干涉仪准直系统波前质量检测

　　0 引 言

　　光学平面干涉仪是一种高精度的光学检测仪器,在大光程的光路中, 由于误差传播的影响, 其准直光路中平行光束波前质量将会直接影响最终测量结果。因此必须采用光束波前质量检测。

　　平行光的检验方法有很多种,传统上常用精度较高的自准直法[1]。自准直法是在被测光束前加一平面反射镜, 使反射像和分划板在一个平面内以实现自准直, 该方法除采用自准瞄准光路, 还需要一块平面度极好且有效口径大于平行光口径的平面反射镜, 加工此镜的标准表面, 不仅难度极大, 而且周期长, 且准直精度也受平面镜面形误差的影响。因此该方法只适用于调校小口径的平行光。

　　近年来, 提出多种检测光束准直性的技术, 大致可归为剪切干涉法[2]以及利用塔尔波特(Talbot)自身成像与莫尔现象[3]两类。剪切干涉法以干涉条纹与基准线平行作为光束准直性的基准,而非准直光束的干涉条纹与基准线之间将存在一个倾角。该法需要平面度和材料均匀性都要好且有效口径大于平行光口径的剪切板, 故也只适用于调校小口径的平行光。

　　塔耳波特成像法中当光栅由一单色准直光束照明时,在垂直于光传播方向的特定平面内将形成准确的光栅自身像。若在光栅自身像处放置第二块光栅,则可观察到叠栅条纹。光束的非准直会引起叠栅条纹的变化。反之,由叠栅条纹的变化,即可检测光束的准直性。这种方法不需要参考标准波面, 但需先确定基准方向, 共需两次瞄准, 因此准直精度会受瞄准误差的影响。

　　国内外相继开展有关高精度、大口径光学平面束的检测工作, 其中夏克- 哈特曼方法[4]已成为常用的方法, 用此方法进行平面束的标定原理简单,操作方便、可靠, 但被测口径很大时, 夏克- 哈特曼光阑制作难度大, 造价也很高, 且理论精度较低, 不适用于中小项目光学系统的光束检测。

　　为了以低成本、高分辨率对大口径、高精度的光学系统中准直光束波前质量进行测试, 采用五棱镜扫描法逐条测试大口径某一方向上出射波面法线的微小变化量, 从而实现大口径波前质量的测试。

　　1 测试原理[5]

　　如图 1 所示, 采用一个质量较好的五棱镜和直线度高的导轨, 将被测区域划分成有限个子孔径, 利用一个小口径的五棱镜依次测量并计算出各子孔径的光斑质心, 得到各子孔径的质心偏移后就可以计算出波面上各采样点的斜率, 而这些斜率值就是待测波面在采样点的一阶导数值, 再通过一重积分, 就可求得待测波面。

　　设一维波面的采样点为 x0, x1, x2, xn, 采样点 xn的质心值为 δxn, 中心采样点 xi的质心值为 δxi,则: