高精度离轴凸非球面反射镜的加工及检测_张峰
我国离轴三反光学系统技术获重大突破
领导的科研团队在“ 离轴三反光学先进制造技术” 研究上实现了以计算机控制光学表面成形技术为核心， 涵盖 以大 口径离 轴非球 面 自动加工 设备 、 口径 高 精度 离 轴非 球 面加 工 工 艺技 术 、 轴 高精 度非 球 面检 大 离
测技术 、 离轴三 反高精度 系统装 调技 术为核 心 的重 大突破 。 在 国 内率先 研制成 功 了具 有完 全 自主 知识 产权 的离轴 非球 面数 控加 工 中心 。该设 备 采 用集 成 化设 计 方案 ， 研磨 、 将 抛光 和在线 轮廓测量 单 元合 为 一体 ， 实现 离 轴非 球 面 自动 加 工 ， 合 技 术 指标 处 于 国 可 综
（ 自《 学时报 》 摘 科 ）
际先进水 平 。
实 现 了大 口径高精 度离轴 非球 面光学 表面 的确定性 加工 和 面形 误差 的高 效率 收敛 ， 出 了高效 的反 提 卷 积模 型 及 加 工 轨迹 自适 应 优化 算 法 ， 系统 地 建 立 了大 口径 碳 化硅 离 轴 非 球 面数 控 加 工 方法 、 型 和 模
［Ｏ Ｚ Ｕ Ｈ Ｄ，Ａ Ｓ Ｅ ｅｅ ｉ ｔ ｎ ｆ ｅｒ ｕｆ ｅ ｅ ａｔ ｅ ｎ ｅ ｆ ｒｄｄ ｎ ｅ ａｅｕ ｅ ｓｄ ｎ ｕｆ ｅ ｌ ｍ ｎ １ ］ Ｈ Ｃ Ｏ ｚＱ，Ｈ Ｎ Ｑ ｓ Ｄ ｔ ｍ ｎ ｉ ａ ｓ ｒ ｃ ｒ ｒ ｉ ｄｘ ａ ｅ ｄ ｘ ｖｇ ｉ ｓ ａｅ ｒ ｃ ａ ｏ ｒ ａｏ ｏ ｎ ａ ｆ ｃｖ ｉ ０ ｇ ｉ ｗ ｄ ｂ ｏｓ ａ ｐｓ
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７ ・ ４
光学仪源自器 第 ３ 卷 ２
大口径碳化硅材料凸非球面反射镜的检验
第 １ 期 ２
光 学 精 密 工 程
Ｏ ｐｔｃ ｎ ｅ ｉ ｉｎ Ｅｎ ｎｅ ｒｎ ｉｓ ａ ｄ Ｐｒ ｃｓｏ ｇｉ ｅ ｉ ｇ
Ｖ ｏ ．１ Ｎ ｏ． ２ １ ６ １ Ｄ ｅ ． ２ ０８ ｅ Ｏ
２０ ０ ８年 １ ２月
文章 编 号
１ ０ — ２ Ｘ（ ０ ８ １ — ４ １０ ０ ４ ９ ４ ２ ０ ） ２２ ９ － ６
关 键 词 ： 非球 面 镜 ； 化 硅 反 射 镜 ； 凸 碳 零位 检验 ； 偿 器设 计 补
中图 分 类 号 ： ＴＨＴ ３ Ｔ １ ６ ０ ； Ｑ１ ． ７
文 献标 识码 ： Ａ
Ｔｅ ｔｎ ｅ ｈ ｄ ｏ ａ ｇ ｐ ｒ ｕ ｅ ｃ ｎｖ ｘ Ｓ Ｃ ｓ ｈ ｒ ｓｉ ｇ ｍ ｔ ｏ ｓｆ ｒ ｌ ｒ ｅ ａ ｅ ｔ ｒ ｏ ｅ ｉ ａ ｐ ｅ ｅ ｍ
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凹非球面的非零位干涉检测技术
文章编号 2097-1842（2024）01-0140-10凹非球面的非零位干涉检测技术张 旭，李世杰*，刘丙才，田爱玲，梁海锋，蔡长龙（西安工业大学 光电工程学院, 陕西 西安 710021）摘要：为了实现凹非球面的快速、高精度与通用化检测，文中提出了一种将非球面当做球面，直接采用干涉仪检测的非零位干涉检测方法，并结合相应的数据处理方法，获得非球面的面形误差检测结果。
首先，介绍了该方法的检测原理，建立了回程误差、调整误差的计算与去除模型，研究了面形误差的数据处理方法。
然后，以两个不同非球面度的凹非球面为例，对其回程误差和调整误差进行了仿真计算，验证了该方法的有效性。
最后，搭建了凹非球面的非零位检测实验装置，成功测量得到其面形误差。
通过与自准直零位检测法或LUPHOScan 轮廓测量法检测结果对比发现，两种方法测量得到的面形分布和评价指标具有高度一致性，验证了该检测方法的正确性。
该检测方法在保证高精度测量的同时兼备一定的通用性与便捷性，为凹非球面的通用化检测提供了一种有效手段。
关 键 词：非球面面形测量；非零位干涉检测；回程误差；数据处理中图分类号：TN74 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2023-0042A non-null interferometry for concave aspheric surfaceZHANG Xu ，LI Shi-jie *，LIU Bing-cai ，TIAN Ai-ling ，LIANG Hai-feng ，CAI Chang-long （School of Opto-Electronical Engineering , Xi’an Technological University , Xi’an 710021, China ）* Corresponding author ，E-mail : *****************.cnAbstract : To realize the rapid, high-precision, and universal testing of concave aspheric