针对米级大口径卧式平面干涉仪的绝对检验方法

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种针对米级大口径(1m以上口径)卧式平面干涉仪的绝对检验方法。

背景技术：

1、大口径光学平面在高功率激光、太空望远镜等领域需求增加，制造难度也逐渐提高。传统的光学平面检验方法主要是基于相对检验原理，即将反射平面与参考平面进行比较，但这种方法存在着误差累积。为进一步提高检测精度，提出了绝对检验方法。它通过多次测量和复杂数学运算分离参考面和测试面，得到测试面的绝对面形。这种方式不仅提高了检测精度，还降低了干涉系统中参考平面的加工精度要求。

2、在绝对检验方法中，液体平面法、三平晶互检法、两平晶互检法是常见的方法。具体包括经典三面互检法、fritz提出的zernike多项式拟合法、奇偶函数法、两平晶三面互检法、斜入射法、旋转平移法等。对于大口径卧式干涉仪来说，液体平面法显然无法满足要求；三平晶互检法，其测量步骤涉及光学平面的大幅翻转和旋转操作，检测过程复杂且繁琐，且由于大口径平面重量问题，旋转操作会影响大口径平面的应力分布，导致面形发生变化，这会对测量结果产生影响。此外，大口径平面的加工制造难度大，拥有两个透射平晶的难度高；两平晶互检法中的旋转平移法仅需两个平面就能实现绝对检验，且测量精度高，是较为实用的一种绝对检验方法，但需要解决几个问题，包括平晶旋转后如何与理想位置对齐，以及平晶旋转后自身的面形变化。

3、进行旋转平移绝对检验法的过程中，光学平面的平移不可避免的会引入倾斜误差，这将导致检测结果中的离焦项求解不准确。目前消除倾斜误差的方法可分为两类：对于小口径平面，可以采用液面基准法，利用液体始终保持水平的性质，消除由平移引入的倾斜误差；对于较大口径平面，则可以采用角度测量装置(自准直仪)或小型干涉仪监视反射镜的倾斜角度变化，并在计算时进行补偿。而对于米级口径以上的平面，如果大口径平面干涉仪的绝对检测精度要达到0.1λ(pv)，由平移过程引入的误差不能超过0.05λ(pv)，相当于倾斜角度误差不能大于0.013角秒。自准直仪(如taylorhobson的新型超高精度自准直仪)的检测精度一般是0.2角秒，显然无法满足测量要求。小口径干涉仪的检测精度一般在0.05λ，相当于倾斜角度变化0.065角秒，大于检测值，也无法满足测量要求。因此，对于米级口径平面的绝对检验来说，测量倾斜角度变化的方法也不再适用。cn112525099a公开了一种大口径平面反射镜的检验装置，其中镜体的承载机构不仅需要固定平面反射镜，还要实现平面反射镜的8次等角度旋转功能。因此，该机构整体结构复杂，且加工难度较大。此外，在平移检测过程中，难以保证反射镜的倾斜角度在±0.013"范围内的微小变化。因此，尽可能减小大口径重力变形和支撑变形的同时，寻求一种结构简单的支撑方式，实现旋转平移的功能，同时能够规避对平移过程中倾斜误差的超高控制要求，则可以用低成本和较高可操作性的方式实现大口径卧式干涉仪的绝对检验。

4、瑞奇-康芒法作为一种大口径平面镜检测中一种常用的检测方法。该方法需要一块面形精度较高的球面镜，并且检测方法直观、易于实现，而且高精度球面镜加工成本低，非常适用于检测大口径平面。然而，在检测时，由于干涉腔较长，气流扰动影响明显，即使进行了上百次的平均测量，还是存在空气温度梯度等问题影响检测结果。为了能快速获取测量结果，采用动态干涉仪进行偏振移相测量，偏振移相利用“空间”换“时间”，相较于传统移相，动态干涉仪获取的波前分辨率较低，测量精度略低于传统移相干涉仪。此外，该方法的光路会倾斜一定角度，因此并不能利用到全口径光束，所得测量结果近似为椭圆，将造成某一方向上的空间分辨率降低，从而导致测量精度下降。

