基于电子自准直仪的大口径准直波前检测系统*

徐建程,陈 曌,侯园园

(浙江师范大学 信息光学研究所,浙江 金华 321004)



基于电子自准直仪的大口径准直波前检测系统*

徐建程,陈 曌,侯园园

(浙江师范大学 信息光学研究所,浙江 金华 321004)

为测量大口径准直波前的准直性，开发了基于电子自准直仪的准直波前检测系统.介绍了大口径准直波前检测原理及检测装置，分析了主要误差源.采用800 mm口径参考面测量系统误差并进行校准，校准后，该系统的精度从0.91″提高到0.36″.用该系统测量610 mm口径相移干涉仪的准直波前，实验结果表明：该干涉仪的准直波前处于发散状态，最大发散角为24.53″.开发的波前准直检测系统能够满足大口径干涉仪准直波前的检测要求.

大口径干涉仪；准直波前；电子自准直仪；系统误差

0 引 言

大口径光学系统在天文光学、空间光学、地基空间目标探测与识别、惯性约束聚变(ICF)等高新技术领域都得到了越来越广泛的应用.这些大型光学系统均采用了很多大口径高精度的光学元件，大口径相移干涉仪是测量大口径光学元件的有效工具[1].然而,干涉仪准直波前的准直性会直接影响到其自身的测试精度，因此,必须对大口径干涉仪的准直波前进行测试[2-3].另外,在惯性约束聚变(ICF)中，为了实现大口径终端光学组件的远场焦斑特性检测，要求测试光是大口径准直光束，但是准直光束的准直性会直接影响远场焦斑特性的检测，因此,也必须对大口径准直光束的准直性进行测试.

目前主要的大口径准直波前检测方法有[4-8]:哈特曼检测法、剪切干涉法、五棱镜扫描法.其中哈特曼检测法[4]需要制造一个与系统匹配的哈特曼光阑；剪切干涉法需要一个与被检系统口径相当且材料均匀性高的剪切板.因此,这2种方法成本都较高.五棱镜扫描法[5-8]利用五棱镜使光线折转90°的特性，将准直过程中的纵向调焦转化为横向对准，具有结构简单、成本低的特点.在本文中，笔者采用五棱镜扫描法测量大口径准直波前以降低检测成本;采用高精度长行程直线导轨以提高检测范围；采用高精度电子自准直仪实时连续测量以提高检测精度和效率.先介绍大口径准直波前检测原理及检测装置；然后,利用800 mm口径参考面测量系统误差并进行校准；最后用该检测装置测量610 mm口径干涉仪的准直波前.

1 测量原理

如图1所示，激光器“1”发出的光经扩束系统“2”得到大口径准直波前，该波前被五棱镜“3”和长行程直线导轨“4”组成的扫描采样系统划分成有限个子孔径波前，子孔径波前的斜率由电子自准直仪(“5”,“6”组合)测量得到.这些斜率值就是待测波前在采样点的一阶导数值,通过积分就可求得被测波前[6-8].

图1 准直波前测量示意图

图2 电子自准直仪的测试原理图

电子自准直仪的测试原理如图2所示：电子自准直仪的照明光源将十字线(collimator reticle)照明后经分光棱镜、聚焦透镜，然后被反射元件反射后再经聚焦透镜、分光棱镜，最后将十字线成像到电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)上；通过计算十字线像中心位置与CCD中心位置的偏离量d，即可得反射元件表面的倾斜角α=0.5 tan-1(d/f)，其中f表示自准直仪中聚焦透镜的焦距.同理，若测试的是准直波前，则准直波前直接被聚焦透镜聚焦，通过计算焦斑质心与CCD中心位置的偏离量d，即可得准直波前的倾斜角α=0.5 tan-1(d/f).因此，该方法可用于测量大口径准直波前和大口径光学元件的面形误差.

2 实 验

2.1 实验装置

基于电子自准直仪的大口径准直波前检测系统由扫描五棱镜、直线导轨和电子自准直仪组成，如图3所示，其中扫描五棱镜的通光口径为20 mm,表面精度优于λ/8(λ=632.8 nm)；直线导轨长度为720 mm，直线度小于100 μm；电子自准直仪是德国TRIOPTICS公司生产的TA 300-57，其测量精度(系统误差峰谷值)为0.75″，测量时随机误差的峰谷值为0.10″.

图3 实验装置图

2.2 系统性能测试及系统误差校准

影响基于电子自准直仪的大口径准直波前检测系统的误差源有：五棱镜的角度和面形误差；长行程直线导轨的俯仰角、偏摆角和滚转角；电子自准直仪的系统误差及测试时的空气扰动等[5-8].通过分析发现：前3个误差源所导致的测量误差均属于系统误差，其中五棱镜和电子自准直仪系统引入的误差是一个常数，它们只改变一维波前斜率的平均值，而不改变一维波前斜率分布；长行程直线导轨的俯仰角、偏摆角和滚转角随着导轨位置变化而变化，其导致的系统误差是一维分布，是大口径准直波前检测系统的最主要系统误差.空气扰动和系统随机噪声导致的测量误差属于随机误差.

为了提高准直波前检测系统的精度，必须对系统误差进行测量并校准.系统误差的测量和校准方法是用该系统测量800 mm口径标准镜的参考面，美国4D公司利用三板互检方法得到该标准镜参考面的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)分别为λ/12和λ/50(λ=632.8 nm)，面形梯度的峰谷值(PV)为 0.15″.用支架将五棱镜与电子自准直仪的中心高度调整到800 mm口径标准镜的中心高度,在计算机控制下，使五棱镜沿直线导轨以3 mm/s的速度做匀速运动，同时电子自准直仪在计算机控制下连续测量，测量频率为3次/s，这样就可以得到800 mm口径标准镜参考面中心高度处的一维斜率分布.

