用于柱面鏡面形檢測的CGH的設計與誤差分析

馬順翔++王占山

摘要：

現代X射線掠入射成像式望遠鏡是由大量的圓柱面超薄玻璃鏡面經壓制成圓錐面組成的準WolterI型望遠鏡。為了完成超薄玻璃圓柱面的檢測，設計了適用于干涉檢測的計算全息圖（CGH）。結合CGH的設計制作過程，分析了CGH的基底面形誤差、刻蝕占空比誤差、刻蝕位置誤差、刻蝕深度等誤差，并對占空比、刻蝕深度的參數做了具體的分析，通過對制作誤差的分析選擇了制作參數。采用設計制作的CGH和ZYGO干涉儀實現了X射線望遠鏡用柱面鏡的檢測，檢測結果達到了柱面鏡的使用要求。

關鍵詞：

二元線性光柵； 計算全息圖（CGH）； 標量衍射； ZYGO干涉儀

中圖分類號： O 436.1文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.009

引言

掠入射X射線WolterI型望遠鏡是由一個旋轉拋物面和一個旋轉雙曲面同軸共焦組成，已廣泛應用于X射線天文觀測中。WolterI型望遠鏡結構克服了單個旋轉對稱非球面反射鏡因不滿足阿貝正弦條件而產生的大軸外像差，能獲得高的分辨率。在天文觀測中，為了獲得大的集光面積，需要采用嵌套式望遠鏡結構。美國在1999年發(fā)射的Chandra望遠鏡嵌套了4層拋物面和雙曲面共焦的鏡片，望遠鏡研制用了十多年才完成加工裝配，成本巨大。為了進一步提高集光面積和降低研制成本，國際上采用的望遠鏡結構均為類WolterI型的圓錐嵌套結構。用圓錐面代替拋物雙曲面，可大大降低鏡片的制作難度和研制成本，但望遠鏡理論分辨率在十幾個角秒，遠小于Chandra望遠鏡0.5角秒的分辨率。在以通量為觀測目標的望遠鏡研制中，人們普遍采用的是圓錐面組成的望遠鏡，如日本研制的AstroE天文望遠鏡[3]。近年來，由于玻璃工業(yè)的發(fā)展，人們可以采用超薄玻璃進行掠入射X射線望遠鏡的制作，如美國2012年發(fā)射的NuSTAR望遠鏡采用多層嵌套的圓錐面超薄玻璃鏡。在NuSTAR研制過程中，首先研制大量的圓柱面反射鏡，在最后的安裝時將其壓制成圓錐面。在我國X射線時變與偏振望遠鏡研制過程中，我們計劃采用類似方案，即先制作大量的圓柱面反射鏡，然后在安裝時將其裝配成需要的圓錐面。為此，實現玻璃成形的熔融石英圓柱面模具和成形后的超薄玻璃圓柱面面形質量的測試成為高質量圓柱面超薄玻璃生產的關鍵。

柱面鏡面形檢測無法直接采用常規(guī)的干涉儀完成，若用干涉儀進行檢測則需要制作一個柱面補償器。若用玻璃透鏡進行柱面鏡補償器的制作，該透鏡中需包含柱面鏡，由于其面形精度決定了補償器的精度，因此這樣的補償器研制十分困難。補償器也可以采用計算全息圖（computer generated hologram，CGH）組成，目前，CGH制作精度較高，CGH光學檢測技術已是一種高精度的光學檢測技術。近年來，隨著光學檢測儀器逐步趨向行業(yè)標準化，國內開展了CGH光學檢測技術方面的研究，在模擬分析和實驗中均取得了一定進展[79]。本文設計了柱面檢測需要的CGH，并對其制作誤差進行了分析，同時完成了基于設計制作的CGH補償器的圓柱面檢驗，證明了CGH補償器可以獲得較高的圓柱面測量精度，能夠滿足國內X射線望遠鏡用圓柱面的檢測。

4結論

根據X射線望遠鏡對柱面鏡的需求，設計了用于柱面鏡檢測的CGH，分析了相關的誤差，得出刻蝕深度為0.45λ，占空比為0.5，最大空間頻率為391 條/mm。采用ZYGO干涉儀與CGH組成的柱面鏡檢測系統(tǒng)，實現了柱面鏡的測試，得到了柱面鏡面形誤差，測試結果表明，研制的柱面鏡能夠滿足X射線望遠鏡對柱面鏡的需要。

參考文獻：

[1]KOGLIN J E，CHEN C M，CHONKO J C，et al.Hard Xray optics：from HEFT to NuSTAR[J].SPIE，2004，5488：856866.

[2]WEISSKOPF M C，O′DELL S L，ELSNER R F，et al.Advanced Xray astrophysics facility （AXAF）：an overview[J].SPIE，1995，2515：312329.

[3]KUNIEDA H，ISHIDA M，ENDO T，HIROHIKO Y，et al.Xray telescope onboard AstroE：optical design and fabrication of thin foil mirrors[J].Applied Optics，2001，40（4）：553564.

KOGLIN J E，CHRISTENSEN F E，CRAIG W W，et al.NuSTAR hard Xray optics[J]，SPIE，2005，5900：27.

[5]DEBOO B，SASIAN J.Precise focallength measurement technique with a reflective Fresnelzone hologram[J].Applied Optics，2003，42（19）：39033909.

[6]黃衛(wèi)佳.光學和光學儀器——光學傳遞函數——測量原理和步驟[J].光學儀器，2008，30（1）：9094.

[7]盧振武，劉華，李鳳有.利用曲面計算全息圖進行非球面檢測[J].光學 精密工程，2004，12（6）：555559.

[8]許英朝，周平，張新.三次位相傳播中的波像差及在CGH中衍射級次的分離[J].光學 精密工程，2008，16（11）：21042109.

[9]胡特，張海濤，寵永杰，等.計算全息檢測非球面的模擬計算研究[J].激光雜志，2009，30（1）：4446.

[10]梁柱.光學原理教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[11]BURGE J H.Applications of computer generated holograms for interferometric measurement of large aspheric optics[J].SPIE，1995，2576：258269.

（編輯：劉鐵英）