利用ZYGO干涉仪进行非球面检测技术研究_龙夫年

控制在 01 01K以内. 结果表明, 该检测方法具有 通用性强, 测量 精度高 等特点, 较好 的克服了 以往各 种检测
方法的局限性.
关键词: 高次非球面; 透镜补 偿; 计算全息
中图分类号: TH 74117
文献标识码 : A
文章编号: 0367- 6234( 2005) 02- 0231- 03
第 2期
龙夫年, 等: 利用 ZYGO 干涉仪进行非球面检测技术研究
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设计透镜补偿部分, 然后在检测光路中加入计算 全息. 计算全息的设计要使得 - 1 级衍射成份与 补偿透镜结合产生与理想非球面面型相同的检测 波前, 而其他衍射级次用空间滤波器滤掉. 整个 检测光路设计时必须考虑滤波的要求. 检测光路 光线追迹和设计用光学设计软件 codeⅤ完成, 经 过反复的调整, 最终设计出整个检测系统. 检测 系统中各元件的参数数据见表 1, 系统剩余波像 差如图 3, 其 RM S值为 0101K, P- V 值为 0105K.
由于非球面不同于球面, 其面形千变万化, 以 上各种检测方法都有一定的局限性, 不能适应高 次非球面加工和检测的要求. 本文提出把光学透 镜补偿和计算全息相结合的方法, 来检测大口径 深度高次非球面. 在 ZYGO 干涉仪检 测光路中, 利用简单的补偿镜和容易制造的计算全息相结合 的方式代替单一而复杂 的计算全息或透 镜补偿
检非球面反射镜上, 返回光线再一次经过各检测
元件 ( 经计算全息时仍取其 - 1级衍射成份 ), 作
为检测光最后进入 ZYGO干涉仪中. 该检测波前
携带了被检非球面的面形信息, 与干涉仪中的参
考波前相干形成干涉条纹. 检测光路中, 透镜 3、
5、7与计算全息 4结合共同再现非球面波前; 同
时透镜 3、5也用来聚焦, 把从计算全息出来的各
级衍射波聚焦在光轴上不同的位置. 在 - 1级衍
射成份聚焦点设置光阑滤波, 把不用的衍射成份 滤掉, 只让 - 1级衍射光波通过.
因为计算全息板是一个衍射光学元件, 光波
照射时存在多级衍射的现象. 一般, 我们只用它
的 - 1级衍射波, 将其它衍射成份滤掉. 在这种自 准直光路中, 滤波显得尤为重要 [ 5] . 根据计算全
现代航天光学遥感系统越来越多的采用大口 径高次非球面反 射镜, 以改善系统的总 体性能. 然而, 作为大口径高次非球面光学元件制造技术 中不可缺少的定量检测技术, 由于受到各种因素 和条件的限制, 发展相对缓慢.
干涉法中的零补偿法以其精度高、调整方便、 稳定, 一直成为非球面面形检测的主要途径[ 1- 2 ]. 但在检测大口径深度非球面时, 补偿器要采用大量 的辅助光学组件, 致使结构复杂, 必然会影响最终 检测精度; 对于某些类型的深度高次非球面, 即使 采用了大量的补偿镜, 仍得不到与待检理想非球面 比较接近的波前, 因而达不到较高的检测精度.
器, 来实现对大口径高次非球面的高精度检测.
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哈尔 滨工业大学学报
第 37卷
1 基本原理
在 ZYGO数字干涉仪的基础上设计一套附加 光路, 通过设计制备透镜补偿镜和计算全息, 可在 ZYGO数字干涉 仪上检 测大口 径深度 高次 非球 面, 整个检测光路如图 1所示.
的分布图, 这时恰好实现了各衍射级次互不重叠. 即当 - 1级衍射成份光斑大小为 s时, 要使得它与 - 2级衍射成份分开, 则 - 2级衍射成份光斑边缘 与零级光斑距离至少为 4s.
摘 要: 为了能够利用 ZYGO 数字干涉仪检测大口径深度高次非球面, 提出了一种新的波 前补偿方法 , 即透
镜补偿与计算全息相 结合. 通过设计实例表明, 对于 相对孔径 为 1: 1108 的大口 径深度 高次非 球面, 利用简
单的 2片式透镜补偿器、并与计算全息的 - 1级衍射波相结合, 系统的波前残余误差 的均方根 ( RM S )值可以
1) 是在一个椭球面 ( - 1 < k < 0) 的基础上 增加了四、六次项的高次非球面;
2) 口径大, 相对口径也很大, 已经超过了 1;
3) 非球面度 及其变化 量、法 线像差也 都较 大.
对于这样一个高次非球面镜, 用普通的检测
方法很难达到较高的精度.
这里采用上面介绍的透镜补偿和计算全息相
结合的方法检测这个大口径高次非球面镜. 首先
息干涉图的原理, 所要记录的图案即为所要再现
的光波 (其位相函数为 < ( r ) ) 与沿 y 轴成 A角传
播平面光波相干涉的条纹.
设 参 考 平 面 光 波 可 以 表 示 为 exp{j2Psin
ay /K},
其载频 1 /T = sinA/ K. 为避免 - 1级衍射波和 - 2
级衍射波发生重叠, 应有
图 1 高次非球面检测光路
其原理如下: 来自 ZYGO 干涉仪的球面波经
透镜 3形成倾斜的近似平面波 ( 相对于计算全息
4而言 ), 该波面照射在计算全息图 4 上, 波面经
计算全息 4后, 其 - 1 级衍射光 波经过透镜 5、7
后, 再现出与被检理想非球面面型相同 的波前.