surface, a non-null interferometry method is proposed in this paper, which takes the asphere as a spherical surface and measures it directly with an interferometer. Combined with the corresponding data processing methods, the test results of the aspheric surface are obtained. Firstly, the detection theory of this method is introduced, the calculation and removal models of retrace error and adjustment error are established, and the data processing method of shape error is studied. Secondly, taking two concave aspherical surfaces with different parameters as an ex-ample, the retrace error and adjustment error are simulated, which verified the effectiveness of the method.Finally, a non-null interferometry experimental setup of concave aspheric surface is performed, and its shape error is successfully obtained. By comparing the results with autocollimation method or LUPHOScan meth-od, it is shown that the surface distribution and evaluation indicators of the results are highly consistent,收稿日期：2023-03-13；修订日期：2023-04-14基金项目：陕西省科技厅资助项目（No. 2022GY-222，No. 2022GY-262）；基础科研（No. JCKY2020426B009）；“一带一路”外国专家创新人才交流项目（No. DL2022040006L ）Supported by Department of Science and Technology Project of Shaanxi Province (No. 2022GY-222, No.2022GY-262); Basic Scientific Research (No. JCKY2020426B009)；"The Belt and Road" Foreign Experts In-novative Talent Exchange Project (No. DL2022040006L)第 17 卷 第 1 期中国光学（中英文）Vol. 17 No. 12024年1月Chinese OpticsJan. 2024which verifies the correctness of this method. This method provides an effective measurement method for concave aspheric surface with high precision, universality, and convenience.Key words: aspheric surface shape measurement；non-null interferometry；retrace error；data processing1 引 言非球面光学元件可以更好地校正像差、改善像质，提供出色的成像锐度和更高的分辨率，同时还能大大减少光学系统的镜片数量、重量与尺寸[1]，已经越来越多地应用于军事国防及高科技民用技术等领域[1-3]。
改进的离轴三反光学系统的设计
