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高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法

李凌 张家福 陶鑫 于宗伟 李梦旭 王任远 陈西 崔程光 王向东

李凌, 张家福, 陶鑫, 于宗伟, 李梦旭, 王任远, 陈西, 崔程光, 王向东. 高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(5): 20240059. doi: 10.3788/IRLA20240059
引用本文: 李凌, 张家福, 陶鑫, 于宗伟, 李梦旭, 王任远, 陈西, 崔程光, 王向东. 高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(5): 20240059. doi: 10.3788/IRLA20240059
Li Ling, Zhang Jiafu, Tao Xin, Yu Zongwei, Li Mengxu, Wang Renyuan, Chen Xi, Cui Chengguang, Wang Xiangdong. Automated interferometry test of high-cleanliness ultra-smooth aspherical surfaces[J]. Infrared and Laser Engineering, 2024, 53(5): 20240059. doi: 10.3788/IRLA20240059
Citation: Li Ling, Zhang Jiafu, Tao Xin, Yu Zongwei, Li Mengxu, Wang Renyuan, Chen Xi, Cui Chengguang, Wang Xiangdong. Automated interferometry test of high-cleanliness ultra-smooth aspherical surfaces[J]. Infrared and Laser Engineering, 2024, 53(5): 20240059. doi: 10.3788/IRLA20240059

高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法

doi: 10.3788/IRLA20240059
详细信息
    作者简介:

    李凌,男,高级工程师,硕士,主要从事遥感器智能化制造技术方面的研究

  • 中图分类号: TH744

Automated interferometry test of high-cleanliness ultra-smooth aspherical surfaces

  • 摘要: 为了实现应用于高能激光等领域对表面洁净度有着极高要求的超光滑非球面检测,排除检测人员带来的洁净度与空气扰动的影响,研究了高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法。通过建立补偿干涉法非球面失调量与波前像差之间的灵敏度矩阵,实现利用波前像差求解被测非球面失调量。以理想干涉系统的离焦、彗差与像散为优化目标,进行反馈控制,实现被测非球面的自动化调整,进而实现高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。实验结果表明,在干涉图可测范围内,利用灵敏度矩阵通过几步迭代即可实现非球面失调量的收敛。结合Stewart六自由度调整台,分别实现2 μm精度的平移误差调整、2" 精度的光轴自动化对准,最终完成被测非球面的精密调整,实现高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。采用灵敏度矩阵与六自由度调整的非球面自动化干涉检测方法可实现被测非球面失调量的快速求解与自动调整,降低人员和环境带来的扰动影响,提高了非球面的检测速度,并实现了高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。
  • 图  1  非球面自动化干涉检测

    Figure  1.  Aspheric automated interferometry measurement

    图  2  自动化干涉检测流程图

    Figure  2.  Automatic interferometry measurement flowchart

    图  3  补偿干涉系统布局图

    Figure  3.  Layout of compensation interferometry system

    图  4  补偿干涉系统设计波前

    Figure  4.  Designed wavefront of compensation interferometry system

    图  5  Stewart平台与背板。(a)安装在Stewart平台上的一体化背板;(b)被测非球面通过快插接口安装在背板上;(c)安装后的被测非球面、背板与Stewart平台

    Figure  5.  Stewart stage with backplane. (a) Integrated backplane mounted on the Stewart stage; (b) Aspheric surface mounted on the backplane via a snap-in connector; (c) Aspheric surface, backplane and Stewart stage after installation

    图  6  实验装置

    Figure  6.  Experimental device

    图  7  软件界面

    Figure  7.  Software interface

    图  8  测量过程的PVRMS

    Figure  8.  The PV and RMS of measurement process

    表  1  被测非球面参数

    Table  1.   Parameters of aspheric surface under test

    Parameter Value
    Radius of curvature/mm 896.826
    Conic coefficient −0.9630
    Outer diameter/mm 338
    Inner diameter/mm 108
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    表  2  补偿器设计参数

    Table  2.   Parameters of designed compensator

    Surface serials Radius of curvature Thickness/mm Material
    1 208.23 mm 13.00 H-K9L
    2 −108.36 mm 185.70
    3 PLANO 8.00 H-K9L
    4 −348.21 mm 838.57
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    表  3  灵敏度矩阵

