基于電子自準直儀的大口徑準直波前檢測系統*

徐建程,陳 曌,侯園園

(浙江師范大學 信息光學研究所,浙江 金華 321004)

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基于電子自準直儀的大口徑準直波前檢測系統*

徐建程,陳 曌,侯園園

(浙江師范大學 信息光學研究所,浙江 金華 321004)

為測量大口徑準直波前的準直性，開發了基于電子自準直儀的準直波前檢測系統.介紹了大口徑準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誤差并進行校準，校準后，該系統的精度從0.91″提高到0.36″.用該系統測量610 mm口徑相移干涉儀的準直波前，實驗結果表明：該干涉儀的準直波前處于發散狀態，最大發散角為24.53″.開發的波前準直檢測系統能夠滿足大口徑干涉儀準直波前的檢測要求.

大口徑干涉儀；準直波前；電子自準直儀；系統誤差

0 引 言

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

目前主要的大口徑準直波前檢測方法有[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]需要制造一個與系統匹配的哈特曼光闌；剪切干涉法需要一個與被檢系統口徑相當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90°的特性，將準直過程中的縱向調焦轉化為橫向對準，具有結構簡單、成本低的特點.在本文中，筆者采用五棱鏡掃描法測量大口徑準直波前以降低檢測成本;采用高精度長行程直線導軌以提高檢測范圍；采用高精度電子自準直儀實時連續測量以提高檢測精度和效率.先介紹大口徑準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誤差并進行校準；最后用該檢測裝置測量610 mm口徑干涉儀的準直波前.

1 測量原理

如圖1所示，激光器“1”發出的光經擴束系統“2”得到大口徑準直波前，該波前被五棱鏡“3”和長行程直線導軌“4”組成的掃描采樣系統劃分成有限個子孔徑波前，子孔徑波前的斜率由電子自準直儀(“5”,“6”組合)測量得到.這些斜率值就是待測波前在采樣點的一階導數值,通過積分就可求得被測波前[6-8].

圖1 準直波前測量示意圖

圖2 電子自準直儀的測試原理圖

電子自準直儀的測試原理如圖2所示：電子自準直儀的照明光源將十字線(collimator reticle)照明后經分光棱鏡、聚焦透鏡，然后被反射元件反射后再經聚焦透鏡、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表示自準直儀中聚焦透鏡的焦距.同理，若測試的是準直波前，則準直波前直接被聚焦透鏡聚焦，通過計算焦斑質心與CCD中心位置的偏離量d，即可得準直波前的傾斜角α=0.5 tan-1(d/f).因此，該方法可用于測量大口徑準直波前和大口徑光學元件的面形誤差.

2 實 驗

2.1 實驗裝置

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

圖3 實驗裝置圖

2.2 系統性能測試及系統誤差校準

影響基于電子自準直儀的大口徑準直波前檢測系統的誤差源有：五棱鏡的角度和面形誤差；長行程直線導軌的俯仰角、偏擺角和滾轉角；電子自準直儀的系統誤差及測試時的空氣擾動等[5-8].通過分析發現：前3個誤差源所導致的測量誤差均屬于系統誤差，其中五棱鏡和電子自準直儀系統引入的誤差是一個常數，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；長行程直線導軌的俯仰角、偏擺角和滾轉角隨著導軌位置變化而變化，其導致的系統誤差是一維分布，是大口徑準直波前檢測系統的最主要系統誤差.空氣擾動和系統隨機噪聲導致的測量誤差屬于隨機誤差.

為了提高準直波前檢測系統的精度，必須對系統誤差進行測量并校準.系統誤差的測量和校準方法是用該系統測量800 mm口徑標準鏡的參考面，美國4D公司利用三板互檢方法得到該標準鏡參考面的峰谷值(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直儀的中心高度調整到800 mm口徑標準鏡的中心高度,在計算機控制下，使五棱鏡沿直線導軌以3 mm/s的速度做勻速運動，同時電子自準直儀在計算機控制下連續測量，測量頻率為3次/s，這樣就可以得到800 mm口徑標準鏡參考面中心高度處的一維斜率分布.

