目前对于光学系统的波像差检测可以通过商用干涉仪来进行,但是如何利用波像差正确地分析光学系统的误差一直困扰着人们。元件的加工和装调误差往往引起光学系统波前像差的增加,如果能够对已经装好的光学系统准确地分析出误差来源,就可大大地加快装调进度,提高系统的成像质量。随着计算机技术的发展,出现了很多光学设计软件如Zemax,Code V,Light Tool等等。利用光学设计软件可以准确分析光学系统的光学特性,并可以模拟失调引入的波前误差。根据光学系统的光学特性和波前信息,可以正确判断加工误差和失调量。本文对主次镜均为双曲面的RC系统进行了分析,通过干涉仪检测可知光学系统波像差主要为像散。由于此RC系统的轴外视场具有较大的像散,不能准确得到误差来源,因此需要进一步的分析才能得到准确的结果。

RC光学系统的波像差采用自准法进行测量,测试原理如图 1所示。调整光学系统与干涉仪之间位置,使干涉仪发出的球面波光束的球心与光学系统焦点重合。球面光束经过光学系统次镜和主镜反射后出射变成平面波,出射光束由一块标准平面镜反射后再次进入光学系统,携带有光学系统被测信息的反射光束进入干涉仪,与干涉仪的参考光束发生干涉,干涉图被干涉仪中的CCD记录,经过数据计算处理后可以获得光学系统的波像差。

图 1

Fig. 1

图 1 光学系统测试原理图 Fig 1 Schematic diagram of the optical system

测试过程中所使用的干涉仪为数字式移相干涉仪。这种干涉仪通过改变被测波前与参考波前之间的位相关系,获得多幅干涉图进行数据处理,具有精度高的优点。光学系统主镜的测量采用补偿镜干涉测量方式,次镜采用Zygo干涉仪环形拼接检测方式。

设计的RC光学系统由双曲面特性的主次镜组成,视场为0°,0.5°,0.8°,图 2展示了这种光学系统的像差特性,可见随着视场的增加波前像差中的像散会增加。此RC光学系统中心遮拦比为0.347,对于此类具有中心遮拦的环孔径波面的传统像差分析需要Zernike环多项式进行拟合,但是干涉仪软件使用Zernike圆 多 项式进行拟合分析,而且Zernike环多项式拟合系数与Seidel像差并没有被广泛的应用。根据文献^{[1, 2, 3, 4, 5, 6]}的论述,对于较小孔径遮拦比的环孔径波面,利用9项Zernike圆多项式进行Seidel像差分析能够接近Zernike环多项式的计算结果。并且Zernike圆多项式计算的彗差和像散像差最接近Zernike环多项式的计算结果,能够被利用进行工程应用。本文波前的Seidel像差是利用9项Zernike圆多项式拟合求取的。

图 2

Fig. 2

图 2 RC光学系统设计报告 Fig. 2 The report of the RC optical system

利用Zemax对RC系统不同视场的波前进行分析,使用9项Zernike圆多项式拟合,参考波长为λ=632.8 nm。0°视场下没有像散和彗差,0.5°视场下具有0.69λ的像散和0.22λ的彗差,0.8°视场下具有1.78λ的像散和0.36λ的彗差。随着视场的增加,波前像散明显增加。

利用干涉仪对此RC光学系统进行波前检测,得到系统波像差如图 3(a)所示:系统像散为16.418 1λ;彗差为1.848 4λ;球差为-2.053 9λ。

可见像散是最大的像差,由于光学系统的轴外视场也有像散,因此必须正确地分析此像差的来源。利用Zemax软件进行轴外视场模拟^{[7, 8, 9]},当像散量达到16λ时,轴外视场达2.4°,波前图如图 3(b)所示,波前已经被明显遮挡。同时干涉检测过程中像散一直居高不下,没有迅速衰减的现象,上述像散数据已是最小值,这可以证明检测中如此大的像散是由系统的加工或装调误差带来的,并不是轴外视场造成的。

图 3

Fig. 3

图 3 实际和模拟波前 Fig. 3 The real and simulated wave front map

对主镜和次镜分别进行面型检测,发现加工的两镜分别带有1.129λ和0.237λ的像散。利用Zemax将这些误差引入理想模型中,得到轴上波前有2.27λ的像散,但是并没有彗差的引入。只对理想模型的主镜加入1λ的像散,轴上波前的像散为1.99λ。只在次镜中加入1λ的像散,轴上波前的像散为1.33λ。可见,主镜面形的像散会对波前像散更为敏感。可以认为主镜中在装调有更大的像散,经分析装调的主镜中有8λ左右的像散。同时认为主次镜之间有3 mm左右的偏心引入了2λ彗差。

将主镜装入镜筒进行波像差检测,发现了7λ左右的像散。经调整消除了像散,并将主次镜之间偏心进行适当的调节,光学系统的像差明显减小,达到了设计要求。

RC光学系统具有轴外视场像散大的特点,难以准确判断测试过程中像散的准确来源。本文利用Zemax对RC光学系统的误差做出了准确的分析,对误差进行了修正。最终装调好的RC光学系统的波像差达到了设计要求。同时,在工程中对于具有较小中心遮拦比环孔径波面,Seidel像差可以利用9项Zernike圆多项式拟合求取。这一结论在本文的实际应用中也得到了很好的验证。