    Table  3.   Sensitive matrix

    Aberration ΔX ΔY ΔZ α β
    Tilt X 12.57 0 0 0 −304.78
    Tilt Y 0 12.57 0 304.5 0
    Power 0.07 0.07 27.12 16.99 17.90
    Astigmatism at 45° 0.06 −0.06 0 −14.11 14.11
    Astigmatism at 0° 0 0 0 0 0
    Coma_X 6.55 0 0 0 −159.85
    Coma_Y 0 6.55 0 159.72 0
    Spherical −1.10E-04 −1.09E-04 0.26 −0.66 −0.34
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    表  4  误差设置

    Table  4.   Error settings

    Parameter No.
    1 2 3 4 5
    Misalignment ΔX/mm 0.0548 −0.0332 −0.0910 0.0894 −0.0790
    ΔY/mm 0.0154 0.0448 0.0005 −0.0994 −0.0730
    ΔZ/mm 0.0676 0.0918 −0.0270 0.0530 0.0678
    α/(°) −0.0576 −0.0318 0.0940 −0.0122 −0.0132
    β/(°) −0.0292 0.0998 −0.0908 −0.0440 −0.0474
    Aberration Tilt X 9.585 −30.771 26.460 14.540 13.464
    Tilt Y −17.360 −9.113 28.574 −4.967 −4.941
    Power 2.577 4.492 1.451 1.952 2.232
    Astigmatism at 45° −0.301 1.347 −0.231 0.301 0.207
    Astigmatism at 0° −0.523 0.830 2.254 −0.261 −0.214
    Coma X 5.026 −16.137 13.904 7.624 7.066
    Coma Y −9.107 −4.781 15.011 −2.602 −2.589
    Spherical −4.199E-03 −1.788E-02 −9.320E-02 3.167E-03 8.457E-03
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    表  5  调整结果

    Table  5.   Adjust results

    Parameter No.
    1 2 3 4 5
    ΔX/mm 0.0513(−0.0035) −0.0381(−0.0049) −0.0986(−0.0076) 0.0890(−0.0004) −0.0804(−0.0014)
    ΔY/mm 0.0087(−0.0067) 0.0349(−0.0099) 0.0031(+0.0026) −0.0985(+0.0009) −0.0703(+0.0027)
    ΔZ/mm 0.0675(−0.0001) 0.0916(−0.0002) −0.0269(+0.0001) 0.0533(+0.0003) 0.0678(+0.0000)
    α/(°) −0.0573(+0.0003) −0.0314(+0.0004) 0.0939(−0.0001) −0.0127(−0.0005) −0.0133(−0.0001)
    β/(°) −0.0293(−0.0001) 0.0996(−0.0002) −0.0911(−0.0003) −0.0446(−0.0006) −0.0475(−0.0001)
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    表  6  测量过程与结果

    Table  6.   Measurement process and results

    StepsWavefrontZernike coefficientsAberrations
    (a) Intial state
    PV=8.737
    RMS=2.017
    Tilt X=−0.3329
    Tilt Y=1.6998
    Power=3.3714
    Astigmatism at 45°=0.0319
    Astigmatism at 0°=0.0575
    Coma X=−0.1968
    Coma Y=0.8690
    Spherical=−0.0364
    ΔX= −0.027 mm
    ΔY= +0.135 mm
    (b) After tilt adjustment
    PV=5.691
    RMS=1.610
    Tilt X=0.0175
    Tilt Y=0.0175
    Power=2.9389
    Astigmatism at 45°=0.0293
    Astigmatism at 0°=0.0066
    Coma X=−0.0136
    Coma Y=0.0209
    Spherical=−0.0082
    ΔZ= +0.108 mm
    (c) After defocus adjustment
    PV=0.384
    RMS=0.064
    Tilt X=0.0072
    Tilt Y=−0.0099
    Power=0.0033
    Astigmatism at 45°=0.0360
    Astigmatism at 0°=0.0322
    Coma X=−0.0993
    Coma Y=0.0985
    Spherical=−0.0695
    ΔX= −2.7343 mm
    ΔY= −2.7516 mm
    α= +0.1131°
    β= −0.1124°
    (d) After coma adjustment
    PV= 0.261
    RMS=0.042
    Tilt X=0.0015
    Tilt Y=−0.0014
    Power=0.0018
    Astigmatism at 45°=0.044
    Astigmatism at 0°=−0.053
    Coma X=0.0011
    Coma Y=−0.0012
    Spherical=−0.005
    ΔX= −0.001 mm
    ΔY= +0.002 mm
    ΔZ= −0.001 mm
    α= −0.0005°
    β= −0.0003°
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-02-01
  • 修回日期:  2024-04-07
  • 刊出日期:  2024-05-25

高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法

doi: 10.3788/IRLA20240059
    作者简介:

    李凌,男,高级工程师,硕士,主要从事遥感器智能化制造技术方面的研究

  • 中图分类号: TH744

摘要: 为了实现应用于高能激光等领域对表面洁净度有着极高要求的超光滑非球面检测,排除检测人员带来的洁净度与空气扰动的影响,研究了高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测方法。通过建立补偿干涉法非球面失调量与波前像差之间的灵敏度矩阵,实现利用波前像差求解被测非球面失调量。以理想干涉系统的离焦、彗差与像散为优化目标,进行反馈控制,实现被测非球面的自动化调整,进而实现高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。实验结果表明,在干涉图可测范围内,利用灵敏度矩阵通过几步迭代即可实现非球面失调量的收敛。结合Stewart六自由度调整台,分别实现2 μm精度的平移误差调整、2" 精度的光轴自动化对准,最终完成被测非球面的精密调整,实现高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。采用灵敏度矩阵与六自由度调整的非球面自动化干涉检测方法可实现被测非球面失调量的快速求解与自动调整,降低人员和环境带来的扰动影响,提高了非球面的检测速度,并实现了高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测。

English Abstract

    • 非球面因其自由度高、成像质量好,越来越广泛地应用于现代光学系统,如手机、相机、AR/VR眼镜等数码产品,显微物镜、内窥镜等医疗仪器、天文望远镜、遥感相机、光刻机、激光点火装置乃至激光武器[17]

      随着各类光学仪器的迅速发展,特别是激光点火装置、激光武器、卫星产品,其对洁净度等质量具有高要求的同时,定制型的研制模式也在向模块化、批量化研制快速转变。虽然自动化测试技术在工业生产领域已经逐渐完善,然而激光点火装置、激光武器、卫星产品等自动化测试并没有成熟方案。

      作为光学系统关键部组件,非球面的批量化制造、检测与装调的自动化直接决定了批量化研制的质量和效率,对非球面的自动化检测提出了越来越高的要求[8]

      对非球面的检测方法主要有扫描法、几何光学法与干涉检测法等[911]。扫描法纵向精度高,但横向分辨率一般较低,为了弥补横向分辨率,需要拉长扫描路径,造成单次测量周期长,且如果采用接触式测头会有划伤被测镜的风险[12]。几何光学方法采用几何光学原理进行测量,虽然有无接触与快速测量的优势,但纵向分辨率往往不高[13],难以满足如天文望远镜、遥感相机、激光武器等对非球面精度要求较高的场景。干涉检测因其高精度、无接触、快速、全局的特点成为非球面光学表面的常用检测方法,也是未来发展的主要趋势之一[14]。采用干涉法检测非球面时,往往采用补偿法[15],干涉仪-补偿器-非球面三者之间相对位置的精确调整是补偿法的重要保障。

      补偿干涉法的一般流程如下:1)设计并加工补偿器;2)干涉仪与补偿器对准;3)被测非球面粗对准;4)测量光路精调;5)干涉测量读取面形。测量光路精调是完成粗对准后,失调量较小,干涉图可测量时进行。分析测量波前的球差、彗差、像散等像差,求解失调量,对被测非球面位置与角度进行精细调整,最终消除球差、彗差、像散,即消除干涉仪测量波前受失调量的影响。测量光路精调需要测量人员基于经验的多轮迭代调整,往往是测量周期中耗时最多的环节。

      开展非球面自动化检测可以通过更准确的软件判读与自动调整来有效降低测量时间,通过控制误失调量提高测量的一致性,并为未来的自动化遥感相机等光学系统的自动化生产提供技术支撑。

