光学玻璃光学均匀性高精度测量技术

(7)
于是
Δn ( x , y) =
M3 ( x , y) -
M4 ( x , y)
+ ( n0 2t
1) [ M1 ( x , y)
+
M′2 ( x , y) ]
-
( n0 - 1) [ S ( x , y) + S ( x , -
y) ]
= 2 tΔn ( x , y) + 2 ( n0 - 1) [ S ( x , y) + S ( x , - y) ]
图 5 光学均匀性检测仪的原理图
检测得到波相差 :
M1 ( x , y) = 2 S ( x , y) + 2 A ( x , y)
(9)
差 ,而且也不包含系统和系统后反射镜的面形误差 ,在原理上是 一种样品光学均匀性的绝对测量方法 ,这样降低了对样品 、系统 和系统后反射镜的质量要求 。这种测量方法对样品的光学均匀 性检测精度很高 。影响精度的主要原因是干涉仪的随机误差 , 如用 Zygo 数字干涉仪 ,随机误差可以小于λ/ 30 。因此对于厚为 30 mm 左右的样品来说 ,检测精度可达到 5 ×10 - 7 。
光 学 技 术 第27卷第6期
2001年11月
O P T ICAL
TECHN IQU E VNool1v217 N2o01061
文章编号 : 100221582 (2001) 0620528202
光学玻璃光学均匀性高精度测量技术 Ξ
郭培基 , 余景池 , 丁泽钊 , 孙侠菲
的玻璃质量指标 ,因为它直接影响透射光学系统的波面质量 ,改 平板 作 贴 置 玻 璃 , 检 测
变系统的波像差 。随着现代科学技术和国防事业的发展 ,对一 时在样品的表面涂敷折
些透射光学系统的成像质量要求越来越高 ,迫切需要有高精度 射率与样品的折射率相
的光学玻璃光学均匀性的检测手段 ,而现在国内的光学材料生 差不 多 的 折 射 液 , 再 把
High accuracy testing method of the homogeneity of optical glass
GUO Pei2ji , YU J ing2chi , DING Zhe2zao , SHUN Xia2fei
( Institute of Modern Optical Technology , Soochow University , Suzhou 215006 , China)
M3 ( x , y) = 2 C ( x , y) - 2 ( n0 - 1) A ( x , y) 2 ( n0 - 1) B ( x , y) + 2 tΔn ( x , y) + 2 S ( x , y)
(5) 第四步 ,取出样品后 ,系统后表面反射光波与参考光波干涉 检测得到波相差 :
211 直接测量法[1 ,2 ,3 ]
如图 1 所示 ,把被检测的样品玻璃置于斐索干涉仪的参考
平面和一标准平面中间 ,从标准平面反射的光与参考平面反射
的光相干涉 。如果样品的表面面形是理想的 ,检测得到的波面
质量就反映了样品玻璃的光学不均匀性 。
如令样品的光学不均匀 性 为 Δn , 检 测 得 到 的 波 相 差 为
M4 ( x , y) = 2 C( x , y) + 2 S ( x , y)
(6)
在方程 (5) 减方程 (6) 后 ,再加上 ( n0 - 1) 乘以方程 (2) 加方 程 (4) 得到
M 3 ( x , y) - M 4 ( x , y) + ( n0 - 1) [ M 1 ( x , y) + M′2 ( x , y) ]
Key words : homogeneity of optical glass ; testing ; high accuracy
1 引 言
高 ,但它要求样品表面质量也很高 。如果要检测的光学均匀性 的精度为 1 ×10 - 6 ,那么对
光学玻璃比普通工业玻璃的质量要求高 。光学玻璃的质量 30 mm 厚的样品来说 ,系统
= - 2 ( n0 - 1) [ A ( x , y) + B ( x , y) ] + 2 tΔn ( x , y) + 2 ( n0 - 1) [ A ( x , y) + B ( x , y) + S ( x , y) + S ( x , - y) ]
= 2 tΔn ( x , y) + 2 ( n0 - 1) [ S ( x , y) + S ( x , - y) ]
M 3 ( x , y) - M 4 ( x , y)
= - 2 ( n0 - 1) [ A ( x , y) + B ( x , y) ] + 2 tΔn ( x , y) (14)
于是
Δn ( x , y) =
( n0 - 1) [ M1 ( x , y) - M2 ( x , y) ] + n0 [ M3 ( x , y) - M4 ( x , y) ] 2t
性) ,则 第一步 ,样品前表面反射光波与参考光波干涉检测得到波
相差 :
M1 ( x , y) = 2 S ( x , y) + 2 A ( x , y)
(2)
第二步 ,样品绕 x 轴翻转 180°后 ,其后表面反射光波与参
考光波干涉检测得到波相差 :
M2 ( x , y) = 2 S ( x , y) + 2 B ( x , - y)
528
第6期
郭培基 ,等 : 光学玻璃光学均匀性高精度测量技术
测量系统中 ,假设系统的参考平面误差为 S ( x , y) , 样品前 表面的面形误差为 A ( x , y) , 样品后表面的面形误差为 B ( x , y) ,系统后反射面的面形误差为 C ( x , y) , 样品的折射率为 n0 , 样品的厚度为 t ,Δn ( x , y) 为此样品的折射率变化量 (即不均匀
