共光路径向剪切干涉仪的设计

］ １ 设计 ［ 。１ ９ ６ １年， Ｈ ａ ｒ ｉ ｈ ａ ｒ ａ ｎ和 Ｓ ｅ ｎ 设计了一台
面， 由于两个波 面 彼 此 产 生 空 间 位 置 的 交 叠 与 分
］ ８ 离， 在两波面的重叠区域就形成一组干涉 条纹 ［ ，
根据干涉条纹的形状与条纹分布即可获得原始波 面包含的信息 。 图 １ 是两种典型的径向剪切干涉 仪的工作原理 。
犇 犲 狊 犻 狀狅 犳 犮 狅 犿犿 狅 狀狆 犪 狋 犺狉 犪 犱 犻 犪 犾 狊 犺 犲 犪 狉 犻 狀 犻 狀 狋 犲 狉 犳 犲 狉 狅 犿 犲 狋 犲 狉 犵 犵
１２ １ ，ＭＡＪ ＨＥＸ ｕ ｕ ｎ ，
（ １． 犆 犺 犪 狀 犮 犺 狌 狀犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲狅 狋 犻 犮 狊， 犉 犻 狀 犲犕 犲 犮 犺 犪 狀 犻 犮 狊犪 狀 犱犘 犺 狊 犻 犮 狊， 犵 犳犗 狆 狔 犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犃 犮 犪 犱 犲 犿 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊， 犆 犺 犪 狀 犮 犺 狌 狀１ ３ ０ ０ ３ ３， 犆 犺 犻 狀 犪； 狔狅 犳犛 犵 ２． 犌 狉 犪 犱 狌 犪 狋 犲犝 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 犺 犻 狀 犲 狊 犲犃 犮 犪 犱 犲 犿 犮 犻 犲 狀 犮 犲 狊， 犅 犲 犻 犻 狀 ０ ０ ０ ３ ９， 犆 犺 犻 狀 犪） 狔狅 犳犆 狔狅 犳犛 犼 犵１ 狅 狉 狉 犲 狊 狅 狀 犱 犻 狀 狌 狋 犺 狅 狉， 犈 犿 犪 犻 犾： 犿 犪 狌 狀 犻 狅 犿 犪 犮． 犮 狀 犆 ＠犮 狆 犵犪 犼 狆． ：Ａ 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 ｓｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｈ ａ ｓ ｅｓ ｈ ｉ ｆ ｔ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓｃ ａ ｎｎ ｏ ｔ ｔ ｅ ｓ ｔ ｔ ｈ ｅｗ ａ ｖ ｅ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ａ ｂ ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｒ ｏ ｍａ ｐ ｇ ， ａｎ ｅ ｗｃ ｏ ｍｍ ｏ ｎ ａ ｔ ｈｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｌ ａ ｒ ｅｄ ｉ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｎ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｔ ｈｓ ｓ ｔ ｅ ｍａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｅ ｌ ｐ ｇ ｇ ｇｏ ｐ ｐ ｙ ｙ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｅ ｄｔ ｏｅ ｌ ｉ ｍ ｎ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄｂ ｔ ｈ ｅｓ ｔ ａ ｎ ｄ ａ ｒ ｄｗ ａ ｖ ｅ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ． Ｔ ｈ ｅｎ ｅ ｗｄ ｅ ｓ ｉ ｎｔ ａ ｋ ｅ ｓａ ｎ ｇ ｙ ｙ ｇ ａ ｌ ｕ ｔ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｐ ｒ ｉ ｓ ｍｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｆ ａ ｔ ｒ ｉ ａ ｎ ｕ ｌ ａ ｒｐ ｒ ｉ ｓ ｍａ ｎ ｄａｒ ｈ ｏ ｍ ｂ ｉ ｃｐ ｒ ｉ ｓ ｍａ ｓａｓ ｈ ｅ ａ ｒｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅｔ ｏｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｇ ｇ ｇｏ ｇ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅｂ ｈ ｅｗ ａ ｖ ｅ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｅ ｓ ｔｗ ｉ ｔ ｈｉ ｔ ｓｒ ｅ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ．Ａ ｇ ｒ ｏ ｕ ｆｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅａ ｅ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｙｔ ｐ ｐｏ ｐ ｌ ｅ ｎ ｓｓ ｗ ｉ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓａ ｒ ｅｕ ｓ ｅ ｄｔ ｏｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｔ ｈ ｅｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏｏ ｆ ｔ ｈ ｅｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ． Ｃ ｏ ｍ ａ ｒ ｅ ｄ ｇｄ ｇｒ ｇ ｐ ， ｗ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅｄ ａ ｔ ａｆ ｒ ｏ ｍ４ Ｄｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓｕ ｎ ｄ ｅ ｒｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓｉ ｔｓ ｈ ｏ ｗ ｓｔ ｈ ａ ｔ ｙ ｐ ／ ８ ０ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｆｒ ｏ ｏ ｔｍ ｅ ａ ｎ ｔ ｈ ｅｒ ｅ ｅ ａ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｆｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｅ ｄｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒｉ ｓａ ｂ ｏ ｕ ｔλ ｙｏ ｐ ｙｏ ｇ ｇｉ ／ （ ） ｓ ｕ ａ ｒ ｅ ｉ ｓｂ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｎλ ８ ０λ ＝６ ３ ０ｎ ｍ ． Ｔ ｈ ｅｄ ｅ ｓ ｉ ｎｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｍ ｏ ｎ ａ ｔ ｈｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｑ ｇ ｐ ｇ ｌ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｓ ｉ ｔ ｓｄ ｉ ｍ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｗ ｅ ｉ ｈ ｔａ ｎ ｄａ ｌ ｓ ｏ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｓｔ ｈ ｅｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｏ ｒ ｌ ｏ ｎ ｔ ｉ ｃ ａ ｌｐ ａ ｔ ｈ ｙｒ ｇ ｐ ｐ ｙｆ ｇｏ ｐ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ． ： ； ； 犓 犲 狅 狉 犱 狊 ｏ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｗ ａ ｖ ｅ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ａ ｂ ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｇ ｇ 狔狑
１ 引 言
， ｉ ｚ ｅ ａ ｕ Ｔ ｗ ｍ ａ ｎ Ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ干涉仪相 与 经 典 的 Ｆ ｙ 径向波面 剪 切 干 涉 仪 （ 比， Ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌＳ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｎ ｔ ｅ ｒ ｇＩ ， ） 无需 标 准 镜 提 供 参 考 光 束 ， 克服 ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ Ｒ Ｓ Ｉ 目前被广泛应用于光 了传统干涉仪的 某 些 不 足 ， 学表面检测 、 温度场检测等测试领域 。 １ ９ ５ ９年， Ｂ ｒ ｏ ｗ ｎ 率先对径向 剪 切 干 涉 仪 进 行 研究 ， 完成了采用 会 聚 光 照 明 的 雅 满 形 干 涉 仪 的
４］ 果［ 。 国内上海光 机 所 、 南京理工大学等单位也
（ ） ａ Ｍ ｕ ｒ ｔ ｙ 径向剪切干涉仪 （ ） ａ Ｍ ｕ ｒ ｔ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｙｒ ｇ
分别对横向与径 向 剪 切 干 涉 仪 进 行 了 研 究 ， 通过 在Ｍ ａ ｃ ｈ Ｚ ｅ ｈ ｎ ｄ ｅ ｒ干涉光路 中 使 用 楔 角 方 向 正 交 放置的楔板实现 矢 量 剪 切 与 相 移 ， 并通过双波带