      在干涉测量读取面形时,测量人员带来的空气扰动会对测量结果产生影响,往往需要施加随机扰动气流,进行多次测量求取平均来抑制测量人员带来的扰动。此外,在对洁净度和表面光洁度要求极高的高能激光领域,检测人员可能引入的颗粒物污染是极高的风险。

      粉尘颗粒物会对强激光系统中的反射镜造成表面损伤,透明颗粒物会造成表面凹坑,增加表面的粗糙度。在透镜表面附着的污染物会造成透镜表面出现凹坑和损坏,使表面质量下降,还可能导致下游光学元器件的进一步损坏[16]

      为了降低测量人员和环境带来的扰动影响,无操作人员的非球面自动化干涉检测亟需实现。自动化干涉检测如图1所示,包含自动化地拾取、安装、测量、拆除、转移。在测量过程中,对非球面失调量高精度地检测与控制是关键。

      图  1  非球面自动化干涉检测

      Figure 1.  Aspheric automated interferometry measurement

      为了实现补偿干涉法中被测非球面失调量的自动求解与反馈控制,文中提出采用灵敏度矩阵求解,采用六自由度平台控制,通过迭代缩小,最终实现高洁净度超光滑非球面的自动化干涉检测的方法。

    • 补偿干涉法非球面面形的测量系统由干涉仪、补偿器、被测非球面组成。补偿器以被测非球面为输入进行设计,以补偿后的波前为优化目标,使之成为可以使用干涉仪直接测量的球面波或平面波。

      实际非球面的测量中,需要对补偿器与被测非球面进行精密调节,使得被测非球面与补偿器光轴实现对准,满足测量精度要求。当补偿器与被测非球面存在失调量时,测量波前无法与被测非球面匹配,测量获得的波前除了受非球面面形误差的影响外,主要受失调量的影响。

      根据矢量像差原理[1719]推导出具有偏心和倾斜的共轴光学系统三阶波像差表达式,如公式(1)所示:

      $$ \begin{split} W =& \Delta {W_{20}}\left( {\vec \rho \cdot \vec \rho } \right) + \Delta {W_{11}}\left( {\vec H \cdot \vec \rho } \right) \sum\limits_j {{W_{040j}}{{\left( {\vec \rho \cdot \vec \rho } \right)}^2}} +\\& \sum\limits_j {{W_{131j}}\left[ {\left( {\vec H - {{\vec \sigma }_j}} \right) \cdot \vec \rho } \right]\left( {\vec \rho \cdot \vec \rho } \right)} +\\& {\sum\limits_j {{W_{222j}}\left[ {\left( {\vec H - {{\vec \sigma }_j}} \right) \cdot \vec \rho } \right]} ^2} +\\& \sum\limits_j {{W_{220j}}\left[ {\left( {\vec H - {{\vec \sigma }_j}} \right) \cdot \left( {\vec H - {{\vec \sigma }_j}} \right)} \right]\left( {\vec \rho \cdot \vec \rho } \right)} +\\& \sum\limits_j {{W_{311j}}\left[ {\left( {\vec H - {{\vec \sigma }_j}} \right) \cdot \left( {\vec H - {{\vec \sigma }_j}} \right)} \right] \cdot \left[ {\left( {\vec H - {{\vec \sigma }_j}} \right) \cdot \vec \rho } \right]} \end{split} $$ (1)

      式中:W为系统波像差;ΔW20为离焦;ΔW11为倾斜;W040为球差;W131为彗差;W222为像散;W220为场曲;W311为畸变;j表示表面j;$\vec H$为视场坐标矢量;$\vec \rho $为出瞳坐标的矢量;$ {\vec \sigma _j} $为表面j的像差中心偏移矢量。

      由公式(1)可以得到以下推论:

      1)离焦和球差仅受光瞳坐标影响,即球差不受元件偏心与倾斜影响,仅受元件在光轴方向的位置影响;

      2)倾斜、彗差、像散、场曲、畸变同时受元件倾斜、偏心与光轴方向的位置的影响,不同像差倾斜与偏心的影响阶次不同。

      灵敏度矩阵法[2021]简单有效,是光学装调中广泛使用的方法。虽然在失调量较大时,像差与失调量的线性关系被破坏,难以使用,但在失调量较小的精调中,像差和失调量的线性关系较好,可以获得较高精度的快速收敛。

