高精度OTF标准望远镜的研制

为了光学计量建标的需要,研制了OTF标准望远镜.它与光刻机镜头和干涉仪标准镜头的重要区别是,其像质不一定要求接近衍射极限,但其调制传递函数(MTF)的量值必须高度准确,并具备长期保存和复现的计量特性.OTF标准望远镜比一般标准镜头的镜片数多,结构复杂,因而研制的难度也大.在整个研制过程中,需要以高精度的光学设计制造和检测技术为基础,严格的质量管理监督体系为保证,也离不开正确的总体设计思想和国内具备高新的光学制造技术单位的大力协作.以下就高精度OTF标准望远镜的设计原则和方法,光学结构参数的测量,MTF的准确计算,MTF测量以及MTF的不确定度评定等关键技术进行论述.

1　设计原则和方法

在光学设计初始阶段,对选定的光学系统结构形式,先按像差目标函数进行自动优化设计,并对每个光学结构参数计算MTF变化量,这些参数包括玻璃折射率、曲率半径、厚度、间隔、光阑大小与位置以及每个镜面的面倾角和局部光圈.根据对现场制造水平的调查统计进行分析,对原光学结构形式和参数不合理部分加以调整,直到光学机械结构参数制造公差宽松而光学系统的波像差水平达到MTF指标的要求.

设计的光学系统如图1所示.其波像差峰谷值为0.5λ,其轴上和轴外的MTF值均在0.3以上,公差做到了光圈1～3,局部光圈0.10～0.15,厚度间隔差2～5μm,倾角2～20″.这样,为加工、装调和检测创造了较为合理和宽松的技术条件.

2　光学结构参数的高精度检测

2.1　光学材料折射率的测量[1]

首先,在精选光学材料的均匀性、应力双折射和化学稳定性达一类指标的基础上,加工出合格的等边三棱镜样品.然后,在精密测角仪上,用准直光垂直样品底边入射,测量经样品对称折射光线夹角ΨA,ΨB,ΨC,通过数值求解超越方程式(1),精确测得各块样品的折射率n.注意保证加工的面形光圈和角度公差的要求,并控制温度在(20±0.5)℃,测量光学材料折射率的扩展不确定度达到3×10^-6.

2.2　光学元件球面曲率半径的测量[2]

采用自行研制的高精度球面曲率半径测定仪,用自准直双星点定焦的原理,精测每块物镜和目镜样板的凹面,其测量不确定度可做到2μm.通过控制与其配对的凸面光圈在(0.05～0.10)之间,从而使物镜和目镜样板凸面的曲率半径的测量不确定度也做到3～10μm.最后,保证了所有光学元件曲率半径公差的要求.

2.3　光学元件面形和镜头波像差的测量

从总体设计考虑,需要对非胶合面的各光学元件面形局部光圈控制在0.05λ之内.因此,在光学加工现场,用ZYGO公司生产的激光数字波面干涉仪,精测每个元件的面形波像差.该仪器可以准确测量峰谷值低于0.05λ的面形和镜头波像差.