一种大数值孔径小非球面检测用补偿器设计

　　1　引　言

　　非球面的检测方法有多种,如波带板法、全息法、剪切干涉法、轮廓法等[1-3,7],但是对于小尺寸非球面特别是光盘光学读数头的读出物镜模芯 这类只有几毫米直径,精度要求很高(国外的研究表明其面形精度要求优于0.2μmPV值[5])的非球面来说,适合的检测方法很少,有提到用光学全息法和 计算全息法的[4-5],但由于制作的难度,国内还无法实际应用,国外用的也很少,国外主要是用专为小尺寸非球面制作的一种极坐标的轮廓测量仪,其做法是 把非球面放在一精密转台上,精密转台的轴垂直于最接近球面的轴线且过其球心,当转台转动时相对固定的传感测量头就可测出非球面的极坐标偏差,测头可以是接 触式的,也可以是非接触式的。这种极坐标轮廓测量仪相对于X_Y坐标轮廓测量仪的的优点就是把测量矢高的绝对变化量转化为测量矢高的差分量,但它技术要求 高,花费大,并且只能测母线,不能同时测出整个面的误差情况。我们经过认真考虑(主要是要高精度、调整方便、稳定),准备用光学补偿器法,这种方法可以利 用已广泛实用的Zygo等高精度的数字干涉仪,并且一旦补偿器装校好,其精度稳定可靠。用光学补偿器法的关键是补偿器的设计,本文设计出了一种考虑到加 工、装调等因素影响还能满足使用精度要求的实用补偿器。

　　2　补偿检测法原理

　　图1是一种用干涉仪检测光学元件的例子,这里被测元件为一球面反射镜。在检测时调整球面反射镜使球面反射镜的球心和理想会聚透镜的焦点重合,如 果反射镜是完好的,当准直光经过会聚透镜到达反射镜时,光波面与被测反射镜面相吻合,这样光线原路返回,在经过会聚透镜后,为理想的准直光,当它与参考准 直光干涉时,就得到理想干涉图。在图1的检验中,如被检镜是非球面,经过会聚透镜形成的球面波到达非球面时就和被测非球面不一致,经过反射镜反射并再次通 过会聚透镜后,就得到非准直的非球面波,因此就不能得到理想干涉条纹,但如果用一个能产生与被测非球面镜准确吻合的非球面波的会聚透镜(补偿器)代替形成 标准球面波的会聚透镜,并且被测镜是完善的时候,经过补偿器后的光波到达被测非球面时由于能与其吻合,反射后原路返回,再次经过补偿器后就成为准直光,当 其与参考准直光干涉时就得到理想干涉条纹,实际条纹与理想干涉条纹的差异就反映了非球面的表面误差。

　　3　被检模芯非球面的分析及补偿器的设计[5-6]

　　如果以z轴为旋转对称轴,并用下面公式表示被测表面:

　　那么第一个被测模芯非球面方程的系数为: