大口径离轴凸非球面系统拼接检验技术.pdf

第 9卷第 1 期 2 0 1 6年 2月 中国光学 Ch i n e s e Op t i c s VoI 9 No 1 Fe b 2 01 6 文章编号2 0 9 5 1 5 3 1 2 0 1 6 0 1 0 1 3 0 7 大 口径离轴 凸非球面 系统拼接检验技 术 王孝坤 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1 3 0 0 3 3 摘要 针埘大口径离轴凸非球面面形检测的困难 本文将光学系统波像差检验技术与子孑 L 径拼接干涉技术相结合 提出 了凸非球面系统拼接检测方法 对该方法的基本原理和具体实现过程进行了分析和研究 并建立了合理的子孔径拼接 数学模型 当离轴三反光学 系统 的主镜和三镜加工完成 以后 对整个 系统进行装调和测试 并依次测定光学 系统各 视场 的波像差分布 通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值可以求解得到大口径非球面全口径的面形信息 从 而为非球面后续加工和系统的装调提供了依据和保障 结合工程实例 对一 口径为 2 8 7 m i l l l 1 5 n l m的离轴非球面次 镜进行了系统拼接测试和加工 经过两个周期的加工和测试 其面形分布的 R MS 值接近 1 3 0 A A 6 3 2 8 n n 1 关键词 光学检 测 大 口径非球 面 三镜消像散 系统 波像差检验 子孔径拼接干 涉技术 中图分类号 T Q1 7 1 6 5 0 4 3 6 1 文献标 识码 A d o i 1 0 3 7 8 8 C O 2 0 1 6 0 9 0 1 0 1 3 0 M e a s u r e m e n t o f l a r g e o ff a x i s c o n v e x a s p h e r e b y s y s t e mi c s t i t c h i n g t e s t i n g m e t h o d W ANG Xi a o k u n K e y L a b o r a t o r y o f O p t i c a l S y s t e m A d v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y C h a n g c h u n I n s t i t u t e of O p t i c s F i n e Me c h a n i c s a n d P h y s i c s C h i n e s e A c a d e m y of S c i e n c e s C h a n g c h u n 1 3 0 0 3 3 C h i n a C o r r e s p o n d i n g a u t h o r E ma i l j i m w x k s o h u c o m Abs t r a c t I n o r d e r t o o v e r c o me t h e d i ffi c u l t y o f t e s t i n g l a r g e o ff a x i s c o n v e x a s ph e r e t h e c o n v e x a s ph e r e s y s t e mi c s t i t c h i n g t e s t i n g me t h o d c o mb i ni ng wi t h wa v e a be r r a t i o n t e s t i n g a n d s u ba pe r t u r e s t i t c h i n g i n t e r f e r o me t r y S S I i s p r o p o s e d T h e b a s i c p r i n c i p l e a n d fl o w c h a r t o f t h i s me t h o d a r e a n a l y z e d a n d r e s e a r c h e d a n d t h e s t i t c h i n g ma t h e ma t i c a l mo d e l i s e s t a b l i s h e d W h e n t he p r i ma r y mi r r o r a n d s e c o n d mi r r o r o f t h e t hr e e mi r r o r a s t i g m a t i s m T MA s y s t e m h a v e b e e n f a b r i c a t e d w e a l i g n a n d c a l i b r a t e t h e o p t i c a l s y s t e m a n d t e s t w a v e a b e r r a t i o n o f a l l t