大口径凸非球面反射镜的检测方法

　　1　引　言

　　二次曲面的检测主要有干涉法、几何光线检测法和直接面型轮廓法等[1~4]。二次曲面(抛物面、椭圆面和双曲面)面型可以分为凹面和凸面两种,凸面镜的检验比凹面镜要复杂,这是因为大多数辅助镜的尺寸比被检面的尺寸要大很多,给选材和加工带来了很大的困难。比较常用的检验方法有:

　　(1)无像差点法:对于凸双曲面来说,用一辅助球面镜,令其曲率中心与虚焦点重合(图1)。注意球面镜的中心孔尺寸不应造成凸双曲面上检验不到的区域超过允许范围。

　　(2)对于凸抛物面来说,可以使用辅助球面镜,令其球心与抛物面的焦点重合(图2)。

　　(3)对于特殊元件的凸非球面(如炭化硅)来说,一般都是采用背部检验,检验方法同凹曲面,如图3所示。

　　2　新型非球面检测方法

　　2.1　衍射光学元件

　　由于光学元件受温度影响对系统成像质量会有较大影响,因此需选择特殊材料,这些材料无法使用传统的背部检验方法,针对面对的问题,在此主要研究新型光学元件———衍射光学在凸曲面检验中的应用。衍射光学元件法主要就是光学全息法和计算全息法,光学全息法用于检测非球面是于1966年提出的,由于采用这种方法必须有高精度的参考非球面实体,因此它在检非球面的用处有限;计算全息法是1971年提出的,由于克服了光学全息法中必须有参考非球面实体的难题,可以说是全息法的一个重大突破。

　　2.2　计算全息法(CGH)的方法

　　用CGH检测凸非球面可以分成两种,第一种如图4所示所示[5,6],光波经过照明透镜到达检测镜的CGH面后产生被检光波和参考光波,两束光波的干涉条纹经成像透镜成像,被CCD相机记录并得到处理。

　　这个方法的优点是:参考光与被检光大部分共路,抗干扰能力强,各光学元件的公差相对较松,易于加工和装调。缺点是:当背检凸非面尺寸较大的时候,要求的CGH尺寸更大,二元元件的加工制作比较困难。

　　第二种如图5,这是检测凸非球面的另一种方案,这种方法的共同缺点是:当非球面使用的材料为不透时(如炭化硅),无法检验。

　　这种方法的优点是:参考光与被检光大部分共路,抗干扰能力强,各光学元件的公差相对较松,易于加工和装调。而且二元元件的尺寸和被检非球面的尺寸相当。

　　3　计算全息法(CGH)设计实例

　　待检非球面的参数为:孔径:D=120mm,半径为800mm,非球面系数为-2系统的实际结构图如图6所示,系统在出瞳位置得到的干涉图见图7,P-V wavefront值为0·012λ。

　　4　结　论

　　本文依据光学零件凸非面检测的的需求,提出了用二元光学方法进行检测的方法,根据实际设计结果,可以更方便的检测大口径的凸非球面。随着光学元件的发展,用这种方法进行非球面检测会进一步得到充实和完善。