摘要:总结了常用非球面光学元件的检验方法的分类及其特点，提出了满足大口径高次非球面的高精度检测方法的基本要求，重点分析了细光束干涉测试方法及其在大口径非球面高精度检测方面的应用.
引言
现代高科技的挑战带动了光学技术的不断发展，在非球面光学系统应用方面尤为突出。空间光学及激光光束控制等技术领域中，大口径非球面光学元件已成为起支撑作用的关键部件。采用非球面，可使光学系统减轻20一30%重量，对空间应用所获得的经济效益是相当可观的;激光光束控制领域，采用非球面，可简化光学系统的结构，改善系统的光学质量，使激光发射系统能满足作为高功率密度载体的激光控制与定向等相关技术要求，获得强激光在目标上的高能量集中度并可靠提取高精度的目标跟踪信号。高精度非球面光学元件的制造所面临的最大问题在于对非球面的高精度检测。大口径高次非球面，可给应用者提供更大的设计自由度，但面形的高精度检测是对光学检测技术的一项新的挑战。传统的星点、刀口检验法，受人为因素影响很大，难以作出客观定量的评价;而一些专用的检测设备，受设备和工作环境所限制，也难以用于此类光学元件的加工检验和最终评价。因此，采用较为通用的检测方法进行大口径非球面光学元件的高精度检测，是解决此类光学元件的加工检测和象质评价问题的一个重要途径。
1光学非球面的检测
光学非球面的逐步应用带动了光学非球面检验方法的逐步发展。从传统的星点、刀口检验到现代的干涉测试。以及面形轮廓的直接测量和哈特曼光阑检验等常用的非球面检验方法，各自具有不同的特点和应用场合。
1.1非球面光学元件的检验方法分类及其特点
非球面光学元件的检验可分为定性检验和定量检测两大类。定性检验的常用方法有星点法和刀口检验，其要求的测试装置简单，调整方便，使用比较广泛。但检验结果的判定，受人为因素影响很大，需相当丰富经验的专职人员才能给出比较准确的结论，因而，对大口径非球面的高精度检测，定性检验缺乏精确的检验结果，难以胜任。这里主要讨论定量检测方法，非球面面形可直接或间接进行定量检测。表面轮廓仪是直接测试面形的一种简单、直观且成本相对较低的方法，采用机械或光学探头对被测面进行扫描。主要缺点在于需大量扫描数据来产生一个完整的扫描图象，特别对大口径光学元件更是如此。
由于探头测试速度有限，完成一个此类元件的检验会花费很长时间，因而，环境条件的变化就会引入测量误差。此外，大口径要求扫描范围大，对扫描探头运动导轨的精度要求很高，将大大提高成本。因此，表面轮廓仪用于大口径非球面的检测需进一步改善性能。非球面间接定量检测可采用干涉测试或光阑波前取样测试，都是对经过非球面的波前进行测试。或采用光学补偿器将非球面转换成理想的球面或平面，对生成的球面或平面波前进行测试;或直接对非球面波前进行测试，然后解释干涉图或处理光阑波前取样数据，获得被测面形的定量结果。对于大口径高次非球面，间接定量检测方法有很大的局限性。其一，光学补偿器制造精度要求很高，必须与非球面加工精度匹配，且要求安装位置精确;每个非球面需专用的光学补偿器，补偿器结构复杂性随被检验非球面的相对孔径和直径的增大而增加。补偿系统的高精度要求和专用性，使元件的加工检测成本大大提高。其二，直接解释非球面干涉图或处理光阑波前取样数据也存在着许多问题，特别对高次非球面，不同的面形，干涉图样特征和测试数据处理结果也不同，给出定量测试结果也相当困难。
1.2大口径高次非球面的高精度检测方法要求
对大口径高次非球面高精度加工检测和性能评价方法具有严格的要求。
(l)测试精度要求
测试系统首先必须满足空间系统和激光光束控制等领域对面形提出的刀10(入取可见光波长)左右的精度要求。
(2)环境适应性
高精度光学元件的测试要求十分苛刻的环境条件，加工现场无法满足，在加工过程中，很难得到实时或准实时的测试数据来指导元件的修磨而保泛胭工进度;另外，环境因素的影响造成不同场合进行测试得到不同的评价结果，对光学元件的检测缺乏一个统一的评价标准。因此，提高测试系统的环境适应性，使之降低对温度、振动和空气扰动等环境因素.的敏感程度，是对测试系统提出的另一个严格要求。
(3)测试范围
大口径光学元件的测试需要大的测试范围:高次非球面面形变化较二次非球面更大，对整个表面细节进行测试要求能够测试的非球面偏离范围尽可能大。
(4)快速数据测试和分析
大测试范围所要求的测试和分析数据量也很人，要求测试系统具有快速数据测试和分析的能力;快速测试的实现，也可降低对测试系统环境适应性的要求。采用高速计算机系统进行数据的测试、控制和分析，使得快速数据测试和分析成为可能。
(5)测试系统的通用性
为避免每个非球面需要一个对应的测试装置进行检测，要求测试系统具有通用性。非球面检测是非球面制造的一个重要环节，采用通用测试系统，可节省检测设备的昂贵开支，降低生产成本，促进光学非球面的应用和发展。
2大口径镜面检测用细光束干涉测试系统
大口径镜面检测用细光束干涉测试系统是借鉴一种同步辐射光学元件面形的在线测量方法来考虑的。该方法可获得被检表面面形绝对值，现场工作条件下，在180mm长度上测量，测出了
的畸变值，测试精度和重复性达，相当于
2.1测试系统基本原理
(1)细光束干涉测试原理
