环形子孔径拼接检测大口径非球面镜的规划模型及分析

　　1　引　言

　　光的干涉是光的波动性的主要特征之一,它是许多光学仪器和测量技术的基础。1675年,牛顿进行了牛顿环实验,这是光的干涉现象。1881年,A.A.Michelson设计制作了闻名于世的迈克尔逊干涉仪。1960年后期,T.H.Maiman制成红宝石激光器,随后出现了以激光为光源的干涉仪,对科学技术的进步发挥了重要作用。1960年Bell实验室的研究人员发明了电荷耦合器件CCD。1945年莫克利和埃克特设计出第一台电子计算机。上个世纪70年代中后期,随着激光技术、电子技术、计算机技术的发展,传统的干涉检测方法与这些技术相结合,产生了位相干涉检测技术。该技术的检测精度可达λ/100以上,且具有很高的重复性,使得干涉检测技术发展到一个新的水平。数字化的相移干涉仪已经成为现代光学加工检验中不可缺少的高精度仪器。

　　光学加工和检测技术的不断发展使得以非球面镜为关键部件的大口径光学系统在天文、空间光学和军事等领域得到了愈来愈广泛的应用,而大口径非球面镜的制造需要相应的检测技术和仪器。在大口径非球面镜的抛光加工阶段,通常的定量检测方法[1](自准直法、补偿器法、计算全息法)都需要制造相应的辅助元件(大口径反射镜、补偿器、计算全息板)在相移干涉仪上实施。环形子孔径拼接技术[2]是一种无需辅助元件就能检测旋转对称大口径非球面镜的有效手段,该检测技术大大降低了检验成本,同时可以消除辅助元件的设计、制造和调整误差对检测精度的影响。由于该技术自身的优点和具有可检测大口径非球面镜的潜能而受到了各国研究人员的重视,并进行了积极的研究[2,6]。Liu.Y.M[2]提出了该技术和基于Zernike多项式的拼接算法,并以二个子孔径检测了一口径为190 mm、F3的抛物面镜,此外推导了所需最少子孔径数的近似计算公式。M.Melozzi等[3]提出了基于离散相位值的拼接算法,以5个子孔径检测了一口径为114 mm的扁椭球面镜。Fermin G.A等[4]也研究了该技术,以2个子孔径检测了-口径为100.10 mm、曲率半径为596.61 mm的抛物面镜。然而,在以上的原理性实验研究过程中,均选择了小口径非球面镜作为被测对象。当以该技术检测大口径非球面镜时所需子孔径数目较多,而且随着非球面镜面斜率变化的不一样将使得各个子孔径的大小不相同,这大大增加了子孔径数据准确提取的难度。因此研究子孔径划分模型是一项有意义的工作,它将为实际检测提供理论依据。

　　本文基于环形子孔径拼接技术的检测原理,从几何光学的角度建立了子孔径划分模型,对模型用数值计算的方法进行了求解,并从物理光学的角度对其计算结果进行了解释,此外给出了实验研究的结果及分析。