大口径光学平面的子孔径拼接检验研究

　　1　引　言

　　检验高精度大口径光学平面通常需要配备大口径的平面干涉仪或搭设Ritchey_Common形式的检验光路。目前国际上适应这种用途的平面干涉仪的最大口径为1m,Ritchey_Common形式的检验光路最大可以检测口径为1·8m的平面镜。在这些检测装置中配备有与被检验平面镜口径相当的高精度标准镜,包括标准平面和标准球面。这些标准镜面的加工过程随着其口径的增大变得十分复杂,工艺要求也十分严格,涉及到镜坯材料、镜面支撑、镜面加工设备和镜面检测设备等,不但制作难度大,而且成本高,加工周期长。

　　为了寻求一种降低成本的检测手段,国外在20世纪80年代就开展了采用子孔径拼接方法检测大口径镜面的研究,即采用一台口径比被检验镜口径小的干涉仪依次测量被检验镜的不同局部,然后对各个子孔径的检测数据进行处理后获得全口径的测量数据。国内自20世纪90年代以来也有多家单位对此进行了研究。所以对这种方法的原理分析已经比较成熟。真正具有实用价值的实验是在采用了高精度的移相干涉仪以后,如法国Cilas的MichaelBray采用Zygo干涉仪进行了60次以上的子口镜拼接,测量了400mm×560mm的平面镜,获得了25nm(P_V)和5nm(RMS)的重复精度。

　　采用子孔径拼接的干涉检测方法可以以较低的成本实现大口径光学平面的检测,这对于天文光学领域的应用研究具有十分重要的意义。本文通过实验验证了使用小孔径干涉仪进行大口径光学元件检测的可行性。

　　2　子孔径拼接的理论依据

　　子孔径拼接的基本原理可以简单的用图1来说明,即利用小孔径高分辨移相干涉仪分别测量大口径面形的一部分,并使各子孔径相互之间稍有重叠。从理论上来讲,在重叠区域内通过两次检测得到的波面值应该是一样的,即通过两次检测得到的波面数据应位于同一个面,但在实际检测过程中,因移动导致的倾斜、位移等误差会使在两次检测同一区域时得到的波面值不同,也就是说两个面并不重合。对两个相邻的子孔径而言,根据在各自重叠区内的数据可以推算出它们之间的相对平移及倾斜等。根据子孔径之间的相互关系把所测得的这些子孔径的波面值统一到同一个面,即统一到系统坐标系里,从而可恢复整个全孔径波面。定义整个大口径光学元件所在的坐标系XOY为系统坐标系,X1O1Y1为在子孔径1内测得的由波面值定义的子孔径坐标系,X2O2Y2为在子孔径2内测得的由波面值定义的子孔径坐标系。

　　W1,W2分别表示干涉仪在大口径光学元件上进行两次检测测得的子孔径波面值,分别是在X1O1Y1和X2O2Y2坐标系下的坐标值,X, Y为在子孔径内测得的波面值在系统坐标系XOY下的位置坐标。W01,W02为在系统坐标系XOY下大口径光学元件对应于子孔径1和子孔径2的波面值。由于子孔径1和子孔径2在检测时存在着不同的倾斜、平移和离焦,所以有