Φ200 mm口径长焦距球面干涉测试及装备
2019-09-02赵智亮陈立华赵子嘉
赵智亮，刘 敏，陈立华，赵子嘉，陈 辉
(1.成都太科光电技术有限责任公司，四川 成都 610041；2.成都精密光学工程研究中心，四川 成都 610041)
1 引 言
随着大尺寸光学元件测试需求的增加，对光学测试技术的研究也随之不断扩展，从最初的泰曼-格林干涉测试技术[1]发展到现在比较成熟且广泛使用的斐索干涉测试技术[2-5]，扩大了检测技术及装置对光学元件的不同测试范围。自美国Perkin Elmer公司研制出第一台斐索型激光球面干涉仪以来，球面干涉测试装置[6-8]的制备与应用研究就受到国内外学者的广泛关注，但仅限于小尺寸光学元件的检测，且测试精度较低。现代球面干涉仪[9]正朝向大口径、高精度和复杂面形的趋势发展，将成为国内外科研人员关注的重点探讨领域。
研究发现，球面干涉仪类型包括立式透射式、立式反射式、卧式透射式和卧式反射式4种，当大尺寸球面元件在实际使用中处于倒置状态时，由于球面元件对支撑精度的要求非常高，故在加工和装调过程中[10-11]，需要保证检测条件与环境一致，即准直物镜和标准球面镜以及标准球面反射镜同时保持倒置状态，这无法保证高精度对准测试。现有技术中，根据测试装置的尺寸检测要求，对球面元件最大测试曲率半径为0～5 000 mm。传统长焦距测试[12]采用凹球面标准检测镜和凹球面标准反射镜，其空腔测试距离较长，占用空间比例大。为满足对大曲率球面光学元件的高精度对准测试，本文设计、研制了一款新型大口径长焦距立式斐索型球面干涉测试装置，选用凸球面标准镜和凹球面标准反射镜形成干涉空腔，大大减小空间测试距离，在光学检测领域具有广泛的应用前景。
2 Φ200 mm口径长焦距测试方案
2.1 测试光路
Φ200 mm口径长焦距球面干涉测试装置由激光系统、扩束聚焦系统、干涉成像系统、对准测试系统和长焦距准直测试系统5部分组成，光路设计见图1所示。激光光源出射的光束经扩束聚焦系统以发散光输出，通过对准测试系统对检测光路调节对准，确定测试元件的摆放位置。干涉测试过程中，在球面标准镜21后表面反射形成标准参考光，原光束直接透射标准球面镜头，于球面标准反射镜22的前表面反射形成测试光。上述标准参考光和测试光沿原光路返回，形成干涉测试光，最终成像于CCD靶面。该装置长焦距准直输出有效口径为Φ200 mm，包括球面准直物镜18、球面标准镜21和球面标准反射镜22，元件外径为220 mm，通光口径为210 mm。激光光源采用632.8 nm波长的氦氖激光器，输出功率为1.5 mW。其中干涉成像系统和对准测试系统的成像部分分别采用CCD和CMOS成像元件进行成像，分辨率为1 024 pixel×1 024 pixel。球面标准镜F数为37.5，经计算实际测试元件的最大口径为Φ226.67 mm。
图1 长焦距球面干涉装置光路示意图 Fig.1 Optical path schematic of the long focal length spherical interference device
2.2 Φ200 mm口径凹球面反射镜设计
本文研制的Φ200 mm口径长焦距球面干涉测试系统中，所用的Φ200 mm口径凹球面反射镜如图2所示，其通光口径为Φ210 mm，有效口径为Φ200 mm，设计半径8 000 mm。
Φ200 mm口径球面标准反射镜的光学像差设计如图3所示，从图3左图可看出中心视场的输出波前PV值为0.085λ，RMS值为0.025 3λ，在632.8 nm工作波长下重复性优于λ/20。对应球面标准反射镜的弥散圆斑图像结果如图3右图所示，在全视场时，中心视场RMS为33.283 μm，具有接近衍射受限成像的特性，达到分辨要求。
图2 Φ200 mm口径球面标准反射镜光学设计图像 Fig.2 Optical design of Φ200 mm spherical standard reflection mirror
图3 632.8 nm 波长下球面标准反射镜的波像差和spot图像 Fig.3 Wave aberration and spot results of the spherical standard reflection mirror at 632.8 nm
3 Φ200 mm口径球面面形保障技术
图4 4D动态干涉检测光路图 Fig.4 Optical path of 4D dynamic interference detection
为了实现Φ200 mm口径长焦距球面干涉仪的高精度检测，球面标准镜的加工面形精度是整体干涉测试的参考标准。考虑到球面标准镜面形检测难度较大，拟采用两步检测法：(1)利用4D动态干涉仪对Φ200 mm口径球面标准反射镜进行面形检测，如图4所示，得到球面标准反射镜的面形检测结果；(2)以球面标准反射镜面形检测结果为基准，利用Φ200 mm口径长焦距球面干涉测试装置进行干涉测试，通过相移计算方式，即可得到Φ200 mm口径球面标准镜的面形精度以及其它重要参数。本文通过标定球面标准镜面形精度参数，节省光路调节时间，大大缩短测试距离，并解决长距离光路对准测试等问题，为后续Φ200 mm口径大曲率待测元件提供测试基础。
3.1 球面标准反射镜面形保障
根据光学设计结果，分别采用经典低速抛光加工技术和离子束抛光技术对Φ200 mm口径凹球面标准反射镜加工处理。经过经典低速抛光加工处理，测试得到球面标准反射镜的面形检测结果：PV值为0.103λ@632.8 nm，RMS值为0.018λ@632.8 nm，如图5所示。
图5 经典低速抛光加工下球面标准反射镜检测结果 Fig.5 Detection results of spherical standard reflection mirror in the classic low-speed polishing process
