零补偿干涉检测实现及误差量规律

    在光学系统中应用非球面元件不仅可简化系统结构,还能提高系统性能^[1].但是,对于非球面元件的应用,检测是最为关键的技术,也是目前缺乏最严重的技术之一^{[2, 3],}如何客观、准确地评价非球面元件面形是实现高精度加工的基础.非球面的检测主要有干涉法、几何光线检测法和直接的面形轮廓法^[4],其中干涉法是高精度检测的一种重要方法,可提供精确的全视场轮廓测试结果,干涉法检测非球面有零检测和非零检测之分.本研究针对离轴二次非球面元件的特殊工艺性,合理设计零补偿器的结构形式,并进行优化.对影响零补偿检测精度的因素进行探讨,着重分析调整误差对检测精度的影响,建立了误差标定模型,并借助计算机模拟进行了验证.

    1　零检测原理

    非球面补偿检测光路示意图见图1,干涉仪出射光束经过补偿器后投射至被检非球面元件表面,经反射后再次经过补偿器回到干涉仪.此时,含有被检元件面形信息的检测波面与参考波面相互叠加,形成明暗相间的干涉条纹,对条纹进行分析、处理可得到被检测元件的面形误差.检测中,经过特殊设计的补偿器一般由球面元件或系统组成,将干涉仪出射的球面或平面检测波前转变为带有球差的波前,其与非球面在特定位置的波前相反实现补偿.如果零补偿器与被检元件表面都是理想的,则检测光束将会完全按原路返回并与参考光束相干涉得到完美的“零”(无面形误差)条纹;反之,若被检面含有一定的误差,这些误差将影响反射光束,并最终反映到干涉条纹中.

    2　折射式零补偿器优化设计

    传统的零补偿器使用单一光路来矫正待检光学表面产生的非球面波前,补偿器将补偿两倍于待检镜面的非球面偏差量,单一光路补偿检验一般应用于面形斜率的检验,新一代空间遥感器一般采用轻质大尺寸的离轴非球面元件来提高系统分辨力,增大视场,降低系统复杂性[5].对于此类近一米量级离轴非球面元件的干涉检测,需要对传统的折射式零补偿器赋予新的设计概念:由一个较大口径的补偿镜和一个较小口径的场镜组成,通过场镜将被检光学表面成像到补偿镜上,再由补偿镜引入一定量的球差来补偿被检镜的非球面偏差量.

    设计实例:一离轴二次非球面,有效通光口径为610 mm,顶点曲率半径为3 600·4 mm,二次项常数为-0·921.利用Zemax光学设计软件,零补偿器设计数据见表1.

    图2为零补偿器的设计理论残余像差,其出瞳面波像差峰谷值(V_P)为0·006 7λ,均方根值(S_RM)为0·001 571λ(λ=632·8 nm).

    按照表1提供的理论设计数据制造完成两片透镜后,根据所测得的曲率半径以及厚度进行复算,重新调整间隔得到实际的补偿器结构参数见表2.根据实际制造的透镜参数计算零补偿器的设计残余像差如图3,其出瞳面波像差的VP值优于0·009 4λ,S_RM值为0·001 714λ,满足要求.