基于電子自準(zhǔn)直儀的大口徑準(zhǔn)直波前檢測系統(tǒng)*

徐建程,陳 曌,侯園園

(浙江師范大學(xué) 信息光學(xué)研究所,浙江 金華 321004)

?

基于電子自準(zhǔn)直儀的大口徑準(zhǔn)直波前檢測系統(tǒng)*

徐建程,陳 曌,侯園園

(浙江師范大學(xué) 信息光學(xué)研究所,浙江 金華 321004)

為測量大口徑準(zhǔn)直波前的準(zhǔn)直性，開發(fā)了基于電子自準(zhǔn)直儀的準(zhǔn)直波前檢測系統(tǒng).介紹了大口徑準(zhǔn)直波前檢測原理及檢測裝置，分析了主要誤差源.采用800 mm口徑參考面測量系統(tǒng)誤差并進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后，該系統(tǒng)的精度從0.91″提高到0.36″.用該系統(tǒng)測量610 mm口徑相移干涉儀的準(zhǔn)直波前，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該干涉儀的準(zhǔn)直波前處于發(fā)散狀態(tài)，最大發(fā)散角為24.53″.開發(fā)的波前準(zhǔn)直檢測系統(tǒng)能夠滿足大口徑干涉儀準(zhǔn)直波前的檢測要求.

大口徑干涉儀；準(zhǔn)直波前；電子自準(zhǔn)直儀；系統(tǒng)誤差

0 引 言

大口徑光學(xué)系統(tǒng)在天文光學(xué)、空間光學(xué)、地基空間目標(biāo)探測與識(shí)別、慣性約束聚變(ICF)等高新技術(shù)領(lǐng)域都得到了越來越廣泛的應(yīng)用.這些大型光學(xué)系統(tǒng)均采用了很多大口徑高精度的光學(xué)元件，大口徑相移干涉儀是測量大口徑光學(xué)元件的有效工具[1].然而,干涉儀準(zhǔn)直波前的準(zhǔn)直性會(huì)直接影響到其自身的測試精度，因此,必須對(duì)大口徑干涉儀的準(zhǔn)直波前進(jìn)行測試[2-3].另外,在慣性約束聚變(ICF)中，為了實(shí)現(xiàn)大口徑終端光學(xué)組件的遠(yuǎn)場焦斑特性檢測，要求測試光是大口徑準(zhǔn)直光束，但是準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直性會(huì)直接影響遠(yuǎn)場焦斑特性的檢測，因此,也必須對(duì)大口徑準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直性進(jìn)行測試.

目前主要的大口徑準(zhǔn)直波前檢測方法有[4-8]:哈特曼檢測法、剪切干涉法、五棱鏡掃描法.其中哈特曼檢測法[4]需要制造一個(gè)與系統(tǒng)匹配的哈特曼光闌；剪切干涉法需要一個(gè)與被檢系統(tǒng)口徑相當(dāng)且材料均勻性高的剪切板.因此,這2種方法成本都較高.五棱鏡掃描法[5-8]利用五棱鏡使光線折轉(zhuǎn)90°的特性，將準(zhǔn)直過程中的縱向調(diào)焦轉(zhuǎn)化為橫向?qū)?zhǔn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點(diǎn).在本文中，筆者采用五棱鏡掃描法測量大口徑準(zhǔn)直波前以降低檢測成本;采用高精度長行程直線導(dǎo)軌以提高檢測范圍；采用高精度電子自準(zhǔn)直儀實(shí)時(shí)連續(xù)測量以提高檢測精度和效率.先介紹大口徑準(zhǔn)直波前檢測原理及檢測裝置；然后,利用800 mm口徑參考面測量系統(tǒng)誤差并進(jìn)行校準(zhǔn)；最后用該檢測裝置測量610 mm口徑干涉儀的準(zhǔn)直波前.

1 測量原理

如圖1所示，激光器“1”發(fā)出的光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)“2”得到大口徑準(zhǔn)直波前，該波前被五棱鏡“3”和長行程直線導(dǎo)軌“4”組成的掃描采樣系統(tǒng)劃分成有限個(gè)子孔徑波前，子孔徑波前的斜率由電子自準(zhǔn)直儀(“5”,“6”組合)測量得到.這些斜率值就是待測波前在采樣點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)值,通過積分就可求得被測波前[6-8].