      补偿干涉法非球面面形测量光学系统可以视为干涉仪、补偿器、被测非球面三者组成的光学系统,测量时的精调环节可以视为光学系统的精装调。

      在采用透射式补偿器的同轴非球面面形测量系统中,球差主要受干涉仪与补偿器间距影响,离焦主要受补偿器与被测非球面间距的影响,X(或Y)倾斜和X(或Y)彗差主要受被测镜平移和倾斜的影响。

      采用灵敏度矩阵,利用干涉仪测量获得的干涉图对被测非球面失调量进行求解与调整的流程如图2所示。

      图  2  自动化干涉检测流程图

      Figure 2.  Automatic interferometry measurement flowchart

      倾斜像差较大时,调节被测非球面X或Y方向平移;离焦像差较大时,调节被测非球面轴向平移;球差较大时,调节干涉仪轴向位置;当倾斜控制到较小、离焦与球差接近于0后,调节被测非球面的倾斜,使彗差与倾斜最小,完成补偿干涉检测光路的精细调节。

    • 仿真实验中,被测非球面选用一个接近抛物面的长轴二次椭球面,相关参数如表1所示。

      表 1  被测非球面参数

      Table 1.  Parameters of aspheric surface under test

      Parameter Value
      Radius of curvature/mm 896.826
      Conic coefficient −0.9630
      Outer diameter/mm 338
      Inner diameter/mm 108

      以被测非球面参数为输入设计补偿器,补偿器采用平行光入射,由两个球面透镜组成,设计参数如表2所示。

      表 2  补偿器设计参数

      Table 2.  Parameters of designed compensator

      Surface serials Radius of curvature Thickness/mm Material
      1 208.23 mm 13.00 H-K9L
      2 −108.36 mm 185.70
      3 PLANO 8.00 H-K9L
      4 −348.21 mm 838.57

      补偿镜最后一面距离被测镜顶点838.57 mm,补偿干涉系统光路图如图3所示。平行光入射两片球面镜组成的补偿器,出射光为与被测镜匹配的发散光,经被测镜返回后二次进入补偿镜组,形成平面波返回干涉仪。

      图  3  补偿干涉系统布局图

      Figure 3.  Layout of compensation interferometry system

      干涉仪测量波前如图4所示。波前PV值和RMS值分别为0.011λ和0.003λ,波长λ=632.8 nm。

      图  4  补偿干涉系统设计波前

      Figure 4.  Designed wavefront of compensation interferometry system

      可以认为补偿干涉系统为零补偿干涉系统。利用仿真获得灵敏度矩阵,结果如表3所示。其中,Z为光轴方向,X为水平方向,Y为竖直方向,α为绕X轴旋转,β为绕Y轴旋转。

      表 3  灵敏度矩阵

      Table 3.  Sensitive matrix

      Aberration ΔX ΔY ΔZ α β
      Tilt X 12.57 0 0 0 −304.78
      Tilt Y 0 12.57 0 304.5 0
      Power 0.07 0.07 27.12 16.99 17.90
      Astigmatism at 45° 0.06 −0.06 0 −14.11 14.11
      Astigmatism at 0° 0 0 0 0 0
      Coma_X 6.55 0 0 0 −159.85
      Coma_Y 0 6.55 0 159.72 0
      Spherical −1.10E-04 −1.09E-04 0.26 −0.66 −0.34