光线沿被检理想非球面各点的法线照射到实际被
径 ) = 425 mm, D /f (相对口径 ) = 1. 08; Dmax (最 大非球面度 ) = 0. 035 mm; Dcmax (最大非球面度 斜率 ) = 10. 69 K/mm, $max (最大法线像差 ) = 9. 89 mm. 这几个 参数 反映 了非 球面检 测的 难
度.
由上可知, 检测该高次非球面的难度如下:
35 K9
35
46 K9
46
图 3 系统残余波像差
所用计算全息的参数为 < ( r) = 2P(A r2 + B r4 + Cr6 ),
其中 A = 11867e - 5; B = - 31891e - 8; C =
- 11819e - 12. 图 1中两个空间滤波器 2、6的位置与大小如
下: 1)滤波器 2在距透镜 3左 边 210121 mm 处, 口径 d = 4 mm; 2 ) 滤波 器 6 在 距透 镜 5 右 边 115189 mm 处, 口径 d = 5 mm.
利用计算机模拟出的 计算全息 板如图 4 所 示, 它的最大空间频率为 fm ax = 1 061p /mm, 这很 容易制作, 且能达到较高的制作精度 [ 6] .
图 4 计算全息的模拟图
3结 论
1) 检测光路中采用 ZYGO 数字干涉仪, 能实 时快速、高精度检测非球面.
2) 透镜补偿和计算全息结合共同再现理想 非球面波前, 该波前由实际被检非球面返回, 返回 波前直接反映了被检非球面的误差.
1 /T \ 115By, By = 2My,
vy
=-
1 2P
5U( x, y ) 5y
.
m ax
式中: By 为 < (x, y ) 在 y轴方向的带宽; My 为 < (x, y ) 在 y 轴方向的最大空间频率. 一般取 1 /T =
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115By = 3My, 这时恰好刚刚能完全分离 - 1与 - 2 衍射级次, 使它们互不重叠. 图 2是各衍射级次
Abstract: A new m ethod for com pensating w avefront error is put forw ard to test large- aperture and high-o rder aspheres by using ZYGO interferom eter, wh ich uses the comb ination of a lens com pensator and a com putergenerated hologram ( CGH ) . Exam ples show that for the large- aperture and high-order asphere w ith f / number of 1: 1108, the root m ean square ( RM S) value o f its residual w ave front erro r can be w ith in 0101K by com b-i n ing a sim ple tw o p iece o f lens and the first negative order d iffracted w avefront of a CGH as a w ho le compensato r. T he resu lt show s that th is m ethod holds the characterist ics of al-l purpose and high precision, and overcom es localizations of other m ethods. K ey w ord s: high-order asphere; lens com pensation; CGH
第 37卷 第 2期 2 0 0 5年 2 月
哈尔滨工业大学学报 JOURNAL OF HARBIN INST ITUTE OF TECHNOLOGY
V o l1 37 N o1 2 Feb. , 2005
利用 ZYGO干涉仪进行非球面检测技术研究
龙夫年, 郭秀梅, 刘剑峰
(哈尔滨工业大学 航天学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)
目前, 电子绘图仪的精度得到了大幅度提高, 使得计算全息的制造更加容易, 人们也更广泛的把
收稿日期: 2003- 05- 30. 作者简介: 龙夫年 ( 1954 - ) , 男, 高级工程师.
计算全息应用于非球面检测. 计算全息法是一种 很有前途的高精度非球面检测方法, 其最大特点 是: 不需物体的实际存在, 只需物波的数学描述, 在 制作工艺技术满足的条件下, 原理上可生成任意波 面 [ 3, 4] . 但一般只用来检测非球面度较小的非球 面, 因为随着非球面度的加深, 计算全息板上所要 绘制的条纹很密; 要达到较高的检测精度, 这无疑 会使计算全息的制作变的复杂, 且费用昂贵.
Technical study for testing of aspheres by using ZYGO interferom eter
LONG Fu-n ian, GUO X iu-m e,i L IU Jian- feng
( Schoo l o f A stronau tics, H a rbin Institute o f T echno logy, H arbin 150001, Ch ina)
3) 设计时透镜补偿部分采用简单的一、两片 球面镜, 加工、检测方便; 计算全息板的条纹不是 很密, 制作容易且精度高. 简单的两部分结合起 来可以检测深度大口径高次非球面.
参考文献:
[ 1 ] 伍 凡. 非 球 面零 检 验 的 反 射 式 O ffne r 补偿 器 设 [ J]. 应用光学. 1998, 19( 5): 13- 15.
2 检测设计实例
这里所要检测的高次非球面的面形方程为
z= 1+
cy2 1- (k +
1) c2y2
+
B4 y4
+ B 6 y6.
式 中: c = - 1 /17321323, k = - 01445 957,
B4 = 51945 535 9E - 12B6 = 21771 781 7E - 18. 该高次非球面的其他参数为 h (被检镜半口
表 1 设计数据
半径
间隔
口径 玻璃 倾斜
2101 208
R1
8201 877
111 5
R2
1311 75
5
CGH
In f in ity
5
R3
2051 852
15
R4
- 951 429 2421 794
R 5 - 3 2881 724
15
R6
- 3731 34 15831 858
35 K9
35
35
21 5b
图 2 衍射级次的分布
采用透镜补偿和计算全息结合的检测方法, 是用简单的计算全息和简单的补偿光学系统相结 合的方式代替单一而复杂的计算全息法或补偿光 学法. 设计一个简单的光学透镜补偿器来补偿被 检高次非球面产生的大部分像差, 在此基础上, 光 路中放置计算全息, 使其与透镜补偿器相结合以 实现完全补偿被检非球面产生的像差. 由于投射 到计算全息上波前与透过波前之间的波面变化不 大, 这样的计算全息制作简单, 精度较高. 两者结 合起来, 比较容易达到较高的检测精度, 实现对深 度高次非球面面形的定量检测.