h e f i e l d s s u c c e s s i v e l y Th e n we c a n o b t a i n t h e p h a s e ma p o f t h e who l e a p e r t u r e b y t h e s y n t h e t i c a l o p t i mi z a t i o n s t i t c h i n g a l g o r i t h m a nd i n t e r p o l a t i o n wh i c h p r o v i d e s t h e g u a r a n t e e o f t h e s u b s e qu e n t f a b r i c a t i o n 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 1 1 修订 日期 2 0 1 5 1 0 1 3 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 资助项 目 N o 0 8 6 6 3 N J 0 9 0 国家重大基础研究计划 9 7 3计划 资 助项 目 N o 2 0 1 1 C B 0 1 3 2 0 0 5 国家自然科学基金重点资助项 目 N o 6 1 0 3 6 0 1 5 S u p p o rt e d b y N a t i o n a l H i g h t e c h R D P r o g r a m o f C h i n a N o 0 8 6 6 3 N J 0 9 0 N a t i o n a l P r o g r a m o n K e y B a s i c R e s e a r c h P r o j e c t s o f C h i n a N o 2 0 1 l C B 0 1 3 2 0 0 5 N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o t C h i n a N o 6 1 0 3 6 0 1 5 第 1 期 王孝坤 大 口径离轴凸非球面系统拼接检验技术 1 3 1 a nd s y s t e mi c t e s t i n g W i t h e n g i n e e r i n g e x a mp l e s a l a r g e c o n v e x mi r r o r wi t h t h e a pe r t u r e o f 2 8 7 mm x 1 1 5 mm i s t e s t e d b y t h e me t h o d a n d t h e v a l u e o f R MS o f t h e s u r f a c e e rr o r i s c l o s e t o 1 3 0 A A 6 3 2 8 n m a f t e r t w o c y c l e s o f f a b r i c a t i n g a n d t e s t i n g Ke y wo r d s o p t i c a l t e s t i n g l a r g e a s p h e r i c s u rf a c e t h r e e m i rr o r a s t i g m a t i s m T M A w a v e a b e rr a t i o n t e s t i n g s u b a p e r t u r e s t i t c h i n g i n t e rf e r o m e t r y S S I 1 引 言 在光学系统 中 使用非球面元件 可以很好地 平衡和矫正系统像差 改善成像质量 大幅提升光 学系统的性能 同时可以简化系统 减轻系统的重 量 降低系统的复杂程度 因此 非球面元件被广 泛用于深空探测 光电跟踪 天文观测等诸多光 电 设备中 引 尤其在空间光学领域 由于离轴三反 消像散非球面系统 T MA 具有组件少 长焦距 大视场 宽波段 调制传递函数高 抑制杂光能力 强等优异特性 使得大 口径非球面元件在空间遥 感 中得到了广泛应用 凸非球面尤其是离轴凸非球面镜面形的测量 一 直是光学检测 中的难点 经典的测试方法是借 助大 口径 H i n d l e球利用无 像差 点 法进行 测量 但是 对于大 口径离轴凸非球面的检测 Hi n d l e 球 的尺寸往往是待测镜面 的几倍 高精度 大 口径 Hi n d l e球的制造延长了工程周期 并增加 了成本 此外 利用该方法检测时存在 中心遮拦 J 利用补偿透镜或者衍射光学元件 计算全息 对凸非球面进行零位补偿干涉测量 仍是 当前检 测凸非球面面形最常规 的方法 但是 凸非球 面补偿透镜的制备非常困难和复杂 因为其透镜 本身也含有非球面 要想实现对补偿透镜 的加工 装调和测试 还须为补偿透镜设计和加工一套补 偿元件 利用计算全息可以很好地实现对浅度凸 非球面的零位补偿测量 但是对于大偏离量离轴 