光干涉方法在角度偏差测量中的应用

　　0 引 言

　　平面光学元件中除色散棱镜等少数元件, 绝大多数元件( 如光楔、光学棱镜等) 的角度偏差测量均可归类为小角度测量。对于角度偏差在分级的元件, 通常用自准直望远镜( 或称为自准直测角仪) 检测; 高精度光楔与棱镜的角偏差可达秒级, 采用光干涉方法测量, 精度可达 0.1″。因为光楔的精密测量方法已有很多报道[1- 3], 且商用数字干涉仪( 如 ZYGO GPI xp) 已　　提供楔镜平行差的自动测量软件, 故文中主要讨论采用光干涉技术对棱镜光学平行差的测量方法。

　　1 波长调谐移相法测量光学平行差

　　1.1 棱镜光学平行差测量方法

　　绝大多数光学棱镜均可以展开成等效玻璃平板,由于棱镜角度偏差造成的等效玻璃平板的两表面在光轴截面内的不平行称为第一光学平行差, 由棱差造成的在垂直于光轴截面内的不平行称为第二光学平行差。将棱镜置于干涉光路中, 等效玻璃平板前后表面反射的相干光波产生干涉图。通过对干涉条纹的处理, 可计算出棱镜的角度偏差参数。

　　根据海丁格干涉原理[2], 利用激光点光源, 可以方便快捷地获得环形等厚干涉图, 当确定点光源至被测件的距离、试件的等效厚度之后, 只要测出点光源焦点至等倾条纹中心的距离, 即可计算出被测元件的光学平行差。该方法对测量环境要求不严, 而且精度较高, 适用于批量棱镜的现场检验。但干涉条纹中心不易定位, 故难于实现自动化。

　　通常, 根据平行光等厚干涉的原理测量棱镜光学平行差。由等效玻璃平板前后表面产生等厚干涉条纹, 条纹的疏密与方向即反映了第一、第二光学平行差的大小。目视测量时, 通过估读 x、y 方向的条纹数量, 可计算试件的光学平行差。当采用计算机处理干涉图时, 一般需要先从干涉图中提取出波差面数据,然后采用最小二乘法用平面拟合波差面, 该平面的法线方向与出射光线的方向一致, 由此可计算出被测棱镜的第一、第二光学平行差。

　　获取干涉图中所包含的波面信息是光学平行差自动测试的关键技术。由干涉图提取波面数据可以通过条纹法与移相干涉术实现[2]。条纹法提取单幅静态干涉图中条纹中心的位置与波差信息, 其图像处理的算法复杂, 通常通过人机交互的方式操作, 不易实现自动化。通过在参考波面与测试波面之间连续引入等间隔的位相差( 通常为 !/2) , 根据移相干涉算法可计算出波差面。该方法测量精度高, 可实现自动测量, 数字干涉仪是目前最普遍采用的方法。

　　数字干涉仪一般通过压电陶瓷堆( PZT) 匀速推动参考镜等间隔位移, 在参考与测试波面之间产生位相差, 从而实现移相。对于棱镜的等效玻璃平板所产生的干涉图, 由于平板的前后表面之间的光程差是固定的, 无法产生机械位移, 故在采用 PZT 移相方法的干涉仪中, 无法对棱镜的光学平行差做自动测量。文中采用波长调谐移相技术, 在光程差不变的情况下,通过微调干涉仪的工作波长引入位相变化, 从而实现棱镜平行差的移相干涉测量。