Φ200 mm口徑長焦距球面干涉測試及裝備

趙智亮，劉 敏，陳立華，趙子嘉，陳 輝

(1.成都太科光電技術(shù)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041；2.成都精密光學(xué)工程研究中心，四川 成都 610041)

1 引 言

隨著大尺寸光學(xué)元件測試需求的增加，對光學(xué)測試技術(shù)的研究也隨之不斷擴(kuò)展，從最初的泰曼-格林干涉測試技術(shù)[1]發(fā)展到現(xiàn)在比較成熟且廣泛使用的斐索干涉測試技術(shù)[2-5]，擴(kuò)大了檢測技術(shù)及裝置對光學(xué)元件的不同測試范圍。自美國Perkin Elmer公司研制出第一臺斐索型激光球面干涉儀以來，球面干涉測試裝置[6-8]的制備與應(yīng)用研究就受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，但僅限于小尺寸光學(xué)元件的檢測，且測試精度較低?，F(xiàn)代球面干涉儀[9]正朝向大口徑、高精度和復(fù)雜面形的趨勢發(fā)展，將成為國內(nèi)外科研人員關(guān)注的重點探討領(lǐng)域。

研究發(fā)現(xiàn)，球面干涉儀類型包括立式透射式、立式反射式、臥式透射式和臥式反射式4種，當(dāng)大尺寸球面元件在實際使用中處于倒置狀態(tài)時，由于球面元件對支撐精度的要求非常高，故在加工和裝調(diào)過程中[10-11]，需要保證檢測條件與環(huán)境一致，即準(zhǔn)直物鏡和標(biāo)準(zhǔn)球面鏡以及標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡同時保持倒置狀態(tài)，這無法保證高精度對準(zhǔn)測試?，F(xiàn)有技術(shù)中，根據(jù)測試裝置的尺寸檢測要求，對球面元件最大測試曲率半徑為0～5 000 mm。傳統(tǒng)長焦距測試[12]采用凹球面標(biāo)準(zhǔn)檢測鏡和凹球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡，其空腔測試距離較長，占用空間比例大。為滿足對大曲率球面光學(xué)元件的高精度對準(zhǔn)測試，本文設(shè)計、研制了一款新型大口徑長焦距立式斐索型球面干涉測試裝置，選用凸球面標(biāo)準(zhǔn)鏡和凹球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡形成干涉空腔，大大減小空間測試距離，在光學(xué)檢測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 Φ200 mm口徑長焦距測試方案

2.1 測試光路

Φ200 mm口徑長焦距球面干涉測試裝置由激光系統(tǒng)、擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)、干涉成像系統(tǒng)、對準(zhǔn)測試系統(tǒng)和長焦距準(zhǔn)直測試系統(tǒng)5部分組成，光路設(shè)計見圖1所示。激光光源出射的光束經(jīng)擴(kuò)束聚焦系統(tǒng)以發(fā)散光輸出，通過對準(zhǔn)測試系統(tǒng)對檢測光路調(diào)節(jié)對準(zhǔn)，確定測試元件的擺放位置。干涉測試過程中，在球面標(biāo)準(zhǔn)鏡21后表面反射形成標(biāo)準(zhǔn)參考光，原光束直接透射標(biāo)準(zhǔn)球面鏡頭，于球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡22的前表面反射形成測試光。上述標(biāo)準(zhǔn)參考光和測試光沿原光路返回，形成干涉測試光，最終成像于CCD靶面。該裝置長焦距準(zhǔn)直輸出有效口徑為Φ200 mm，包括球面準(zhǔn)直物鏡18、球面標(biāo)準(zhǔn)鏡21和球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡22，元件外徑為220 mm，通光口徑為210 mm。激光光源采用632.8 nm波長的氦氖激光器，輸出功率為1.5 mW。其中干涉成像系統(tǒng)和對準(zhǔn)測試系統(tǒng)的成像部分分別采用CCD和CMOS成像元件進(jìn)行成像，分辨率為1 024 pixel×1 024 pixel。球面標(biāo)準(zhǔn)鏡F數(shù)為37.5，經(jīng)計算實際測試元件的最大口徑為Φ226.67 mm。

圖1 長焦距球面干涉裝置光路示意圖 Fig.1 Optical path schematic of the long focal length spherical interference device