凸非球面面形的检测 其计算全息 的线频密度很 高 现有光刻设备根本无法实现 j 此外 为了 与被测曲面吻合 检测凸非球 面面形需要 汇聚波 面入射 这就需要测量干涉仪 补偿透镜和计算全 息的口径大于被检非球面元件 大尺寸的补偿透 镜和计算全息的制备 目前存在诸多的困难 大 口 径干涉仪的价格更是 昂贵 对于浅度 非球 面度在 1 0 m 以内 凸非球 面的检测 通过小 口径 的干涉仪可以对准和测量 大口径凸非球 面镜上 多个小 区域 子孑 L 径 的相 位数据 利用子孔径拼接算法能够重构获得大 口 径非球面全 口径的面形分布 但是如果直接采用 子孔径拼接法检测大 口径 大偏离量的凸非球面 子孔径数 目将会很多 分析和计算非常复杂 还会 引入拼接误差传递和累积 为了克服 以上困难 本文将光学系统 波像差 测试技术与子孔径拼接技术相结合 提 出了大 口 径离轴凸非球面系统拼接测试方法 通过对光学 系统各视场波像差的测定和拼接计算 能够获得 大 口径凸非球面全 口径的面形分布 2基本原理 离轴三反非球面系统 的光路图如 图 1所示 即入射光线经过非球面主镜后进行第一次反射 反射后的光束入射到次镜上进行第二次反射 第 二次反射后 的光束入 射到第三镜进行 第三次反 图1 离轴三反非球面光学系统光路图 Fi g 1 Op t i c a l pa t h o f TMA s y s t e m 射 反射后的光束入射到 C C D焦面上成像 在该 系统中 主镜和第三镜均为离轴非球面反射镜 次 镜是凸非球面反射镜 对于如 图 1 所示 的二次成 1 3 2 中国光学 第9 卷 像离轴三反非球 面系统 光束在汇聚于成像焦 面 以前有过一次汇聚 其次镜为大 口径离轴 凸非 球面反射镜 系统拼接测试大口径凸非球面的设备装置和 原理如图 2所示 其主要包括离轴三反光学系统 各组件 高精度平面反射镜 激光干涉仪和激光跟 踪仪等 图 2 大 口径 离 轴 凸非 球 面 系 统 拼 接检 测 原 理 示 意 图 F i g 2 S k e t c h a n d p r i n c i p l e o f t e s t i n g l a r g e o ff a x i s c o n v e x a s ph e r e b y s y s t e mi c s t i t c hi n g me t h o d 在光学系统 的主镜和三镜加工完成满足精度 后 对整个系统进行装调 并对各视场的系统波像 差进行测量 此时主镜和三镜的面形已经完好 所 得到的各视 场系统 波像差 的一半 来 回两次反 射 即为次镜凸非球面对应各子区域 子孔径 的 面形误差 通过子孔径拼接算法可以求解得到大 口径离轴凸非球 面全 口径的面形数据 从而为其 进一步加工提供依据和保障 3 步骤和流程 离轴凸非球面面形系统拼接检测方法的流程 如图 3所示 具体步骤如下 1 系统装调 首先 当主镜和三镜完成加工后 对离轴三反 非球面系统进行 系统装调 并利用激光跟踪仪对 系统的几何参数 各反射镜 的位置姿态 以及各镜 体之问的相对位置关系 进行测定和监控 激光 跟踪仪是一种高精度 大容量 的便携式三位坐标 测量设备 其使用两个旋转角编码器和一个激光 距离测量 系统 以跟踪和测量靶标球的位置 从而 图 3 大 口径离轴 凸非球面系统拼接检测 流程 图 Fi g 3 F l o w c h a r t o f t e s t i n g l a r g e o ff a x i s c o n v e x a s ph e r e b y s y s t e mi c s t i t c hi ng me t h o d 可以很好地测定各反射镜之间的空问位置关系 激光跟踪仪的高精度选项一 干涉仪 I F M 的 最大允许误差为 2 I x m J 0 4 tx m m 其中 J 为 激光跟踪仪 与待测 物体之 间的距离 光学 系统 测试光路一般在 1 0 I l l 以内 因此各反射镜位置 误 差可以控制在 6 Ix m以内 而光学 设计中各反射 镜顶点 曲率半径的公差一般为几十微米甚至毫米 量级 因此 利用激光跟踪仪 可以很好地的指导光 学系统调整 使干涉仪 出射 的汇聚光精确地与三 反系统成像焦面对准 其对 准偏差以及各反射镜 之间的位置误差远小于光学系统设计 允差 可以 忽略 2 中心视场波像差检测 经过反复调整光路 当利用激光跟踪仪测定 得到光学系统中的各几何位置关系均在设计公差 范围之 内时 利用调整机构调整激光干涉仪 使干 涉仪的出射光线 汇聚在 0 视场 中心视场 成像 的焦面位置 根据光路可逆原理 该光束将会先经 过第三镜后进行反射 反射后 的光线经过次镜后 再次反射 反射后 的光线入射到主镜后将会变为 平行光 出射 在原入射光孔位置设置一高精度平 面反射镜 通过调整机构调整高精度平面反射镜 使其与出射平行光垂直 从 而使经主镜 出射后的 平行光束垂直入射到高精度平面反射镜上并沿原 第 1 期 王孝坤 大 口径离轴凸非球面系统拼接检验技术 1 3 3 路返 回 经过主镜 次镜和第三镜与干涉仪系统内 的参考光束形成 