激光干涉法检测大口径抛物面反射镜

　　0　引言

　　随着光学制造技术、精密机械加工技术的发展,使非球面应用越来越广泛.非球面光学元件的加工和应用中,对其表面面形的精确测量是非常重要的:从某种意义上说,没有与加工准确度相适应的高准确度检测技术,非球面的高准确度和超高准确度加工就难以实现.非球面检测技术制约了非球面在光学系统中的应用[1].

　　干涉法中的零位补偿法具有准确度高、稳定等特点,但在检测大口径非球面时,补偿器要采用大量的辅助光学组件[2],致使结构复杂成本增加.本文用干涉仪直接检测非球面,用波面拟合及相减技术把从干涉仪获得的被检测波面与计算所获得的理想波面作波面相减,获得非球面面形误差.这种方法简化了非球面的检测过程,而不需要额外的零位补偿器的加工和检测,降低了检测成本,缩短了检测时间,在非球面度t<10μm范围[2]内能对二次回转非球面达到直接检测的目的.

　　1　测量原理

　　设ZYGO干涉仪测量所获得的波面为W1(x,y),通过波面拟合得到的理想波面为W2(x,y),非球面的实际面形误差(以波差表示)为ΔW(x,y)

　　1.1　激光干涉法的基本原理

　　设参考波面复振幅为Er(x,y),位相为φ1(x,y);被检非球面的波面复振幅为Et(x,y),位相为

　　式中a,b为常量,W(x,y)是被测件的波差函数,l为参考镜改变光程差,k为波数,k=2π/λ.W(x,y)含有被检面面形误差信息.

　　W(x,y)的测量由ZYGO干涉仪实现,ZYGO干涉仪结构如图1,由激光光源,分束系统,参考光路,测试光路,波面探测系统和数据处理系统组成测量中压电陶瓷推动参考镜作匀速平移,使参考面的相位匀速变化,则在参考波面相位匀速变化的一定范围内,光电探测器接收到的干涉场中(x,y)点处的光强信号Ii(x,y,li)代表了该点光强的积分平均值

　　式中1/Δ是归一化因子,以保证平均积分信号与积分域Δ无关;li为积分域中心处的光程位移量.将式(4)代入式(5)积分后可得

　　如果光电探测器在一个周期内采样次数为n=4,且按1/4周期作等间隔采样,四次采样的光强分别为I1,I2,I3,I4.则可求得干涉场中(x ,y)点处波差为[3]

　　由W(x,y)可求得W1(x,y).

　　1.2　表面绝对检测技术

　　为了提高W1(x,y)测量准确度,引入表面绝对检测技术.由于干涉法直接检测非球面(如图1)过程中,光路中各种透镜不同位置的面形偏差也不可避免地混合在测量结果中.为了消除这些偏差,将绝对测量法引入对非球面测量中,并将得到的面形数据再进行波面相减,得到非球面的面形偏差.