2.2 Φ200 mm口徑凹球面反射鏡設(shè)計

本文研制的Φ200 mm口徑長焦距球面干涉測試系統(tǒng)中，所用的Φ200 mm口徑凹球面反射鏡如圖2所示，其通光口徑為Φ210 mm，有效口徑為Φ200 mm，設(shè)計半徑8 000 mm。

Φ200 mm口徑球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡的光學(xué)像差設(shè)計如圖3所示，從圖3左圖可看出中心視場的輸出波前PV值為0.085λ，RMS值為0.025 3λ，在632.8 nm工作波長下重復(fù)性優(yōu)于λ/20。對應(yīng)球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡的彌散圓斑圖像結(jié)果如圖3右圖所示，在全視場時，中心視場RMS為33.283 μm，具有接近衍射受限成像的特性，達(dá)到分辨要求。

圖2 Φ200 mm口徑球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡光學(xué)設(shè)計圖像 Fig.2 Optical design of Φ200 mm spherical standard reflection mirror

圖3 632.8 nm 波長下球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡的波像差和spot圖像 Fig.3 Wave aberration and spot results of the spherical standard reflection mirror at 632.8 nm

3 Φ200 mm口徑球面面形保障技術(shù)

圖4 4D動態(tài)干涉檢測光路圖 Fig.4 Optical path of 4D dynamic interference detection

為了實現(xiàn)Φ200 mm口徑長焦距球面干涉儀的高精度檢測，球面標(biāo)準(zhǔn)鏡的加工面形精度是整體干涉測試的參考標(biāo)準(zhǔn)。考慮到球面標(biāo)準(zhǔn)鏡面形檢測難度較大，擬采用兩步檢測法：(1)利用4D動態(tài)干涉儀對Φ200 mm口徑球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡進(jìn)行面形檢測，如圖4所示，得到球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡的面形檢測結(jié)果；(2)以球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡面形檢測結(jié)果為基準(zhǔn)，利用Φ200 mm口徑長焦距球面干涉測試裝置進(jìn)行干涉測試，通過相移計算方式，即可得到Φ200 mm口徑球面標(biāo)準(zhǔn)鏡的面形精度以及其它重要參數(shù)。本文通過標(biāo)定球面標(biāo)準(zhǔn)鏡面形精度參數(shù)，節(jié)省光路調(diào)節(jié)時間，大大縮短測試距離，并解決長距離光路對準(zhǔn)測試等問題，為后續(xù)Φ200 mm口徑大曲率待測元件提供測試基礎(chǔ)。

3.1 球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡面形保障

根據(jù)光學(xué)設(shè)計結(jié)果，分別采用經(jīng)典低速拋光加工技術(shù)和離子束拋光技術(shù)對Φ200 mm口徑凹球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡加工處理。經(jīng)過經(jīng)典低速拋光加工處理，測試得到球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡的面形檢測結(jié)果：PV值為0.103λ@632.8 nm，RMS值為0.018λ@632.8 nm，如圖5所示。

圖5 經(jīng)典低速拋光加工下球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡檢測結(jié)果 Fig.5 Detection results of spherical standard reflection mirror in the classic low-speed polishing process

圖6 離子束拋光下球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡檢測結(jié)果 Fig.6 Detection results of spherical standard reflection mirror under ion beam polishing

經(jīng)離子束拋光加工處理后，得到球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡的面形檢測結(jié)果：PV值為0.053λ@632.8 nm，RMS值為0.006λ@632.8 nm，如圖6所示。相比單軸經(jīng)典加工技術(shù)，離子束拋光工藝具有高效率、高精度以及耗時短等優(yōu)良特性。

3.2 球面標(biāo)準(zhǔn)鏡面形保障

以離子束拋光下的球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡面形檢測結(jié)果為基準(zhǔn)，利用Φ200 mm口徑長焦距球面干涉測試裝置進(jìn)行干涉測試，最終通過相移計算得到Φ200 mm口徑標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的面形參數(shù)，見圖7。經(jīng)過經(jīng)典低速拋光加工處理，測試得到球面標(biāo)準(zhǔn)鏡的面形檢測結(jié)果：PV值為0.161λ@632.8 nm，RMS值為0.026λ@632.8 nm。

圖7 經(jīng)典低速拋光加工下球面標(biāo)準(zhǔn)鏡檢測結(jié)果 Fig.7 Detection results of spherical standard mirror in the classic low-speed polishing process

圖8 離子束拋光下球面標(biāo)準(zhǔn)鏡檢測結(jié)果 Fig.8 Detection results of spherical standard mirror under ion beam polishing