圖1 準(zhǔn)直波前測量示意圖

圖2 電子自準(zhǔn)直儀的測試原理圖

電子自準(zhǔn)直儀的測試原理如圖2所示：電子自準(zhǔn)直儀的照明光源將十字線(collimator reticle)照明后經(jīng)分光棱鏡、聚焦透鏡，然后被反射元件反射后再經(jīng)聚焦透鏡、分光棱鏡，最后將十字線成像到電荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)上；通過計(jì)算十字線像中心位置與CCD中心位置的偏離量d，即可得反射元件表面的傾斜角α=0.5 tan-1(d/f)，其中f表示自準(zhǔn)直儀中聚焦透鏡的焦距.同理，若測試的是準(zhǔn)直波前，則準(zhǔn)直波前直接被聚焦透鏡聚焦，通過計(jì)算焦斑質(zhì)心與CCD中心位置的偏離量d，即可得準(zhǔn)直波前的傾斜角α=0.5 tan-1(d/f).因此，該方法可用于測量大口徑準(zhǔn)直波前和大口徑光學(xué)元件的面形誤差.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于電子自準(zhǔn)直儀的大口徑準(zhǔn)直波前檢測系統(tǒng)由掃描五棱鏡、直線導(dǎo)軌和電子自準(zhǔn)直儀組成，如圖3所示，其中掃描五棱鏡的通光口徑為20 mm,表面精度優(yōu)于λ/8(λ=632.8 nm)；直線導(dǎo)軌長度為720 mm，直線度小于100 μm；電子自準(zhǔn)直儀是德國TRIOPTICS公司生產(chǎn)的TA 300-57，其測量精度(系統(tǒng)誤差峰谷值)為0.75″，測量時(shí)隨機(jī)誤差的峰谷值為0.10″.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 系統(tǒng)性能測試及系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)

影響基于電子自準(zhǔn)直儀的大口徑準(zhǔn)直波前檢測系統(tǒng)的誤差源有：五棱鏡的角度和面形誤差；長行程直線導(dǎo)軌的俯仰角、偏擺角和滾轉(zhuǎn)角；電子自準(zhǔn)直儀的系統(tǒng)誤差及測試時(shí)的空氣擾動(dòng)等[5-8].通過分析發(fā)現(xiàn)：前3個(gè)誤差源所導(dǎo)致的測量誤差均屬于系統(tǒng)誤差，其中五棱鏡和電子自準(zhǔn)直儀系統(tǒng)引入的誤差是一個(gè)常數(shù)，它們只改變一維波前斜率的平均值，而不改變一維波前斜率分布；長行程直線導(dǎo)軌的俯仰角、偏擺角和滾轉(zhuǎn)角隨著導(dǎo)軌位置變化而變化，其導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差是一維分布，是大口徑準(zhǔn)直波前檢測系統(tǒng)的最主要系統(tǒng)誤差.空氣擾動(dòng)和系統(tǒng)隨機(jī)噪聲導(dǎo)致的測量誤差屬于隨機(jī)誤差.

為了提高準(zhǔn)直波前檢測系統(tǒng)的精度，必須對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行測量并校準(zhǔn).系統(tǒng)誤差的測量和校準(zhǔn)方法是用該系統(tǒng)測量800 mm口徑標(biāo)準(zhǔn)鏡的參考面，美國4D公司利用三板互檢方法得到該標(biāo)準(zhǔn)鏡參考面的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)分別為λ/12和λ/50(λ=632.8 nm)，面形梯度的峰谷值(PV)為 0.15″.用支架將五棱鏡與電子自準(zhǔn)直儀的中心高度調(diào)整到800 mm口徑標(biāo)準(zhǔn)鏡的中心高度,在計(jì)算機(jī)控制下，使五棱鏡沿直線導(dǎo)軌以3 mm/s的速度做勻速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電子自準(zhǔn)直儀在計(jì)算機(jī)控制下連續(xù)測量，測量頻率為3次/s，這樣就可以得到800 mm口徑標(biāo)準(zhǔn)鏡參考面中心高度處的一維斜率分布.

