离轴抛物镜检测中调整误差对波前畸变的影响

　　1　引　言

　　随着光学加工与检测技术的不断进步,几何焦点无像差的二次非球面在大口径光学系统的研制中极受关注,而离轴二次非球面因具有简化光学系统、提高系统的成像质量、减小仪器的尺寸和重量并可避免光学系统遮拦等特点而在天文仪器和空间光学系统中得到了广泛的应用[1]。抛物面反射镜作为二次非球面的一种,因具有产生独特的无像差平行光束的光学性质,经常被用作光学基本定标工具平行光管。离轴抛物面镜因能以简单的面形产生高质量的无中心遮拦的平行光束比其它形式的平行光管更具优势而使用更为广泛。离轴非球面的缺点是加工比较困难,当然因为它不是旋转对称曲面,其应用场合也有所限制。离轴抛物面镜的设计相对简单,主要根据使用要求决定口径、离轴量、离轴角、焦距等几何关系,也可以根据需要计算可用视场的大小。离轴非曲面在加工阶段和后期的装调阶段都需要进行光学检测。在加工阶段,一般采用非在线检测,而且加工状态与检测状态不同,每次检测时都需要对检测光路进行细微的调整,因此,不同程度地存在着一定的调整误差。在后期的装调阶段,需要对光学元件进行检测,以验证其是否达到设计要求。由于机械支撑、应力变形以及环境因素的不同都会对镜面的面形造成影响,使其不能够完全复原为加工完成时的检测状态,故这一阶段也存在调整误差[2-4]。因此,掌握离轴非球面镜调整误差对镜面误差的影响非常重要。

　　本文以加工检测一个圆形离轴抛物面镜为例,建立了离轴抛物面检测过程中存在调整失调量对波前畸变影响的物理模型及数学模型,并分析了各偏差对检测结果的影响,该分析得到的相应结论对于离轴非球面镜的加工、检测与装调具有一定的指导意义。

　　2　离轴抛物镜检测

　　2.1　离轴抛物面的几何模型及参数

　　同轴的二次曲面表达式可写为:

　　轴对称抛物面面形只要给出通光口径及焦距或顶点曲率半径就完全确定了,而离轴抛物面则需要给出通光口径、离轴量、离轴角或轴上焦距等参数,如图1所示。图中B为离轴抛物面镜的中心,b为B点到原光轴的距离,即离轴量,F为焦点,2φ为离轴角,f′为母抛物面的焦距,a为B点的矢高,D为口径,这些量中,b,φ及f′不是完全独立的,它们之间的关系为[5]:

　　2.2　离轴抛物面镜的检测光路及调整参数

　　抛物面反射镜具有独特的无像差平行光束的光学性质,对其进行面形检测时采用自准直检验,检测光路如图2所示。

　　对一个圆形离轴非球面镜进行检测时,所需的调整共有相互独立的6个自由度,但其调整的位置偏差是成对出现并相互关联的,主要包括俯仰与高低、偏摆与离轴量及绕其子光轴旋转3组失调参数。由于各参数与理论参数在一定的偏差,将使检测结果中包含由失调量引起的波前畸变,只有明确地认识这些波前畸变产生原因,才可以获得真实准确的镜面面形误差。本文对以上提到的3种调整误差对波前畸变的影响进行了分析。