改进的离轴三反光学系统的设计赵文才【摘要】基于离轴三反光学系统(TMA)的一般设计方法,总结了设计要点.以两个基于三反光学系统的设计为实例,阐述了通过合理地安排光学结构、将次镜设计为球面反射镜、主镜和三镜在球面基础上改变高次非球面系数等,可使离轴三反光学系统的设计结果接近衍射极限,传递函数在50 lp/mm时都接近0.6,Strehl率由通常的0.91提高到0.93.与传统离轴三反系统相比,相机加工公差和面形加工公差从原来的λ/50放宽到λ/40,主、次、三镜的装调公差放宽了4倍.文中的设计降低了相机的加工及装调难度,有助于系统光学特性实现衍射极限,为三反光学系统的广泛应用提供了借鉴和实用参考.%The key design of off-axial Three-mirror Anastigmat (TMA) systems was summarized, and an improved design of the off-axial TMA optical systems was proposed with a new optical structure. By taking two designed systems for examples, the optical elements of the TMA system were reasonably arranged, the secondary mirror was designed as a spherical surface, and the primary and the third mirrors were optimized with high-order aspheric coefficients. Obtained results show that the Modulation Transform Function(MTF) curve of the designed system approaches to the optical diffraction limit with an improved value of 0. 6 at the spatial frequency of 50 pl/mm. Compared with the common off-axial TMA optical system, the Strehl ratio can be increased from 0. 91 to 0. 93. The surface tolerance is relaxed from λ/50 to λ/40, and the assembling tolerances of the primary mirror, sec ond mirror and the third mirror can be relaxed by a factor of 4. The improved designmakes the manufacture and assembly of the off-axial TMA optical system much easier, and helps the system to achieve excellent performance in the level of optical diffraction limit. These are beneficial to the popularization of off-axial TMA optical systems.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2011(019)012【总页数】7页(P2837-2843)【关键词】空间光学遥感器;光学设计;离轴三反光学系统;光学加工;光学装调【作者】赵文才【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文【中图分类】TP73;TH7031 引言无论在军事还是民用领域，高分辨率空间遥感都有广阔的应用前景，目前其主要形式仍是通过光学相机对地观测。
一种高精度非接触式非球面面形检测系统的设计
摘要非球面因其具有更高的自由度，有利于简化结构、减小像差等球面无法比拟的优势，越来越广泛地应用于光学设计中，但国内高精度非接触式非球面检测系统研制一直比较落后，国外检测设备也非常昂贵，限制了非球面技术在中小型企业及院校的进一步推广。
为了解决这一问题，本文提出了一种基于激光扫描技术的非球面测量方法，利用细激光束扫描非球面的轮廓面得到非球面的面形曲线，论文完成的工作和创新点主要包括以下几个方面：1、分析现有的各种非球面测量系统的优缺点，考虑操作环境、实际需求等因素选择激光扫描式测量方案。
分析以往激光扫描式测量方案的结构形式，提出一种在光路中加入反射镜的方案，用直线和旋转扫描机构带动反射镜进行扫描，增大了系统的测量范围并减小系统的复杂程度。
2、以往的激光扫描方案，通过测量反射光束在CCD上的位置进行测角，CCD的大小和精度限制了测量精度的提高，本课题首次提出通过PSD寻找光斑中心实现改进型自准直测量的方式来进行角度测量，提高了系统的测量精度。
3、针对提出的方案设计完整光路，选型合适的光电器件。
在LightTools中对完整光路进行建模，确定光路中各个光学元件的位置和参数以及扫描机构的量程及精度。
分析模拟数据发现需要在光路中加入缩束镜，根据LightTools中模拟数据设置参数，在CODEV中进行优化设计。
4、设计缩束镜和反射镜固定组件的机械结构，在系统各部分光机器件加工完成后进行装配和调试，并选择合适的非球面进行系统测试，采集直线位移、旋转角度以及PSD探测的数据。
