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(cè)技術(shù)的發(fā)展,非對(duì)稱雙面離軸非球面反射鏡因其校正相差、提高系統(tǒng)相對(duì)口徑、擴(kuò)大視場(chǎng)角度、簡(jiǎn)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(cè)仍然還存在難題,因此高精度檢測(cè)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(cè)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(cè)[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(cè)[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(cè)期精度檢測(cè),是離軸非球面反射鏡檢測(cè)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(jiǎn)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(cè)最有效的手段之一[17?19].

而非對(duì)稱雙面離軸非球面反射鏡高精度檢測(cè)一般是使用兩套獨(dú)立的補(bǔ)償器、分別對(duì)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(cè)精度.針對(duì)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(duì)非對(duì)稱雙面離軸非球面反射鏡正反兩個(gè)面的高精度檢測(cè)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(cè)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(chǎng)鏡兩部分組成,其中補(bǔ)償鏡主要用于校正初級(jí)球差,場(chǎng)鏡主要用于校正高級(jí)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(cè)雙面非球面,則需該補(bǔ)償器可以分別完成對(duì)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(cè)可以在完成軸上全口徑非球面檢測(cè)的基礎(chǔ)上,對(duì)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(duì)檢測(cè)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(cè)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(duì)非對(duì)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(cè).

圖1 非對(duì)稱雙面離軸非球面反射鏡高精度檢測(cè)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(cè)一個(gè)非對(duì)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(cè)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(zhǎng)).

表1 非對(duì)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(zhǎng)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(cè)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(cè)非對(duì)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(cè)非對(duì)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(cè)系統(tǒng)中,檢測(cè)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(duì)非對(duì)稱雙面離軸非球面反射鏡兩個(gè)待檢面的高精度檢測(cè).

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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)剩余波像差在97.7%概率下為0.0316lRMS,滿足檢測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)系統(tǒng)中,而針對(duì)其表面的高精度檢測(cè)一般仍需要使用兩套獨(dú)立補(bǔ)償器分別檢測(cè).本文提出只使用一套變焦零位補(bǔ)償裝置完成對(duì)此類反射鏡雙面檢測(cè)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(cè)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(duì)稱雙面離軸非球面反射鏡高精度檢測(cè)提供了一種新思路.但是,本文中檢測(cè)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.