φ150mm菲索干涉仪球面标准具结构分析与设计

　　0　引　言

　　随着对高精度光学元件的需求不断增加,对光学检测精度的要求也随之提高。光干涉技术是现代最精密有效的测试技术之一,作为一种高精度、高灵敏度、非接触性的光学测试技术,已经广泛地应用于光学元件表面形状的检测领域。现代干涉技术是基于光电探测、图像处理、计算机技术而发展起来的。基于干涉测量原理,发展了很多种干涉仪,常见的干涉仪主要有:泰曼格林(Twyman Green)干涉仪、斐索( Fizeau)干涉仪、萨瓦(Savart)干涉仪、波错位干涉仪等。其中斐索( Fizeau)干涉仪共光路抗干扰能力强等特点,广泛地应用了光学元件的高精度检测领域。斐索干涉仪是一种高精度光学元件检测设备,其标准具参考面是对光学元件面形进行检测的基准。干涉仪的精度主要取决于其标准具参考面的面形精度。干涉仪的标准镜的面形精度不仅取决于标准镜本身的加工质量,而且与标准镜的装卡方式和环境温度的变化密切的关系。不同的装卡方式和温度变化将会导致标准镜面形的变化。因此对标准具的装卡结构的应力、变形、热的分析对设计标准具机械结构具有重要的意义。

　　至今,国内外相关技术人员已经针对不同类型、不同几何形状及口径、支撑方式、施载荷方式的镜子进行过研究。文献[ 1,2 ]利用有限元方法建立了反射镜的有限元模型并计算了特定支撑情况下的变形。文献[3]采用有限元方法对大型干涉仪镜子在不同垂直支承方式下的表面变形与温度变形进行了分析;文献[4]对棱镜自重变引起的形波面变化进行了研究;文献[5]针对口径为300 mm干涉仪的标准镜,采用有限元方法对其水平状态不同支承方式下的表面变形进行了分析及优化设计;雷江,蒋世磊,程刚等针对不同形状的透镜采用有限元法分析了结构形式与重力变形关系,支撑方式与变形的关系[6];Toshiyuki Takatsuji对300口径的平面标准镜的稳定性进行了分析,并分析了对测量精度的影响;文献[7]分析了平面薄透镜(Φ350mm)在不同厚度下受轴向热膨胀的影响,得到了最优的镜子厚度。

　　根据高精度光学元件面形检测的要求,设计了一种150mm口径,F数为1.5的球面标准具的机械装卡结构,如图1所示。文中详细的讲述了高精度透镜装卡结构的设计要点。同时采用有限元法对设计的装卡结构进行了分析计算。设计出满足要求的干涉仪标准具的装卡结构。

　　1　标准镜装卡结构设计

　　1.1　标准镜组件材料的选择

　　设计高精度干涉仪标准镜时,透镜材料选择主要考虑以下因素:

　　(1)光学元件的线胀系数、比热容及导热系数是影响光学元件成像质量的关键因素。低热膨胀系数、良好的导热性能、微观结构均匀(无气孔、气泡、结石等缺陷)、高弹性模量、低密度、安全无毒、化学性能稳定。