大镜面在位检测中的相位恢复技术研究

　　0　引言

　　在空间光学、军事等领域中,大口径光学元件已成为起关键作用的部件.对大口径高准确度光学元件的制造来说与之准确度相适应的检验方法和仪器显得尤为重要.在大型光学镜面的精研和抛光过程中,由于其面积和体积较大,不便于移动,因而加工中对在位测量提出很大需求.这些需求可概括为:1)希望检测装置能够适应加工环境,具有抗振动功能,以便实现分平台检测;2)测量准确度高,达到光学加工要求;3)测量横向分辨率高,能够识别镜面上的局部误差.

　　通常使用的干涉仪必须与被测零件共平台隔振以排除振动带来的干扰.抗振动干涉仪虽然在很大程度上解决了振动问题,但其价格较高,还未得到普及.另外刀口仪和哈特曼波前传感器是两种基于几何光学测量方法,不易受振动影响.但刀口仪测量不易量化,无法支持计算机数控加工.哈特曼波前传感器的横向测量分辨率较低(目前最高为128×128),难以发现大型镜面上的局部误差.

　　为了满足大型光学镜面加工检测的需求,本文研究了一种基于相位恢复(Phase Retrieval)的光学镜面面形在位检测技术.相位恢复技术是一种利用相干光场衍射传播中的光强信息,通过优化迭代计算,来恢复入射波面相位的检测方法[1-3].相位恢复技术从一系列,由同一束测量光产生的衍射光强图像中获取镜面面形信息,而衍射图像不同于干涉条纹,它受环境振动影响很小,这大大降低了对测量环境的要求,使相位恢复技术具备了在位检测的基本条件.

　　本文介绍了相位恢复测量的系统构成以及算法原理,同时还详细分析了各种误差因素,并研究了此方法在实际应用中的可行性与可靠性.使用相位恢复技术对一面口径430 mm的球面反射镜进行了分平台在位测量实验.实验表明该方法是切实可行的,测量准确度高且操作简单,测试结果与干涉测量较为符合,可满足光学镜面加工测量要求.

　　1　相位恢复测量系统构成和工作原理

　　1.1　相位恢复测量系统构成

　　相干光波在自由空间衍射传播理论表明入射光波传波一定距离后会系形成一定的强度分布.出射光波面强度分布会随着入射光波面的相位分布而发生变化.相位恢复技术就是通过测量出射光波面的强度信息来反推入射波面相位的一种方法.

　　利用以上原理,设计了针对球面镜检测的相位恢复测量系统,如图1.采用激光点光源发出球面波,球面波被镜面反射后形成含有相位误差的球面波,经过分光镜,一部分反射光传播到焦点附近的CCD像元阵列平面上.CCD相机被安置在一个移动平台上,可以沿光轴移动,以便在焦点前后接收不同位置上的图像.获取这些图像后再进行算法处理,可以精确地计算出被测镜的面形误差.