[发明专利]大口径凸高次非球面的检测系统

说明书

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测领域，涉及光学检测方法，特别涉及大口径凸高次非球面检测方法。

技术背景

与传统光学球面相比，非球面在矫正像差方面有很大的优势，往往一块非球面镜可以替代多块球面镜的作用，大大减小了整个光学系统单元的数量和重量，例如美国在本世纪初提出的“国家点火装置”NIF(National Ignition Facility)中，大口径非球面具有较大的应用比例；空间光学、天文等学科的发展，越来越依赖于大口径光学设备，而大口径非球面元件已经成为起支撑作用的关键部件。随着科学技术及现代光学系统的发展其所需的凸高次非球面镜口径越来越大。大口径凸高次非球面镜的制造需要相应的检测技术，然而，对大口径及超大口径凸高次非球面进行高精度定量检测仍然存在着巨大的挑战。

在大口径凸高次非球面的粗抛光阶段，由于面形精度不高，采用现有的三坐标测量机及其它检测系统可以进行检测，在精抛光加工阶段，常用的检测方法有入射补偿器法和扫描法等。入射补偿器法属于非球面的法线像差补偿检验，它通过设计一组有球差补偿器组，使其产生的球差与非球面的法线像差正好大小相等，符号相反。所需的补偿器组的口径略大于凸高次非球面，这对补偿器组材料的均匀性提出了较高的要求，且大口径补偿器组在实际制造中存在较大困难，口径大于1m时更是难于实现。扫描法类似于三坐标检测，在测试过程中，测试光束对整个测试面进行扫描，得到表面倾斜角的连续变化，最后计算出个测试点的高度变化值，得到被测镜面的面形信息。

目前国内外主要采用的补偿器检测方法包括：背部球面工艺法、反射补偿器法、非球面样板法和计算全息法。随着被测大口径凸高次非球面口径增大，背部球面工艺法对材料均匀性的苛刻要求难以实现，反射补偿器法需要制造大口径的高精度非球面反射镜，非球面样板法需要制造与被测凸高次非球面口径相当的高精度非球面透镜，计算全息板法需要大型的激光直写设备刻划全息板；并且补偿器检测法中对补偿器装调精度也提出了跟高的要求，使得这些检测技术在检测大口径凸高次非球面时存在一定困难，其应用受到了一定的限制。

法国Reosc采用非球面样板法检测大口径凸高次非球面镜。非球面样板法通过制造一块口径略大于被测凸高次非球面镜口径的非球面样板实现零检验，该方法中由于测试光要透射过非球面样板，所以对样板的材料均匀性要求很高，同时制造和标定这样的非球面样板也存在相当大的挑战。由于德国Schott可以给法国提供大尺寸高均匀性的光学材料，同时法国的Reosc具有高精度加工设备和很强的非球面透镜加工能力，这是法国能够成功使用该检测方法的重要条件。但是对于口径超过1米的凸高次非球面使用此方法检测难度会急剧增加。

美国SOML实验室采用全息样板法检测大口径凸高次非球面镜，检测中使用的计算全息板口径略大于被测次镜，计算全息板靠近被测次镜从而实现零检验。该检测方法中的计算全息板的制作要通过专用的大型激光直写设备把计算全息图刻划在球面上以产生与被测高次非球面面形一致的检测波前，同时需要一块大口径非球面主镜与球面次镜组成照明系统。制造如此大的计算全息难度系数很高。

美国SOML实验室考虑到大口径计算全息版和非对称全息版制造的困难，提出将子孔径拼接方法引入到凸非球面的检测中，在抗震菲索型干涉仪的基础上扩展一个带有非球面样板的辅助光学系统组成口径1米级的抗振菲索型干涉仪，一次检测次镜面形的局部区域，最后通过拼接处理得到次镜全口径面形信息。该方法同样要制造大口径非球面透镜作为补偿器件，并且一个补偿器基本只能检测一种类型的非球面，检测成本高。