大口径高次非球面高精度面形检测方法探讨

　　引言

　　现代高科技的挑战带动了光学技术的不断发展，在非球面光学系统应用方面尤为突出。空间光学及激光光束控制等技术领域中，大口径非球面光学元件已成为起支撑作用的关键部件。采用非球面，可使光学系统减轻20一30%重量，对空间应用所获得的经济效益是相当可观的;激光光束控制领域，采用非球面，可简化光学系统的结构，改善系统的光学质量，使激光发射系统能满足作为高功率密度载体的激光控制与定向等相关技术要求，获得强激光在目标上的高能量集中度并可靠提取高精度的目标跟踪信号。高精度非球面光学元件的制造所面临的最大问题在于对非球面的高精度检测。大口径高次非球面，可给应用者提供更大的设计自由度，但面形的高精度检测是对光学检测技术的一项新的挑战。传统的星点、刀口检验法，受人为因素影响很大，难以作出客观定量的评价;而一些专用的检测设备，受设备和工作环境所限制，也难以用于此类光学元件的加工检验和最终评价。因此，采用较为通用的检测方法进行大口径非球面光学元件的高精度检测，是解决此类光学元件的加工检测和象质评价问题的一个重要途径。

　　1光学非球面的检测

　　光学非球面的逐步应用带动了光学非球面检验方法的逐步发展。从传统的星点、刀口检验到现代的干涉测试。以及面形轮廓的直接测量和哈特曼光阑检验等常用的非球面检验方法，各自具有不同的特点和应用场合。

　　1.1非球面光学元件的检验方法分类及其特点

　　非球面光学元件的检验可分为定性检验和定量检测两大类。定性检验的常用方法有星点法和刀口检验，其要求的测试装置简单，调整方便，使用比较广泛。但检验结果的判定，受人为因素影响很大，需相当丰富经验的专职人员才能给出比较准确的结论，因而，对大口径非球面的高精度检测，定性检验缺乏精确的检验结果，难以胜任。这里主要讨论定量检测方法，非球面面形可直接或间接进行定量检测。表面轮廓仪是直接测试面形的一种简单、直观且成本相对较低的方法，采用机械或光学探头对被测面进行扫描。主要缺点在于需大量扫描数据来产生一个完整的扫描图象，特别对大口径光学元件更是如此。

　　由于探头测试速度有限，完成一个此类元件的检验会花费很长时间，因而，环境条件的变化就会引入测量误差。此外，大口径要求扫描范围大，对扫描探头运动导轨的精度要求很高，将大大提高成本。因此，表面轮廓仪用于大口径非球面的检测需进一步改善性能。非球面间接定量检测可采用干涉测试或光阑波前取样测试，都是对经过非球面的波前进行测试。或采用光学补偿器将非球面转换成理想的球面或平面，对生成的球面或平面波前进行测试;或直接对非球面波前进行测试，然后解释干涉图或处理光阑波前取样数据，获得被测面形的定量结果。对于大口径高次非球面，间接定量检测方法有很大的局限性。其一，光学补偿器制造精度要求很高，必须与非球面加工精度匹配，且要求安装位置精确;每个非球面需专用的光学补偿器，补偿器结构复杂性随被检验非球面的相对孔径和直径的增大而增加。补偿系统的高精度要求和专用性，使元件的加工检测成本大大提高。其二，直接解释非球面干涉图或处理光阑波前取样数据也存在着许多问题，特别对高次非球面，不同的面形，干涉图样特征和测试数据处理结果也不同，给出定量测试结果也相当困难。