图6 离子束抛光下球面标准反射镜检测结果 Fig.6 Detection results of spherical standard reflection mirror under ion beam polishing
经离子束抛光加工处理后，得到球面标准反射镜的面形检测结果：PV值为0.053λ@632.8 nm，RMS值为0.006λ@632.8 nm，如图6所示。相比单轴经典加工技术，离子束抛光工艺具有高效率、高精度以及耗时短等优良特性。
3.2 球面标准镜面形保障
以离子束抛光下的球面标准反射镜面形检测结果为基准，利用Φ200 mm口径长焦距球面干涉测试装置进行干涉测试，最终通过相移计算得到Φ200 mm口径标准球面镜的面形参数，见图7。经过经典低速抛光加工处理，测试得到球面标准镜的面形检测结果：PV值为0.161λ@632.8 nm，RMS值为0.026λ@632.8 nm。
图7 经典低速抛光加工下球面标准镜检测结果 Fig.7 Detection results of spherical standard mirror in the classic low-speed polishing process
图8 离子束抛光下球面标准镜检测结果 Fig.8 Detection results of spherical standard mirror under ion beam polishing
经离子束抛光加工处理后，得到球面标准镜的面形检测结果：PV值为0.084λ@632.8 nm，RMS值为0.012λ@632.8 nm，如图8所示。
4 测试结果与数据分析
在Φ200 mm口径长焦距球面干涉测试装置进行测试时，以第3节所述的球面标准镜和球面标准反射镜形成测试空腔，结果如图9所示。系统精度为:PV值达到0.097λ@632.8 nm，系统RMS值达到0.013λ@632.8 nm。
图9 系统空腔测试结果 Fig.9 System cavity test results
序号PVPEAKVALLYRMS10.131 60.055 9-0.075 70.017 620.098 40.041 8-0.056 60.012 430.106 50.046 9-0.059 60.012 540.099 30.052 2-0.047 10.01 350.1040.052 8-0.051 20.013 860.097 30.051-0.046 20.012 870.097 20.045 4-0.051 80.013 180.097 60.051 5-0.046 20.011 690.105 20.048 5-0.056 80.013 7100.105 20.052 5-0.052 70.013 5110.096 10.046 5-0.049 50.013120.094 30.042 6-0.051 70.013 8130.105 50.046 9-0.068 60.013 2140.176 60.061 5-0.099 20.019 6150.174 10.038 1-0.042 10.014 1160.088 70.083 3-0.098 60.011 5最大值0.176 60.083 3-0.042 10.019 6最小值0.088 70.038 1-0.099 20.011 5平均值0.111 10.015 4-0.059 60.013 7RMS0.015 60.007 50.010 20.001 8
同时进行10组16次系统重复测试，统计计算知RMS的重复性为0.001 8λ@632.8 nm，优于λ/500@632.8 nm，系统空腔重复性测试结果如表1所示。
采用该长焦距球面干涉测试系统，测试口径Φ130 mm，半径R8 227.417 7 mm的待测凹球面镜，测得面形精度PV=0.125λ@632.8 nm，RMS=0.016λ@632.8 nm，测试结果如图10所示。
图10 待测凹球面镜测试结果 Fig.10 Results of the concave spherical mirror measured by spherical interferometer test system
图11 待测凹球面镜4D干涉仪测试结果 Fig.11 Results of the concave spherical mirror measured by 4D dynamic interferometer
对比4D动态干涉测试结果，口径Φ130 mm的待测凹球面镜面形精度PV=0.120λ@632.8 nm，RMS=0.014λ@632.8 nm，测试结果如图11所示。上述4D动态干涉仪测试结果与本装置测试结果较吻合，且误差很小，但4D动态检测技术占用空间范围大，测试距离长，且光路对准调节耗时长。
本文研制的Φ200 mm口径长焦距球面干涉测试装置，属成都太科光电技术有限责任公司自研产品，见图12。该装置测试输出有效通光口径Φ200 mm，测试凹球面待测镜的曲率半径范围为7500～8 500 mm。
图12 Φ200 mm口径长焦距球面干涉测试装置 Fig.12 Φ200 mm long focal length spherical interference test device
5 结 论
本文研制一种新型Φ200 mm口径长焦距准直干涉测试系统装置，实现口径Φ200 mm凹球面大曲率半径光学元件面形精度检测，元件曲率半径测试范围为7 500～8 500 mm。结果表明，该系统空腔测试精度PV值优于λ/10@632.8 nm，RMS值优于λ/50@632.8 nm，系统重复性优于λ/500@632.8 nm。利用该系统对口径Φ130 mm，半径R8 227.417 7 mm的待测凹球面镜测试得到面形精度PV值0.125λ@632.8 nm，RMS值0.016λ@632.8 nm。
