摘要：針對目前已有的光學檢測設備無法實現大口徑大曲率半徑光學元件高精度檢測的問題，提出利用長程輪廓儀( LTP)來進行大口徑大曲率半徑(正、負)光學元件的精確測量，并通過實驗證明了LTP檢測大曲率半徑光學元件的優勢。分析計算LTP測量曲率半徑的算法精度，設計了合理的機械結構進行旋轉測量，得到了全口徑的曲率半徑分布。最后與球徑儀、刀口儀的測量結果進行了對比。對R=37.108m和R=41.065m的球面鏡測量結果顯示，LTP的測量 重復性在0.05%以內，與球徑儀、刀口儀的測量值相差均在0.05%以內。研究結果表明，LTP可以用來解決目前幾十米的大R曲率半徑光學元件難以高精度測量的難題。關鍵詞：長程輪廓儀；曲率半徑測量；算法精度；旋轉測量

引言

大型光學觀察系統和巨型激光裝置都會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動裝置對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參數是保證激光系統性能的前提。焦距可以通過透鏡表面的曲率半徑計算得到，所以，研制一種直接進行光學元件曲率半徑檢測的專用設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，光學加工車間測量大曲率半徑光學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制相應的精度。這些方法可以對一定范圍的曲率半徑進行測量，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，可同時檢測局部誤差，但是需配備多級標準球面以及與半徑等長的移動導軌，制造難度大、成本高；刀口儀相對精度高，非接觸測量，但是測量精度與檢測人員的操作經驗密切相關，只能測凹面，測量環境需要比半徑長；球徑儀測量小曲率半徑光學元件精度高，但測大曲率半徑光學元件時精度降低，而且接觸式測量會劃傷表面。樣板法屬于定性測量，人眼觀察，從同一塊樣板復制精度，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。所以對于曲率半徑為幾十米的大口徑光學元件，需要尋找一種全新的檢測設備，要求其不但測量范圍大，而且能測凹凸球面，非接觸測量，容易實現高精度、快速測量，適合光學加工過程中使用。

長程輪廓儀(LTP)最初是為了適應同步輻射光源迅速發展的需要而發展起來的，主要由美國布魯克海文國家實驗室研制開發而成。LTP從筆束干涉儀演變而來，經歷十幾年的改進發展，逐漸趨于成熟，已經是同步輻射光源領域通用的檢測設備。LTP的掃描式絕對檢測不需要與被測件口徑相當的參考鏡，也不需要高質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到1m，克服了普通檢測設備測量大口徑光學元件的主要困難；利用兩細光束干涉光斑定位，定位精度高，參考光束可消除部分系統誤差，提高了檢測精度。根據長程輪廓儀的檢測優勢，本文提出了利用其進行大口徑大曲率半徑光學元件檢測的可行性，進行了相應的實驗驗證，并給出了驗證結果。

2.LTP的檢測原理

LTP發展至今，已經升級到第二代，增加了參考光路來抵消部分系統誤差。其原理如圖1所示：

圖1.LTP II原理圖和實物圖

激光器發出的激光從準直器出來，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；經過第二個分束器BS2透射，垂直入射到被測光學元件表面上。反射后再次經過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。條紋信息經過空間濾波器(一個光闌)和顯微物鏡被探測器接收。計算機分析探測器上條紋的中心位置，計算出被測點斜率信息。光學頭在氣浮導軌上移動完成一維掃描測量。被BS2反射的光束入射到參考鏡上，反射后透過BS2，與測量光束經過同一個透鏡到達探測器上，作為參考光束消除部分系統誤差。該光學系統的最大特點就是零程差分束器，零程差可以降低設備對空氣擾動的敏感性。LTP測量的是掃描線上各點的斜率數據，沿著掃描軸對斜率積分就可以得到高度函數H。對H數據，使用最小二乘法可擬合出曲率半徑R。

3.實驗設計及測量過程

將LTP應用于大口徑大曲率半徑光學元件的精確檢測，首先要解決測試方式、工裝、以及各種測試姿態下的測試精度和可重復性的問題。針對目前LTP只能完成一維掃描測量，本文選擇使用旋轉臺，每旋轉一個角度掃描一次，旋轉360°后完成全口徑測量。測量不同傾斜狀態下的曲率半徑，觀察LTP測量的非線性區域以及測量曲率半徑的下限。

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鑒于篇幅問題，本文僅為節選(光學精密工程 第19卷 第6期)，全文內容請

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總結

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