大口径光学平面镜面形检测系统初步研究

　　0　引言

　　在惯性约束核聚变(ICF)系统中光学元件加工或装调精度达不到要求,将会对激光光束波前造成影响,激光波前质量不好则会引起聚焦焦斑进入靶腔时产生堵孔现象,焦斑能量分布不均匀,甚至会对整套强激光系统造成严重的破坏。可见光学元件的精密检测是ICF系统安全、高效运行的保证。光学元件在线状态特别是装校中,由于自身重力造成的应力和夹具的夹持方式,会对光学元件面形分布造成影响,这就需要对光学元件在装校过程由应力引起的形态变化进行检测,并根据检测得到的结果适时地对元件姿态进行调整,改变造成应力的夹持方式以确保光学元件不受损伤;因而对光学元件在装校中进行面形的实时检测就具有非常重要的意义。

　　目前对于测量光学元件面形技术主要采用LTP、瞬态干涉仪和哈特曼检测法等方法。采用干涉法、LTP、瞬态干涉仪等设备对检测环境要求高,且口径要大于或等于被测光学元件,同时也只能测水平或垂直放置状态的光学元件,不能对任意倾斜放置的光学元件进行检测。国内外对超大口径光学平面的检测多采用干涉法,测试设备造价高,同时对口径超过1m的平面镜的面形检测也是难题[1-3]。近年来,国内外相继开展有关高精度、大口径光学平面镜的面形检测工作,其中采用子孔径拼接与合成技术对超大口径光学平面进行检测,但操作复杂,测试精度还需进一步提高[4-5]。采用结构光法来测试面形[6],其测试精度不能满足项目要求。马冬梅等[7]设计了采用角差法原理实现的一维面形检测系统,但只能测垂直状态下的大口径光学元件。

　　本文采用逐行测试超大口径平面镜某一方向上小孔径角度微小变化量的方法实现超大口径平面镜不同倾斜状态下的面形测量,测量结果与干涉法测试结果的趋势一致,水平方向上的重复性均方根误差为0·03μm,垂直方向上的重复性均方根误差为0·07μm。

　　1　系统设计

　　如图1所示,对于平面反射镜而言由于表面轮廓的变化,其每一点的法线方向将发生变化,通过测试各点反射回的光斑的质心变化量(即各点法线方向的变化量),从而可重构出面形。测试原理如图2所示,以五棱镜、高精度测角仪作为测试关键部件,利用五棱镜的一维不变性特点和参考光束,采取逐行测试条带区域的面形轮廓,对采集反射回来的光斑采用智能图像处理技术,计算各测试点相对参考点的角度变化,从而绘制该条带区域的面形高差图。

　　面形检测系统主要由光学系统、三维运动平台、图像处理系统等组成。采用五棱镜、透光五棱镜和高精度测角仪组成光学系统(如图2所示),采用两个高精度一维电动平台和旋转平台组成高精度三维运动平台,采用龙门架构方式设计系统的机械结构以保证系统的结构稳定性(如图3所示)。