细光束干涉测试的基本光学布局如图1所示。一准直激光细光束通过由一分束器和两块立方棱镜组成的光束分离器，产生一对平行的间距可调准直相干光束;其间距大约取lmm左右，这对光束经过另一分束器之后，被分成两对细光束:其中一对到待测反射镜，进行表面的倾斜角度测量，称之为测试光束;另一对到基准反射镜，用于校正测试系统的某些系统误差，称之为校正光束。
当测试系统对一个待测表面进行测试时，测试系统沿被测表面扫描;测试光束对的两条细光束之间的光程差随待测表面的倾斜角变化而发生变化，对应于CCD探测器上的干涉条纹的位移，测量出这个位移，就可以计算出表面的倾斜角度。如果被测表面相对于与光轧‘垂直的平面硕斜a角度，则从该表面反射的光束将倾斜“2a’，角度。通过一个东题f的F一e透镜后，焦面cCD探测器上条纹位置的移动距离d为
测试光束对整个待测表面进行扫描，可得到表面倾斜角的连续变化，由于两细光束之间距离是己知的，我们就可连续计算出各测试点的高度变化值。
对待测表面进行测试的同时，校正光束从基准反射镜上反射回来得到另外的干涉条纹，这是某些系统误差所产生，从上述测试玩果中修正这些误差可获得更高的测试精度。
2.2测试系统的基本结构及其工作原理
图2为采用上述原理而设置的一个大口径非球面测试系统的基本结构。
测试系统中，光学头固定在测量系统机座上，采用五棱镜沿导轨运动来完成对待测表面的扫描。光学头出射两路细光束对—测试光束对和校正光束对。测试光束对经反射镜和扫描五棱镜，沿被测表面扫描测试:校正光束通过导轨前端的固定五棱镜，垂直投向与待测表面同一转台上安置的基准反射镜。测试时，扫描五棱镜在待测表面中心与外圆之间来回移动，进行一系列的扫描，移动距离扫描导轨上的长光栅传感器给出，计算机控制系统根据事先给定的采样间距对应读取CCD传感器上条纹位置，完成一条扫描线的扫描后，计算机控制测试转台旋转一个给定角度，扫描五棱镜继续扫描，进行下一扫描线的测试，直至整个镜面测试完毕。根据测试数据，获得整个待测表面的三维轮廓图;测试数据与待测表面的理论计算数据进行对比分析计算，可以给出待测表面的误差结果。
2.3测试系统的误差分析
2.3.1误差来源
整个测试系统中，测试转台的误差、扫描导轨的误差、光学头内部F一e透镜的畸变误差以及激光频率不稳定都会给测量结果引入系统误差。
2.3.2误差分析
(l)测试转台误差的影响
测试转台作为待测反射镜测试的载体，其误差(包括转轴与水平面的不垂直及其晃动)会造成测试过程中，转台每旋转一个角度时，整个基面变动一个倾角，这个倾斜误差将叠加在测试数据中。系统设置时，基准反射镜与待测反射镜一同安置在测试转台上，倾斜误差在测试光束和校正光束中都会以干涉条纹的移动反映出来，可采用适当的修正方法从测试结果中消除转台误差所引起的倾斜误差。
(2)扫描导轨误差的影响
由于扫描导轨较长，其前端位于待测反射镜中心上方，很难另加支承固定，为一悬臂梁结构，导轨自重会产生变形;此外，导轨表面误差等，会使扫描座基准面发生变化。为消除这类误差的影响，采用了五棱镜取代常用于转折光线的直角棱镜。五棱镜具有将入射光束准确偏转900的特性，这样，由于导轨误差造成五棱镜微量转动时，出射光束方向不变，可减小扫描导轨误差所产生的影响。
(3)透镜畸变误差的影响
采用透镜将相干光束聚焦到ccD探测器象面上，要求满足成象的理想象高等于焦距f与视场角(弧度值)乘积的条件，即另外，要求整个象面为一平面，对于单色光成象的象质要求接近衍射极限。通常，照相物镜的理想象高为透镜设计是通过调整光学系统的畸变达到的要求。由于畸变误差，仍难以完全满足的要求，这样就会引入一个难以补偿校正的非线性误差。对此所能采取的对策有两条:其一，光学设计和加工装配中严格控制象差的精度要求，尽可能减小畸变误差;其二，对透镜进行准确标定，标定值贮存在计算机中，用于对结果进行修正。
(4)激光频率误差的影响
由于测试过程中细光束对的两条光束不可能具备精确等光程条件，激光频率随外界温度和工作条件变化带来的漂移就会造成CCD探测器上干涉条纹位置发生移动，给测量带来系统误差。
为减小激光频率漂移，除对环境条件提出严格要求外，局部小环境亦是改善的办法之一。测试前对激光器预热，使其周围达到热平衡，或给激光器加一个隔热壳体。这些措施能有效地减小激光频率漂移。另外，采用高速器件和高速计算机进行探测处理，缩短检测时间，既可防止环境条件造成的频率漂移对测试精度的影响，又可及时获得测试结果，对提高系统的整体性能有很大的好处。
结束语
本文从实用角度提出了一种大口径高次非球面高精度面形检测方法，给出了测试系统基本结构布局，对误差来源及影响进行了定性分析。作为一种通用测试手段，该系统可在加工现场完成多种光学面形的直接测量，具有较大的测试范围和一定的精度。该方法可得到定量测试结果，能确定测试点在镜面上的位置，因此可作为计算机控制光学表面成型加工系统的一种定量检测工具。对该测试方法的进一步分析以及具体测试系统的设置及实验工作将结合今后的光束控制技术研究项目来开展。‘
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基金项目:中科院出国留学回国人员择优支持基金.
作者简介:张孟伟(I962一)，男(汉族)，湖北大悟人，副研究员，从事光电工程技术研究.
