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一种针对超大口径凸非球面的面形检测方法

张海东 王孝坤 薛栋林 张学军

张海东, 王孝坤, 薛栋林, 张学军. 一种针对超大口径凸非球面的面形检测方法[J]. 中国光学, 2019, 12(5): 1147-1154. doi: 10.3788/CO.20191205.1147
引用本文: 张海东, 王孝坤, 薛栋林, 张学军. 一种针对超大口径凸非球面的面形检测方法[J]. 中国光学, 2019, 12(5): 1147-1154. doi: 10.3788/CO.20191205.1147
ZHANG Hai-dong, WANG Xiao-kun, XUE Dong-lin, ZHANG Xue-jun. Surface testing method for ultra-large convex aspheric surfaces[J]. Chinese Optics, 2019, 12(5): 1147-1154. doi: 10.3788/CO.20191205.1147
Citation: ZHANG Hai-dong, WANG Xiao-kun, XUE Dong-lin, ZHANG Xue-jun. Surface testing method for ultra-large convex aspheric surfaces[J]. Chinese Optics, 2019, 12(5): 1147-1154. doi: 10.3788/CO.20191205.1147

一种针对超大口径凸非球面的面形检测方法

doi: 10.3788/CO.20191205.1147
基金项目: 

国家重点研发计划 2016YFB0500100

详细信息
    作者简介:

    张海东(1993-), 男, 江苏盐城人, 博士研究生, 2015年于盐城工学院获得学士学位, 主要从事光学面形检测和衍射元件设计加工等方面的研究。E-mail:zhanghaidong93@hotmail.com

    王孝坤(1980-), 男, 江苏丹阳人, 博士, 研究员, 2003年于徐州师范大学获得学士学位, 2008年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位, 主要从事先进光学制造技术等方面研究。E-mail:jimwxk@sohu.com

  • 中图分类号: TQ171.6;O435.2

Surface testing method for ultra-large convex aspheric surfaces

Funds: 

National Key Research and Development Program of China 2016YFB0500100

More Information
  • 摘要: 本文提出了一种改良的检测方法用于实现对超大口径凸非球面反射镜进行高精度的面形检测。该方法利用计算机再现全息和照明透镜混合补偿,实现对超大口径凸非球面的高精度检测。首先,对该方法的基本原理进行了分析和研究;然后,以一块口径为800 mm的超大口径凸非球面为例,进行了子孔径规划和检测光路中相关光学元件的设计;最后,以中心子孔径为例,系统分析了该检测装置的敏感度。仿真实验结果表明:计算全息补偿器的设计残差均方根值小于0.001 3 nm,该检测系统的综合检测精度可以优于6 nm RMS。结果表明该检测系统满足超大口径凸非球面反射镜高精度面形检测的要求。
  • 图  1  检测光路示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of detection light path

    图  2  非球面的非球面偏离量(a)及偏离量斜率(b)

    Figure  2.  (a)Asphere departure and (b)asphere departure slope of the aspheric surface

    图  3  针对上述口径800 mm(R/3.75)凸非球面的子孔径规划图

    Figure  3.  Subaperture layout of the large convex aspheric surface with D=800(R/3.75)

    图  4  (a) 中心子孔径的检测设计光路图;(b)各干扰衍射级次在焦平面的分布情况;(c)中心子孔径的设计残差图

    Figure  4.  (a)Design of the configuration used to test the central subaperture; (b)disturbing diffraction orders separated on the filter plane; (c)design residual of central subaperture

    图  5  (a) 外围子孔径的检测设计光路图;(b)各干扰衍射级次在焦平面的分布情况;(c)外围子孔径的设计残差图

    Figure  5.  (a)Design of the configuration used to test the outer subaperture; (b)disturbing diffraction orders separated on the filter plane; (c)design residual of the outer subaperture

    表  1  凸非球面的结构参数

    Table  1.   Structure parameters of the convex aspheric surface

    顶点曲率半径/mm 非球面系数 口径/mm 材料
    3 000 -0.937 800 SiC
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    表  2  中心子孔径检测系统及相关光学元件的参数

    Table  2.   Central subaperture detection system and parameters of related optical components

    CGH主要参数 数值/mm 检测系统主要参数 数值/mm
    离轴偏移量 20.077 L1 3 800
    CGH厚度 10 L2 4 600
    CGH主区域口径 168 L3 40
    CGH最小线宽 39.7 μm
    (0, 2) 1.2 照明透镜参数 数值/mm
    (2, 0) 1.2
    干扰级次与光轴的距离 (1, 0) 4.0 中心厚度 40
    (1, 2) 4.0 曲率半径 1150
    (-1, 3) 5.8 口径 420
    (3, -1) 5.0 材料 BK7
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    表  3  外围子孔径检测系统及相关光学元件的参数

    Table  3.   Outer subaperture test system and parameters of related optical components

    CGH主要参数 数值/mm 检测系统主要参数 数值/mm
    离轴偏移量 27.44 L1 4 000
    CGH厚度 10 L2 4 200
    CGH主区域口径 194 L3 40
    CGH最小线宽 36.5μm
    (0, 2) 1.2 照明透镜参数 数值/mm
    (2, 0) 1.2
    干扰级次与光轴的距离 (1, 0) 13.5 中心厚度 40
    (1, 2) 14.0 曲率半径 1 150
    (-1, 3) 6.0 口径 420
    (3, -1) 5.5 材料 BK7
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    表  4  中心子孔径检测系统中光学元件加工、调整的敏感度分析

    Table  4.   Processing and adjustment sensitivity analysis of optical components in central sub-aperture detection system

    参数 允差 波前误差(λ)
    L1 10 μm 0.000 15
    L2 10 μm 0.002 7
    L3 10μm 0.001 5
    CGH倾斜量 X 1 μm 0.000 4
    Y 1 μm 0.000 4
    CGH偏心量 X 1 μm 0.001 9
    Y 1 μm 0.001 9
    透镜倾斜量 X 1 μm 0.007 3
    Y 1 μm 0.007 3
    透镜偏心量 X 1 μm 0.003
    Y 1 μm 0.003
    透镜中心厚度 10 μm 0.000 9
    透镜凸面曲率半径 5 μm 0.009
    透镜面形误差 1/100λ 0.004
    透镜材料折射率均匀性 2×10-6 0.003
    CGH综合误差 - 0.007
    其余误差 - 0.001
    综合 - 0.017
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    表  5  拼接检测系统的最优检测精度

    Table  5.   Optimal detection accuracy of the testing system

    参数 允差 波前误差(λ)
    L3 10 μm 0.001 5
    透镜中心厚度 10 μm 0.000 9
    透镜材料折射率均匀性 2×10-6 0.003
    CGH综合误差 - 0.007
    拼接误差 - 0.004
    综合 - 0.008 8
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    WANG X K, ZHENG L G, ZHANG B ZH, et al.. Testing of large aspheric surfaces by subaperture stitching interferometry[J]. Journal of Applied Optics, 2009, 30(2):273-278.(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2009.02.021
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-28
  • 修回日期:  2018-12-23
  • 刊出日期:  2019-10-01

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