5、利用迭代算法处理收集到的数据，重现待测非球面的面形，并与理论面形作比对，分析测量精度和产生误差的原因。
关键词：非球面，激光扫描，高精度，非接触式，光线对中ABSTRACTBecause of some incomparable features of the aspheric surface such as greater design freedom, the convenience of reducing the system structure and the ability of reducing the aberration, the aspheric surface is more widely used in the optical design. However in our country, the development of high precision and non-contact aspheric testing system is relatively backward, which limits the further popularization and application in minor enterprise and colleges.In order to solve this problem, this paper presents a new method based on laser scanning for measuring the aspheric surface. Scanning the outline of aspheric surface by thin laser beam to obtain aspherical surface shape curve. The work and innovation of the paper mainly include the following aspects:1、Analyzing the merits and drawbacks of various kinds of aspheric measurement system, and considering the operational environment, the actual demand and other factors , choosing a laser scanning measurement scheme at last. The paper analyzes the structure of laser scanning measurement scheme in the past, and proposes a scheme which can increase the measuring range of the system and reduce the complexity of the system by adding a mirror in the optical path and being driven by a straight line and a scanning mechanism.2、In the previous laser scanning, angle measurement is performed by measuring the position of the reflected light beam on the CCD. The size and precision of CCD limits the accuracy of the measurement. In this paper, making the light beam in the center of PSD to measure the angle is put forward for the first time, which improves the measurement accuracy of the system.3、Designing the optical path and selecting suitable optical devices based on the proposed scheme. In LightTools, the modeling of optical path is finished, which is in order to ensure the positions, parameters of each optical elements in the optical path and the range and precision of the scanning mechanism. By analyzing the simulation data, we find that a shrinking beam lens is needed to join the optical