(a)系统误差 (b) 随机误差

图4 系统误差测量和校准

重复上述过程测量8次，得到标准镜参考面中心高度的一维斜率分布如图4(a)所示的细线，其峰谷值为0.76″.8次测量的平均值如图4(a)中的粗线所示.若不考虑800 mm口径标准镜参考面的面形误差，则8次测量的平均值等效于大口径准直波前检测系统的系统误差，其峰谷值为0.67″.由于系统误差在测量过程中保持不变，因此，将每次测量值减去系统误差，即实现系统误差校准.图4(b)是8次测量值减去平均值后的结果，它对应测量过程中空气扰动等因素引入的随机误差，其峰谷值和均方根值分别为0.210″和0.034″.若考虑800 mm口径标准镜参考面的面形误差，则大口径准直波前检测系统的精度为0.76″+0.15″=0.91″(系统误差校准前)和0.21″+0.15″=0.36″(系统误差校准后)，两者均小于1″.

2.3 大口径干涉仪准直波前测量

干涉仪系统中准直光束的发散角会引入测量误差,因此,必须对干涉仪的准直波前进行测量，从而指导光路调整.波前准直测量实验装置如图3所示，在光学隔振平台的右侧是610 mm口径波长调谐相移Fizeau干涉仪，干涉仪的光源(λ=632.8 nm)经过聚焦透镜和大口径准直透镜后得到被测的大口径准直波前，沿波前方向依次放置透射标准镜(TF)和反射标准镜(RF)，其中TF和RF的口径为610 mm.在TF和RF之间放置我们所开发的基于电子自准直仪的波前检测系统.直线导轨垂直于准直光束方向设置，用支架将五棱镜与电子自准直仪的中心高度调整到干涉仪准直波前的中心高度(450 mm).在计算机控制下，五棱镜沿直线导轨以3 mm/s的速度作匀速运动，电子自准直仪连续测量，利用已测得的系统误差对测量值进行校准.

(a)准直波前中心高度处的平均一维斜率分布 (b)波前斜率的随机误差

(c)准直波前中心高度处的平均一维波前分布 (d)波前随机误差

图5 准直波前测量结果

重复上述测量8次，其平均斜率分布如图5(a)所示，它表示该干涉仪准直波前中心高度处的平均一维斜率分布，其峰谷值为43.09″，最大偏离值为24.53″；8次测量值与平均值的差值如图5(b)所示，它表示波前斜率测量的随机误差，其峰谷值为0.93″,最大值为0.51″，均方根值为0.11″.比较图4(b)和图5(b)发现，610 mm口径干涉仪准直波前斜率测量的随机误差大于800 mm口径标准镜参考面斜率测量的随机误差，其主要原因是前者测试光经历的光程长，受环境扰动影响更严重.对图5(a)～5(b)所示的斜率数据进行多项式拟合并积分[5]得到一维波前分布.图5(c)表示被测准直波前中心高度处的平均一维波前分布，其峰谷值为25.69λ；图5(d)表示准直波前测量的随机误差，其峰谷值为0.14λ，均方根值为0.04λ.图5(a)和图5(c)表明,该610 mm口径波长调谐相移Fizeau干涉仪的准直光束处于发散状态，最大发散角为24.53″.经查询资料得知，该干涉仪准直光束的允许最大发散角(设计值)为23″.这表明该干涉仪目前的准直光束发散角略大于设计值，需要对光路进行微调，以降低准直光束的发散角.本文开发的波前准直检测系统的精度高于1″，能够满足大口径干涉仪准直波前的检测要求.

3 结 论

大口径准直波前在高新技术领域具有重要的应用价值，本文开发的准直波前检测系统采用扫描五棱镜、高精度长行程直线导轨和高精度电子自准直仪，有效地提高了测量范围、效率和精度.利用800 mm口径标准镜的参考面来测试该系统的性能，其系统误差为0.76″(峰谷值)，随机误差为0.034″(均方根值)；经过系统误差校准后，该系统的精度从0.91″提高到0.36″.用该系统测量610 mm口径相移干涉仪的准直波前，实验结果表明,该干涉仪的准直光束处于发散状态，最大发散角为24.53″，波前分布的峰谷值为25.69λ.本系统能够满足大口径干涉仪准直波前的检测要求，具有一定的应用价值.

致 谢

感谢成都精密光学工程研究中心的柴立群、石琦凯、邓燕、何宇航、李强、高波等研究员或工程师；成都太科光电有限责任公司的林大键研究员和赵志亮研究员；北京全欧光学检测仪器有限公司的田贺斌和谢敏娟工程师在实验过程中提供的帮助.

[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]刘丹,闫岩,任冰强,等.扫描型哈特曼检测装置研究[J].强激光与粒子束,2005,17(9):1377-1381.

[5]刘兆栋,于丽娜,韩志刚,等.五棱镜扫描法检测大口径近红外干涉仪准直波前[J].中国激光,2010,37(4):1082-1087.

[6]武旭华,陈磊,肖韶荣.干涉仪准直系统波前质量检测[J].红外与激光工程,2008,37(1):106-110.

[7]马冬梅,韩昌元.基于五棱镜扫描技术测试大口径平面镜的系统设计[J].电子测量技术,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.

(责任编辑 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

国家自然科学青年基金资助项目(61205163);“浙江师范大学创新团队”项目资助

徐建程(1981-)，男，浙江温州人，副教授.研究方向：无损检测和信息光学.

O436.1

A

1001-5051(2016)01-043-05