一种非对称双面离轴非球面反射镜检测补偿变焦光路设计方法*

冯帅 常军† 牛亚军 穆郁 刘鑫

1) (北京理工大学光电学院,北京 100081)

2) (天津津航技术物理研究所,天津 300192)

1 引 言

随着多波段共孔径高精度探测技术的发展,非对称双面离轴非球面反射镜因其校正相差、提高系统相对口径、扩大视场角度、简化系统结构、减轻重量、缩小体积等特点,发挥着越来越重要的作用[1−4].但在非球面反射镜加工技术发展的同时,高精度非球面反射镜检测仍然还存在难题,因此高精度检测成为限制其使用的一个关键步骤[5].

目前离轴非球面反射镜检测方法主要有轮廓检验法、几何光线检验法和干涉检验法[6,7].轮廓检验法精度受限、效率较低,适用于元件研磨期精度检测[8−10]; 几何光线检验法受诸多限制,适用于元件细磨及粗抛光期精度检测[11−13]; 干涉检验法技术成熟,适用于元件精抛光至最终检测期精度检测,是离轴非球面反射镜检测的主要方法[14−16],而干涉检验法中补偿器法具备结构简单、补偿范围大、元件数量少、易于控制等特点,是离轴非球面检测最有效的手段之一[17−19].

而非对称双面离轴非球面反射镜高精度检测一般是使用两套独立的补偿器、分别对反射镜的两个面运用补偿器法来完成,效率较低且切换补偿器会降低检测精度.针对上述问题,本文以干涉检验法中的折射式Offner补偿法为基础,按照设置离轴孔径光阑使光线离轴并分光、共用透镜组前后移动变焦及反射镜折叠光路的思路,提出一种变焦零位补偿装置光路设计的方法,并结合实例运用光学设计软件进行仿真设计实验,实现使用一套变焦零位补偿装置完成对非对称双面离轴非球面反射镜正反两个面的高精度检测光路设计,并进行公差分析,验证了该设计方法的可行性.

2 检测方法

Offner补偿法是所有补偿法中补偿精度较高且常用的一种方法,Offner补偿器一般由补偿镜和场镜两部分组成,其中补偿镜主要用于校正初级球差,场镜主要用于校正高级球差.Offner补偿器分为反射式和折射式两种,其中折射式易于设计和加工[20,21],本文将使用折射式的结构.要完成只使用一套补偿器检测双面非球面,则需该补偿器可以分别完成对不同波像差的补偿,这可以通过移动补偿器中各个透镜位置变焦所构成的多重结构来实现;离轴非球面的检测可以在完成轴上全口径非球面检测的基础上,对待检镜进行离轴处理来实现[22],这里将采取设置上下两个离轴孔径光阑实现光线离轴并分光的方式; 双面离轴非球面反射镜的外形结构对检测光路角度有特定限制,这里采用在光路中添加平面反射镜折叠光路的方式来解决.汇总前述,整套检测系统应由干涉仪、孔径光阑、补偿镜组和2面反射镜组成,示意图如图1所示,通过孔径光阑处设置上下两个离轴孔径分光、补偿镜组移动位置变焦构成两种结构、反射镜1及反射镜2分别折叠光路,从而实现只使用一套变焦零位补偿装置完成对非对称双面离轴非球面反射镜正反两个待检面的高精度检测.

图1 非对称双面离轴非球面反射镜高精度检测系统示意图Fig.1.Schematic diagram of high precision detection system for asymmetric double off-axis aspheric mirror.

3 仿真设计实例

按照前述方法,以检测一个非对称双面离轴非球面反射镜(双面分别用A面、B面表示)为例进行验证,待检镜面型系数见表1,本文将使用光学设计软件进行变焦零位补偿装置仿真设计,而最终双面检测要求精度为剩余波像差均小于1/(30l)RMS (RMS 为均方根,l为单位波长).

表1 非对称双面离轴非球面反射镜面型参数Table 1.Parameter of asymmetric double-sided off-axis aspheric mirror.

