Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

　　1　引　言

　　随着非球面光学元件在空间项目中的广泛应用，不同种类的非球面反射镜相继产生，同时也增加了非球面反射镜加工和检测的难度，特别是检测的难度。目前，国内外各个光学制造中心采用的大口径非球面反射镜的检测方法随加工阶段的不同而不同：在研磨阶段多采用轮廓仪、扫描五棱镜等仪器，在抛光阶段多采用干涉仪与补偿器相结合的零位检测;但在研磨阶段后期、抛光阶段初期，轮廓仪的测量误差对测量结果的影响较大，其测量精度在1～10μm，不能满足加工要求，造成加工效率降低，而此时反射镜面形与理想面形还存在较大偏差，且表面光洁度较低，采用普通干涉仪检测时部分光线不能返回而无法进行全口径检测。一些单位采用红外干涉仪对此阶段的大口径非球面反射镜进行面形检测，但红外干涉仪价格昂贵、操作复杂且检测时间长。因此，需要寻找一种新的检测方法来解决此过渡阶段大口径非球面镜的面形检测问题。

　　基于波前斜率测量的Shack-Hartmann传感器 (Shack-Hartmann　Wavefront　Sensor，SH-WS)，由于其抗环境干扰能力强，动态范围大且精度较高而得到普遍应用[1-7]。鉴于此，本文提出采用SHWS对大口径非球面镜研磨阶段到抛光阶段之间过渡期的面形进行非零位检测。所谓非零位检测是指对光学元件进行检测时不加入补偿器等其它辅助元件，探测器接收到的波前相位未得到补偿。这样做不需要在硬件上进行相位补偿，而是在后端的数据处理中对检测结果进行补偿，从而降低了对检测系统硬件的要求，便于检测。本文研究了SHWS检测系统的原理并分析了其系统误差，通过对已加工完成的350mm口径圆对称双曲面进行检测，验证了理论分析的正确性和检测过程的可行性，从而证明了利用SHWS对大口径非球面反射镜进行非零位检测的有效性。

　　2　Shack-Hartmann波前传感器原理

　　SHWS的原理基于波前斜率检测，其结构主要由微透镜阵列和CCD/CMOS组成[8]，如图1所示。探测波前经微透镜阵列分光后聚焦到探测器的接收面上，形成一个光斑阵列。各个光斑质心位置相对各自孔径中心的偏移量与当前孔径内的波前平均斜率相关，如下式所示:

　　其中，W(x，y)为探测波前相位;Δx，Δy为光斑相对于中心位置的偏离量;f为微透镜焦距;S为子孔径面积。

　　首先利用质心算法求出每个光斑质心相对中心位置的偏离量，再根据波前重构算法重构出探测波前[9-11]。波前重构的方法主要有区域法和模式法。在光学元件检测中，由于模式法波前重构在像差分析、模式控制方面优于区域法，所以本文选择模式法进行波前重构，即波前相位可用正交的Zernike多项式展开为如下表示形式：