摘要：針對(duì)目前已有的光學(xué)檢測設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)大口徑大曲率半徑光學(xué)元件高精度檢測的問題，提出利用長程輪廓儀( LTP)來進(jìn)行大口徑大曲率半徑(正、負(fù))光學(xué)元件的精確測量，并通過實(shí)驗(yàn)證明了LTP檢測大曲率半徑光學(xué)元件的優(yōu)勢。分析計(jì)算LTP測量曲率半徑的算法精度，設(shè)計(jì)了合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)測量，得到了全口徑的曲率半徑分布。最后與球徑儀、刀口儀的測量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)R=37.108m和R=41.065m的球面鏡測量結(jié)果顯示，LTP的測量 重復(fù)性在0.05%以內(nèi)，與球徑儀、刀口儀的測量值相差均在0.05%以內(nèi)。研究結(jié)果表明，LTP可以用來解決目前幾十米的大R曲率半徑光學(xué)元件難以高精度測量的難題。關(guān)鍵詞：長程輪廓儀；曲率半徑測量；算法精度；旋轉(zhuǎn)測量

引言

大型光學(xué)觀察系統(tǒng)和巨型激光裝置都會(huì)使用大量的大口徑長焦距球面或非球面透鏡，特別是陣列式的巨型激光驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)透鏡焦距的一致性有很高的要求，精確測量這些長焦距透鏡的各項(xiàng)參數(shù)是保證激光系統(tǒng)性能的前提。焦距可以通過透鏡表面的曲率半徑計(jì)算得到，所以，研制一種直接進(jìn)行光學(xué)元件曲率半徑檢測的專用設(shè)備既能確保長焦距透鏡的精度，又能提高制造過程的效率。

目前，光學(xué)加工車間測量大曲率半徑光學(xué)元件主要是用刀口儀、球徑儀、激光球面干涉儀或借用球面樣板來復(fù)制相應(yīng)的精度。這些方法可以對(duì)一定范圍的曲率半徑進(jìn)行測量，有些方法雖具有較高精度，但有很多局限性。比如大口徑球面干涉儀檢測精度高，可同時(shí)檢測局部誤差，但是需配備多級(jí)標(biāo)準(zhǔn)球面以及與半徑等長的移動(dòng)導(dǎo)軌，制造難度大、成本高；刀口儀相對(duì)精度高，非接觸測量，但是測量精度與檢測人員的操作經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，只能測凹面，測量環(huán)境需要比半徑長；球徑儀測量小曲率半徑光學(xué)元件精度高，但測大曲率半徑光學(xué)元件時(shí)精度降低，而且接觸式測量會(huì)劃傷表面。樣板法屬于定性測量，人眼觀察，從同一塊樣板復(fù)制精度，精度低；接觸式測量易劃傷表面，只適用于加工前幾道工序檢測。所以對(duì)于曲率半徑為幾十米的大口徑光學(xué)元件，需要尋找一種全新的檢測設(shè)備，要求其不但測量范圍大，而且能測凹凸球面，非接觸測量，容易實(shí)現(xiàn)高精度、快速測量，適合光學(xué)加工過程中使用。

長程輪廓儀(LTP)最初是為了適應(yīng)同步輻射光源迅速發(fā)展的需要而發(fā)展起來的，主要由美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)而成。LTP從筆束干涉儀演變而來，經(jīng)歷十幾年的改進(jìn)發(fā)展，逐漸趨于成熟，已經(jīng)是同步輻射光源領(lǐng)域通用的檢測設(shè)備。LTP的掃描式絕對(duì)檢測不需要與被測件口徑相當(dāng)?shù)膮⒖肩R，也不需要高質(zhì)量的大口徑入射波前，降低了檢測成本和難度；每次掃描最大行程可以達(dá)到1m，克服了普通檢測設(shè)備測量大口徑光學(xué)元件的主要困難；利用兩細(xì)光束干涉光斑定位，定位精度高，參考光束可消除部分系統(tǒng)誤差，提高了檢測精度。根據(jù)長程輪廓儀的檢測優(yōu)勢，本文提出了利用其進(jìn)行大口徑大曲率半徑光學(xué)元件檢測的可行性，進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并給出了驗(yàn)證結(jié)果。

2.LTP的檢測原理

LTP發(fā)展至今，已經(jīng)升級(jí)到第二代，增加了參考光路來抵消部分系統(tǒng)誤差。其原理如圖1所示：

圖1.LTP II原理圖和實(shí)物圖

激光器發(fā)出的激光從準(zhǔn)直器出來，被分束器BS1分成兩束光，分別入射到直角棱鏡CR1和CR2上，反射后成為兩束相距1mm左右的筆束平行光；經(jīng)過第二個(gè)分束器BS2透射，垂直入射到被測光學(xué)元件表面上。反射后再次經(jīng)過BS2，入射到傅里葉透鏡上，在透鏡后焦面上相遇生成干涉條紋。條紋信息經(jīng)過空間濾波器(一個(gè)光闌)和顯微物鏡被探測器接收。計(jì)算機(jī)分析探測器上條紋的中心位置，計(jì)算出被測點(diǎn)斜率信息。光學(xué)頭在氣浮導(dǎo)軌上移動(dòng)完成一維掃描測量。被BS2反射的光束入射到參考鏡上，反射后透過BS2，與測量光束經(jīng)過同一個(gè)透鏡到達(dá)探測器上，作為參考光束消除部分系統(tǒng)誤差。該光學(xué)系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是零程差分束器，零程差可以降低設(shè)備對(duì)空氣擾動(dòng)的敏感性。LTP測量的是掃描線上各點(diǎn)的斜率數(shù)據(jù)，沿著掃描軸對(duì)斜率積分就可以得到高度函數(shù)H。對(duì)H數(shù)據(jù)，使用最小二乘法可擬合出曲率半徑R。

3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測量過程

將LTP應(yīng)用于大口徑大曲率半徑光學(xué)元件的精確檢測，首先要解決測試方式、工裝、以及各種測試姿態(tài)下的測試精度和可重復(fù)性的問題。針對(duì)目前LTP只能完成一維掃描測量，本文選擇使用旋轉(zhuǎn)臺(tái)，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度掃描一次，旋轉(zhuǎn)360°后完成全口徑測量。測量不同傾斜狀態(tài)下的曲率半徑，觀察LTP測量的非線性區(qū)域以及測量曲率半徑的下限。

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鑒于篇幅問題，本文僅為節(jié)選(光學(xué)精密工程 第19卷 第6期)，全文內(nèi)容請(qǐng)

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總結(jié)

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