高精度大口径平面镜面形角差法测试探究

　　1　引　言

　　大口径平面镜加工过程中多为水平放置,由于重力的影响,在垂直或一定的倾角状态下,面形将有所改变;同时,由于机械支撑结构的改变,对面形也有较大的影响,所以,开展对大口径平面镜在实际使用状态下的面形高精度测量技术研究有着重要的实际意义。

　　现国内外对大口径光学平面的检测多采用干涉法,由于测试设备造价昂贵,很难推广;同时,对口径超过1 m的基准平面镜的面形检测也是难题[123]。近年来,国内外相继开展着有关高精度、大口径光学平面的面形检测工作,其中有采用子孔径拼接与合成技术对大 口径光学平面进行检测,但是操作复杂,测试精度还需要进一步提高[425]。

　　本文采用逐条测试大口径平面镜某一方向上小孔径角度微小变化量(角差法)的方法实现大口径平面镜垂直状态下的面形测量。同时,从理论上分析与计算了误差产生的原因和量值,研究了实验装置与实验环境对测试精度的影响特性。

　　2　测试机理

　　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有所不同,通过测试各点法线方向的变化量,即可计算与绘制出平面的面形轮廓图。

　　测试原理[6]见图1。以小孔径、高精度自准直仪作为角度测试关键部件,并利用五棱镜一维转角不变性的特点,采取逐条测试条带区域面形轮廓,对 处于垂直状态的大口径光学平面镜表面某一方向上的条带区进行小孔径逐点测试,采集小孔径表面法线方向信号,通过角度变化的测试获得该条带区的面形角度变化 图,从而计算与绘制出该条带区的面形高差图形。通过逐条测试实现对大口径光学平面整体表面的面形测量,达到一种精度高而又经济的直接测量大口径平面镜面形 的效果。

　　3　主要测试部件的特点

　　3.1　二维高精度数显自准直仪

　　对于已完成加工、投入使用的大口径高精度平面反射镜,法线方向的变化量在1″左右,由于法线方向角度变化量很小,因此,对测试法线方向角度变化 值的分辨率与精度就有很高的要求。本文中采用了测角精度为0.01″~0.02″(不同测试范围)、分辨率为0.005″的二维高精度数显自准直仪,从而 保证了测角精度。

　　3.2　五棱镜

　　在测试各小孔径法线角度变化量过程中,为避免测试装置对其影响,本文利用五棱镜一维转角不变性的特点,由于其出射光线方向始终与入射光线方向成90°偏转角,因此,最大限度地降低了五棱镜在移动采样过程中对测试装置的精度要求。

　　3.3　大行程导轨

　　为了实现大口径测试的要求,设计采用一维大行程高精度导轨,实现五棱镜的长距离扫描采样。