用非零位补偿法检测大口径非球面反射镜

　　1　引　言

　　传统光学系统一般采用球面元件校正各种像差来实现光学系统的设计要求。与球面光学系统相比,在光学系统中使用非球面光学元件可以减少系统所需光学表面的数量,进而减小光学系统的尺寸、重量以及复杂性,提高光学系统性能[1-2]。与球面光学元件相比,非球面的加工、检测技术更为复杂。利用干涉仪,借助补偿元件(补偿透镜或者计算全息),对非球面进行零位补偿测量仍是目前检测非球面最常用的方法[3-4],可是每个非球面都需要专门设计和定做补偿透镜。利用计算全息,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,从而使全息图制作几乎无法实现。因此,补偿元件的设计和加工不仅增加了成本、延长了周期,而且还会引入一定的加工误差和装调误差。但利用子孔径拼接技术,可以拓宽干涉仪测试的横向和纵向动态范围,该技术无需其它辅助光学元件就能够实现对大口径非球面的测量,不仅提高了分辨率、降低了成本,而且缩短了工期、节省了时间。

　　子孔径拼接技术是一种通用的非球面检验技术,在非球面偏离量不是很大的前提下,适用于各种非球面的检验。该技术起源于1982年,最初用一系列较小的光学平面阵列代替了较大的参考平面,实现了对大型光学系统的检测[5]。20世纪90年代初,研究人员借鉴了子孔径测试技术,提出了子孔径拼接技术,实现了对大口径平面的检测。2003~2004年间,美国QED公司成功研制了自动拼接干涉仪,并将其集成在该公司的磁流变加工设备中。该公司开发的软件包,能够实现自动测量控制、子孔径数据采集、全孔径位相拼接等过程;能够自动地对平面、球面、口径小于200 mm的非球面镜进行子孔径拼接检测[6-7]。20世纪90年代中期到本世纪初期,子孔径测试相关技术陆续获得了美国授权专利。美国ZYGO公司为满足客户的技术要求,于2007年研制出基于“环拼接”技术的非球面测量干涉系统并投放市场,其可测量范围小于130 mm,且只能测量同轴非球面元件,测量精度按照F数有所区别,为λ/3~λ/10。

　　在国外该技术正从初期的原理、实验研究阶段转入到应用研究和商业化的仪器研制阶段时,国内利用子孔径拼接检测大口径光学平面技术也取得了一些进展[8-9],但是利用该技术检测非球面的研究则刚刚起步,2004~2006年中科院光电技术研究所报道了有关环形子孔径拼接检测非球面的研究,他们对环形子孔径拼接进行了理论分析,并利用环形子孔径对一个有中心遮拦(遮拦比约为28%)的抛物面进行了两个环形子孔径的拼接实验[10]。本课题组自2004年开始从事子孔径拼接检测技术的研究,已经建立了初步的拼接模型,并较好地实现了对离轴非球面的拼接检测[11-12]。本文分别对圆形子孔径拼接和环形子孔径拼接检测非球面的拼接算法和数学模型进行了详细和深入的研究,开发了拼接算法软件,并结合实例对一口径为350 mm的非球面进行了两种拼接检测。