使用子孔径拼接法检测大口径光学元件

　　1　引　言

　　在ICF驱动系统中,大量使用了各种大口径光学元件,对这些元件进行高精度检测是保证ICF驱动系统高效、安全运转的必要前提。目前检测大口径光学元件的表面加工质量一般是使用大口径相移干涉仪,这时要求有一块与被检测元件尺寸相同或更大的尺寸的标准面形,这往往是很难办到的。加工高精度的标准表面,不仅难度极大,而且制造周期相当长,制造成本高,这些都是实际工作中难以接受的。另外,目前已经使用了PSD作为大口径元件检测的评价参数,它能很好地反映出空间频率在中频、高频范围的相位畸变对光波前的影响,但是大口径干涉仪为了满足口径的需要其空间分辨率都较低,这不能满足在检测过程中为保证波前畸变不引起小尺度自聚焦而需要的空间频率要求,这些都阻碍了大口径元件检测的效率和精度。

　　因此,提出使用子孔径拼接这一方案。使用小口径、高精度、高分辨率的干涉仪来复原大口径光学元件的波前相位数据,这是一项新的高精度大孔径面形检测手段,它既保留了干涉测量的高精度,又免去了使用与全孔径尺寸相同的标准波面,从而大大降低了成本,并且可以获得大孔径干涉仪所截去的波面高频信息,从而提高了PSD检测的使用范围和精度。

　　2　子孔径拼接原理及方法

　　2·1　基本原理

　　子孔径拼接的基本原理在于用干涉方法分别测量整个大孔径面形的一部分(孔径扫描),并使各子孔径相互之间稍有重叠,然后从重叠区提取出相邻子孔径的参考面之间的相对平移、旋转,并依次把这些子孔径的参考面统一到某一指定的参考面(即拼接),从而恢复出全孔径波面。为详细说明利用重叠部分进行拼接的原理,先以两个孔径的拼接为例,如图1所示,W1和W2分别是两次子孔径检测的结果,可以通过拼接得到一个较大的孔径范围的波前相位数据。如果用W1(x,y)和W2(x,y)分别表示两个子孔径范围的相位值,可写为(1)式的形式:

　　式中,W0(x,y)是系统坐标;Pi是光轴方向的位移量;Txi、Tyi分别是沿x、y轴的倾斜量。由于重叠部分无论是在W1还是在W2中都应该具有相同的位相信息,因此可以用它作为标准来衡量各次检测之间的差异,同时可以确定出各子区的相对倾斜和轴向位移。将(1)式简化可写为

　　从理论上说,只须在重叠区任取三个不在同一直线上的点,即可求得ΔΡ,ΔTx和ΔTy的精确解。但由于各种误差的存在,一般要取多个点,再用最小二乘法拟合,求取这三个参量。拼接误差可用统计的方法度量,即利用实际测量值得到该拟合的置信度和方差。

　　使用在基本原理中介绍的方法只需反复利用两个子孔径的拼接原理即可实现多个子孔径的拼接,使用的拼接装置可以简单的由图2表示。移动平台使干涉仪口径完全覆盖被测元件,即可通过拼接恢复整个面形,如图3所示。