path. Parameters of the lens is set according to the simulated data in LightTools. And the shrinking beam lens is optimized in CODEV.4、The mechanical structure of shrinking beam lens and fixed components of reflector is designed. The paper has assembled and debugged the each part of the optical devices after they are machined, chosen suitable aspheric surface to carry out system test, and collected the data of the linear displacement, rotation angle and PSD detection.5、To process the collected data, using iterative algorithm to reproduce the shape of the aspheric surface which is measured. The results are compared with the theoretical results to analyze the measurement accuracy and the causes of error.KEY WORDS：Aspheric surface,Laser scan,High precision,Non-contact measurement,Laser shaft alignment目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2研究意义 (2)1.3 国内外研究现状 (2)1.3.1 国外研究现状 (2)1.3.2 国内研究现状 (4)1.4 课题主要内容 (5)第2章系统测量原理和方案 (6)2.1非球面测量系统工作原理 (6)2.1.1光学非球面 (6)2.1.2现有测量方案结构分析 (6)2.2系统测量方案 (10)2.2.1激光扫描式系统方案 (10)2.2.2激光扫描式测量系统结构 (12)2.3本章小结 (12)第3章系统的光路设计与模型搭建 (14)3.1系统总体光路布局与分析 (14)3.1.1系统测量光路布局 (14)3.1.2系统光路分析 (15)3.2光器件选型 (16)3.2.1 激光器 (16)3.2.2PSD位敏探测器 (17)3.3系统光路设计 (18)3.3.1设计工具简介 (18)3.3.2系统光路搭建 (20)3.3.3扫描机构精度分析 (23)3.3.4缩束镜设计 (25)3.3.5 光学元件选型 (31)3.4 本章小结 (33)第4章系统的结构设计与调试 (34)4.1 机械结构设计 (34)4.1.1 缩束镜机械设计 (34)4.1.2扫描机构机械设计 (36)4.1.3反射镜机械固定件设计 (37)4.2系统光机器件装配 (39)4.2.1缩束镜的装配 (39)4.2.2反射镜安装 (40)4.2.3 扫描机构安装 (41)4.3 待测样品介绍 (41)4.3.1 紫外照明球面 (42)4.3.2 照明均匀非球面 (42)4.3.3 激光扩角缩束非球面 (43)4.4 系统调试 (44)4.4.1 激光光束的水平调整 (44)4.4.2 反射镜的位置和姿态调整 (44)4.4.3 光学元件共轴性调整 (44)4.4.4PSD位置和姿态调整 (45)4.4.5 安装待测非球面 (45)4.5本章小结 (45)第5章数据采集与处理 (47)5.1数据采集 (47)5.1.1数据采集系统介绍 (47)5.1.2测量数据采集 (48)5.2数据处理 (49)5.2.1 迭代算法 (49)5.2.2面形曲线分析与拟合 (51)5.2.3 系统误差分析 (54)5.3本章小结 (54)第6章总结与展望 (56)6.1全文总结 (56)6.2课题展望 (57)参考文献 (58)附录 (62)发表论文和参加科研情况说明 (68)致谢 (69)第1章绪论1.1 课题背景随着光学精密加工工艺的发展，非球面光学元件以其简化系统结构和尺寸、校正多种像差、明显改善成像质量[1][2]、增加系统设计自由度等优势，在国防航空航天系统[3][4]、红外探测技术、医用内窥镜、民用照明工程[5]、空间遥感技术[6]等领域中得到越来越广泛的应用。
高精度光学元件面形干涉检测技术进展(1).ppt
4.8
1.4
rmRMsS值 ((nm)nm)
rms (nm) RMS值 (nm)
4.6
1.3
4.4
1.2
4.2
1.1
4
1
3.8
0.9
3.6
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
