子孔径拼接干涉法检测非球面

　　1　引　言

　　在光学系统和光学仪器中利用非球面元件,能矫正像差,改善像质,而且可以减小光学系统的尺寸和重量,因此非球面光学元件越来越多的被用于航空、航天、天文光学、国防军事等高科技领域[124]。但是,随着科学技术的不断发展,人们对非球面元件的制造提出了更高要求:口径越来越大,面形精度越来越高。制造高精度、大口径的非球面需要与之相应的高精度检测方法和设备。

　　由于干涉检验具有高分辨、高精度、高灵敏度、重复性好等优点,因此该技术已成为检测光学面形的主要手段。但是对于非球面尤其是大偏离量的非球面,都需要专门设计和定做补偿器或借助CGH等辅助元件[2,3],通过零位补偿才能对其进行干涉测量,这不仅提高了成本、延长了工期,而且辅助元件将会引入一定的制造误差和装调误差。同时现代光学系统,尤其是高功率激光系统(如NIF、ICF、Laser MegaJoule等)[7,8]都要考虑到光学元件亚毫米量级的波前信息,特别是中高频相位信息。检测大尺寸、高精度的光学元件需要相应的大口径干涉仪,但是大口径干涉仪只能探测到元件上数毫米的波前信息,更高频的信息则被系统截止了。所以现有大口径相移干涉仪的分辨率还不能满足中高频段分析的要求。

　　利用子孔径拼接技术,可以拓展干涉仪测试非球面的横向和纵向动态范围,使干涉仪测量光学元件的口径和相对孔径都有了很大的增加。因此,将干涉检验技术与子孔径拼接技术相结合将会提供一种高效、快捷的检测非球面方法,而且可以获得中高频的相位信息,提高测量空间分辨率,降低成本。

　　2　子孔径拼接干涉的基本原理

　　由图1知,与传统干涉仪相比,子孔径测试干涉仪的测量范围有了明显的扩大[9],其基本原理如图2所示。首先根据待测非球面的口径和顶点曲率半径选取合适的干涉仪和相应的标准镜头并决定子孔径的大小及数目。通过计算机精确控制,移动、旋转、摆动干涉仪或被检非球面,使干涉仪出射波面法线与被测区域法线近似重合,这样入射到被测区域的光线就能够沿原路返回。用干涉方法分别测量整个大口径光学非球面元件的一部分圆形区域(称之为子孔径),并使得各个子孔径间稍有重叠。利用综合优化全局拼接的方式求得各个子孔径相对基准子孔径的相对定位误差,从测量的相位数据中消除相对定位误差,并利用齐次坐标变换把所有的子孔径测量数据统一到同样的参考面上,然后再从有统一基准的子孔径中采集多个位相数据,并将其在全孔径上进行Zernike多项式拟合,从而可以得到整个面形的信息。

　　3　子孔径拼接的数学模型和拼接算法