5、尽管瑞奇-康芒法存在上述问题，但离焦作为低频面形，可以从测量结果通过拟合准确得到，有效避免了测量空间分辨率低带来的精度下降问题。因此，融入瑞奇-康芒法对离焦量的测量结果，则可有效规避平移过程中倾斜误差带来的影响，避免使用超高精度的平移机构或测量设备。故本专利提出结合瑞奇-康芒法和旋转平移法二者的检测结果实现对米级大口径卧式平面干涉仪的绝对检验。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种针对米级大口径卧式平面干涉仪的绝对检验方法，以解决在高测量精度和低成本条件下米级大口径卧式平面干涉仪的绝对检验问题。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种针对米级大口径卧式平面干涉仪的绝对检验方法，步骤如下：

3、步骤1、设计圆形的轻量化平面反射镜。

4、步骤2、共第一光轴依次设置米级大口径的斐索型移相干涉仪、透射平晶和轻量化平面反射镜，其中轻量化平面反射镜设置在支撑机构上，支撑机构固定在平移导轨的滑块上，利用旋转平移绝对检验法，获得丢弃离焦面形后的轻量化平面反射镜的面形信息。

5、步骤2-1、绕轻量化平面反射镜的中心法线方向进行6次等间隔旋转，记录每次旋转角度下的测量结果，将0°角的测量结果与6次测量结果的平均值作差得到轻量化平面反射镜的旋转非对称面形信息；

6、步骤2-2、将轻量化平面反射镜转至0°角，再将轻量化平面反射镜沿x方向进行平移，平移量为轻量化平面反射镜直径的10％～20％，将平移前后的测量结果作差得到轻量化平面反射镜的旋转对称面形信息。

7、步骤2-3、结合轻量化平面反射镜的旋转非对称面形和旋转对称面形信息，得到丢弃离焦面形后的轻量化平面反射镜的面形信息。

8、步骤3、利用瑞奇-康芒法，获得轻量化平面反射镜的离焦面形信息：

9、步骤3-1、搭建检测光路，测量得到检测光路的系统误差：

10、所述检测光路包括共第二光轴依次设置的动态干涉仪、干涉仪球面镜头和标准球面反射镜。

11、步骤3-2、将轻量化平面反射镜加入检测光路的干涉仪球面镜头和标准球面反射镜之间，旋转轻量化平面反射镜，使第二光轴与轻量化平面反射镜的瑞奇角θ发生变化，测量两个不同瑞奇角下光瞳面的波像差。

12、步骤3-3、将两个不同瑞奇角下光瞳面的波像差分别减去检测光路的系统误差，对应得到两个消除了系统误差的波像差结果，再采用坐标和幅值转换法对两个波像差结果进行处理，得到两个轻量化平面反射镜带调整误差的面形结果，最后对两个带调整误差的面形结果进行误差分离，从而得到轻量化平面反射镜的离焦面形信息。

13、步骤4、利用步骤2得到的丢弃离焦面形后的轻量化平面反射镜的面形信息以及步骤3得到的轻量化平面反射镜的离焦面形信息，得到轻量化平面反射镜的绝对面形，最终实现了对米级大口径卧式平面干涉仪的绝对检验。

14、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

15、(1)针对两平面旋转平移法离焦项面形求解不准确的问题，采用瑞奇-康芒法对面形信息进行补偿。尽管瑞奇-康芒法存在空间分辨率不足的问题，但由于离焦项属于低频面形信息，可以通过对检测结果进行拟合来提取。因此，可以认为所提取的离焦项面形精度不受空间分辨率影响。通过这种方法，面形的绝对检验精度能够达到pv值1/100波长。

16、(2)由于高精度大口径平面的加工难度大、造价昂贵，相比于三面互检法，两平面旋转平移法和瑞奇康芒法组合的形式，所需平面数量少，检测成本低。

17、(3)轻量化设计的平面反射镜镜体轻，重力作用下面形变化小。此外，该镜体采用60°旋转对称的轻量化结构，检测时采用v型支撑方式，其接触面与轻量化结构的筋垂直，受力合理，有效减小了平面由自身重力和外部支撑产生的面形变化，误差不超过2nm；且v型支撑方式采用一对三角块实现，不需要对轻量化反射镜设计和加工额外的机械装置，降低了检测成本。