中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

大口径非球面，包括正轴非球面、离轴非球面、光学自由曲面等，已经在现代光学系统中得到了越来越广泛的应用。大口径、大非球面度、非旋转对称性等因素都给大口径非球面的检测带来了极大的困难。计算全息元件(computer generated hologram，CGH)具有独特的波前变换作用，已经广泛应用在正轴非球面的零位干涉检测中。为了将CGH进一步应用在大口径离轴非球面和光学自由曲面的检测中，本文研究基于光线逆向追迹的CGH零位补偿检测技术，主要研究内容如下： 

研究基于逆向光线追迹的大口径非球面CGH零位干涉检测技术。针对天文光学领域遇到的大口径正轴环形非球面、正轴方形高次非球面、正六边形离轴二次曲面、扇形离轴高次非球面以及光学自由曲面等不同形状、不同类型的非球面元件，分别进行了CGH零位补偿检测的方案研究。根据待测镜参数的不同，选择不同的方法计算相应的矢高和法向量分布，进而进行三维逆向光线追迹得到CGH补偿相位分布，通过选择不同的相位拟合多项式，根据畸变情况，选择合适的载频方式，从而实现待测镜面的高精度检测。根据三维光线追迹得到的CGH相位拟合残差与Zemax仿真结果一致，波前误差优于千分之一波长，非工作衍射级次得到了有效的分离。 

研究基于CGH的折衍混合补偿检测技术。针对大离轴量长焦距的离轴非球面，提出一种基于计算全息元件的折衍混合补偿检测方案，在传统CGH零位检测中增加一块消球差透镜构成折衍混合检测。消球差透镜实现检测光路的缩焦，计算全息片实现子镜的零位补偿检测。消球差透镜出射波前为与待测非球面子镜中心曲率半径相近的球面波前，可以补偿离轴子镜的离焦量，引入消球差透镜后可以将检测光路总长降至直接进行CGH检测时的1/4至1/8；同时，折衍混合补偿检测可以有效降低由待测离轴非球面法向量不一致造成的干涉图畸变，TMT最外围的离轴子镜畸变比率可由12.5降至1.25，只有CGH直接检测的十分之一，从而使得加工与检测成为可能。通过标准球面反射镜可对消球差透镜和干涉系统误差进行标定，进一步提高待测件的检测精度。针对一Φ330 mm试验镜的检测，完成折衍混合补偿检测的试验，测试结果全口径RMS值由0.0290 λ结果，对测试结果进行标定，消除系统误差，RMS降至0.0267 λ。 

研究了一种非球面零位检测畸变校正技术。针对非球面零位干涉检测中存在的畸变问题，分别针对Offner补偿器法和CGH法这两种非球面零位干涉检测方法，通过光线追迹得到非球面法向光线在Offner补偿器和CGH面上的投影坐标，通过计算得到两种检测方法的畸变系数，对非球面的干涉测试结果进行畸变校正，从而使得测试结果像素坐标与镜面坐标一致，指导非球面的数控加工，该方法已应用于多块大口径非球面主镜的加工与检测。

可视化非球面检测CGH设计程序。针对正轴非球面和离轴非球面的零位补偿检测CGH设计，完成可视化的非球面检测CGH设计的通用程序。该程序从非球面的参数出发，根据非球面的类型，选择不同的计算方法，对非球面的参数进行分析，计算得到待测镜面上各点的矢高和法向量；根据是否需要折衍混合补偿来确定检测光路初始结构，并依次追迹其在光路中各元件上的投影坐标，根据光程差计算得到CGH所需补偿的相位偏差；根据相位函数的特征，选择合适的多项式类型，进行相位拟合，得到相应的设计结果，并生成仿真文件，进行多级衍射级次分析；仅需输入非球面参数即可实现零位补偿CGH的设计，方便快捷，一键式设计。