大型非球面镜的加工和检测

　　1　引　言

　　在热核聚变、强激光武器发射系统、空间通讯系统、天体观察等诸多领域中,广泛地使用大口径非球面镜,它具有成像质量高、体积小、重量轻的特点,在这些领域中,非球面起着球面无法替代的作用。

　　然而,非球面的应用主要局限于它的加工和检测比球面要困难的多,因此我们要想广泛地将非球面应用于光学系统中,首先必须解决的就是加工和检测的诸多问题。特别是检测环节,由于球面有共同的曲率中心,而非球面没有,这就给非球面的加工带来了困难。它涉及成本核算、加工工时、加工精度等问题,只有建立起一套完整的理论体系和实验方案,才能将工作完成好。

　　针对以上情况,本文主要讨论三片式补偿器的设计方案、精度控制、调节原理、加工工艺,并成功地解决了用小口径补偿器检测大口径非球面的难题。此项工作在以下实验中得到了充分地证实。1998年10月我们给某靶场加工的φ630 mm抛物镜,就是利用这套系统设计加工的。其中,φ630 mm使用哈特曼数字干涉仪进行鉴定,结果峰峰值(P-V)为0.56λ,均方差(RMS)为0.088λ,镜面质量得到充分的肯定,并在实验中取得良好的实验结果。下面对Offner补偿系统作进一步论述。

　　2　加工、检测原理

　　2.1　补偿法原理

　　非球面法线像差补偿法的特点是所有光线垂直入射到被检非球面上,借助辅助光学系统,把平面或球面波前转化为非球面波,使之与被检面的理论面形重合,而非球面上各点的法线并不交于一点,对于二次非球面,解析表达式为

　　补偿原理如图1所示,要使光源S点发出的各光线经补偿系统后沿非球面的法线入射到非球面上,然后沿原路返回,又会聚于S点,即补偿器的球差与非球面的法线像差拟合,光学系统的综合像差SS可表示为

　　式中Sa为非球面的球差系数;Sc为补偿系统的球差系数增量;n和n′为非球面镜光线反射前后材料的折射率;e为非球面的偏心率;R0为非球面顶点的曲率半径;h1为被检非球面镜的半口径;α等于h2/h1,h2为补偿系统的半口径,根据上式可求解补偿系统的P值,这样用PW法[2]求解补偿系统的初始结构,并进行优化设计求解补偿系统的最佳光学结构参数。

　　2.2　二片式补偿器设计数据及像差数据处理

　　对Φ=630 mm抛物主镜补偿系统的光学优化设计结果,给出的结构参数列入表1。其中,Φ为抛物镜口径;R0为抛物面顶点曲率半径;e2= 1为二次曲线为抛物线;No.为光学系统各面的序号;R为光学系统各面的曲率半径;D为光学系统各个面之间的间隔;n为光学材料的折射率。

　　像差补偿后光学系统的像差数据列入表2: Zone为各个带孔径;Δ为法距差;H为光线的入射高度;L和L′为补偿系统的前截距和后截距;U和U′为补偿系统前面的孔径角和后面的孔径角;LA为球差。以横坐标为LA和以纵坐标为U′2的球差曲线图表示在图2,