大口徑、批量化離軸子鏡的面形檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光干涉計量測試領(lǐng)域，具體涉及一種使用計算全息片和消球差單透鏡共同對大口徑、批量化離軸子鏡的面形精度進(jìn)行干涉檢測的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二次曲線繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)一周，形成二次曲面。天文望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)鏡面形狀一般是二次曲面，這種鏡面具有旋轉(zhuǎn)對稱性。如果一塊鏡面由多個小鏡面拼接而成，則最終的鏡面稱為母鏡，小鏡面稱為離軸子鏡。母鏡具有旋轉(zhuǎn)對稱性，而離軸子鏡不再具有旋轉(zhuǎn)對稱性(中心的那一塊子鏡除外)。
[0003]為了加工出與理論形狀一致的光學(xué)鏡面，需對鏡面的面形進(jìn)行檢測。目前對離軸子鏡的面形精度，一般采用補償檢測方法，用干涉儀進(jìn)行檢測。補償器和待檢鏡面之間存在一一對應(yīng)關(guān)系。對于給定參數(shù)的非球面鏡，需設(shè)計加工特定的補償器，用于補償待檢非球面與干涉儀出射的標(biāo)準(zhǔn)球面(或平面)波前之間的差異。補償器分為兩種，一是透鏡，二是計算全息片。使用透鏡進(jìn)行補償時，設(shè)計加工的透鏡具有旋轉(zhuǎn)對稱性，也就是說透鏡補償器能夠檢測的范圍覆蓋整個母鏡，而實際用到的只是與離軸子鏡對應(yīng)的那一部分。這種補償器靈活性好，適用于不同類型的鏡面，但是造價昂貴，裝配要求高，并且光路調(diào)整困難。使用計算全息片進(jìn)行檢測時，一般是把離軸子鏡作為軸上自由曲面進(jìn)行檢測。非球面度表征非球面與其最佳比較球面之間的差異，可以直接衡量檢測的難易程度。由于計算全息片的刻線周期受加工工藝的限制，所以這種方法能夠補償?shù)姆乔蛎娑仁怯邢薜摹?br>[0004]對于極大口徑的天文鏡面，其子鏡數(shù)量通常多達(dá)幾十塊甚至上百塊。離軸子鏡的口徑一般是米級，非球面度高達(dá)數(shù)百個波長。對于大口徑、批量化離軸子鏡的面形檢測，現(xiàn)有技術(shù)尚未給出通用的檢測方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對大口徑、批量化的離軸子鏡，提供一種大口徑、批量化離軸子鏡的面形檢測方法，這是一種通用的面形檢測方法，最大程度上節(jié)約成本，并且光路調(diào)整相對簡單。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為:一種大口徑、批量化離軸子鏡的面形檢測方法，其特征在于，步驟如下:
步驟1:設(shè)計一個對有限距離共軛的消球差單透鏡，該透鏡一面是球面，另外一面在球面的基礎(chǔ)上萱加偶次項；
步驟2:把離軸子鏡平移至干涉儀出射光束的光軸上，繞子鏡的頂點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使入射到子鏡頂點的光線沿頂點的法線方向；
步驟3:在消球差單透鏡之前插入計算全息片，計算全息片補償?shù)南辔挥肸ernike多項式進(jìn)行擬合，計算全息片和消球差單透鏡共同作用，使得光線在各個點均沿待檢子鏡的法線方向入射，所有光線沿原路返回，實現(xiàn)自準(zhǔn)直檢測； 步驟4:在計算全息片的補償相位基礎(chǔ)上加入載頻，避免非工作衍射級次的光對檢測光路造成干擾；
步驟5:針對某一特定離軸量的子鏡，用光學(xué)設(shè)計軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，首先優(yōu)化子鏡到消球差單透鏡的最佳距離，然后優(yōu)化設(shè)計計算全息片，得到計算全息片的相位分布；
對相位求一階導(dǎo)數(shù)，得到全息片條紋的空間頻率分布；
步驟6:設(shè)計計算全息片的加工工藝參數(shù)；
步驟7:重復(fù)以上步驟，針對不同離軸量的離軸子鏡，設(shè)計檢測光路，設(shè)計的內(nèi)容包括待檢鏡面到消球差單透鏡的距離、主全息的相位分布、對準(zhǔn)全息的相位分布。
[0007]換言之，本發(fā)明是使用計算全息片和消球差單透鏡共同對大口徑、批量化離軸子鏡的非球面度進(jìn)行補償，以實現(xiàn)離軸子鏡的面形檢測。
[0008]其中的步驟1:極大口徑天文鏡面的頂點曲率半徑一般為幾十米。受實驗場地的限制，以及空氣擾動的影響，不可能擺放一個長達(dá)幾十米的光路。為此設(shè)計一個對有限距離共軛的消球差單透鏡；該透鏡的光軸與干涉儀出射光束的光軸重合；作用是把干涉儀出射的球面波變?yōu)榍蛎娌ǎ菑埥亲冃?，起到縮短光路的作用。另外，該透鏡還可以補償大部分的非球面度，降低計算全息片的負(fù)擔(dān)。
[0009]其中的步驟4:從物理本質(zhì)上來說，計算全息片是光柵，它可以產(chǎn)生多個衍射級次的光，而實際應(yīng)用的只有一個衍射級次，一般是I級衍射光。因此需在計算全息片的補償相位基礎(chǔ)上加入載頻，避免非工作衍射級次的光對檢測光路造成干擾。載頻量值的選擇原則為能把各衍射次級的光分開，即在測試點放置小孔光闌，只允許工作級次的光通過，但是載頻也不宜過大，否則計算全息片的刻線太密，以致無法加工。
[0010]其中的步驟6:設(shè)計計算全息片的加工工藝參數(shù)；計算全息片是加工在鍍鉻玻璃基片上非常細(xì)密的曲線(也稱作條紋)，或者是在玻璃平面上刻蝕的凹槽結(jié)構(gòu)。一塊計算全息片通常包含多種條紋分布，分別起到不同的作用。對離軸子鏡進(jìn)行補償檢驗的條紋區(qū)域稱為主全息，除此之外，可以設(shè)計加工對準(zhǔn)全息，輔助檢測光路的調(diào)整。比如干涉儀和全息片的相對位置，全息片和待檢鏡面的相對位置都可以用對準(zhǔn)全息進(jìn)行輔助裝調(diào)。
[0011]本發(fā)明使用消球差單透鏡大大縮短檢驗光路，并補償大部分的非球面度，使用計算全息片補償剩余的非球面度，檢驗不同離軸量的子鏡時，只需更換計算全息片。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為:本發(fā)明充分利用透射和衍射光學(xué)元件的優(yōu)點，避免其各自的缺點，只需搭建一個檢驗光路就能對大口徑、批量化(幾十乃至上百)的離軸非球面進(jìn)行高精度干涉檢測。
【附圖說明】
[0013]圖1、圖2分別為許多子鏡拼接成一塊鏡面主視圖與側(cè)視圖。除中心子鏡之外，其他所有子鏡都是尚軸非球面，圖中，bl、b2是尚軸量。
[0014]圖3是對于有限距離共軛的消球差單透鏡，其中A是物點(也是測試點，即干涉儀的焦點)，A’是虛像點，該透鏡的作用是縮小干涉儀出射球面波的張角，縮短整個檢驗光路。
[0015]圖4是檢測光路示意圖，對于不同離軸量的子鏡，需優(yōu)化設(shè)計消球差單透鏡到離軸子鏡的距離