干涉条纹 从而可以测定光学系 统中心视场的波像差 高精度平面反射镜的面形 非常完好 主镜和第三镜 的面形误差可 以通过各 自单镜零位补偿干涉测量获得 所得到 的中心视 场系统波像差 的一半 来 回两 次反 射 减 去主镜 和第三镜中心视场区域的面形误差即为次镜中心 区域 中心子孔径 的面形误差 3 其它视场波像差检测 利用调整机构调整激光干涉仪 使 干涉仪 的 出射光线分别汇聚在其他视场成像的焦 面位置 重复步骤 2操作 可 以依次测定得到其它各视场 系统 的波像差 从而得到次镜 凸非球面其它区域 其它子孔径 的面形误差 4 各视场面形数据拼接计算 假定离轴三反非球面系统共有 个视场 即 共有 个子孔径拼接测量才能覆盖整个 大 口径 凸非球面次镜 为 了保证光学 系统成像 质量 非 球 面 口径 比各视场成像叠加所 需的理论 口径略 大 所以存在很小 的子孔径未覆盖区域 子孔径 拼接示意图如图 4所示 各子孔径 间有一定 的重 叠区域 图 4 子孔径拼接示意 图 F i g 4 S k e t c h o f s u b a p e r t u r e s t i t c h i n g 为了便于拼接计算 一般选定非球面 中心 区 域的子孑 L 径 即中心视场波像差测量时对应非球 面区域 作为基准子孔径 测试过程中 大 口径非 球面各子孔径位置的定位不准将会引入 3种初级 像差 即为相对平移 倾斜和离焦 定义中心基准 子孔径 的相位数据为 W 则其它子孔径与基准子 孔径相位数据的关系可表示为式 1 o W 1 P l 1 1 b l Y 1 c l W 2 P 2 a 2 X 2 b 2 y 2 c 2 Y i W M 一1 P 一 1 M一 1 l 6 一1 Y 一 1 c 肘 一 l 一 1 y M 2 1 1 式 中 W W 一 是其 它子 孔径 的相位 数 据 C t b i 分别是其它子孔径相对基准子孑 L 径 沿 方 向和Y方 向的倾斜系数 C i 和P 是相对离焦系数 和平移系数 通过最小二乘拟合 使所有重叠区域相位数 据差的平方和为最小 即为式 2 1 n 5 y 一 P j X j Ct j 4 b j l 乃 c i 2 J l oi I c n X j b j2 Y 2 4 2 一 J 2 N j 3 0 i 2 C 4 4 2 ra i n 其中重叠区域有两种 一种为其 它子孔径与 中心 基准子孔径的重叠区域 定义为 1 另一种 为其 它子孔径 问的重叠区域 定义为 所有 重叠 区 域内的采样点数定义为 凡 对各拼接 因子分别求偏导并令其数值为零即 为式 3 2 2 J 3 0 0 0 0 一 峨 堕 第1 期 王孝坤 大 口径离轴凸非球面系统拼接检验技术 1 3 5 学系统波像差还有待于进一步提高 5 结 论 本文在简要分析和总结各种检测凸非球面技 术优缺点的基础上 提出了大 口径离轴凸非球 面 系统拼接检测技术 对该方法 的基础理论进行 了 分析和研究 建立了合理 的拼接数学模型 并结合 参考文献 工程实例 对一离轴三反非球 面系统凸非球 面次 镜进行了系统拼接测试和加工 该方法将光学系 统波像差测试和子孔径拼接测量技术结合在一起 完成对大 口径离轴凸非球面面形的检测 拼接子 孔径数 目少 操作和运算简易 且在凸非球面次镜 的加工和检测过程中实现 了整个光学系统的装调 和测试 节省了时间 降低 了成本 1 B U R G E J H B E N J A MI N S C A Y WO O D D F a b r i c a t i o n a n d t e s t i n g o f 1 4 m c o n v e x o ff a x i s a s p h e r i c o p t i c a l s n r f a c e s J S PI E 20 0 9 7 42 6 6 92 6 97 2 3 4 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 MA L A C A R A D O p t i c a l S h o p T e s t i n g M N e w Y o r k J Wi l e y S o n s 1 9 9 2 Z H A N G X J Ma n u f a c t u r i n g o f a t h r e e m i r r o r a n a s t i g m a t t e l e s c o p e J S P I E 2 0 0 3 4 8 2 9 8 8 4 8 8 5 C HA N G J WA N G Y T Z H A N G T C H e t a 1 A l l r e fl e c t i v e z o o m s y s t e m s f o r i n f r a r e d o p t i c s J 陋 2 0 0 6 6 3 4 2 6 3 4 2 1 Q 一 1 6 3 4 2 1 Q 9 H U X F O R D R B Wi d e F O V h e a d m o u n t e d d