大尺寸光学反射镜加工的挑战

大尺寸光学反射镜加工的挑战

大尺寸光学反射镜对许多光学系统起关键作用,它广泛用于各种重要的光学系统中。加工高性能大尺寸光学反射镜,需要满足一系列严格要求,给光学制造商提出了很多挑战。

当涉及到远距离多光谱光学系统时,大尺寸光学反射镜起到不可或缺的作用。这种光学系统可用于国防应用、监控和监测以及商业应用。例如,大尺寸光学反射镜可以集成到飞行器的光学系统中,如大型无人机系统。利用红外线对农田温度进行远距离空中监测是一项有趣的商业应用。大尺寸光学反射镜最常见的应用是航空航天行业:用于卫星和望远镜。

反射系统通常具有较长的焦距,可对数十公里的目标进行远距离监控。反射式望远镜可利用一个或多个轴上或轴外镜来产生高分辨率图像。 许多望远镜及其他使用大尺寸光学反射镜的光学系统均是采用透镜和反射镜组合的折反系统,可以最大限度地进行像差校正,从而获得更大的视场角。

大尺寸光学反射镜的形状多样,包括球面到非球面、抛物线或自由曲面。可用于广泛的光谱,包括可见光、紫外光和红外光。镜面由铝 (Al)、硅 (Si)、锗 (Ge) 和铜 (Cu) 等材料制成。

制造这种反射镜给光学厂家带来一系列挑战。首先是球面、非球面、抛物线、自由形态等面型的精度问题,能够达到局部 0.2 个光圈要求加工厂家并不多见,离轴反射镜更是大大增加了在加工、测试和系统装配方面的挑战。

大尺寸光学反射镜通常用于多光谱应用,因此它们必须在较宽波长范围内具有较高性能。这意味着光学面必须达到很高的光洁度,减少光的散射,特别是在可见光波长、40Å RMS 以下条件下使用时。此外,随着探测器分辨率提高,对表面光洁度的要求也是越来越高。

为满足严格的技术要求,光学制造商必须采用最前沿的技术。 Ophir使用先进的 CNC 磨削和抛光以及金刚石车削来生产高度精确的精密表面。目前Ophir 可以生产直径达 700mm 的轴上或离轴球面镜、非球面镜、抛物面和自由曲面。Ophir大尺寸光学反射镜的曲率半径公差为 0.05% ,不规则度小于 0.5Fr(P-V),RMS 小于 0.1Fr RMS(632.8nm He-Ne Laser),粗糙度小于 40Å RMS。Ophir 还有多种反射镀膜专利,每种都是针对为光谱性能和表面耐久性而设计的。

光学设计

面型对光学性能的影响,举例如下:
我们考虑采用全反射式设计,类似于经典卡塞格林望远镜,f 数为 f/3.4。

有效焦距 (EFL) 与物理长度的比率较大时,这种反射系统最具优势。例如,EFL 为 1000mm,仅光学器件的总长度为 200mm。这种 5:1 的比例在折射系统中并不常见。

波长为 500 纳米时,在每毫米 100 线对 (lp/mm) 条件下,系统 的 MTF 为 0.7,接近衍射极限。

在简单的全反射情况下,EFL 与长度之比为 5:1,场曲率较大,在轴外场位处有明显的像散。从 MTF 图中可以看出,0.25° 场的性能大大降低。 所举例子仅用于说明,而非实际设计。

为使像面平坦,需要加入折射元件。典型解决方案是 Schmidt 校正板,将其放在主镜前方,与副镜的轴向位置大致相同。另外副镜和图像之间的折射元件可以同时校正像差, 改变 焦距。系统中折射元件的缺点在于限制了波长光谱,并带来色差。

反射元件的表面图形对高分辨率系统极为重要。由给定表面不规则反射引起的波前误差量是由同一表面反射引起的波前误差量的两倍以上。为模拟表面不规则性和成像分辨率性能之间的关系,我们在主镜上应用 Zernike 标准 11 项。

画出五种代表性案例的中心场 MTF 与 RMS 表面误差的图象。

在高分辨率的可见光系统中,仅 0.02μ 的 RMS 误差就已经很明显;这相当于 λ=633nm 测试波长条件下的 0.03λ RMS。对于 4μm 波长区域的红外系统,系统的衍射极限更低,因此可以允许高达 0.1μ 的 RMS 误差。