(a)系統(tǒng)誤差 (b) 隨機(jī)誤差

圖4 系統(tǒng)誤差測量和校準(zhǔn)

重復(fù)上述過程測量8次，得到標(biāo)準(zhǔn)鏡參考面中心高度的一維斜率分布如圖4(a)所示的細(xì)線，其峰谷值為0.76″.8次測量的平均值如圖4(a)中的粗線所示.若不考慮800 mm口徑標(biāo)準(zhǔn)鏡參考面的面形誤差，則8次測量的平均值等效于大口徑準(zhǔn)直波前檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，其峰谷值為0.67″.由于系統(tǒng)誤差在測量過程中保持不變，因此，將每次測量值減去系統(tǒng)誤差，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)誤差校準(zhǔn).圖4(b)是8次測量值減去平均值后的結(jié)果，它對(duì)應(yīng)測量過程中空氣擾動(dòng)等因素引入的隨機(jī)誤差，其峰谷值和均方根值分別為0.210″和0.034″.若考慮800 mm口徑標(biāo)準(zhǔn)鏡參考面的面形誤差，則大口徑準(zhǔn)直波前檢測系統(tǒng)的精度為0.76″+0.15″=0.91″(系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)前)和0.21″+0.15″=0.36″(系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)后)，兩者均小于1″.

2.3 大口徑干涉儀準(zhǔn)直波前測量

干涉儀系統(tǒng)中準(zhǔn)直光束的發(fā)散角會(huì)引入測量誤差,因此,必須對(duì)干涉儀的準(zhǔn)直波前進(jìn)行測量，從而指導(dǎo)光路調(diào)整.波前準(zhǔn)直測量實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，在光學(xué)隔振平臺(tái)的右側(cè)是610 mm口徑波長調(diào)諧相移Fizeau干涉儀，干涉儀的光源(λ=632.8 nm)經(jīng)過聚焦透鏡和大口徑準(zhǔn)直透鏡后得到被測的大口徑準(zhǔn)直波前，沿波前方向依次放置透射標(biāo)準(zhǔn)鏡(TF)和反射標(biāo)準(zhǔn)鏡(RF)，其中TF和RF的口徑為610 mm.在TF和RF之間放置我們所開發(fā)的基于電子自準(zhǔn)直儀的波前檢測系統(tǒng).直線導(dǎo)軌垂直于準(zhǔn)直光束方向設(shè)置，用支架將五棱鏡與電子自準(zhǔn)直儀的中心高度調(diào)整到干涉儀準(zhǔn)直波前的中心高度(450 mm).在計(jì)算機(jī)控制下，五棱鏡沿直線導(dǎo)軌以3 mm/s的速度作勻速運(yùn)動(dòng)，電子自準(zhǔn)直儀連續(xù)測量，利用已測得的系統(tǒng)誤差對(duì)測量值進(jìn)行校準(zhǔn).

(a)準(zhǔn)直波前中心高度處的平均一維斜率分布 (b)波前斜率的隨機(jī)誤差

(c)準(zhǔn)直波前中心高度處的平均一維波前分布 (d)波前隨機(jī)誤差

圖5 準(zhǔn)直波前測量結(jié)果

重復(fù)上述測量8次，其平均斜率分布如圖5(a)所示，它表示該干涉儀準(zhǔn)直波前中心高度處的平均一維斜率分布，其峰谷值為43.09″，最大偏離值為24.53″；8次測量值與平均值的差值如圖5(b)所示，它表示波前斜率測量的隨機(jī)誤差，其峰谷值為0.93″,最大值為0.51″，均方根值為0.11″.比較圖4(b)和圖5(b)發(fā)現(xiàn)，610 mm口徑干涉儀準(zhǔn)直波前斜率測量的隨機(jī)誤差大于800 mm口徑標(biāo)準(zhǔn)鏡參考面斜率測量的隨機(jī)誤差，其主要原因是前者測試光經(jīng)歷的光程長，受環(huán)境擾動(dòng)影響更嚴(yán)重.對(duì)圖5(a)～5(b)所示的斜率數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合并積分[5]得到一維波前分布.圖5(c)表示被測準(zhǔn)直波前中心高度處的平均一維波前分布，其峰谷值為25.69λ；圖5(d)表示準(zhǔn)直波前測量的隨機(jī)誤差，其峰谷值為0.14λ，均方根值為0.04λ.圖5(a)和圖5(c)表明,該610 mm口徑波長調(diào)諧相移Fizeau干涉儀的準(zhǔn)直光束處于發(fā)散狀態(tài)，最大發(fā)散角為24.53″.經(jīng)查詢資料得知，該干涉儀準(zhǔn)直光束的允許最大發(fā)散角(設(shè)計(jì)值)為23″.這表明該干涉儀目前的準(zhǔn)直光束發(fā)散角略大于設(shè)計(jì)值，需要對(duì)光路進(jìn)行微調(diào)，以降低準(zhǔn)直光束的發(fā)散角.本文開發(fā)的波前準(zhǔn)直檢測系統(tǒng)的精度高于1″，能夠滿足大口徑干涉儀準(zhǔn)直波前的檢測要求.

