大口径碳化硅材料凸非球面反射镜的检验

　　1　引　言

　　目前非球面的主要检测方法包括轮廓测量法、无像差点法、光学补偿法、子孔径拼接法等,其中轮廓测量法受到测量仪器的精度限制,不能用于检测高精度非球面光学元件,无像差点法[1]适合二次曲面的检测,其缺点是当检验大口径非球面时,就需要更大口径的Hindle球或者大口径的辅助镜面,尤其是检测凸非球面,辅助镜面的口径往往是待测镜面的几倍,因此,造成了材料和工艺上的难度。

　　光学补偿检验法[2-3]是目前非球面检验的主流技术,按照光学补偿器类型,该技术可以分为折射式光学补偿法和衍射式光学补偿法。折射式光学补偿法起源较早,其技术和工艺相对比较成熟,目前仍然广泛应用于高精度非球面检验中,是大多数非球面制造企业和研究机构的首选技术。衍射式光学补偿法采用CGH(ComputerGenerated Hologram,计算全息图)[4]元件作为补偿器,其技术于上世纪60年代末由Lohmann,Paris和Lee提出并得到发展。随着光刻、离子束、电子束刻蚀技术水平的进步,CGH器件制造精度越来越高,该技术于90年代末发展为较成熟的光学检测技术。但是,国内CGH应用于光学检测起步较晚,中科院长春光机所、成都光电所、南京理工大学等对CGH设计方法进行了一定的理论探讨或实验验证,目前还不能满足实际工程应用需求。

　　2　大口径凸非球面的检验技术

　　抛光阶段是非球面加工的最后阶段,在抛光阶段结束后,非球面的面形精度和表面粗糙度应该满足设计精度要求。一般来讲,非球面抛光结束后面形精度和表面粗糙度的均方根值(RMS)分别要达到λ/20~λ/50和1~3 nm。因此,抛光阶段的检测精度应该达到纳米级水平。

　　本文结合实际工程任务,需要完成320 mm口径SiC材料凸双曲面检验。大口径凸非球面的检验技术一直是困扰光学检测技术人员的难题。

　　2.1　凸非球面无像差点检验

　　传统凸非球面镜的干涉检验方案一般采用无像差点法[5]。根据双曲面的数学特性,如果在它的一个几何焦点上设置点光源,则经双曲面反射后成为一束从它的另一个焦点发出的完好同心光束。凸非球面无像差点检验示意图如图1所示。利用无像差点检验反射式二次非球面的实质是:若表面具有理想形状,而点光源精确置于其中一个几何焦点上,则由表面反射的光线形成球面波,其球心与另一个几何焦点重合,显然,光源同它的像可以互相易位,通过该方法检验波前的变形量,以此来确定非球面的面形偏差。

　　对于320 mm,R= 4 087. 999,k=-3.662 46,凸非球面无像差点法检验设计光路图如图2所示,设计结果如图3所示。