激光差动共焦曲率半径测量系统的研制

　　1 引 言

　　高精度球面元件广泛应用于光刻机、天文望远镜、激光核聚变、高精度计量等精密光学系统中，其中，对于球面光学元件曲率半径测量精度要求在日益提高。迄今为止，高精度曲率半径计量已经提出了优于 10- 5量级的精度要求，这是光学测试领域的一个难题[1-3]。

　　目前测量曲率半径测量方法可主要包括三坐标机、接触式球径仪、自准直球径仪、干涉仪曲率半径测量系统等。其中球径仪、三坐标机属于接触式测量，容易破坏光学表面，且有其各自的理论局限: 球径仪的测量原理采用矢高法或对称法，不适用于测量大曲率半径[4]; 三坐标机容易受到非正交性的影响，引入较大的系统误差[5-6]。自准直球径仪和干涉仪曲率半径测量系统不会对被测表面造成破坏，其原理是通过自准直或干涉条纹判读法来精确定位猫眼位置 A 和共焦位置 B 两点，并测得这两点之间的距离来得到曲率半径[7]。非接触测量方法中，干涉仪法具有更高的测量精度，但其测量精度仍受到限制: 1) 由于衍射效应的影响，测量光束的焦点为弥散斑，存在焦深，这制约了对 A、B 两点的定位精度[8]; 2) 外界振动、气流等环境因素容易对干涉条纹的稳定性产生干扰[9-10]。上述不足，使提高干涉仪曲率半径测量系统的精度非常困难，需要对测量环境的稳定性进行严格控制[11-12]，或者通过多光束干涉[13]、补偿镜[14]等方法压缩光路，降低环境对干涉条纹的影响。为此，本课题组针对提高猫眼和共焦定位瞄准精度，提出了一种差动共焦曲率半径测量方法。

　　本文介绍了差动共焦曲率半径测量系统的研制。该系统借助差动共焦方法定焦灵敏度高、环境抗干扰能力强的特点[15]，提高该系统定位瞄准精度，进一步结合干涉测长技术，实现曲率半径高精度计量需求。

　　2 差动共焦曲率半径测量系统工作原理

　　如图 1 所示，基于激光差动共焦测量系统轴向响应特性曲线的过零点与标准透镜聚焦点相对应这一特性[15-16]，通过差动共焦轴向强度响应特性曲线 IA和 IB的过零点OA和OB，对被测球面元件的猫眼或共焦进行高精度触发瞄准，继而实现曲率半径的高精度测量。

　　当被测透镜沿光轴在猫眼或共焦位置附近，测量光束被被测透镜原路返回，并经分光镜 1 反射到分光镜 2，经分束的 2 束测量光分别被位于其后的 2 个数字显微镜1 和 2 接收。其中，数字显微镜的物方平面与测量光束焦点的偏移量分别为 + M 与 - M，并基于虚拟针孔图像处理计算艾里斑中心的强度值，此时 2 路强度信号的差动响应 I( u，uM) 满足[15]: