子孔径拼接检测非球面的初步研究

　　0　引　言

　　众所周知,在光学系统中使用非球面元件能够有效地矫正像差,改善像质,简化系统,减小系统的外形尺寸和重量等,从而使得光学系统设计更为紧凑,同时使得光学系统或仪器的光学性能大大提高[1]。所以非球面元件正越来越多地被用于空间光学、军事、高科技民用等领域。但是,由于非球面的加工和检测要比平面、球面等面形的光学零件困难得多,所以阻碍了非球面光学元件的广泛应用。尤其是高精度、大口径、大偏离量、高陡度深度非球面的检测更是当今国内外研究的难点和热点。

　　非球面的最终检验一般是借助补偿器通过干涉检测来完成的。可是每个非球面都需要专门设计和定做的补偿器,设计和制作补偿器是很困难的,最大的困难是不能单独测量补偿器的补偿效果。利用计算全息图,可以实现对中小口径、较小偏离量非球面的检测。但对于大口径尤其是高陡度、大偏离量的非球面,全息图的线纹频率非常高,从而使其制作实际上成为不可能[2]。虽然借助辅助反射镜(平面、球面等)能实现对非球面反射镜无像差点法检验,但是大口径高精度的辅助镜的制造费用也是相当高的。同时现代光学系统,尤其是高功率激光系统(如NIF、ICF、Laser MegaJoule等)都要考虑到光学元件空间波长在亚毫米量级的波前信息,特别是对中高频的相位信息。但是对于大口径的干涉仪,其空间分辨率一般仅限于探测空间波长大于数毫米的波前信息,对于更高频的信息则被系统截止了。所以现有大口径相移干涉仪分辨还不能满足中高频段分析的要求。

　　虽然利用刀口法、朗奇检验法、激光扫描法、莫尔条纹法等简易的检测方法能够实现对非球面的检验,但是这些方法大都只能定性地检测出非球面的面形,即使能够定量的检验出非球面面形,也仅仅适合于中、低精度非球面镜的检验,或仅作为研磨工序的中间检验。

　　而本文使用子孔径拼接干涉检测,拓宽了干涉仪横向和垂直方向上的测量范围[3],且不需零位补偿就能够高分辨、高精度地检测大口径、大偏离量的非球面。以下主要介绍了子孔径拼接技术检测非球面的基础理论、工作原理以及拼接过程数学模型的建立和数据的处理。

　　1　子孔径拼接的基本原理、实现步骤以及数学模型的建立

　　1.1　圆形子孔径拼接

　　1.1.1　圆形子孔径拼接的基本原理圆形子孔径拼接的基本原理如下图1所示。通过计算机精确控制,移动、旋转、摆动干涉仪或被检非球面[4],使干涉仪出射波面法线与被测区域法线近似重合,从而使干涉仪出射的参考球面波前的曲率中心与所测区域的顶点曲率中心重合,这样入射到被测区域的光线就能够近似地沿原路返回。用干涉方法分别测量整个大口径光学非球面元件的一部分圆形区域(称之为圆形子孔径),并使得各个子孔径间稍有重叠。从测量的相位数据中消除相邻子孔径之间的相对装校误差(平移、倾斜、离焦等误差),把所有的子孔径测量数据统一到同样的参考面上,然后再从有统一基准的子孔径中采集多个离散的位相数据,并将其与全孔径Zernike多项式进行最小二乘拟合,从而可以得到全口径的面形信息。