【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，光學(xué)系統(tǒng)先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院)張學(xué)軍院士研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種基于等效曲面的CGH檢測(cè)精度校驗(yàn)方法，采用小口徑高精度輪廓儀實(shí)現(xiàn)了超大口徑非球面反射鏡CGH補(bǔ)償元件標(biāo)定，精度優(yōu)于λ /150(λ=632.8 nm)。
目前，該成果以“Accuracy verification methodology for computer-generated hologram used for testing a 3.5-meter mirror based on an equivalent element”為題發(fā)表在Light: Advanced Manufacturing。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所博士生徐凱為論文第一作者，研究員胡海翔、張志宇為論文通訊作者。論文分別從精度檢驗(yàn)原理分析以及實(shí)驗(yàn)方面驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)在CGH精度檢驗(yàn)方面的有效性，保障了大口徑非球面反射鏡的高精度和高可靠性檢測(cè)。
CGH補(bǔ)償干涉檢驗(yàn)
在光學(xué)元件的超精密加工中，檢具是用于控制表面形狀精度的專用檢測(cè)工具，檢具的測(cè)量精度直接關(guān)系光學(xué)元件的面形加工質(zhì)量。作為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的超精密核心部件，大口徑非球面反射鏡的表面形狀往往要求達(dá)到納米級(jí)精度，如此極端的要求對(duì)控制其表面形狀精度的檢具提出了超高要求。
面向大口徑非球面反射鏡的面形精度檢測(cè)，使用計(jì)算機(jī)生成全息圖(CGH)的補(bǔ)償干涉檢測(cè)技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的唯一且精度最高的檢測(cè)方法(圖1)。這種技術(shù)通過(guò)借助CGH檢具產(chǎn)生任意需要的參考波前，以實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面和自由曲面的高精度干涉檢測(cè)。顯然，CGH檢具的測(cè)量精度將直接影響被檢大口徑反射鏡的面形精度。因?yàn)槿狈认喈?dāng)?shù)亩喾椒?yàn)證，自1971年CGH技術(shù)首次應(yīng)用于非球面面形檢測(cè)以來(lái)，對(duì)其測(cè)量精度的標(biāo)定技術(shù)一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
圖1 超大口徑非球面反射鏡CGH干涉檢測(cè)示意圖
精度標(biāo)定難點(diǎn)
針對(duì)CGH檢具的測(cè)量精度標(biāo)定，廣泛使用的方法主要包括制造誤差分析、雙CGH檢驗(yàn)、以及復(fù)合相位CGH檢驗(yàn)等精度估計(jì)方案，這些方案并不能對(duì)CGH檢具的實(shí)際衍射波前進(jìn)行直接檢驗(yàn)。
比較檢驗(yàn)是一種直接的精度檢驗(yàn)方法，通過(guò)使用兩種及以上檢測(cè)技術(shù)測(cè)試同一光學(xué)元件，測(cè)量結(jié)果之間的差異能夠直接反映測(cè)量精度的可靠性。然而，對(duì)大口徑非球面反射鏡的對(duì)比檢驗(yàn)往往缺乏精度相當(dāng)?shù)亩喾椒▽?duì)比測(cè)量技術(shù)。輪廓檢測(cè)法是一種具有潛力的高精度檢測(cè)技術(shù)，受測(cè)量口徑的嚴(yán)重限制，目前無(wú)法用于大口徑非球面反射鏡的面形檢測(cè)。
非球面波前演化實(shí)現(xiàn)等效曲面設(shè)計(jì)
為突破口徑限制，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于等效元件的CGH檢具測(cè)量精度校驗(yàn)方法。該技術(shù)方案主要包括等效元件制造、比較檢驗(yàn)和精度驗(yàn)證三個(gè)部分。通過(guò)模擬非球面波前傳播過(guò)程，設(shè)計(jì)小口徑等效元件(口徑約減小一個(gè)數(shù)量級(jí))，使其在自準(zhǔn)直測(cè)量光路中與超大口徑非球面反射鏡完全等效，進(jìn)而采用小口徑高精度輪廓檢測(cè)等效元件傳遞的非球面波前基準(zhǔn)，解決超大口徑非球面反射鏡CGH補(bǔ)償元件的精度校驗(yàn)難題。
為了驗(yàn)證上述CGH精度校驗(yàn)方法的有效性，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)一個(gè)有效口徑為225毫米的CGH檢具進(jìn)行了精度校驗(yàn)，該檢具用于檢測(cè)一個(gè)3.5米非球面反射鏡。為了盡量減小等效元件的口徑，研究人員選擇在檢測(cè)光路中靠近CGH的位置設(shè)計(jì)并制造3.5米非球面反射鏡的等效元件(圖2)。該等效元件的有效口徑為281毫米，通過(guò)金剛石車削及拋光技術(shù)制造，并分別使用CGH檢具和LUPHOScan高精度輪廓儀進(jìn)行了比較檢驗(yàn)。
圖2 基于等效元件的CGH檢具測(cè)量精度校驗(yàn)方法示意圖
CGH檢測(cè)精度校驗(yàn)
對(duì)于來(lái)自不同儀器的測(cè)量結(jié)果，分析兩者之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)差值面形誤差圖是評(píng)價(jià)面形一致性的常用方法。采用CGH干涉補(bǔ)償法和高精度輪廓檢測(cè)法，分別檢測(cè)等效曲面元件的面形精度，結(jié)果均優(yōu)于RMS 10 nm(圖3)，但兩者點(diǎn)差結(jié)果僅優(yōu)于RMS 6 nm。基于這一結(jié)果，研究人員發(fā)現(xiàn)僅使用差值面形誤差的RMS值來(lái)評(píng)價(jià)一致性是不全面的，盡管兩個(gè)誤差圖在某些區(qū)域的形狀特征具有一致性。
圖3 (a)CGH檢測(cè)結(jié)果；(b) LUPHOScan輪廓儀檢測(cè)結(jié)果；(c)二者點(diǎn)差分布圖
通過(guò)面形誤差成份分析，使用CGH檢具和LUPHOScan輪廓儀測(cè)量得到的面形誤差表現(xiàn)出了優(yōu)異的一致性，兩者之間的差異在任意單一Zernike項(xiàng)上均小于1 nm(RMS)。另外，研究人員還使用RMSD分析了兩者在全頻段上的一致性(圖4)。兩者檢測(cè)結(jié)果在全頻段上表現(xiàn)出了良好的一致性，尤其是在中低頻段，兩者之間的差值面形誤差的平均值為4 nm。進(jìn)一步，通過(guò)基于正交假設(shè)的實(shí)際面形誤差估計(jì)表明，300 mm口徑CGH補(bǔ)償元件的標(biāo)定精度達(dá)到4 nm，精度尺度比達(dá)到1.1 ppb。
圖4 面形誤差空間頻域分析曲線
總結(jié)與展望
本文報(bào)道了一種超大口徑非球面反射鏡CGH檢測(cè)精度校驗(yàn)方法，通過(guò)在對(duì)比檢驗(yàn)中使用等效元件解決了測(cè)量口徑限制問(wèn)題。通過(guò)設(shè)計(jì)并制造3.5米非球面反射鏡的等效元件，采用小口徑高精度輪廓儀實(shí)現(xiàn)了CGH補(bǔ)償元件標(biāo)定，精度優(yōu)于λ /150(λ=632.8 nm)。該技術(shù)為CGH檢具的精度驗(yàn)證提供了可行的解決方案，確保了大口徑非球面反射鏡的高精度和高可靠性檢測(cè)。
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