經(jīng)離子束拋光加工處理后，得到球面標(biāo)準(zhǔn)鏡的面形檢測結(jié)果：PV值為0.084λ@632.8 nm，RMS值為0.012λ@632.8 nm，如圖8所示。

4 測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

在Φ200 mm口徑長焦距球面干涉測試裝置進(jìn)行測試時，以第3節(jié)所述的球面標(biāo)準(zhǔn)鏡和球面標(biāo)準(zhǔn)反射鏡形成測試空腔，結(jié)果如圖9所示。系統(tǒng)精度為:PV值達(dá)到0.097λ@632.8 nm，系統(tǒng)RMS值達(dá)到0.013λ@632.8 nm。

圖9 系統(tǒng)空腔測試結(jié)果 Fig.9 System cavity test results

序號PVPEAKVALLYRMS10.131 60.055 9-0.075 70.017 620.098 40.041 8-0.056 60.012 430.106 50.046 9-0.059 60.012 540.099 30.052 2-0.047 10.01 350.1040.052 8-0.051 20.013 860.097 30.051-0.046 20.012 870.097 20.045 4-0.051 80.013 180.097 60.051 5-0.046 20.011 690.105 20.048 5-0.056 80.013 7100.105 20.052 5-0.052 70.013 5110.096 10.046 5-0.049 50.013120.094 30.042 6-0.051 70.013 8130.105 50.046 9-0.068 60.013 2140.176 60.061 5-0.099 20.019 6150.174 10.038 1-0.042 10.014 1160.088 70.083 3-0.098 60.011 5最大值0.176 60.083 3-0.042 10.019 6最小值0.088 70.038 1-0.099 20.011 5平均值0.111 10.015 4-0.059 60.013 7RMS0.015 60.007 50.010 20.001 8

同時進(jìn)行10組16次系統(tǒng)重復(fù)測試，統(tǒng)計計算知RMS的重復(fù)性為0.001 8λ@632.8 nm，優(yōu)于λ/500@632.8 nm，系統(tǒng)空腔重復(fù)性測試結(jié)果如表1所示。

采用該長焦距球面干涉測試系統(tǒng)，測試口徑Φ130 mm，半徑R8 227.417 7 mm的待測凹球面鏡，測得面形精度PV=0.125λ@632.8 nm，RMS=0.016λ@632.8 nm，測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 待測凹球面鏡測試結(jié)果 Fig.10 Results of the concave spherical mirror measured by spherical interferometer test system

圖11 待測凹球面鏡4D干涉儀測試結(jié)果 Fig.11 Results of the concave spherical mirror measured by 4D dynamic interferometer

對比4D動態(tài)干涉測試結(jié)果，口徑Φ130 mm的待測凹球面鏡面形精度PV=0.120λ@632.8 nm，RMS=0.014λ@632.8 nm，測試結(jié)果如圖11所示。上述4D動態(tài)干涉儀測試結(jié)果與本裝置測試結(jié)果較吻合，且誤差很小，但4D動態(tài)檢測技術(shù)占用空間范圍大，測試距離長，且光路對準(zhǔn)調(diào)節(jié)耗時長。

本文研制的Φ200 mm口徑長焦距球面干涉測試裝置，屬成都太科光電技術(shù)有限責(zé)任公司自研產(chǎn)品，見圖12。該裝置測試輸出有效通光口徑Φ200 mm，測試凹球面待測鏡的曲率半徑范圍為7500～8 500 mm。

圖12 Φ200 mm口徑長焦距球面干涉測試裝置 Fig.12 Φ200 mm long focal length spherical interference test device

5 結(jié) 論

本文研制一種新型Φ200 mm口徑長焦距準(zhǔn)直干涉測試系統(tǒng)裝置，實現(xiàn)口徑Φ200 mm凹球面大曲率半徑光學(xué)元件面形精度檢測，元件曲率半徑測試范圍為7 500～8 500 mm。結(jié)果表明，該系統(tǒng)空腔測試精度PV值優(yōu)于λ/10@632.8 nm，RMS值優(yōu)于λ/50@632.8 nm，系統(tǒng)重復(fù)性優(yōu)于λ/500@632.8 nm。利用該系統(tǒng)對口徑Φ130 mm，半徑R8 227.417 7 mm的待測凹球面鏡測試得到面形精度PV值0.125λ@632.8 nm，RMS值0.016λ@632.8 nm。