光学玻璃光学均匀性高精度测量技术

　　1　引　言

　　光学玻璃比普通工业玻璃的质量要求高。光学玻璃的质量检验包括光学性能和光学质量的检验和测试。光学性能包括折射率和色散等光学常数。光学玻璃质量是指熔制和退火过程中的各种缺陷的大小,包括光学玻璃的光学均匀性、应力双折射、条纹、气泡和由杂质等引起的光吸收等。光学玻璃的光学均匀性是指同一块光学玻璃内部的折射率的不一致性,常用其内部的折射率的最大差值表示。光学玻璃的光学均匀性是非常重要的玻璃质量指标,因为它直接影响透射光学系统的波面质量,改变系统的波像差。随着现代科学技术和国防事业的发展,对一些透射光学系统的成像质量要求越来越高,迫切需要有高精度的光学玻璃光学均匀性的检测手段,而现在国内的光学材料生产厂家都没有合适的手段来检测这种高要求的玻璃材料。光学玻璃的光学均匀性检测有定性和定量两类方法,高精度的检测方法主要是定量检测波像差的干涉法。

　　2　三种干涉测量法

　　2·1　直接测量法[1,2,3]

　　如图1所示,把被检测的样品玻璃置于斐索干涉仪的参考平面和一标准平面中间,从标准平面反射的光与参考平面反射的光相干涉。如果样品的表面面形是理想的,检测得到的波面质量就反映了样品玻璃的光学不均匀性。如令样品的光学不均匀性为Δn,检测得到的波相差为w(x,y),样品厚度为t,则

　　从理论上来说,直接干涉测量法测量光学均匀性的精度较高,但它要求样品表面质量也很高。如果要检测的光均匀性的精度为1×10-6,那么对30 mm厚的样品来说,系统的误差(PV值)应小于0·047λ,于是每个面的面形精度都得在λ/25左右。即使是厚度为100 mm样品,如果要求检测精度达到1×10-6,每个面的面形精度也需达到λ/10左右。为避免经常加工高精度的平面,可以精制两块板作贴置玻璃,检测时在样品的表面涂敷折射率与样品的折射率相差不多的折射液,再把样品夹在两贴置玻璃中间。

　　也可以用别的干涉仪如泰曼—格林干涉仪、马赫—泽得干涉仪、剪切干涉仪、刀口干涉仪等来直接测量样品的光学均匀性。图2是一种检测样品的光学均匀性的平板剪切干涉仪示意图。

　　2·2　样品翻转法[2]

　　为避免样品面形的影响,最简单的方法就是分别测量样品的两个表面。样品的前表面容易测量,为测量其后表面,要绕与光轴垂直的轴翻转样品180°。这种方法可以用图3所示的测量系统。

　　测量系统中,假设系统的参考平面误差为S(x,y),样品前表面的面形误差为A(x,y),样品后表面的面形误差为B(x,y),系统后反射面的面形误差为C(x,y),样品的折射率为n0,样品的厚度为t,Δn(x,y)为此样品的折射率变化量(即不均匀性),则