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0431-81702023
光學工程
光學玻璃光學均勻性高精度測量技術

摘要:高質量的透射光學系統對光學材料的光學均勻性要求非常高,材料局部折射率10-6量級的變化就可能破壞整個系統的性能。詳細介紹了三種用于測量光學玻璃光學均勻性的干涉法,研制了一臺高精度光學玻璃材料光學均勻性測量儀。實驗結果表明:40mm左右厚的光學玻璃材料的光學均勻性檢測精度可達1×10-6。
關鍵詞:環行浮動拋光技術;工藝實驗;透射波前;反射波前
1 引 言
      光學玻璃比普通工業玻璃的質量要求高。光學玻璃的質量檢驗包括光學性能和光學質量的檢驗和測試。光學性能包括折射率和色散等光學常數。光學玻璃質量是指熔制和退火過程中的各種缺陷的大小,包括光學玻璃的光學均勻性、應力雙折射、條紋、氣泡和由雜質引起的光吸收等。光學玻璃的光學均勻性是指同一塊光學玻璃內部的折射率的不一致性,常用其內部的折射率的最大差值表示。光學玻璃的光學均勻性是非常重要的玻璃質量標準,因為它直接影響透射光學系統的波面質量,改變系統的波像差。隨著現代科學技術和國防事業的發展,對一些透射光學系統的成像質量要求越來越高,迫切需要有高精度的光學玻璃光學均勻性的檢測手段,而現在國內的光學材料生產廠家都沒有合適的手段來檢測這種高要求的玻璃材料。光學玻璃的光學均勻性檢測有定性和定量兩類方法,高精度的檢測方法主要是定量檢測波像差的干涉儀。
2 三種干涉測量法
2.1 直接測量法

      把被檢測的樣品玻璃置于斐索干涉儀的參考平面和一標準平面中間,從標準平面反射的光與參考平面反射的光相干涉。如果樣品的表面面形是理想的,檢測得到的波面質量就反映了樣品玻璃的光學不均勻性。
如令樣品的光學不均勻性為△n,檢測得到的波相差為ω(x,y),樣品厚度為t,則
△n=ω(x,y)/(2t) (1)
      從理論上來說,直接干涉測量法測量光學均勻性的精度較高,但它要求樣品表面質量也很高。如果要檢測的光學均勻性的精度為1×10-6,那么對30mm厚的樣品來說,系統的誤差(PV值)應小于0.047λ,于是每個面的面形精度都得在λ/25左右。即使是厚度為100mm樣品,如果要求檢測精度達到1×10-6,每個面的面形精度也需達到λ/10左右。為避免經常加工高精度的平面,可以精制兩塊平板作貼置玻璃,檢測時在樣品的表面涂敷折射率與樣品的折射率相差不多的折射液,再把樣品夾在兩貼置玻璃中間。 也可以用別的干涉儀如泰曼-格林干涉儀、馬赫-澤得干涉儀、剪切干涉儀、刀口干涉儀等來直接測量樣品的光學均勻性。圖2是一種檢測樣品的光學均勻性的平板剪切干涉儀示意圖。
2.2 樣品翻轉法

      為避免樣品面形的影響,最簡單的方法就是分別測量樣品的兩個表面。樣品的前表面容易測量,為測量其后表面,要繞與光軸垂直的軸翻轉樣品180o。這種方法可以用圖3所示的測量系統。
      測量系統中,假設系統的參考平面誤差為S(x,y),樣品前表面的面形誤差為A(x,y),樣品后表面的面形誤差為B(x,y),系統后反射面的面形誤差為C(x,y),樣品的折射率為n0,樣品的厚度為t,△n(x,y)為此樣品的折射率變化量(即不均勻性),則
第一步,樣品前表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差:
       M1(x,y)=2 S(x,y)+2 A(x,y) (2)
第二步,樣品繞x軸翻轉180o后,其后表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差:
       M2(x,y)=2 S(x,y)+2 B(x,-y) (3)
可以在數學上使M2(x,y)繞軸翻轉180o,從而得到
      M′2(x,y)= M2(x,-y)=2 S(x,-y)+2 B(x,y) (4)
第三步,樣品在參考面和系統后反射面之間時,系統后表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差:
      M3(x,y)=2 C(x,y)-2(n0-1)A(x,y)-2(n0-1)B(x,y)+2t△n(x,y)+2 S(x,y) (5)
第四步,取出樣品后,系統后表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差:
      M4(x,y)=2 C(x,y)+2 S(x,y) (6)
在方程(5)減方程(6)后,再加上(n0-1)乘以方程(2)加方程(4)得到
     M3(x,y)- M4(x,y)+(n0-1)[ M1(x,y)+ M′2(x,y)]
=-2(n0-1)[A(x,y)+ B(x,y)]+ 2t△n(x,y)+2(n0-1)[A(x,y)+ B(x,y)+ S(x,y)+ S(x,-y)]
=2t△n(x,y)+2(n0-1)[ S(x,y)+ S(x,-y)] (7)
于是
△n(x,y)={ M3(x,y)- M4(x,y)+(n0-1)[ M1(x,y)+ M′2(x,y)]}/ 2t-(n0-1)[ S(x,y)+ S(x,-y)]
=2t△n(x,y)+ 2(n0-1)[ S(x,y)+ S(x,-y)] (8)
      可以看到,在上面的計算式中,既不包含樣品的面形誤差,也不包含系統后反射鏡的面形誤差,這樣在原理上就避免了對樣品和系統后反射鏡的面形的高質量要求。但也看到,系統的誤差不但沒有消除(除非它的誤差沿轉動軸反對稱),而且實際上反而增加了。  
2.3 絕對測量法

