改进的Hindle方法检测凸非球面的研究

　　0 引 言

　　非球面的加工检验一直是非球面检验领域的一个难点[1]，经典的Hindle检验方法、透射/反射式自准检验方法以及计算全息法是现今光学车间常用的凸非球面检验方法[2]。经典的Hindle方法使用大口径辅助球面镜进行无像差点法检验，不可避免地存在中心遮挡的缺陷，而且往往由于辅助球面镜口径过大导致加工装调困难，尤其是在检验大口径快焦比凸面镜时此问题更加突出，使它的应用受到一定限制;透射/反射式自准检验方法能够实现全口径检验，但要求镜面材料具有良好的透过性和均匀性，同时需要一个特定的辅助平面或球面进行自准[3~4]，因此，在检验透射凸非球面镜时只能进行单面检验，而且检验精度不如经典的 Hindle 检验;计算全息法检验非球面是现今非球面检验领域研究的一个热点，但是该方法光路相对复杂[5]，全息图的制作需要昂贵的专业设备，同时，大口径、高精度全息图的制作技术只被少数国家的一些实验室所掌握，限制了它的广泛应用。

　　Simpson等人在检验锗镜时提出了一种改进的Hindle检验方法[6]，较好地解决了经典的Hindle 检验方法中辅助球面镜口径过大导致的装调以及选材和加工困难等问题，同时，与透射/反射式自准检验法和计算全息法相比也具有自身的优势，但此方法对于被检验镜材料的反射率要求较高，一般情况下只能用于金属等高反射率材料的直接检验， 使其应用范围受到很大局限。文中研究了这种改进的Hindle方法检验凸非球面的基本原理，对原有系统进行了改进，不仅简化了系统结构，而且克服了Simpson等人提出的在检验玻璃材料镜面时需要为被检镜镀膜以增加反射率的缺陷，简化了加工工艺流程，大大拓宽了该方法的适用范围，利用优化后的系统实践加工了一Φ88 mm、F/1.9、非球面系数K-3.726 025的玻璃材料凸双曲面镜，得到了较为理想的结果，为实际工程应用做了铺垫。

　　1 检验原理

　　1.1 基本原理

　　改进的Hindle方法基本原理如图1所示。与Hindle检验方法的区别在于光路中用一个两面近似同心的低光焦度弯月透镜取代了中心开孔的Hindle辅助球面镜，弯月镜的凹面镀一层半透半反膜，在允许光线透过的同时实现了Hindle 辅助球面镜反射光线的功能。这样，就解决了Hindle检验中由于开孔而导致的中心遮挡问题，因而被检凸非球面和Hindle弯月镜之间的距离可以控制的足够近，不仅大大减小了弯月镜的尺寸，同时实现了全口径检验。

　　1.2 分析改进

　　用透射弯月镜取代Hindle辅助球面镜会不可避免地在系统中引入球差，因此需要对它进行补偿。Simpson 等人提出了两种方案：对弯月镜的凹面进行非球面化; 在点光源附近加入一个小透镜来补偿引入的球差。经过研究发现，在很多情况下，通过改变Hindle弯月镜凸面的曲率就可能实现对球差的补偿。此外，改变弯月镜凹面的曲率或控制弯月镜与被检镜的间距使之相对被检非球面焦点F2产生微量的离焦也可以达到对球差进行补偿的效果，因而在一定范围内可以简化整个检验系统的结构。另外，受检验原理的限制，这种改进的Hindle方法虽然适用于金属等高反射率材料镜面，但对于玻璃等材料镜面经常由于成像太暗而无法检验，因此，检验时必须为镜面镀膜以增强像点亮度，这在实际的加工过程中会带来极大的不便，从而使这种方法的应用受到很大局限。在实验中，笔者尝试通过改变弯月镜镀膜透射/反射率初步解决了这个问题并成功用于检验加工实践，得到了较好的结果，显著提高了这种改进的Hindle方法的实用性。