Abstract : In high quality refractive optical system t he homogeneity of optical components is rat her high1 Local changes in t he refractive index of t he order of 10 - 6 will detect t he adequate performance of t he whole system1 In t his paper , we describe t hree optical interference met hods to measure t he homogeneity of optical glass , a high accuracy apparatus for testing t he homo2 geneity of optical glass is developed , and t he test result shows t he measurement error is less t han 1 ×10 - 61
w ( x , y) ,样品厚度为 t ,则
Δn = w ( x , y) / (2 t)
(1)
从理论上来说 ,直接干涉测量法测量光学均匀性的精度较
光学 均 匀 性 的 平 板 剪 切 干 涉
仪示意图 。
212 样品翻转法[2 ] 为避免样品面形的影响 ,
最简 单 的 方 法 就 是 分 别 测 量
(8)
可以看到 ,在上面的计算式中 ,既不包含样品的面形误差 , 检测得到波相差 :
也不包含系统后反射镜的面形误差 ,这样在原理上就避免了对
M4 ( x , y) = 2 C( x , y) + 2 S ( x , y)
(12)
样品和系统后反射镜的面形的高质量要求 。但也看到 ,系统的
误差不但没有消除 (除非它的误差沿转动轴反对称) ,而且实际
3 采用绝对测量原理的高精度光学均匀性测量仪
从前面光学均匀性检测方法的分析中 ,知道光学均匀性的
第二步 ,样品后表面反射光波与参考光波干涉检测得到波 相差 :
M2 ( x , y) = 2 S ( x , y) - 2 n0 B ( x , y) 2 ( n0 - 1) A ( x , y) + 2 tΔn ( x , y) (10)
上反而增加了 。
213 绝对测量法[2～4 ]
为避免系统误差的影响 ,
可以用如图 4 和图 5 所示的
测量过程 。
同上 面 的 样 品 翻 转 法 一
样 ,假设系统的参考平面误差
为 S ( x , y) , 样品前表面的面 形误差为 A ( x , y) , 样品后表
图 4 绝对测量法的过程
面的面形误差为 B ( x , y) ,
(15) 可以看到 ,在上面的计算式中 ,不仅不包含样品的面形误
系统后反射面的面形误差
为 C( x , y) ,样品的折射率 为 n0 , 样 品 的 厚 度 为 t , Δn ( x , y) 为样品的折射率 变化量 (即不均匀性) ,则
第一 步 , 样 品 前 表 面 反射光波与参考光波干涉
样品 的 两 个 表 面 。样 品 的 前 图 3 样品翻转测量法的过程 表面容易测量 ,为测量其后表 面 ,要绕与光轴垂直的轴翻转样品 180°。这种方法可以用图 3 所示的测量系统 。
Ξ 收稿日期 : 2001205227 作者简介 : 郭培基 (19682) ,男 ,湖北省广济市人 ,苏州大学现代光学技术研究所副研究员 ,博士 ,主要从事光学超精加工与检测方面的研究 。
(苏州大学 现代光学技术研究所 , 江苏 苏州 215006) 摘 要 : 高质量的透射光学系统对光学材料的光学均匀性要求非常高 ,材料局部折射率 10 - 6量级的变化就可能破 坏整个系统的性能 。详细介绍了三种用于测量光学玻璃光学均匀性的干涉法 ,研制了一台高精度光学玻璃材料光学均 匀性测量仪 。实验结果表明 :40 mm 左右厚的光学玻璃材料的光学均匀性检测精度可达 1 ×10 - 6 。 关 键 词 : 光学材料的光学均匀性 ; 检测 ; 高精度 中图分类号 : TH706 文献标识码 : A
检验包括光学性能和光学质量的检验和测试 。光学性能包括折 射率和色散等光学常数 。光学玻璃质量是指熔制和退火过程中 的各种缺陷的大小 ,包括光学玻璃的光学均匀性 、应力双折射 、
的 误 差 ( PV 值 ) 应 小 于 01047λ,于是每个面的面形 精度都得在λ/ 25 左右 。即
图 1 直接测量法
(3)
可以在数学上使 M2 ( x , y) 绕轴翻转 180°,从而得到
M′2 ( x , y) = M 2 ( x , - y) = 2 S ( x , - y) + 2 B ( x , y) (4) 第三步 ,样品在参考面和系统后反射面之间时 ,系统后表面 反射光波与参考光波干涉检测得到波相差 :
在方程 (5) 减方程 (9) 后 ,再减去方程 (5) 减方程 (10) 得到
M 1 ( x , y) - M 2 ( x , y)
= 2 n0 [ A ( x , y) + B ( x , y) ] - 2 tΔn ( x , y)
(13)
在方程 (5) 减方程 (11) 后 ,再减去方程 (5) 减方程 (12) 得到
条纹 、气泡和由杂质等引起的光吸收等 。光学玻璃的光学均匀 性是指同一块光学玻璃内部的折射率的不一致性 ,常用其内部
使是厚度为 100 mm 样品 ,如果要求检测精度达到 1 ×10 - 6 ,每 个面的面形精度也需达到λ/ 10 左右 。为避免经常加工高精度
的折射率的最大差值表示 。光学玻璃的光学均匀性是非常重要 的平 面 , 可 以 精 制 两 块
产厂家都没有合适的手段来检测这种高要求的玻璃材料 。光学 玻璃的光学均匀性检测有定性和定量两类方法 ,高精度的检测
样品夹在两贴置玻璃中 间。
图 2 剪切干涉测量法
Hale Waihona Puke Baidu
方法主要是定量检测波像差的干涉法 。
也可以用别的干涉仪如泰曼 —格林干涉仪 、马赫 —泽得干
2 三种干涉测量法
涉仪 、剪切干涉仪 、刀口干涉仪等来直接测量样品的光学均匀 性 。图 2 是 一 种 检 测 样 品 的