十组(10次/组)独立组实数 验参考面结果
x 10-3 2.5
10组 数 据 泽 尼 克 系 数 平 均 值 (被 测 面 )
十组(10次/组)独立实验被测面结果 0.8
❖ 2001年，德国Carl Zeiss公司在自制的斐索型干涉仪Direct 100上运用 该技术实现了球面的绝对检测，检测精度达到了0.15nm RMS和 0.07nm 的重复性。
❖ 2002年，Nikon公司则点衍射干涉仪上运用该绝对检测技术实现了 RMS 为0.3nm的高精度面形检测。
被测球面
目录
❖ 1、概述 ❖ 2、国内外高精度面形检测技术现状和发展趋势 ❖ 3、高精度面形干涉检测技术进展 ❖ 4、结束语
1
一、概述
2
大型望远镜
空间望远镜
ICF
现代光学工程向”一大一小” 两个方向发展。
大 ❖ “大”:大口径 大相对口径 拼接 离轴非球面 轻质量 高精度 ❖ “小”:亚纳米级高精度面形 低中高频粗糙度 大型地基望远镜、空间望远镜、惯性约束聚变装置、深紫外 和极紫外投影曝光系统已经成为现代光学工程的典型代表。
❖ 随后，Ulf Griesmann等报道了一种随机球标定法的实施装置。美国亚 利桑那大学的Zhou Ping等对随机球标定法的随机误差、几何误差和 衍射误差进行了分析。
自由曲面在离轴反射光学系统中的应用
自由曲面光学元件的应用可以提高离 轴反射光学系统的性能和稳定性，为 实际应用提供更好的解决方案。
对于推动我国光学技术的发展和提升 我国在光学领域的国际竞争力具有重 要意义。
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THANKS
激光武器系统
离轴反射光学系统可以应用于激光武器系统 中，实现激光光束的高精度控制和瞄准。
航空航天领域
离轴反射光学系统可以应用于航空航天领域中，实 现航空器、卫星等的高精度导航和控制。
无人驾驶领域
离轴反射光学系统可以应用于无人驾驶领域 中，实现车辆的自动驾驶和精确导航。
03
自由曲面在离轴反射光学 系统中的应用
2
自由曲面光学元件的制造和检测技术不断发展 ，使得其在离轴反射光学系统中的应用越来越 广泛。
3
自由曲面光学元件在离轴反射光学系统中的应 用具有较高的学术价值和实用性，对于推动光 学技术发展具有重要意义。
研究不足与展望
01
自由曲面光学元件的制造和检 测技术仍存在一定的挑战，需 要进一步研究和改进。
02
自由曲面在离轴反射光学系 统中的应用
2023-11-06
目录
• 引言 • 离轴反射光学系统基础 • 自由曲面在离轴反射光学系统中的应用 • 自由曲面离轴反射光学系统的实验研究 • 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
背景
随着光学技术的不断发展，对光学系统的性能要求也越来越高，尤其是离轴反射光学系统。
自由曲面在系统制造中的应用
降低制造难度
相对于传统光学表面加工方法 ，自由曲面的制造难度较低， 因为它们不需要精确的球面或
柱面形状。
提高生产效率
自由曲面的制造可以使用大规模 生产方法，提高生产效率并降低 成本。
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第18卷 第12期2010年12月
光学精密工程
OpticsandPrecisionEngineering
Vol.18 No.12
Dec.2010
收稿日期:2010-09-25;修订日期:2010-10-27. 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(No.61036015)
文章编号 1004-924X(2010)12-2557-07高精度离轴凸非球面反射镜的加工及检测
张 峰(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术中国科学院重点实验室,吉林长春130033)
摘要:为了提高离轴凸非球面反射镜的面形精度和光轴精度,研究了离轴凸非球面反射镜的加工与检测技术。首先,描述了离轴三反消像散(TMA)光学系统以及作为该光学系统次镜的离轴凸非球面反射镜的光学参数和技术指标。然后,介绍了非球面计算机控制光学表面成型(CCOS)技术及FSGJ非球面数控加工设备。最后,给出了非球面研磨阶段检测用的轮廓测量法和离轴凸非球面抛光阶段检测用的背部透射零位补偿检测法,并对背部透射零位补偿检测中离轴凸非球面反射镜光轴精度的控制技术进行了研究。检测结果表明:采用背部透射零位补偿检测法检测得到的离轴凸非球面反射镜的面形精度为0.017λ(均方根值,λ=0.6328μm);用Leica经纬仪测量反射镜的光轴精度其结果达到9.4″,满足光学设计技术指标要求。关 键 词:凸离轴非球面;计算机控制光学表面成型;轮廓测量;背部透射零位补偿检测;光轴精度中图分类号:TH703;TQ171.68 文献标识码:A doi:10.3788/OPE.20101812.2557