生产加工

生产大型精密反射镜具有很大的挑战性。Ophir设计部与加工部通力合作,提供最佳方案。首先是原材料选择,尤其是金刚石车削铝镜的原材料选择。我们通常推荐专有铝合金材料 RSA 6061,其多用于多光谱应用。这种材料可以容易达到较好的光洁度,而传统的 6061铝难以达到。虽然光洁度在红外系统中通常没有明显的影响,但较好的光洁度对可见光和 短波红外 应用至关重要。且RSA 6061 的比传统的 AI 6061 强度更高。

另一个关键的设计方面在于镜面背面必须实现无应力安装。装配时镜面不得有任何应力作用光学表面。在示意图中通常有靠近镜面的孔螺纹,很可能导致图像扭曲,因此必须留有足够的镜面面积,将镜面装夹在设备上。

另一个核心问题是生产环境。与锗等其他金刚石车削材料相比,铝的热膨胀系数相对较高 (αL=~26m/moC)。因此,生产区域必须进行温度控制和抗震隔离。

实际上,金刚石车床也是一台非常精密的CNC车床,可以在满足非常苛刻的公差要求的同时达到关键的机械尺寸。例如,图 A 中的距离 “d” 可能是凹面镜中心与平面安装面之间的距离,由于两个表面可以用同一工具制成,因此距离 “d” 可以在几微米以内。由于这种表面的平整度和粗糙度较高,因此可以实现高精度装配。

清洗是生产过程中的另一个重要环节。在检测和镀膜前,我们必须对车削后的元件进行仔细彻底的清洗去除镜面外观上的污渍。

生产过程中最关键的问题也许是精确测量。之前抛物面一直是大尺寸光学反射镜的首选面型,这种特殊的圆锥轮廓可以用自准直法测量。理论上,抛物线本身也会减小球差。典型的自准直系统由干涉仪、标准镜和带中心孔的大平面镜组成。但是,这些系统组成部分的内在偏差会增加总体误差。通常可以通过相当复杂的校准和归零操作可以弥补内置误差可以。 Ophir 则利用精密 Fizeau 传输球来减少这些内在误差。自准直系统的另一个缺点是不适于测量曲率半径,测量结果较为粗略。测量没有中心的镜面时,自准直系统的缺点更为明显。

近年来,设计从单纯的抛物面逐渐转向各种非球面,因此光学车间必须提供用于测量各种非球面镜的多功能工具。Ophir有一台 Zygo VFA Asphere,可随时精确测量大多数大型非球面镜。测量没有中心的镜面时,Zygo VFA 需要一个虚拟的plug,虽然对检测增加了一些不确定性,但是曲率半径的测量结果精度高。

对于尤为特殊要求时,我们通常使用 CGH(计算机生成全息图)或 DFNL(衍射式 Fizeau 无光透镜)。这两种方法都可以对非球面镜进行极其精确的测量。这些工具增还可以同时测量曲率半径和表面不规则度。与其他非球面测量方法相比,对于 F#>1 的曲面,DFNL 的一个明显优势是,DFNL 本身是检测非球面时需要的唯一组件。对于这些表面,DFNL 能够折射和准直光线。

我们熟练的操作人员能够使用干涉测量输出数据来创建反馈校正程序。这些操作依赖于高度精确的过程,具有非常高的确定性。”测量校正”功能是 Ophir 最强大的武器之一。能否顺利使用这项功能取决于测量过程的准确性和不确定性。通常,测量校正功能只能校正对称误差。因此,无法解决安装应力或热问题等不对称的问题。

在图 B 中,我们可以看到 Φ190mm 铝镜的效果。使用本公司先进的工具和设备,实现了球面像差小于 0.02λ RMS 。通常情况下,镀膜工艺会影响结果。在这些情况下,我们必须在计算中考虑这种影响。


图 1.0:带有中心遮挡的主镜干涉图。测得表面误差:0.115λ P-V,0.019λ RMS 在 λ=0.633nm


图 2:铝基板上宽波段保护银镀膜的光谱性能。

Ophir 的一站式解决方案:从设计到生产,确保在整个生产过程中保持极高的品质,进行严格检查和测试,以确保我们的镜面达到预期的高标准。

具有大尺寸光学反射镜的光学系统具有远距离、多光谱的特性,给光学制造商带来了挑战。然而,利用先进的技术可以生产出符合要求的镜面,使镜面达到较高精度,满足当前性能规格。

作者:

  • Nissim Asida 博士,Ophir Optics
  • Dr. Eliyahu Bender, Ophir Optics
  • David Alexander, Ophir Optics

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