郭培基,余景池,丁澤釗,孫俠菲(蘇州大學(xué) 現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)研究所,江蘇 蘇州 215006)摘自《光學(xué)技術(shù)》
摘要:高質(zhì)量的透射光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)材料的光學(xué)均勻性要求非常高,材料局部折射率10-6量級(jí)的變化就可能破壞整個(gè)系統(tǒng)的性能。詳細(xì)介紹了三種用于測量光學(xué)玻璃光學(xué)均勻性的干涉法,研制了一臺(tái)高精度光學(xué)玻璃材料光學(xué)均勻性測量儀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:40mm左右厚的光學(xué)玻璃材料的光學(xué)均勻性檢測精度可達(dá)1×10-6。
l,).p 關(guān)鍵詞:環(huán)行浮動(dòng)拋光技術(shù);工藝實(shí)驗(yàn);透射波前;反射波前
!r-F>!~ 中圖分類號(hào):TH706
!R$`+wZ62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí):A F0#
'WfM# \2z>?i) High accuracy testing method of the homogeneity of optical glass [F7hu7zY8 GUO Pei-ji, YU Jing-chi, DING Zhe-zao, SHUN Xia-fei Ys7]B9/1O
(Institute of Modern Optical Technology, Soochow University, Suzhou 215006, China) ?7A>+EY Abstract:In high quality refractive optical system the homogeneity of optical components is rather high. Local changes in the refractive index of the order of 10-6 will detect the adequate performance of the whole system. In this paper, we describe three optical interference methods to measure the homogeneity of optical glass, a high accuracy apparatus for testing the homogeneity of optical glass is developed, and the test result shows the measurement error is less than 1×10-6.
X>^fEQq" Key word:homogeneity of optical glass; testing; high accuracy
1 引 言 PvL[e"p
光學(xué)玻璃比普通工業(yè)玻璃的質(zhì)量要求高。光學(xué)玻璃的質(zhì)量檢驗(yàn)包括光學(xué)性能和光學(xué)質(zhì)量的檢驗(yàn)和測試。光學(xué)性能包括折射率和色散等光學(xué)常數(shù)。光學(xué)玻璃質(zhì)量是指熔制和退火過程中的各種缺陷的大小,包括光學(xué)玻璃的光學(xué)均勻性、應(yīng)力雙折射、條紋、氣泡和由雜質(zhì)引起的光吸收等。光學(xué)玻璃的光學(xué)均勻性是指同一塊光學(xué)玻璃內(nèi)部的折射率的不一致性,常用其內(nèi)部的折射率的最大差值表示。光學(xué)玻璃的光學(xué)均勻性是非常重要的玻璃質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)樗苯佑绊懲干涔鈱W(xué)系統(tǒng)的波面質(zhì)量,改變系統(tǒng)的波像差。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和國防事業(yè)的發(fā)展,對(duì)一些透射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求越來越高,迫切需要有高精度的光學(xué)玻璃光學(xué)均勻性的檢測手段,而現(xiàn)在國內(nèi)的光學(xué)材料生產(chǎn)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(xué)玻璃的光學(xué)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 E=L8<
2.1 直接測量法[ 1,2,3] wC*X4 '
如圖1所示,把被檢測的樣品玻璃置于斐索干涉儀的參考平面和一標(biāo)準(zhǔn)平面中間,從標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量就反映了樣品玻璃的光學(xué)不均勻性。 <3
uNl
如令樣品的光學(xué)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 ~ri5zb20
△n=ω(x,y)/(2t) (1) .\mj4*?/
從理論上來說,直接干涉測量法測量光學(xué)均勻性的精度較高,但它要求樣品表面質(zhì)量也很高。如果要檢測的光學(xué)均勻性的精度為1×10-6,那么對(duì)30mm厚的樣品來說,系統(tǒng)的誤差(PV值)應(yīng)小于0.047λ,于是每個(gè)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(dá)到1×10-6,每個(gè)面的面形精度也需達(dá)到λ/10左右。為避免經(jīng)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(shí)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(xué)均勻性。圖2是一種檢測樣品的光學(xué)均勻性的平板剪切干涉儀示意圖。
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2.2 樣品翻轉(zhuǎn)法[ 2 ] p7~!z.)o
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(gè)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(zhuǎn)樣品180o。這種方法可以用圖3所示的測量系統(tǒng)。 Gm`8q}<I
測量系統(tǒng)中,假設(shè)系統(tǒng)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(tǒng)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 (k P9hcV
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: HZOMlOZ
M1(x,y)=2 S(x,y)+2 A(x,y) (2) +T+#q@
第二步,樣品繞x軸翻轉(zhuǎn)180o后,其后表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差: 4ppz,L,4
M2(x,y)=2 S(x,y)+2 B(x,-y) (3)
:11
A
可以在數(shù)學(xué)上使M2(x,y)繞軸翻轉(zhuǎn)180o,從而得到 zm# ?W
M′2(x,y)= M2(x,-y)=2 S(x,-y)+2 B(x,y) (4) qgB_=Q#E
第三步,樣品在參考面和系統(tǒng)后反射面之間時(shí),系統(tǒng)后表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差: L},_.$I?
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) 3' 'me
第四步,取出樣品后,系統(tǒng)后表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差: <ZW-QN4
M4(x,y)=2 C(x,y)+2 S(x,y) (6) s#MPX3itK
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 *^r}"in
M3(x,y)- M4(x,y)+(n0-1)[ M1(x,y)+ M′2(x,y)] }B^tL$k
=-2(n0-1)[A(x,y)+ B(x,y)]+ 2t△n(x,y)+2(n0-1)[A(x,y)+ B(x,y)+ S(x,y)+ S(x,-y)] |BYRe1l6l
=2t△n(x,y)+2(n0-1)[ S(x,y)+ S(x,-y)] (7) @9:uqsL
于是 O&&~NXI\
△n(x,y)={ M3(x,y)- M4(x,y)+(n0-1)[ M1(x,y)+ M′2(x,y)]}/ 2t-(n0-1)[ S(x,y)+ S(x,-y)] kf9X$d6
=2t△n(x,y)+ 2(n0-1)[ S(x,y)+ S(x,-y)] (8) y>LBl]
可以看到,在上面的計(jì)算式中,既不包含樣品的面形誤差,也不包含系統(tǒng)后反射鏡的面形誤差,這樣在原理上就避免了對(duì)樣品和系統(tǒng)后反射鏡的面形的高質(zhì)量要求。但也看到,系統(tǒng)的誤差不但沒有消除(除非它的誤差沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸反對(duì)稱),而且實(shí)際上反而增加了。 Lj7AZ|k
2.3 絕對(duì)測量法[ 2 ~ 4 ]