馮帥 常軍? 牛亞軍 穆郁 劉鑫

1) (北京理工大學(xué)光電學(xué)院,北京 100081)

2) (天津津航技術(shù)物理研究所,天津 300192)

1 引 言

隨著多波段共孔徑高精度探測技術(shù)的發(fā)展,非對稱雙面離軸非球面反射鏡因其校正相差、提高系統(tǒng)相對口徑、擴(kuò)大視場角度、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減輕重量、縮小體積等特點(diǎn),發(fā)揮著越來越重要的作用[1?4].但在非球面反射鏡加工技術(shù)發(fā)展的同時(shí),高精度非球面反射鏡檢測仍然還存在難題,因此高精度檢測成為限制其使用的一個(gè)關(guān)鍵步驟[5].

目前離軸非球面反射鏡檢測方法主要有輪廓檢驗(yàn)法、幾何光線檢驗(yàn)法和干涉檢驗(yàn)法[6,7].輪廓檢驗(yàn)法精度受限、效率較低,適用于元件研磨期精度檢測[8?10]; 幾何光線檢驗(yàn)法受諸多限制,適用于元件細(xì)磨及粗拋光期精度檢測[11?13]; 干涉檢驗(yàn)法技術(shù)成熟,適用于元件精拋光至最終檢測期精度檢測,是離軸非球面反射鏡檢測的主要方法[14?16],而干涉檢驗(yàn)法中補(bǔ)償器法具備結(jié)構(gòu)簡單、補(bǔ)償范圍大、元件數(shù)量少、易于控制等特點(diǎn),是離軸非球面檢測最有效的手段之一[17?19].

而非對稱雙面離軸非球面反射鏡高精度檢測一般是使用兩套獨(dú)立的補(bǔ)償器、分別對反射鏡的兩個(gè)面運(yùn)用補(bǔ)償器法來完成,效率較低且切換補(bǔ)償器會(huì)降低檢測精度.針對上述問題,本文以干涉檢驗(yàn)法中的折射式Offner補(bǔ)償法為基礎(chǔ),按照設(shè)置離軸孔徑光闌使光線離軸并分光、共用透鏡組前后移動(dòng)變焦及反射鏡折疊光路的思路,提出一種變焦零位補(bǔ)償裝置光路設(shè)計(jì)的方法,并結(jié)合實(shí)例運(yùn)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)使用一套變焦零位補(bǔ)償裝置完成對非對稱雙面離軸非球面反射鏡正反兩個(gè)面的高精度檢測光路設(shè)計(jì),并進(jìn)行公差分析,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性.

2 檢測方法

Offner補(bǔ)償法是所有補(bǔ)償法中補(bǔ)償精度較高且常用的一種方法,Offner補(bǔ)償器一般由補(bǔ)償鏡和場鏡兩部分組成,其中補(bǔ)償鏡主要用于校正初級球差,場鏡主要用于校正高級球差.Offner補(bǔ)償器分為反射式和折射式兩種,其中折射式易于設(shè)計(jì)和加工[20,21],本文將使用折射式的結(jié)構(gòu).要完成只使用一套補(bǔ)償器檢測雙面非球面,則需該補(bǔ)償器可以分別完成對不同波像差的補(bǔ)償,這可以通過移動(dòng)補(bǔ)償器中各個(gè)透鏡位置變焦所構(gòu)成的多重結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn);離軸非球面的檢測可以在完成軸上全口徑非球面檢測的基礎(chǔ)上,對待檢鏡進(jìn)行離軸處理來實(shí)現(xiàn)[22],這里將采取設(shè)置上下兩個(gè)離軸孔徑光闌實(shí)現(xiàn)光線離軸并分光的方式; 雙面離軸非球面反射鏡的外形結(jié)構(gòu)對檢測光路角度有特定限制,這里采用在光路中添加平面反射鏡折疊光路的方式來解決.匯總前述,整套檢測系統(tǒng)應(yīng)由干涉儀、孔徑光闌、補(bǔ)償鏡組和2面反射鏡組成,示意圖如圖1所示,通過孔徑光闌處設(shè)置上下兩個(gè)離軸孔徑分光、補(bǔ)償鏡組移動(dòng)位置變焦構(gòu)成兩種結(jié)構(gòu)、反射鏡1及反射鏡2分別折疊光路,從而實(shí)現(xiàn)只使用一套變焦零位補(bǔ)償裝置完成對非對稱雙面離軸非球面反射鏡正反兩個(gè)待檢面的高精度檢測.