3 結(jié) 論

大口徑準(zhǔn)直波前在高新技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，本文開發(fā)的準(zhǔn)直波前檢測系統(tǒng)采用掃描五棱鏡、高精度長行程直線導(dǎo)軌和高精度電子自準(zhǔn)直儀，有效地提高了測量范圍、效率和精度.利用800 mm口徑標(biāo)準(zhǔn)鏡的參考面來測試該系統(tǒng)的性能，其系統(tǒng)誤差為0.76″(峰谷值)，隨機(jī)誤差為0.034″(均方根值)；經(jīng)過系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)后，該系統(tǒng)的精度從0.91″提高到0.36″.用該系統(tǒng)測量610 mm口徑相移干涉儀的準(zhǔn)直波前，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該干涉儀的準(zhǔn)直光束處于發(fā)散狀態(tài)，最大發(fā)散角為24.53″，波前分布的峰谷值為25.69λ.本系統(tǒng)能夠滿足大口徑干涉儀準(zhǔn)直波前的檢測要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值.

致 謝

感謝成都精密光學(xué)工程研究中心的柴立群、石琦凱、鄧燕、何宇航、李強(qiáng)、高波等研究員或工程師；成都太科光電有限責(zé)任公司的林大鍵研究員和趙志亮研究員；北京全歐光學(xué)檢測儀器有限公司的田賀斌和謝敏娟工程師在實(shí)驗(yàn)過程中提供的幫助.

[1]Chai Liqun,Xu Qiao,Yu Yingjie,et al.500-mm-aperture wavelength-tuning phase-shifting interferometer[J].SPIE,2005,5856:589-596.

[2]Ai C,Knowiden R,Lamb R.Design of 24" phase-shifting Fizeau interferometer[J].SPIE,1997,3134:447-455.

[3]Lamb J,Semrad J,Wyant J,et al.Optical and mechanical design considerations in the construction of a 24 inch phase shifting interferometer[J].SPIE,1997,3047:415-426.

[4]劉丹,閆巖,任冰強(qiáng),等.掃描型哈特曼檢測裝置研究[J].強(qiáng)激光與粒子束,2005,17(9):1377-1381.

[5]劉兆棟,于麗娜,韓志剛,等.五棱鏡掃描法檢測大口徑近紅外干涉儀準(zhǔn)直波前[J].中國激光,2010,37(4):1082-1087.

[6]武旭華,陳磊,肖韶榮.干涉儀準(zhǔn)直系統(tǒng)波前質(zhì)量檢測[J].紅外與激光工程,2008,37(1):106-110.

[7]馬冬梅,韓昌元.基于五棱鏡掃描技術(shù)測試大口徑平面鏡的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù),2007,30(11):90-95.

[8]Yellowhair J,Burge J H.Analysis of a scanning pentaprism system for measurements of large flat mirrors[J].Appl Opt,2007,46(35):8466-8474.

(責(zé)任編輯 杜利民)

Measuring system for large-aperture wavefront collimation based on electronic autocollimator

XU Jiancheng,CHEN Zhao,HOU Yuanyuan

(InstituteofInformationOptics,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

To measure the wavefront collimation of large-aperture interferometer,it was developed a testing system based on electronic autocollimator,which consists of linear rail system,scanning pentaprism and electronic autocollimator.The principle and the system of large-aperture wavefront collimation testing were described and the main error sources were analyzed.An accurate

urface with aperture of 800 mm was used to measure the system error of the developed system.The accuracy of the system increased from 0.91″ to 0.36″ arcsec by calibration of system error.The collimated wavefront of the phase shifting interferometer with aperture of 610 mm was measured by the developed system.The result shows that the maximum divergence angle of the collimated wavefront was 24.53″ arcsec.The developed system could meet the requirement of collimated wavefront test for large-aperture interferometer.

large-aperture interferometer; collimated wavefront; electronic autocollimator; system error

10.16218/j.issn.1001-5051.2016.01.008

??2015-03-16；

2015-09-06

國家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(61205163);“浙江師范大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目資助

徐建程(1981-)，男，浙江溫州人，副教授.研究方向：無損檢測和信息光學(xué).

O436.1

A

1001-5051(2016)01-043-05