(a)系統誤差 (b) 隨機誤差

圖4 系統誤差測量和校準

重復上述過程測量8次，得到標準鏡參考面中心高度的一維斜率分布如圖4(a)所示的細線，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口徑標準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直波前檢測系統的系統誤差，其峰谷值為0.67″.由于系統誤差在測量過程中保持不變，因此，將每次測量值減去系統誤差，即實現系統誤差校準.圖4(b)是8次測量值減去平均值后的結果，它對應測量過程中空氣擾動等因素引入的隨機誤差，其峰谷值和均方根值分別為0.210″和0.034″.若考慮800 mm口徑標準鏡參考面的面形誤差，則大口徑準直波前檢測系統的精度為0.76″+0.15″=0.91″(系統誤差校準前)和0.21″+0.15″=0.36″(系統誤差校準后)，兩者均小于1″.

2.3 大口徑干涉儀準直波前測量

干涉儀系統中準直光束的發散角會引入測量誤差,因此,必須對干涉儀的準直波前進行測量，從而指導光路調整.波前準直測量實驗裝置如圖3所示，在光學隔振平臺的右側是610 mm口徑波長調諧相移Fizeau干涉儀，干涉儀的光源(λ=632.8 nm)經過聚焦透鏡和大口徑準直透鏡后得到被測的大口徑準直波前，沿波前方向依次放置透射標準鏡(TF)和反射標準鏡(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的基于電子自準直儀的波前檢測系統.直線導軌垂直于準直光束方向設置，用支架將五棱鏡與電子自準直儀的中心高度調整到干涉儀準直波前的中心高度(450 mm).在計算機控制下，五棱鏡沿直線導軌以3 mm/s的速度作勻速運動，電子自準直儀連續測量，利用已測得的系統誤差對測量值進行校準.

(a)準直波前中心高度處的平均一維斜率分布 (b)波前斜率的隨機誤差

(c)準直波前中心高度處的平均一維波前分布 (d)波前隨機誤差

圖5 準直波前測量結果

重復上述測量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)發現，610 mm口徑干涉儀準直波前斜率測量的隨機誤差大于800 mm口徑標準鏡參考面斜率測量的隨機誤差，其主要原因是前者測試光經歷的光程長，受環境擾動影響更嚴重.對圖5(a)～5(b)所示的斜率數據進行多項式擬合并積分[5]得到一維波前分布.圖5(c)表示被測準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)表示準直波前測量的隨機誤差，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口徑波長調諧相移Fizeau干涉儀的準直光束處于發散狀態，最大發散角為24.53″.經查詢資料得知，該干涉儀準直光束的允許最大發散角(設計值)為23″.這表明該干涉儀目前的準直光束發散角略大于設計值，需要對光路進行微調，以降低準直光束的發散角.本文開發的波前準直檢測系統的精度高于1″，能夠滿足大口徑干涉儀準直波前的檢測要求.

3 結 論

大口徑準直波前在高新技術領域具有重要的應用價值，本文開發的準直波前檢測系統采用掃描五棱鏡、高精度長行程直線導軌和高精度電子自準直儀，有效地提高了測量范圍、效率和精度.利用800 mm口徑標準鏡的參考面來測試該系統的性能，其系統誤差為0.76″(峰谷值)，隨機誤差為0.034″(均方根值)；經過系統誤差校準后，該系統的精度從0.91″提高到0.36″.用該系統測量610 mm口徑相移干涉儀的準直波前，實驗結果表明,該干涉儀的準直光束處于發散狀態，最大發散角為24.53″，波前分布的峰谷值為25.69λ.本系統能夠滿足大口徑干涉儀準直波前的檢測要求，具有一定的應用價值.

致 謝

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

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(責任編輯 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

國家自然科學青年基金資助項目(61205163);“浙江師范大學創新團隊”項目資助

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.

O436.1

A

1001-5051(2016)01-043-05