基于子口径二维传感器阵列的大型光学镜面面形测量技术研究

The large aspherical mirror is a core component of the optical telescope. Its surface shape is difficult to measure during fabrication until it is polished because of the large amount of surface variance, the huge aperture and the property unable to reflect the visible light. This problem often reduces the fabrication efficiency greatly. In this project, a highly flexible surface test technique will be researched, which can be used as an on-machine test method for the pre-polished mirrors with large aperture and various kinds of surface types. A 2D array is constructed by tens of probes whose aperture is significantly smaller than the mirror under test, and then calibrated by a standard spherical mirror with the same aperture to improve its accuracy. The full test surface can be divided into dozens of sub-apertures, where each of them can be measured by the probes array. And then the full aperture surface can be retrieved by these sub-aperture data. Therefore, the limitation of the traditional 2D probes array method with sub-aperture, which can be only used to the rotational symmetrical conic surface, can be overcome. In the research scheme, the hive form of the probes array is proposed. Correspondingly, the new sub-aperture dividing strategy, the full aperture surface retrieving algorithm and the error correction method will be studied based on this special array form so that the test efficiency, accuracy and reliability can be achieved simultaneously. The work of this project is potential valuable to the fabrication of large optical telescope with different types of mirrors.

大型非球面镜面是光学望远镜的核心器件之一，在抛光之前的加工阶段，具有面形变化量巨大、对可见光不反射的特点，加上其自身巨大的口径，给检测带来很大困难，从而严重影响加工效率。本课题研究一种高度灵活的镜面面形测量技术，能够对不同种类面形的大型镜面未抛光阶段的面形进行在位检测。该技术将数十枚位移传感器排列成特殊形式的二维阵列，阵列口径显著小于被测镜面；使用与阵列口径相同的标准球面镜对传感器零位进行标定，以保证测量精度；通过对整个测量镜面的子口径划分，使用阵列逐次测量每个子口径内的面形，并以此重构完整面形。因此该方法可以突破现有的子口径二维阵列测量方法只能用于正轴二次曲面的局限性。研究方案中提出蜂巢式的阵列结构，并以此为基础研究新的子口径划分方法、面形重构算法和误差校正方法，从而兼顾测量效率、精度与可靠性。本课题的研究内容有望为不同类型大口径光学望远镜的镜面研制储备关键技术。

本课题目的在于研究一种具有高度灵活性的大型镜面面形在位检测方法，该方法能够对不同种类面形的未抛光镜面进行检测，具有以下特点：接触式测量：不受镜面粗糙度影响，适用于镜面抛光之前的任意阶段的面形测量；相对测量：通过一个与二维阵列口径相同的标准镜对所有传感器的零位进行标定，提高测量精度；子口径测量：测量方法中使用的二维阵列以及标准镜口径均小于被测镜面，有利于实现在位测量和缩减方案成本；在位测量：即测量时镜面保持在加工设备的工位上不动；全覆盖测量：通过对被测镜面进行合理的子口径区域划分，使采样区域覆盖整个被测镜面。本课题完成一台机器人驱动的子口径二维传感器测量阵列实验装置。该装置使用一台六轴工业机器人驱动二维测量阵列，可沿被测件法线方向接触被测镜面表面的任意子区域，各子区域之间设置合理的重叠范围，即可根据多个子区域测量结果重构被测镜面表面面形。其中二维测量阵列由7支蓝牙高精度传感器组成，口径360mm，测量精度达±0.2微米，通过无线模块与计算机接收端通讯，增强了其灵活性。加工完成一块600mm口径的实验镜作为测试对象，经干涉仪检测，该实验镜面形精度RMS值达到0.018波长(即11.39nm)，可视为标准面形。使用实验装置对该样品进行测量，过程中通过三维激光跟踪仪标定了二维测量阵列与被测件之间的相对位置关系以提高精度。总计测量10次(合计70个有效测点)，并使用这10次子区域的面形测量结果重构600mm镜面的整体面形, PV值约1微米。因此，本实验装置实现了微米级的高精度面形测量，基本达成研究目标。本课题研究的测量方法可用于指导天文大镜面加工，这些望远镜的主镜在加工过程中难以移动，且加工设备体积巨大，这就要求测量装置不仅能够实现在位测量，还必须灵活紧凑、不能和加工设备发生空间位置干涉，这些正是本课题实验装置的优点。因此，若能在后续研究中进一步完善该装置，有望对我国未来的先进望远镜建设工程作出积极贡献。

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