      為避免系統誤差的影響,可以用如圖4和圖5所示的測量過程。
同上面的樣品翻轉法一樣,假設系統的參考平面誤差為S(x,y),樣品前表面的面形誤差為A(x,y),樣品后表面的面形誤差為B(x,y),系統后反射面的面形誤差為C(x,y),樣品的折射率為n0,樣品的厚度為t,△n(x,y)為此樣品的折射率變化量(即不均勻性),則
第一步,樣品前表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差:
      M1(x,y)=2 S(x,y)+2 A(x,y) (9)
第二步,樣品后表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差:
      M2(x,y)=2 S(x,y) -2n0B(x,y) -2(n0-1)A(x,y) +2t△n(x,y) (10)
第三步,樣品在參考面和系統后反射面之間時,系統后表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差:
      M3(x,y)=2 C(x,y)-2(n0-1)A(x,y)-2(n0-1)B(x,y)+2t△n(x,y)+2 S(x,y) (11)

第四步,取出樣品后,系統后表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差:
      M4(x,y)=2 C(x,y)+2 S(x,y) (12)
在方程(5)減方程(9)后,再減去方程(5)減方程(10)得到
      M1(x,y)- M2(x,y)= 2n0 [A(x,y)+ B(x,y)] -2t△n(x,y) (13)
在方程(5)減方程(11)后,再減去方程(5)減方程(12)得到
      M3(x,y)- M4(x,y)= -2(n0-1) [A(x,y)+ B(x,y)]+ 2t△n(x,y) (14)
于是
      △n(x,y)={ (n0-1)[ M1(x,y)- M2(x,y)]+ n0 [ M3(x,y)- M4(x,y)]}/ 2t (15)
      可以看到,在上面的計算式中,不僅不包含樣品的面形誤差,而且也不包含系統和系統后反射鏡的面形誤差,在原理上是一種樣品光學均勻性的絕對測量方法,這樣降低了對樣品、系統和系統后反射鏡的質量要求。這種測量方法對樣品的光學均勻性檢測精度很高。影響精度的主要原因是干涉儀的隨機誤差,如用Zygo數字干涉儀,隨機誤差可以小于λ/30。因此對于厚為30mm左右的樣品來說,檢測精度可達到 5×10-7。
3.采用絕對測量原理的高精度光學均勻性測量儀
      從前面光學均勻性檢測方法的分析中,知道光學均勻性的絕對測量方法精度高,但對樣品、系統和系統后反射鏡的質量要求不很高,選用這種原理研制了一臺大孔徑光學均勻性測量儀。干涉測量儀采用斐索干涉儀結構,系統的基本組成如圖5所示。對干涉圖的處理用的是條紋法。
4.實驗結果及結論
      用條紋法處理干涉圖的大口徑光學均勻性測量儀的精度從理論來說主要取決于條紋中心的處理精度。一般條紋中心精度也就在0.1條條紋左右,由此引起的波相差測量誤差為λ/20左右。對于40mm厚的樣品測量精度來說,應在1×10-6左右。對比圖7和圖8的測量結果可以看出,樣品的光學均勻性絕對值相差不超過1×10-6。考慮到Zygo干涉儀測量時樣品口徑要比所研制的測量儀測量時的樣品口徑小,則其相差就更小。因此認為,所研制的大口徑光學均勻性測量儀的精度可以達到1×10-6左右。這同作者認為的一般條紋法的精度一致。
   


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