瑞奇-康芒两角度检测法的一种波像差解读方法

    0 引 言

    平面光学元件在光学系统中一直占有重要地位。随着光学系统口径的不断增大,对高精度大口径平面光学元件的需求也在不断地增加。平面面形检测最常用的斐索型激光数字干涉仪[1]由于受到标准平面镜头口径的限制,全口径检测能力一般不超过5800mm,并且价格十分昂贵。利用子孔径拼接[2,3]等方法可以利用较小口径的标准平面镜头检测大口径平面元件,但是其检测效率相对较低,不利于指导光学加工。瑞奇-康芒法[4]是一种利用小口径球面镜头和大口径球面反射镜检测平面元件的方法,其球面镜头和球面反射镜的加工难度和成本都相对较低,并且可以实现大口径平面元件的高精度全口径检测。

    1 瑞奇-康芒法的波像差构成

    瑞奇-康芒检测法的光路布置如图1所示。球面镜头的焦点与球面标准镜的球心重合,形成自准直检测。被检平面面形的常数项不是光学检测关注的重点,通常都不予考虑;被检平面的倾斜会导致主光线入射角的偏离,因此不作为波像差的引入因素。因此,干涉仪检测到的波像差可以分解为四部分:球面镜头面形误差、球面标准镜面形误差、被检平面面形误差Z(x,y)以及干涉仪离焦引入的误差。[5]其中,球面镜头和球面标准镜的面形误差可以预先标定,从而作为系统误差予以补偿。

    补偿后的波像差记为W(xc,yc),由被检平面面形误差Z(x,y)和干涉仪离焦两部分组成,

    式中TFamp和TFpos分别为被检平面面形误差到波像差的幅值和位置转换函数;f为干涉仪离焦量;Power为离焦产生的波像差,可以表示为Power=xc2+yc2,如图2所示。

    由式(1)可知,干涉仪离焦产生的波像差与被检平面面形误差之间存在一定的耦合联系TFamp•TFpos,因此单次瑞奇-康芒检测无法对干涉仪离焦进行分离,至少需要两种不同形式的检测,例如被检平面对应不同的主光线入射角或者采用绕其中心轴旋转的不同角度姿态,才能得到被检平面面形误差。对于大口径高精度平面元件,通常需要在特定的支撑状态下进行检测,以克服自身重力变形等因素的影响。这时更多的是采用不同的主光线入射角进行两次或多次瑞奇-康芒检测。下文对这种形式的检测结果进行分析。

    1.1 面形误差到波像差的幅值转换

    按照惯例,主光线与被检平面的交点设为干涉仪检测光瞳坐标系的原点oc,干涉仪焦点与原点的连线方向设为oczc轴,弧矢和子午方向分别设为ocxc轴和ocyc轴,并满足右手法则。被检平面坐标系中,原点o和oy轴分别与oc和ocyc轴重合,ox轴与被检平面的表面平行。如图3所示。