用于柱面镜面形检测的CGH的设计与误差分析

马顺翔++王占山

摘要：

现代X射线掠入射成像式望远镜是由大量的圆柱面超薄玻璃镜面经压制成圆锥面组成的准WolterI型望远镜。为了完成超薄玻璃圆柱面的检测，设计了适用于干涉检测的计算全息图（CGH）。结合CGH的设计制作过程，分析了CGH的基底面形误差、刻蚀占空比误差、刻蚀位置误差、刻蚀深度等误差，并对占空比、刻蚀深度的参数做了具体的分析，通过对制作误差的分析选择了制作参数。采用设计制作的CGH和ZYGO干涉仪实现了X射线望远镜用柱面镜的检测，检测结果达到了柱面镜的使用要求。

关键词：

二元线性光栅； 计算全息图（CGH）； 标量衍射； ZYGO干涉仪

中图分类号： O 436.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.009

引言

掠入射X射线WolterI型望远镜是由一个旋转抛物面和一个旋转双曲面同轴共焦组成，已广泛应用于X射线天文观测中。WolterI型望远镜结构克服了单个旋转对称非球面反射镜因不满足阿贝正弦条件而产生的大轴外像差，能获得高的分辨率。在天文观测中，为了获得大的集光面积，需要采用嵌套式望远镜结构。美国在1999年发射的Chandra望远镜嵌套了4层抛物面和双曲面共焦的镜片，望远镜研制用了十多年才完成加工装配，成本巨大。为了进一步提高集光面积和降低研制成本，国际上采用的望远镜结构均为类WolterI型的圆锥嵌套结构。用圆锥面代替抛物双曲面，可大大降低镜片的制作难度和研制成本，但望远镜理论分辨率在十几个角秒，远小于Chandra望远镜0.5角秒的分辨率。在以通量为观测目标的望远镜研制中，人们普遍采用的是圆锥面组成的望远镜，如日本研制的AstroE天文望远镜[3]。近年来，由于玻璃工业的发展，人们可以采用超薄玻璃进行掠入射X射线望远镜的制作，如美国2012年发射的NuSTAR望远镜采用多层嵌套的圆锥面超薄玻璃镜。在NuSTAR研制过程中，首先研制大量的圆柱面反射镜，在最后的安装时将其压制成圆锥面。在我国X射线时变与偏振望远镜研制过程中，我们计划采用类似方案，即先制作大量的圆柱面反射镜，然后在安装时将其装配成需要的圆锥面。为此，实现玻璃成形的熔融石英圆柱面模具和成形后的超薄玻璃圆柱面面形质量的测试成为高质量圆柱面超薄玻璃生产的关键。

柱面镜面形检测无法直接采用常规的干涉仪完成，若用干涉仪进行检测则需要制作一个柱面补偿器。若用玻璃透镜进行柱面镜补偿器的制作，该透镜中需包含柱面镜，由于其面形精度决定了补偿器的精度，因此这样的补偿器研制十分困难。补偿器也可以采用计算全息图（computer generated hologram，CGH）组成，目前，CGH制作精度较高，CGH光学检测技术已是一种高精度的光学检测技术。近年来，随着光学检测仪器逐步趋向行业标准化，国内开展了CGH光学检测技术方面的研究，在模拟分析和实验中均取得了一定进展[79]。本文设计了柱面检测需要的CGH，并对其制作误差进行了分析，同时完成了基于设计制作的CGH补偿器的圆柱面检验，证明了CGH补偿器可以获得较高的圆柱面测量精度，能够满足国内X射线望远镜用圆柱面的检测。

4结论

根据X射线望远镜对柱面镜的需求，设计了用于柱面镜检测的CGH，分析了相关的误差，得出刻蚀深度为0.45λ，占空比为0.5，最大空间频率为391 条/mm。采用ZYGO干涉仪与CGH组成的柱面镜检测系统，实现了柱面镜的测试，得到了柱面镜面形误差，测试结果表明，研制的柱面镜能够满足X射线望远镜对柱面镜的需要。

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（编辑：刘铁英）