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.成都太科光電技術有限責任公司，四川 成都 610041；2.成都精密光學工程研究中心，四川 成都 610041)

1 引 言

隨著大尺寸光學元件測試需求的增加，對光學測試技術的研究也隨之不斷擴展，從最初的泰曼-格林干涉測試技術[1]發展到現在比較成熟且廣泛使用的斐索干涉測試技術[2-5]，擴大了檢測技術及裝置對光學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]的制備與應用研究就受到國內外學者的廣泛關注，但僅限于小尺寸光學元件的檢測，且測試精度較低。現代球面干涉儀[9]正朝向大口徑、高精度和復雜面形的趨勢發展，將成為國內外科研人員關注的重點探討領域。

研究發現，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，當大尺寸球面元件在實際使用中處于倒置狀態時，由于球面元件對支撐精度的要求非常高，故在加工和裝調過程中[10-11]，需要保證檢測條件與環境一致，即準直物鏡和標準球面鏡以及標準球面反射鏡同時保持倒置狀態，這無法保證高精度對準測試。現有技術中，根據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。傳統長焦距測試[12]采用凹球面標準檢測鏡和凹球面標準反射鏡，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元件的高精度對準測試，本文設計、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，選用凸球面標準鏡和凹球面標準反射鏡形成干涉空腔，大大減小空間測試距離，在光學檢測領域具有廣泛的應用前景。

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、擴束聚焦系統、干涉成像系統、對準測試系統和長焦距準直測試系統5部分組成，光路設計見圖1所示。激光光源出射的光束經擴束聚焦系統以發散光輸出，通過對準測試系統對檢測光路調節對準，確定測試元件的擺放位置。干涉測試過程中，在球面標準鏡21后表面反射形成標準參考光，原光束直接透射標準球面鏡頭，于球面標準反射鏡22的前表面反射形成測試光。上述標準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。該裝置長焦距準直輸出有效口徑為Φ200 mm，包括球面準直物鏡18、球面標準鏡21和球面標準反射鏡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。其中干涉成像系統和對準測試系統的成像部分分別采用CCD和CMOS成像元件進行成像，分辨率為1 024 pixel×1 024 pixel。球面標準鏡F數為37.5，經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計

本文研制的Φ200 mm口徑長焦距球面干涉測試系統中，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，設計半徑8 000 mm。

Φ200 mm口徑球面標準反射鏡的光學像差設計如圖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工作波長下重復性優于λ/20。對應球面標準反射鏡的彌散圓斑圖像結果如圖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，達到分辨要求。

圖2 Φ200 mm口徑球面標準反射鏡光學設計圖像 Fig.2 Optical design of Φ200 mm spherical standard reflection mirror

圖3 632.8 nm 波長下球面標準反射鏡的波像差和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

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

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

3.1 球面標準反射鏡面形保障

根據光學設計結果，分別采用經典低速拋光加工技術和離子束拋光技術對Φ200 mm口徑凹球面標準反射鏡加工處理。經過經典低速拋光加工處理，測試得到球面標準反射鏡的面形檢測結果：PV值為0.103λ@632.8 nm，RMS值為0.018λ@632.8 nm，如圖5所示。

圖5 經典低速拋光加工下球面標準反射鏡檢測結果 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準反射鏡檢測結果 Fig.6 Detection results of spherical standard reflection mirror under ion beam polishing

經離子束拋光加工處理后，得到球面標準反射鏡的面形檢測結果：PV值為0.053λ@632.8 nm，RMS值為0.006λ@632.8 nm，如圖6所示。相比單軸經典加工技術，離子束拋光工藝具有高效率、高精度以及耗時短等優良特性。

3.2 球面標準鏡面形保障

以離子束拋光下的球面標準反射鏡面形檢測結果為基準，利用Φ200 mm口徑長焦距球面干涉測試裝置進行干涉測試，最終通過相移計算得到Φ200 mm口徑標準球面鏡的面形參數，見圖7。經過經典低速拋光加工處理，測試得到球面標準鏡的面形檢測結果：PV值為0.161λ@632.8 nm，RMS值為0.026λ@632.8 nm。

圖7 經典低速拋光加工下球面標準鏡檢測結果 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準鏡檢測結果 Fig.8 Detection results of spherical standard mirror under ion beam polishing

經離子束拋光加工處理后，得到球面標準鏡的面形檢測結果：PV值為0.084λ@632.8 nm，RMS值為0.012λ@632.8 nm，如圖8所示。

4 測試結果與數據分析

在Φ200 mm口徑長焦距球面干涉測試裝置進行測試時，以第3節所述的球面標準鏡和球面標準反射鏡形成測試空腔，結果如圖9所示。系統精度為:PV值達到0.097λ@632.8 nm，系統RMS值達到0.013λ@632.8 nm。

圖9 系統空腔測試結果 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

同時進行10組16次系統重復測試，統計計算知RMS的重復性為0.001 8λ@632.8 nm，優于λ/500@632.8 nm，系統空腔重復性測試結果如表1所示。

采用該長焦距球面干涉測試系統，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，測試結果如圖10所示。

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

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

對比4D動態干涉測試結果，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，測試結果如圖11所示。上述4D動態干涉儀測試結果與本裝置測試結果較吻合，且誤差很小，但4D動態檢測技術占用空間范圍大，測試距離長，且光路對準調節耗時長。

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有限責任公司自研產品，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 論

本文研制一種新型Φ200 mm口徑長焦距準直干涉測試系統裝置，實現口徑Φ200 mm凹球面大曲率半徑光學元件面形精度檢測，元件曲率半徑測試范圍為7 500～8 500 mm。結果表明，該系統空腔測試精度PV值優于λ/10@632.8 nm，RMS值優于λ/50@632.8 nm，系統重復性優于λ/500@632.8 nm。利用該系統對口徑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。