      对非球面失调量设置五组随机误差,包含主镜三个维度的平移与两个角度的偏摆,对五组随机失调量状态的波前进行Zernike分解,获得对应的2~9项如表4所示。

      以各项参数误差为初始状态,按照自动化干涉检测流程对被测非球面位置姿态进行调整,收敛后调整结果如表5所示,表中括号内为调整结果相对误差设置值的偏差。

      表 4  误差设置

      Table 4.  Error settings

      Parameter No.
      1 2 3 4 5
      Misalignment ΔX/mm 0.0548 −0.0332 −0.0910 0.0894 −0.0790
      ΔY/mm 0.0154 0.0448 0.0005 −0.0994 −0.0730
      ΔZ/mm 0.0676 0.0918 −0.0270 0.0530 0.0678
      α/(°) −0.0576 −0.0318 0.0940 −0.0122 −0.0132
      β/(°) −0.0292 0.0998 −0.0908 −0.0440 −0.0474
      Aberration Tilt X 9.585 −30.771 26.460 14.540 13.464
      Tilt Y −17.360 −9.113 28.574 −4.967 −4.941
      Power 2.577 4.492 1.451 1.952 2.232
      Astigmatism at 45° −0.301 1.347 −0.231 0.301 0.207
      Astigmatism at 0° −0.523 0.830 2.254 −0.261 −0.214
      Coma X 5.026 −16.137 13.904 7.624 7.066
      Coma Y −9.107 −4.781 15.011 −2.602 −2.589
      Spherical −4.199E-03 −1.788E-02 −9.320E-02 3.167E-03 8.457E-03

      表 5  调整结果

      Table 5.  Adjust results

      Parameter No.
      1 2 3 4 5
      ΔX/mm 0.0513(−0.0035) −0.0381(−0.0049) −0.0986(−0.0076) 0.0890(−0.0004) −0.0804(−0.0014)
      ΔY/mm 0.0087(−0.0067) 0.0349(−0.0099) 0.0031(+0.0026) −0.0985(+0.0009) −0.0703(+0.0027)
      ΔZ/mm 0.0675(−0.0001) 0.0916(−0.0002) −0.0269(+0.0001) 0.0533(+0.0003) 0.0678(+0.0000)
      α/(°) −0.0573(+0.0003) −0.0314(+0.0004) 0.0939(−0.0001) −0.0127(−0.0005) −0.0133(−0.0001)
      β/(°) −0.0293(−0.0001) 0.0996(−0.0002) −0.0911(−0.0003) −0.0446(−0.0006) −0.0475(−0.0001)

      五组调整结果与设置结果基本一致,其中平移偏差小于0.01 mm,角度偏差小于3,达到了人工测量时的对准精度,初步验证了方法的可行性。

      这里的偏差主要是波前采样精度与Zernike拟合舍入位数造成的影响,这些误差影响在实际测量中也会体现。

      另外,在实际测量中,被测非球面本身存在一定的面形误差,参考标准镜也存在较小的面形误差,其中,像散、彗差等非回转对称误差会对失调量求解造成一定影响,需开展实验验证。

    • 实验使用的被测镜与补偿镜参照仿真实验,具体参数分别如表1表2所示。

      实验采用一个定制的载重可达50 kg的Stewart平台,如图5所示。平台的XY轴行程范围为±25 mm,Z轴行程范围为±12.5 mm,绕XYZ轴转动行程范围为±5°,最小平移运动增量1 μm,平移重复定位精度±2 μm,最小角度旋转增量1″,角度重复定位精度±2″。Stewart平台具有高负载能力、高精度、高刚性的特点,虽然工作空间有限,但足以满足精调时的位移与角度调节。

      图  5  Stewart平台与背板。(a)安装在Stewart平台上的一体化背板;(b)被测非球面通过快插接口安装在背板上;(c)安装后的被测非球面、背板与Stewart平台

      Figure 5.  Stewart stage with backplane. (a) Integrated backplane mounted on the Stewart stage; (b) Aspheric surface mounted on the backplane via a snap-in connector; (c) Aspheric surface, backplane and Stewart stage after installation

      Stewart平台固定安装一体化测试背板,如图5(a)所示,背板上留有与被测非球面相连的三个快插接口,安装时将被测非球面镜插入锁死,如图5(b)所示。安装后的被测非球面、Stewart平台与一体化测试背板如图5(c)所示。

      实验系统如图6所示。由干涉仪、补偿器和被测非球面镜组成测量光路,4D干涉仪计算机作为上位机进行测量和控制。

      图  6  实验装置

      Figure 6.  Experimental device

    • 将被测非球面安装在一体化测试背板上之后,测试人员离开测试光路,开始自动化测试,自动化检测过程如图2中的流程所示。因为补偿镜为平行光入射,无需通过调整干涉仪与补偿器之间的距离调整球差。软件界面如图7所示,界面中左上图为测量波前,右上表为计算获得的前16项泽尼克系数,左下为更新文件位置与计算获得的旋转与平移量,右下图为去除倾斜和离焦的波前。

