干涉仪光学系统的优化方案

干涉仪是光学检测的重要仪器,可以检测光学元件的面型、光学系统的透射波像差。干涉仪的结构形式多种多样,其中斐索型结构具有共光路的特征,多数商用干涉仪均采用此结构类型。斐索型干涉仪的典型光路结构如图8-7所示,斐索型干涉仪的成像关系如图8-8所示。激光器作为干涉仪的相干光源,经过扩束镜和准直镜组成的扩束准直系统形成大口径准直波前。显微镜常被用作扩束镜,在其焦点位置放置针孔作为滤波器。标准透射平晶(TF)前表面作为参考面,其面型PV值通常优于λ/20。标准透射平晶的后表面作为非工作面,面型可以略差于参考面。标准透射平晶具有一定的楔角,这使得经其后表面返回的光束被成像光路中的小孔滤除,参考面返回的光路与待测件返回的光束经成像镜在探测器上形成干涉图。干涉仪的探测光束经过待测件返回后,携带被测件面形信息,其波面变化为2倍的待测件面形误差。根据对干涉图的条纹运算(通常采用移相干涉算法),求解获得待测件面形误差。

图8-7　斐索型干涉仪的典型光路结构

图8-8　斐索型干涉仪检测平面的成像关系

图8-7中显示的是干涉仪的照明光路,图8-8展示了干涉仪中的成像关系。待测件与探测器关于干涉仪中包含标准透射平晶、准直镜、分光镜和成像镜在内的光学系统共轭。一般情况下,干涉成像光路是远心光路,这样保证待测件放置在不同位置时,通过探测器位置的调焦实现物像关系的匹配,并且物像的放大率不发生变化。

如果待测件为球面,则必须采用标准球面透镜(TS)作为参考镜。其几何结构是一种齐明透镜组,最后一块透镜的后表面作为干涉测量的参考球面,曲率中心与标准球面透镜的焦点重合。典型的标准球面透镜光路如图8-9所示。在照明光路中,其作用是将干涉仪主机出射的准直波前转化成相应F数的测试球面波,并提供经参考球面返回的参考波前。在成像光路中,它将与干涉主机结构中的准直镜、分光镜和成像镜一起,将待测球面成像到探测器上。检测球面元件时,干涉腔内待测球面的曲率中心与标准球面透镜的焦点重合,形成共焦结构。由参考球面返回的波前作为参考球面波,由待测球面返回的波前作为测试球面波,二者在探测器上形成干涉条纹。

图8-9　标准球面透镜的典型光路结构(www.xing528.com)

可见光干涉仪中配备的小F数标准球面透镜一般由3～6片镜头组成。透镜片数较多时对移相器的负载要求增加,并且使得标准球面透镜的R值较小,减小了凸面测量能力。因此,在小F数标准球面透镜设计时可以考虑采用非球面减小透镜片数。非球面的使用需要考虑如下几个因素:①非球面的加工能力,不能在透镜表面产生较多的中高频误差;②非球面的检测能力,如果采用补偿器检测将使标准球面透镜成本增加;③不建议使用非球面的高阶项,以牺牲波面斜率的代价提升波像差PV值。

作者在设计一款工作于中波红外4.41μm和长波红外10.6μm的双波长,口径100mm的F/0.75标准球面透镜时,采用了非球面设计方案,如图8-10所示。若采用全球面结构,需要4片透镜;而采用非球面结构,仅要2片透镜。2片式非球面结构中,第1片为锗材料,第2片为硒化锌。采用单点金刚石车削加工非球面,采用QED SSI拼接干涉仪进行面型测量。为了有效控制非球面偏差,采用Q非球面表达式。与传统偶次非球面相比,可以通过Q多项式系数的平方和计算非球面斜率,从而控制非球面偏差。

图8-10　F/0.75红外双波长标准球面透镜

(a)4片式全球面结构;(b)2片式非球面结构

2片式非球面标准球面透镜结构中,最后一个面作为参考球面,所以一共有3个面可以被用作非球面。从引入单个非球面开始考虑,首先将锗透镜的前表面设置为Q非球面,为了满足F/0.75双波长标准球面透镜的设计要求,此非球面与最佳拟合球面的偏差为126.9μm,斜率均方根值为7.36倍Nyquist采样(相邻像素的非球面偏差为λ/4,λ=632.8nm)。上述非球面偏差超过了加工单位拼接干涉仪最大120μm非球面偏差的检测能力。因此,考虑分裂单个非球面,将非球面度分摊到其他球面上,增加硒化锌透镜的前表面为Q非球面。通过对Q非球面项系数的优化控制,2片非球面方案中,非球面偏差分别为85.5μm和77.1μm,斜率均方根值分别为4.50倍和4.55倍Nyquist采样。进一步,如果增加锗透镜的后表面为Q非球面,可以继续分摊非球面度。3片非球面方案中,非球面偏差分别为47.5μm、46.3μm和50.6μm,斜率均方根值分别为2.47倍、2.50倍和2.48倍Nyquist采样。综合非球面偏差的PV值和材料的折射率定量表征非球面度Asphericity,用如下公式表示:

式中,PVdepature为非球面偏差;n为透镜材料的折射率。根据式(8-4)计算可知,单片非球面的非球面度、2片非球面的总非球面度和3片非球面的总非球面度三者基本相同。因此,在上述F/0.75双波长标准球面透镜中采用非球面。为了满足设计指标要求,系统的总非球面度是固定的,采用Q非球面可以将非球面度分摊到多个非球面上,从而减小非球面的检测难度。如果采用偶次非球面,由于2片式非球面结构中各个非球面为相邻面,容易出现优化不收敛的情况,即各个非球面的非球面度都很大,但作用相互抵消,优化效果不佳。另外,在Q非球面标准球面透镜中,因为总非球面度基本不变,所以从单片非球面演变为2片、3片非球面,尽管非球面片数增加,但整个系统对装调误差的敏感性仍保持不变。

应用Q非球面成功实现了非球面分裂,采用2片Q非球面,设计了2片式红外双波长F/0.75双波长标准球面透镜。与传统的4片式全球面结构相比,2片式非球面结构尽管采用了2片非球面,但由于均可直接采用拼接干涉仪检测,且红外材料使用量减小,整体的成本并未显著提高。此外,透镜片数的减少提升了标准球面透镜的透过率,降低了移相器的负载要求。因而,依据当前非球面加工和检测的能力,合理使用非球面方案,在可见光标准球面透镜设计时也具有应用价值和前景。上述的非球面度分裂的思路与8.1节中透镜的光焦度分裂的方法具有异曲同工之妙。