于三种不同的位置进行设计。设计时补偿镜和场镜的直径是最重要的参数，直径越小，材料的均匀性越好，材料也越易获得;但直径太小对用传统的方法检验判断非球面加工过程中的镜面缺陷不利。传统加工中所使用的补偿镜直径 最好控制在100mm 左右或大于 100mm，而对于数控加工方法则没有太大影响，只要口径在干涉仪有效口径范围之内。两透镜之间的间隔是越小越好，主要是距离越小，装配时空气间隔越易控制，测量精度也越高。