      图  7  软件界面

      Figure 7.  Software interface

      实验过程如表6所示。测量初始波前有较大的倾斜,如表6(a)所示。通过调整被测非球面离轴平移调节倾斜像差,得到表6(b)中的波前,此时波前有较明显的离焦,通过调整被测非球面的轴向平移将离焦调小。

      表 6  测量过程与结果

      Table 6.  Measurement process and results

      StepsWavefrontZernike coefficientsAberrations
      (a) Intial state
      PV=8.737
      RMS=2.017
      Tilt X=−0.3329
      Tilt Y=1.6998
      Power=3.3714
      Astigmatism at 45°=0.0319
      Astigmatism at 0°=0.0575
      Coma X=−0.1968
      Coma Y=0.8690
      Spherical=−0.0364
      ΔX= −0.027 mm
      ΔY= +0.135 mm
      (b) After tilt adjustment
      PV=5.691
      RMS=1.610
      Tilt X=0.0175
      Tilt Y=0.0175
      Power=2.9389
      Astigmatism at 45°=0.0293
      Astigmatism at 0°=0.0066
      Coma X=−0.0136
      Coma Y=0.0209
      Spherical=−0.0082
      ΔZ= +0.108 mm
      (c) After defocus adjustment
      PV=0.384
      RMS=0.064
      Tilt X=0.0072
      Tilt Y=−0.0099
      Power=0.0033
      Astigmatism at 45°=0.0360
      Astigmatism at 0°=0.0322
      Coma X=−0.0993
      Coma Y=0.0985
      Spherical=−0.0695
      ΔX= −2.7343 mm
      ΔY= −2.7516 mm
      α= +0.1131°
      β= −0.1124°
      (d) After coma adjustment
      PV= 0.261
      RMS=0.042
      Tilt X=0.0015
      Tilt Y=−0.0014
      Power=0.0018
      Astigmatism at 45°=0.044
      Astigmatism at 0°=−0.053
      Coma X=0.0011
      Coma Y=−0.0012
      Spherical=−0.005
      ΔX= −0.001 mm
      ΔY= +0.002 mm
      ΔZ= −0.001 mm
      α= −0.0005°
      β= −0.0003°

      倾斜与离焦调整结果如表6(c)所示,此时干涉图表现为较为明显的彗差。将平移与旋转组合起来,结合灵敏度矩阵调整彗差,即每次倾斜调整后用平移找回倾斜像差。

      经过多次迭代后,彗差调整结果如表6(d)所示,此时干涉图条纹基本平行,有较小的倾斜与像散。彗差与离焦项基本为零,此时认为调整完毕,对非球面进行测量。

      测量结果如表6(d)所示,PV为0.261λRMS为0.042λ,其中倾斜、离焦、彗差几乎为零,0°/90°像散为−0.053,±45°像散为0.044,球差为−0.005。

      测量过程的PVRMS图8所示。波前PVRMS同步变小,在各个过程中,倾斜像差、离焦像差、彗差逐步降低,通过调整误差的收敛,最终实现非球面自动化干涉检测。

      图  8  测量过程的PVRMS

      Figure 8.  The PV and RMS of measurement process

    • 面向高能激光领域,高洁净度超光滑非球面对自动化干涉检测的需求,文中从同轴光学系统矢量像差原理的三阶波像差表达式出发,分析了补偿法非球面测量中失调量对测量结果的影响,提出了自动化干涉检测方法。该方法利用灵敏度矩阵实现非球面的失调量求解,结合Stewart六自由度平台实现失调量的修正,最终实现了非球面的自动化检测。

      选用一个同轴非球面分别进行了仿真实验与实际实验,均验证了方法的可行性,实现了只需检测人员安装,无需检测人员手动调整的半自动化精调与检测。目前该方法仅适用于初始状态波前可测的精调环节,不适用于无法有效测量波前的粗调环节,拟在后续开展基于远场像点的自动化粗调,使自动化干涉检测得到进一步完善。

参考文献 (21)

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