圖1 非對稱雙面離軸非球面反射鏡高精度檢測系統(tǒng)示意圖Fig.1.Schematic diagram of high precision detection system for asymmetric double off-axis aspheric mirror.

3 仿真設(shè)計(jì)實(shí)例

按照前述方法,以檢測一個(gè)非對稱雙面離軸非球面反射鏡(雙面分別用A面、B面表示)為例進(jìn)行驗(yàn)證,待檢鏡面型系數(shù)見表1,本文將使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行變焦零位補(bǔ)償裝置仿真設(shè)計(jì),而最終雙面檢測要求精度為剩余波像差均小于1/(30l)RMS (RMS 為均方根,l為單位波長).

表1 非對稱雙面離軸非球面反射鏡面型參數(shù)Table 1.Parameter of asymmetric double-sided off-axis aspheric mirror.

所設(shè)計(jì)變焦零位補(bǔ)償裝置光路圖如圖2,由干涉儀發(fā)射波長為632.8 nm、口徑為40 mm平行光至光闌,在光闌處設(shè)置上下(口徑為10 mm、偏心分別為 15和–15 mm)兩處孔徑光闌,以實(shí)現(xiàn)整體光路離軸并分光.變焦補(bǔ)償鏡組設(shè)計(jì)為兩重結(jié)構(gòu)系統(tǒng),由四片透鏡組成,這四片透鏡分為三組,前兩片為第一組,第三片為第二組,第四片為第三組(這里的分組組合方式并不固定,應(yīng)以滿足檢測精度要求為前提,盡量減少分組數(shù)量); 當(dāng)?shù)谝唤M與二、三組分開時(shí),為兩重結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)一,用于檢測非對稱雙面離軸非球面反射鏡的A面; 當(dāng)?shù)谝唤M與二、三組靠近時(shí),為兩重結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)二,用于檢測非對稱雙面離軸非球面反射鏡的B面.這里三組透鏡的驅(qū)動(dòng)方式可以采用直線電機(jī)的方式驅(qū)動(dòng),三組透鏡分別使用三個(gè)直線驅(qū)動(dòng)電機(jī),這樣通過第一、二、三組透鏡之間位置的調(diào)節(jié),即可在兩重結(jié)構(gòu)的光路中實(shí)現(xiàn)變焦.在待檢雙面鏡的待檢面前各放置一面平面反射鏡來偏折光路,來滿足待檢面處入射光線的角度要求.這樣整個(gè)檢測系統(tǒng)中,檢測光線由干涉儀發(fā)出,經(jīng)上部離軸孔徑光闌,再經(jīng)結(jié)構(gòu)一變焦補(bǔ)償鏡組補(bǔ)償、平面反射鏡1折疊,入射至待檢反射鏡A面,之后光線被反射并沿原光路返回至干涉儀,返回光線在干涉儀中與參考光線發(fā)生干涉并生成干涉條紋圖,進(jìn)而可分析得出待檢鏡A面的面型精度; 同理,入射光線經(jīng)下部離軸孔徑光闌、結(jié)構(gòu)二變焦補(bǔ)償鏡組、平面反射鏡2、待檢鏡B面后原路返回,最后通過干涉條紋圖將分析得出待檢鏡B面的面型精度,整個(gè)設(shè)計(jì)光路構(gòu)成一個(gè)無焦系統(tǒng),這樣就可完成對非對稱雙面離軸非球面反射鏡兩個(gè)待檢面的高精度檢測.