修订日期ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ： ２ ０ １ ０ １ １ ０ ８； ２ ０ １ １ ０ １ ２ ５． 收稿日期 ： 国家自然科学基金资助项目 （ ） Ｎ ｏ ． ６ ０ ５ ３ ８ ０ ２ ０ 基金项目 ：
２ ０ ３ ０
光学 精密工程
第１ ９卷
空间相干 性 的 波 面 剪 切 为 两 个 相 同 或 相 似 的 波
第１ ９卷 第９期 ２ ０ １ １年９月
Ｏ ｔ ｃ ｓａ ｎ ｄＰ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎＥ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｐｉ ｇ ｇ
光学 精密工程
Ｖ ｏ ｌ ． １ ９ Ｎ ｏ ． ９ Ｓ ｅ ． ２ ０ １ １ ｐ
文章编号 １ ） ０ ０ ４ ９ ２ ４ Ｘ（ ２ ０ １ １ ０ ９ ２ ０ ２ ９ ０ ７
５ ７］ 板实现对光学非球面的检测 ［ 。
常规的径向剪切干涉测量装置大多通过透镜 干涉仪最 组或偏振分光镜 等 组 件 实 现 波 面 剪 切 ， 终的精度由其中各光学组件的实际面形精度通过 相乘关系运算后得到 ， 因此 ， 光路中所采用的光学 平板 、 分光镜等光学器件的加工 、 装调精度对干涉 仪的整机测试精 度 影 响 很 大 ， 甚至部分抵消了剪 切干涉 仪 无 标 准 镜 头 的 优 势 。 此 外 诸 如 基 于 或变形 Ｍ ａ ｃ ｈ Ｚ ｅ ｈ ｎ ｄ ｅ ｒ或 Ｂ ｒ ｏ ｗ ｎ径向剪切光路（ 光路 ） 的剪切干涉仪不具备共光路的特性 ， 因此对 震动等检测条件要求较高 ， 只能应用于短光 环境 、 路、 投射光学表面等应用领域的检测过程 。 基于上述原 因 ， 本文提出了一种采用斜方棱 镜与三角棱镜构成胶合组合棱镜实现波面剪切的 共光路径向剪切 干 涉 仪 ， 该干涉仪无需标准镜即 可以应用于长光路光学干涉检测 。 本文设计的组合棱镜剪切干涉仪利用双通径 向剪切干涉原理 ， 采用特殊的光路设计 ， 具备无需 标准 镜 、 共 光 路、 可 调 剪 切 比、 外形尺寸相对紧凑
共光路径向剪切干涉仪的设计
２ 何 煦１， ， 马 军１
（ 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 ， 吉林 长春 １ １． ３ ０ ０ ３ ３； 中国科学院 研究生院 ， 北京 １ ２． ０ ０ ０ ３ ９）
摘要 ： 针对常规像移式干涉仪无法用于大口径 、 长光路光学系 统 波 像 差 检 测 的 工 程 问 题 ， 设计了共光路径向剪切干涉仪 以消除采用标准波面所引入的系统误 差 。 设 计 中 采 用 由 三 角 棱 镜 与 斜 方 棱 镜 组 合 而 成 的 胶 合 棱 镜 组 作 为 波 面 剪 切 器 件， 将待测波面与其复制波面产生干涉 ， 并通过一组有不同相对孔径 的 透 镜 切 换 装 置 来 控 制 干 涉 仪 剪 切 比 。 与 ４ Ｄ 动态 设计的剪切干涉仪的测试重复精度约为 λ ／ 实际测试精 度 ＲＭ ／ 干涉仪在不同条件下的比对试验数据表明 ， ８ ０， Ｓ优于 λ ２ ０ （ 。 这种设计极大地缩小了仪器外形尺寸与重量 ， 提高了超长光路干涉检测的效率 。 ＝６ ３ ０ｎ ｍ） λ 关 键 词： 光学测量 ； 径向剪切干涉仪 ；波像差 中图分类号 ： ： ／ ＴＨ ７ ４ ４． ３ 文献标识码 ： Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ７ ８ ８ Ｏ Ｐ Ｅ． ２ ０ １ １ １ ９ ０ ９． ２ ０ ２ ９
（ ） ｂ Ｊ ａ ｍ ｉ ｎ 径向剪切干涉仪 （ ） ｂ Ｊ ａ ｍ ｉ ｎｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｇ 图 １ 两种典型的径向剪切干涉仪 Ｆ ｉ ． １ Ｔ ｗ ｏｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｓ ｈ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ｅ ｒ ｏ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｇ ｙ ｐ ｇ
同样采用会聚光照明的循环式径向剪切干涉
２］ 仪［ ， 它通过两 个 焦 距 不 同 的 组 合 透 镜 实 现 两 波
面剪切 比的调 节 。１ ９ ６ ４ 年， Ｍ ｕ ｒ ｔ ｙ 提出 了基 于开
］ ３ 普勒望远系统的循环式径向剪切干涉仪 ［ 。１ ９ ９ ７
年Ｔ ｓ ｕ ｕ ｏＫ ｏ ｈ ｎ ｏ等利用基于波带片的 Ｍ ａ ｃ ｈ ｇ Ｚ ｅ ｈ ｎ ｄ ｅ ｒ 径向剪切干涉仪测量了 凹面镜 的 波 前 相 位分 布 ， 得到了与 Ｚ Ｙ ＧＯ 干 涉 仪 同 样 的 测 试 结
２ 组合棱镜剪切干涉仪原理
２． １ 波面剪切干涉原理 剪切干涉是通过特殊的光路结构将一个具有
等特点 。 通 过 对 干 涉 图 的 傅 里 叶 变 换 条 纹 分 析 法， 可以直接对干涉条纹进行计算 ， 从而获得波面 的实际畸变 ， 其光路结构如图 ２ 所示 。