使用环形子孔径拼接检测大口径非球面镜

　　1　引　言

　　在空间光学和军事等技术领域中,大口径非球面光学元件已成为它们的关键部件之一。大型天文望远镜、空间望远镜、卫星有效载荷、地基空间目标监测等都需要用到大口径非球面镜。与制造高精度大口径非球面光学元件相适应的检验方法和仪器通常是大口径非球面定量检测方法———补偿器法[1]、计算全息法[2]、自准直法(仅适用于二次非球面),这些方法都需要制造辅助元件(补偿器、全息板、反射镜),并需要在干涉仪上实施。在检验时如果不使用辅助元件,则不仅可以消除辅助元件带来的制造误差和调整误差,而且还可以降低检验成本,使非球面的整体加工检测进度不会受到辅助元件加工进度的影响。

　　因此本文提出了一种环形子孔径拼接的解决方案,它无需辅助元件就能检测大口径非球面镜。本文阐述了其工作原理,在圆形子孔径[3~7]拼接算法和环域Zernike多项式[8]拟合算法[9]的基础上,建立了环形子孔径“拼接”数学模型,给出了参量求解方法和精度评定判据,并对算法进行了仿真分析。

　　2　检测原理

　　环形子孔径拼接测试技术是一项新的高精度大口径非球面面形检测方法。其实验系统如图1所示。它由三部分组成:小口径相移干涉仪及标准镜头、被测非球面元件的机械调整系统、精密步进工作台及数字驱动系统。

　　从非球面光学元件出射的波前与从干涉仪出射的参考球面波前偏离较大,如果直接对它进行顶点曲率中心的检验,此时中心区域偏离较小,沿径向向外偏离量逐渐增大,所产生的干涉图中心部分的条纹间隔较远,很好分辨。但干涉图外面部分的条纹则比较密,不能被干涉仪的CCD所分辨,限制了获得全孔径面形信息的能力。

　　该测试系统的基本原理是通过计算机精确控制步进工作台进行重聚焦控制,逐步改变被测非球面元件与干涉仪之间的相对距离,使不同曲率半径的参考球面波前与非球面上的不同环带区域匹配(称之为环形子孔径),这样就能使在所匹配的环带区域内,入射参考球面波前与被测非球面表面之间的偏离量减小到在干涉仪的测量范围内,可使在此环形子孔径内产生的干涉条纹能够被分辨;使用干涉仪提供的数据处理软件设定Mask区域,将可分辨的与干涉条纹对应的相位数据提取并存储下来。相邻子孔径间的相对调焦量的大小取决于被测非球面和干涉仪的测量范围,只需要保证该环带能获得足够的相位数据(干涉条纹能够被CCD较好地分辨),且与上一个环形子孔径间存在一定的重叠区域即可。重叠区域越大,拼接精度越高,但拼接效率会降低。