i s p l a y u s i n g h y b r i d o p t i c s J S P I E 2 0 0 4 5 2 4 9 2 3 0 2 3 7 B URGE J H KO T L B MART I N H M De s i g n a n d a n a l y s i s f o r i n t e r f e r o me t r i c me a s u r e me n t s o f t h e GMT p r i ma r y mi rro r s e g m e n t s J S P I E 2 0 0 6 6 2 7 3 3 6 1 3 6 7 ROB I C HAU D J S C HWAR T Z J L ANDRY D e t a 1 Re c e n t a d v a n c e s i n r e a c t i o n b o n d e d s i l i c o n c a r b i d e o p t i c s a n d o p t i c a l s y s t e m s J S P I E 2 0 0 5 5 8 6 8 2 1 7 潘君骅 光学非球面的设计 加工和检验 M 北京 科学出版社 1 9 9 4 P A N J H D e s i g n F a b r i c a t i o n a n d T e s t i n g o fO p t i c a l A s p h e r e s M B e i j i n g S c i e n c e P r e s s 1 9 9 4 i n C h i n e s e G U O P J Y u J C H D e s i g n a n d c e r t i fi c a t i o n o f a n u l l c o rr e c t o r t o t e s t h y p e r b o l o i d c o n v e x m i rr o r J S P I E 2 0 0 6 6 1 5 0 25 9 26 3 张峰 高精度离轴凸非球面反射镜的加工及检测 J 光学 精密工程 2 0 1 0 1 8 1 2 2 5 5 7 2 5 6 3 Z H A N G F F a b r i c a t i o n a n d t e s t i n g o f p r e c i s e o ff a x i s c o n v e x a s p h e r i c m i rr o r J O p t P r e c i s i o n E n g 2 0 1 0 1 8 1 2 2 5 57 2 56 3 Z H A N G X J Z H A N G Z H Y L I Z H L Ma n u f a c t u r i n g a n d t e s t i n g o f 1 一 m c l a s s S i C a s p h e r i c a l m i r r o r J S P I E 2 0 0 7 67 21 67 21 0 9 1 6721 09 5 B URGE J H AND ER S ON D S F u l l a p e r t u r e i n t e r f e r o me t r i c t e s t o f c o n v e x s e c o n d a ry mi rro r s u s i n g h o l o g r a p h i c t e s t p l a t e s J S P I E 1 9 9 4 2 1 9 9 1 8 1 1 9 0 Q I Y J WA N G P X I E J H A n o v e l me t h o d o f m e a s u r i n g c o n v e x a s p h e r i c l e n s u s i n g h o l o g r a m o p t i c a l e l e me n t s J S PI E 2 0 0 5 6 0 2 4 6 0 2 4 1 F 一 1 6 0 2 4 1 F一 7 MU R P HY P F L E I G J F O R B E S G S u b a p e rt u r e s t i t c h i n g i n t e r f e r o m e t ry fo r t e s t i n g m i l d a s p h e r e s J 5 JP 2 0 0 6 6 2 9 3 6 2 9 3 0 J 一 1 6 2 9 3 0 J 一 1 0 WA N G X K Z H E N G L G Z H A N G B Z H e t a 1 T e s t o f a n o ff a x i s a s p h e r e b y s u b a p e rt u r e s t i t c h i n g i n t e r f e r o m e t r y J s P I E 2 0 0 9 7 2 8 3 7