所设计变焦零位补偿装置光路图如图2,由干涉仪发射波长为632.8 nm、口径为40 mm平行光至光阑,在光阑处设置上下(口径为10 mm、偏心分别为 15和–15 mm)两处孔径光阑,以实现整体光路离轴并分光.变焦补偿镜组设计为两重结构系统,由四片透镜组成,这四片透镜分为三组,前两片为第一组,第三片为第二组,第四片为第三组(这里的分组组合方式并不固定,应以满足检测精度要求为前提,尽量减少分组数量); 当第一组与二、三组分开时,为两重结构的结构一,用于检测非对称双面离轴非球面反射镜的A面; 当第一组与二、三组靠近时,为两重结构的结构二,用于检测非对称双面离轴非球面反射镜的B面.这里三组透镜的驱动方式可以采用直线电机的方式驱动,三组透镜分别使用三个直线驱动电机,这样通过第一、二、三组透镜之间位置的调节,即可在两重结构的光路中实现变焦.在待检双面镜的待检面前各放置一面平面反射镜来偏折光路,来满足待检面处入射光线的角度要求.这样整个检测系统中,检测光线由干涉仪发出,经上部离轴孔径光阑,再经结构一变焦补偿镜组补偿、平面反射镜1折叠,入射至待检反射镜A面,之后光线被反射并沿原光路返回至干涉仪,返回光线在干涉仪中与参考光线发生干涉并生成干涉条纹图,进而可分析得出待检镜A面的面型精度; 同理,入射光线经下部离轴孔径光阑、结构二变焦补偿镜组、平面反射镜2、待检镜B面后原路返回,最后通过干涉条纹图将分析得出待检镜B面的面型精度,整个设计光路构成一个无焦系统,这样就可完成对非对称双面离轴非球面反射镜两个待检面的高精度检测.

图2 变焦零位补偿装置结构光路图Fig.2.Optical path figure of zoom null compensation device structure.

4 设计结果

使用光学设计软件对上述结构进行设计优化得最终结果,其中补偿器透镜材料分别使用成都光明玻璃库的 H-K5,D-ZPK1A,H-QK3L 和 ZF1,生成的剩余波像差图和光程差曲线如图3,其中结构一经变焦零位补偿装置补偿后,最终剩余波像差为 0.0003lRMS 和 0.001lP-V; 结构二经变焦零位补偿装置补偿后,最终剩余波像差为0.0001l RMS和0.0004lP-V,满足零位补偿检测精度要求.

将设计结果的制造、装配和材料公差同时加载到变焦零位补偿装置,其中按目前可达到的加工、测量精度,补偿装置设置公差精度如表2所列.

表2 补偿装置公差精度Table 2.Tolerance precision of compensation device.

将上述精度数值设定完成后进行波前误差公差分析,分析所得结果如图4所示,由结果可知,结构一的零位检测剩余波像差在97.7%概率下为0.0326lRMS,而结构二的零位检测剩余波像差在97.7%概率下为0.0316lRMS,满足检测系统剩余波像差均小于1/(30l) RMS的精度要求.

图3 剩余波像差图和光程差曲线 (a)结构一; (b)结构二Fig.3.Residual wave aberration map and optical path difference (OPD) aberration curves: (a) Zoom 1; (b) zoom 2.

图4 零位补偿检测波像差公差分析结果图 (a)结构一; (b)结构二Fig.4.Tolerance analysis results of null compensation detection RMS wave aberration: (a) Zoom 1; (b) zoom 2.

通过上述设计分析可知,系统经变焦零位补偿装置补偿后,设计剩余波像差分别为0.0003lRMS 和 0.0001lRMS,满足检测要求; 而在现有公差范围内,系统实际剩余波像差分别为0.0326lRMS和0.0316lRMS,满足制造装配精度要求,从而验证了该方法的可行性.

5 总 结

非对称双面离轴非球面反射镜广泛应用于多波段共孔径高精度探测系统中,而针对其表面的高精度检测一般仍需要使用两套独立补偿器分别检测.本文提出只使用一套变焦零位补偿装置完成对此类反射镜双面检测的方法,按照设置两处离轴孔径光阑实现光线离轴并分光、共用透镜组前后移动变焦及反射镜折叠光路的思路,结合实例完成系统光路设计和公差分析.设计结果表明,系统设计剩余波像差分别为 0.0003lRMS和 0.0001lRMS,满足检测要求; 公差分析结果表明,在现有公差范围内,系统实际剩余波象差为0.0326lRMS和0.0316lRMS,满足制造装配精度要求,则验证了该设计方法的可行性.该方法为非对称双面离轴非球面反射镜高精度检测提供了一种新思路.但是,本文中检测光束的质量是按照理想光束来完成仿真工作的,在下一步研究工作中将考虑光束质量的问题.