激光束偏转法非球面面形测量和计算

　　1　引　言

　　在光学系统中使用非球面可使系统简化,重量减轻,体积缩小,性能提高。目前,检测非球面的方法主要有激光束偏转法、刀口阴影法[1]和干涉法[2]。但后二者都存在测量非球面时要加补偿器或辅助光学系统,辅助光学系统会引入系统误差。而激光束偏转法[3,4]则存在测量过程复杂,不全面,不直观的问题。本文提出一种综合的激光束偏转法,该方法测量非球面具有通用性强,可测各种非球面,包括二次面形或高次曲面,凸面或是凹面,不需要标准参考面,测量相对孔径大,精度接近干涉法。在这种方法中,因激光束反射角的测量精度对面形精度有着极大的影响,故本文还对激光束反射角的测量作了重点介绍。

　　2　激光束偏转法测量非球面

　　激光束偏转法实质上是一种几何法,通过测量被测面的斜率和被测点的位置计算出被测面形。它的测量方案可有很多种,本文针对不同的非球面,提出了三种测量方案。

　　2·1　平移法

　　平移法的测量原理如图1所示,半导体激光器LD原理图出射的光束经透镜L会聚成为一束角度很小的会聚光束,光束经过非球面反射后,再经分束镜反射到线阵CCD上,由CCD上光斑的位置和其到非球面的距离即可测得表面的斜率β,移动检测台移动频长Δx,可测得非球面上各点的斜率,由公式(1)计算就得到被测表面的面形。

　　这种方法适用于接近平面的非球面或相对孔径较小的表面,D/R <1/10。

　　2·2　转动法

　　转动法测量原理如图2,与平移法所不同,检测台不移动,被测面绕其最佳参考圆的圆心C转动,参考圆以反射光束的最大角度为最小而定,用以减小测量误差。转台带动被测面以一定间隔Δθ转动,从而测得各个点的反射角,经公式(2)计算得到被测面形状。

　　这种方法适用于测量曲率半径较小的表面。

　　2·3　平移转动法

　　当被测面半径较大且相对孔径也较大时,上述两种方法已不适用,需用平移转动法测量,测量原理如图3。测量时,被测面绕其顶点O转动,检测台移动距离xi= Rsinθi,R为最佳参考圆半径,其定义方式与转动法相同,这时光束通过圆心。如果被测面恰为一半径为R的球面,则反射光束原路反回,若为非球面则反射回的光斑位置就会移动,由此可测得反射角度。这种方法同转动法在数学计算上相同。转动法单一的绕参考圆心转动,就可实现光束对表面的扫描,而平移转动法中表面绕顶点转动,检测台需移动来检测表面各点的信息,两者方法实质一样,后者多一个移动。凡是前两种方法不适合的被测面,都可用第三种方法检测。其实第三种方法的测量范围并没有限制,任何被测面都可检测,但因其多了一个运动,将会多引进一项误差,测量也较复杂。用同一台仪器可分别实现三种方法的测量,可根据被测面实际情况选择一种最恰当的方法,以提高测量准确度,简化测量过程。