Fabricationandtestingofpreciseoff-axisconvexasphericmirrorZHANGFeng(KeyLaboratoryofOpticalSystemAdvancedManufacturingTechnology,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)
Abstract:Toimprovethefinesurfacefigureaccuracyandopticalaxisaccuracyofanoff-axisconvexasphericmirror,thefabricationandtestingtechnologiesoftheoff-axisconvexasphericmirrorwerestudied.Firstly,aThreeMirrorAnastigmat(TMA)opticalsystemandthespecificationrequirementsofthesecondoff-axisconvexasphericmirrorintheTMAopticalsystemwerepresented.Then,thetechniqueofComputer-controlledOpticalSurfacing(CCOS)formanufacturingtheasphericmirrorandtheFSGJnumericalcontrolmachineforprocessingasphericsurfacewereintroduced.Finally,thecon-tourtestinginalappingstageandthebacktransmissionnulltestinginapolishingstagefortheconvexasphericmirrorweredescribed,andthecontrollingtechnologyfortheopticalaxisaccuracyofoff-axisconvexasphericmirrorwasstudied.Thetestingresultsindicatethatthesurfacefigureaccuracyandtheopticalaxisaccuracyoftheoff-axisconvexasphericmirrorare0.017λRMSand9.4″,respectively.Allthespecificationsoftheoff-axisconvexasphericmirrorcanmeettherequirementsoftheopticaldesign.Keywords:off-axisconvexasphericsurface;Computer-controlledOpticalSurfacing(CCOS);contourtesting;backtransmissionnulltesting;opticalaxisaccuracy1 引 言 采用非球面光学元件可以使光学系统的结构简化、尺寸小、重量轻,并能有效地改善成像质量。因此,非球面的应用越来越广泛。然而,非球面(特别是凸非球面)的加工和检测难度要比球面大得多。常用的非球面加工技术包括:光学玻璃模压技术、光学塑料成型技术、单点金刚石车削技术、ELID磨削技术[1-2]、古典法修带技术[3]、计算机控制光学表面成型技术[4-6]、磁流变抛光技术[7-8]以及离子束抛光技术[9]等。前4种技术适合于中等精度非球面的加工,并可实现非球面的量产化,但还不能用来满足空间光学系统中的高精度非球面反射镜的加工要求。古典法修带技术适合于回转对称的非球面的加工,不能用来加工离轴非球面。磁流变抛光是利用磁流变抛光液在磁场中发生流变而形成的柔性“小磨头”进行光学加工,是一种不错的加工方法,但这项研究成果在国内还没有成熟到可应用于工程中的高精度非球面的加工[10-11]。离子束抛光技术是一种高精度抛光方法,是在原子量级上实现对材料轰击去除的,但这种抛光方法效率较低,一般用这种方法加工的非球面预先应具备一定精度,且设备昂贵。因此,本文提出采用目前已较为成熟的计算机控制光学表面成型技术来实现空间光学系统中高精度非球面反射镜的加工。非球面的主要检测方法有:轮廓测量法[12]、无像差点检测法[3,13]、计算全息法[14-15]、子口径拼接法[16-18]、零位补偿检测法[3,19]等。轮廓测量法是检测非球面面形常用的一种检测方法,特别适合非球面在研磨阶段的面形测量,常用的仪器有三坐标测量机、摆臂式轮廓仪等。二次曲面有一对无像差点,利用二次曲面的这一特性可实现对二次曲面面形的检测。测量凸二次曲面时,辅助镜的尺寸一般要比被检凸非球面尺寸大得多。计算全息图(ComputerGeneratedHologram,CGH)最大的特点是只要物波的数学模型已知,就能产生实际上并不存在物体的衍射,精确提供非球面检测所需的“标准零位补偿样板”。检测凸非球面的CGH尺寸要大于凸非球面。