圖2 變焦零位補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)光路圖Fig.2.Optical path figure of zoom null compensation device structure.

4 設(shè)計(jì)結(jié)果

使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化得最終結(jié)果,其中補(bǔ)償器透鏡材料分別使用成都光明玻璃庫的 H-K5,D-ZPK1A,H-QK3L 和 ZF1,生成的剩余波像差圖和光程差曲線如圖3,其中結(jié)構(gòu)一經(jīng)變焦零位補(bǔ)償裝置補(bǔ)償后,最終剩余波像差為 0.0003lRMS 和 0.001lP-V; 結(jié)構(gòu)二經(jīng)變焦零位補(bǔ)償裝置補(bǔ)償后,最終剩余波像差為0.0001l RMS和0.0004lP-V,滿足零位補(bǔ)償檢測精度要求.

將設(shè)計(jì)結(jié)果的制造、裝配和材料公差同時(shí)加載到變焦零位補(bǔ)償裝置,其中按目前可達(dá)到的加工、測量精度,補(bǔ)償裝置設(shè)置公差精度如表2所列.

表2 補(bǔ)償裝置公差精度Table 2.Tolerance precision of compensation device.

將上述精度數(shù)值設(shè)定完成后進(jìn)行波前誤差公差分析,分析所得結(jié)果如圖4所示,由結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)一的零位檢測剩余波像差在97.7%概率下為0.0326lRMS,而結(jié)構(gòu)二的零位檢測剩余波像差在97.7%概率下為0.0316lRMS,滿足檢測系統(tǒng)剩余波像差均小于1/(30l) RMS的精度要求.

圖3 剩余波像差圖和光程差曲線 (a)結(jié)構(gòu)一; (b)結(jié)構(gòu)二Fig.3.Residual wave aberration map and optical path difference (OPD) aberration curves: (a) Zoom 1; (b) zoom 2.

圖4 零位補(bǔ)償檢測波像差公差分析結(jié)果圖 (a)結(jié)構(gòu)一; (b)結(jié)構(gòu)二Fig.4.Tolerance analysis results of null compensation detection RMS wave aberration: (a) Zoom 1; (b) zoom 2.

通過上述設(shè)計(jì)分析可知,系統(tǒng)經(jīng)變焦零位補(bǔ)償裝置補(bǔ)償后,設(shè)計(jì)剩余波像差分別為0.0003lRMS 和 0.0001lRMS,滿足檢測要求; 而在現(xiàn)有公差范圍內(nèi),系統(tǒng)實(shí)際剩余波像差分別為0.0326lRMS和0.0316lRMS,滿足制造裝配精度要求,從而驗(yàn)證了該方法的可行性.

5 總 結(jié)

非對稱雙面離軸非球面反射鏡廣泛應(yīng)用于多波段共孔徑高精度探測系統(tǒng)中,而針對其表面的高精度檢測一般仍需要使用兩套獨(dú)立補(bǔ)償器分別檢測.本文提出只使用一套變焦零位補(bǔ)償裝置完成對此類反射鏡雙面檢測的方法,按照設(shè)置兩處離軸孔徑光闌實(shí)現(xiàn)光線離軸并分光、共用透鏡組前后移動(dòng)變焦及反射鏡折疊光路的思路,結(jié)合實(shí)例完成系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)和公差分析.設(shè)計(jì)結(jié)果表明,系統(tǒng)設(shè)計(jì)剩余波像差分別為 0.0003lRMS和 0.0001lRMS,滿足檢測要求; 公差分析結(jié)果表明,在現(xiàn)有公差范圍內(nèi),系統(tǒng)實(shí)際剩余波象差為0.0326lRMS和0.0316lRMS,滿足制造裝配精度要求,則驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性.該方法為非對稱雙面離軸非球面反射鏡高精度檢測提供了一種新思路.但是,本文中檢測光束的質(zhì)量是按照理想光束來完成仿真工作的,在下一步研究工作中將考慮光束質(zhì)量的問題.