补偿器法检测非球面过程中易出现的误区

　　0 引 言

　　在当前的光学系统中，非球面的应用越来越普遍。随着对非球面精度要求的不断提高，加工和检测的难度也进一步增加。非球面的检测方法主要有全息法、干涉法[1]、哈特曼法和轮廓法、子孔径拟合[2]等多种方法。其中轮廓法需要使用高精度测微头对被测面进行扫描，其接触式测量方式容易对元件表面造成划痕，且其测量精度受其测微头和机械机构的影响大，最终测量精度不高;哈特曼法结构较为简单，但是由于其微透镜阵列的单元数量有限，使得测量精度不高[3];全息法是一种新型的检测方法，但其检测口径受限于全息板的加工能力，加工难度大，而且对于非球面的检测来说，其加工精度很苛刻。

　　目前国内外广泛采用的是干涉法，这是一种高精度检测的方法，对于球面和非球面，都能够进行全口径表面的面形误差测量。用这种方法来进行非球面检测时，需要设计相应的补偿器，以补偿非球面产生的球差，也称之为补偿器测量法。在补偿器测量法中，关键的部分是补偿器的设计、加工和装调对准[4]。

　　本文首先简要介绍了利用补偿器测量非球面的原理，然后以 1 m 非球面反射镜为例，对补偿器设计和检测过程进行了详细的描述，分析了在测量过程中容易出现的离焦补偿球差误区，并重点分析了该误区的特征和来源，提出了相应的误区判别方法。通过对口径分别为 1 m、700 mm、300 mm 的非球面反射镜的检测结果进行对比，对出现误区后的测量结果和正确判别后的测量结果进行了比较讨论，最后给出了正确检测过程下的结果。

　　1 补偿器检测法

　　用补偿器检测非球面反射镜的面形误差一般有两种形式[5-6]：一种是从干涉仪出射的光束为平行光，它将补偿器置于平行光路中;另一种是从干涉仪出射的光束为发散光，它将补偿器置于发散光路中。其原理图分别如图1、图2 所示。

　　二者的原理类似，区别在于平行光束补偿法是补偿器将非球面波补偿为平面波与参考平面波进行干涉测量，而发散光束补偿法是补偿器将非球面波补偿为球面波与参考球面波进行干涉测量。本文以平行光束补偿法为例来介绍补偿器测量法检测非球面的基本原理。在平行光束补偿法中，被测元件为非球面凹面反射镜，在检测时，从干涉仪出射的平行光束，经过补偿器元件后到达被测非球面反射镜，此时光波面与被测反射镜面相吻合。如果被测镜面形理想时，经过被测反射镜反射后的光线原路返回，经过补偿器元件后，又成为平行光束，从而与参考准直光束干涉，得到相应理想的干涉条纹。当被测镜面形不理想时，实际条纹与理想干涉条纹会有一定的差异，而这个差异就反映了被测镜面的表面误差。