因此,用于大尺寸凸非球面检测的CGH制作困难。子孔径拼接法是利用标准球面波前作为参考波面,用干涉法依次测量非球面各个区域的相位分布,然后通过子孔径拼接算法重构非球面全口径面形分布。这种方法对调整机构精度和拼接算法要求较高,且对于陡度大的非球面拼接困难。零位补偿检测法通过特定的非球面光学补偿器,将干涉仪发出的平面波或球面波转换成非球面波,经被检非球面反射后,再次通过光学补偿器与干涉仪参考光干涉,从而获取被检非球面面形误差及其分布。对于凸非球面检测,补偿器的口径要大于被检凸非球面的口径。为了能用小口径光学补偿器检测大口径非球面,可以采用背部透射零位补偿检测法。这种方法适用于透明光学材料的非球面检测,对光学材料折射率均匀性和背部辅助面的加工精度要求较高。针对离轴三反消像散光学系统中非球面次镜为高陡度凸非球面、材料为折射率均匀性非常好的熔石英等特点,本文采用背部透射零位补偿检测法对离轴凸非球面进行检测。
2 离轴三反消像散光学系统及凸非球面次镜
2.1 离轴三反消像散光学系统简介20世纪80年代,国外有人提出将离轴三反消像散光学系统(TMA)应用于空间相机中。20世纪90年代,随着大型光学设计软件功能的不断增强以及计算机控制光学加工技术的逐步成熟,这种光学系统逐渐被人们所接受。目前,TMA光学系统已广泛应用于空间相机中[20]。
图1为典型的离轴三反消像散光学系统光路图,它由主镜、次镜、三镜以及折叠镜组成。主镜和三镜通常为凹的离轴非球面反射镜,次镜为凸
图1 离轴三反消像散光学系统光路图Fig.1 BeampathofTMAopticalsystem
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非球面反射镜,折叠镜为高精度平面反射镜。光线依次通过主镜、次镜、三镜,再经过折叠镜到达像面成像。与两镜同轴非球面光学系统相比,离轴三反消像散光学系统具有大视场、无中心遮拦、筒长与焦距的比值一般较小等优点,能够满足空间相机大视场、高分辨力、体积小和重量轻等性能的要求。2.2 离轴凸非球面反射镜某离轴三反消像散光学系统中的次镜是尺寸为176mm×110mm矩形口径的离轴凸双曲面反射镜,反射镜的背面是一个高精度平面。离轴凸双曲面反射镜的光学参数为:顶点曲率半径R=895.27mm;二次曲面系数K=-4.256;离轴量为69.5mm。离轴凸双曲面反射镜的技术指标为:有效口径内的面形精度RMS值优于0.02λ(λ=0.6328μm);实际加工光轴与理论设计光轴的偏差小于10″。
3 离轴凸非球面反射镜的加工3.1 离轴凸非球面反射镜加工方法由于非球面表面各个带区的曲率半径各不相同,因此非球面的加工不可能象平面或球面的加工那样采用与被加工工件尺寸相当的磨盘以古典法加工来实现。非球面有多种加工方法,目前较为成熟的是计算机控制光学表面成型(ComputerControlledOpticalSurfacing,CCOS)技术,其加工原理是以定量的检测数据为依据,通过计算机控制运动着的小磨头在非球面表面不同位置的驻留时间、转速等工艺参数来实现对非球面面形的修正。本文正是采用这种技术来实现对离轴凸非球面反射镜的加工的。3.2 非球面数控加工设备简介为了实现对非球面反射镜的加工,本研究小组自行研制了FSGJ系列非球面数控加工机床。比较有代表性的是FSGJ-2非球面数控加工中心,它是一台建立在CCOS基础上,集研磨、研磨阶段的在线检测以及抛光于一体的非球面自动制造机床,其加工非球面的最大尺寸为Υ1000mm。图2 FSGJ-2非球面数控加工中心Fig.2 Computer-controlledmachineformanufactur-ingasphere图2为FSGJ-2非球面数控加工中心的实物照片。FSGJ-2非球面数控加工中心主体结构采用龙门式结构,基座和龙门均采用了花岗岩材料。磨头是依靠气缸内的气压来与工件接触的,可以通过调节气缸内气体的压强来改变磨头与工件间的相对压力。为了满足不同的加工要求,FSGJ-2采用了6个自由度联动数控系统,6个自由度分别表示为X,Y,Z,U,V,W。其中X,Y,Z为平动自由度;U,V,W为转动自由度。这6个自由度相互配合使用确保了离轴凸非球面反射镜的研磨、研磨阶段的在线检测以及抛光能顺利实现。3.3 离轴凸非球面反射镜加工工艺在加工工艺上,离轴非球面的制造方法主要有两种:一种是“拼盘法”,就是将离轴非球面拼盘成一个同轴非球面,对这个同轴非球面进行光学加工,加工完成后再将工件分离,获得所需的非球面元件;另一种方法是对离轴非球面元件直接进行加工,获得所需表面。对镜面尺寸和离轴量都比较小的离轴凸非球面次镜采用“拼盘法”进行加工,拼盘后母镜面尺寸只有Υ310mm,适合数控加工,且可同时加工出两块次镜,加工完毕拆盘后,只需对单镜略加修抛即可达到技术指标要求。使用本研究小组编制的离轴非球面最接近球面半径求解的通用程序对拼盘后的非球面母镜进行计算求解,得到如图3所示的结果。从图3中可以看到,最接近球面的半径为916.11mm,非球面与最接近球面的最大偏差为158.273μm。