引 言
激光具有单色性好，发散角小和频率稳定等优点，可以作为标准光源，故开始研制以激光作为光源的平行光管。高精度光学元件的需求日益迫切，而诸多光学元件、光学系统的高精度测量和标定都离不开平行光管。利用分划板、玻罗板、星点板、鉴别率板等附件，可完成透镜焦距测量、透镜成像质量检验和干涉检测等多种光学测量任务。也可以作为扩束器物镜使用，与数字相移干涉仪对接，进行波面误差的测量。本文中平行光管物镜采用非球面单透镜取代球面透镜，工作激光波长分别为λ=0.532μm、λ=0.6328μm、λ=1.06μm。物镜通光口径为 Φ300mm后截距为4616mm，技术指标要求波前误差小于λ/8(λ=0.6328μm)。
玻璃材料选用Q1-SCHOTT 石英玻璃，其具有优良光学性能和低热膨胀系数等优点，可解决热变形问题。下面对激光平行光管的研制加以论述。
1 光学设计
采用非球面单透镜消除球差和正弦差OSC[1]。非球面位于第一面，第二面为平面，光栏位于第一面上，设物在无穷远时，进行规化。具体设计方法参见文献[2]，非球面系数
物镜对应不同使用波长的波差图见图1，从中可知，对应主波长λ=0.6328μm的波差为 λ/10000 ， 对应最边缘的使用波长λ=1.06μm，设计值也达到4λ/10000。表2 中列出了后截距随波长的变化情况，各波长对应的最佳像点的球差曲线按同一原点表示在图2，可知设计结果很理想。
2 机械结构设计
此平行光管物镜焦距长达 4.6m，导致镜筒很长。为保证长期使用后镜筒的机械稳定性，采用三段式的结构，由三个底脚支撑。单片式物镜的镜框无需复杂的调整机构。石英玻璃的线膨胀系数极小，约 5×10-7/ ℃，在实验室条件下使用，温度膨胀因素的影响可忽略，镜框与物镜间只需留出必要的间隙，避免镜框材料的变形对物镜造成挤压。彻底的解决形变问题采用与石英膨胀系数相近的铟钢材料。
此平行光管的工作波长的后截距变化很大。由表2 可知，对应长短波长的后截距之差达113.38mm，因此平行光管的机械设计要保证足够的调节余量。
3 物镜的研制
建立新的工艺技术流程，如图3 所示。
首先按比较球面对平凸透镜进行粗成型，细磨修改半径，用Φ120mm 表环比对样板测量，要求偏差小于1μm。平凸面的等厚差小于2μm，椭圆度小于0.01mm。
平面抛光后的面形精度达到λ/10，抛光凸球面后可直接用刀口仪和干涉仪检验。如图4 所示，平行光管检验应用透射式自准检验法[4]。干涉仪或刀口仪的检验光束透过物镜后成平行光出射，借助高精度辅助平面镜，实现光路自准。图5 给出了凸球面为比较球面时的起始干涉图。
用干涉仪检验时，按图6 进行激光对中，所有的光学件包括干涉仪的镜头反射激光形成的牛顿环都要调重合。改等厚和激光对心的目的是消除由偏心引起的彗差和像散。凸非球面自准检验法检验的是整个透镜以及辅助平面镜在内的整个检验系统的精度。光线穿过透镜，则透镜本身的误差将会影响到对凸非球面实际面形精度的检测。物镜平面和辅助平面镜的精度严格控制在λ/10(λ=0.6328μm)以内。通过高精度的平面和辅助平面镜、透镜材料的良好均匀性和透镜的精确定心，保证此检验方法的精度。
利用WYKO 激光干涉仪按图4 进行透射式自准检验，干涉图和条纹图分别如图7 和图8 所示，PV 值0.11λ(λ=0.6328μm)及RMS 值0.019λ，达到并超过了要求的指标。为确定机械装夹对物镜成像质量的影响，物镜与机械部分装配完成后，采用激光干涉仪重新对系统的波前进行检验，波差值仍达0.11λ。
4 结 论
物镜采用非球面平凸单透镜形式，非球面加工期间利用干涉仪全程跟踪检测，并辅以投影精确标定带差和非对称误差，有效消除局部误差和低频误差，减小高频误差。光学设计中，合理选择比较球面和非球面偏心率e2，降低修磨量。修磨量约两个波长，直接由比较球面抛光修磨非球面，而不需要细磨。比较球面开好后系统的波差值约为2 个波长，直接采用WYKO 干涉仪检测，按采集到的波面数据修抛非球面。
结构设计中，尽量避免热膨胀因素导致的挤压形变，采用铟钢材料。机械设计选用三段式结构，留有足够的调节余量，满足使用不同激光波长时后截距变化要求。加工检验过程中，采用激光对心方法，避免球差彗差的产生。由图5 可知，抛光修磨阶段的早期和中期，带差是主要误差。这一阶段镜面误差还较大，对检验光路调整的精度要求相应降低，可以快速进行加工和检验的转换。后期随着带差的消除，精度的提高，小的局部误差开始显现出来，此时光路调整误差已不可忽视。激光对心可以适应不同精度要求，避免光路调整引入的误差。
采用投影法将干涉图投影到加工的非球面上，实现误差的精确标定，大大提高工作的准确性和效率。借助局部修抛改善由光学材料的均匀性、应力、气泡、结石、条纹引起的局部波前误差。优于λ/8 的高质量的非球面物镜，尽量降低高频误差是关键。机床低转速运转，长时间平滑面形，可以有效降低局部误差和消除高频误差，提高镜面的PV 值与RMS(均方根)值。研制完成后的平行光管实物图如图9 所示。更换不同波长的激光光源或滤光片，并配合使用多种附件，此平行光管可以完成从可见到红外波段的多种光学测量任务。此规模的平行光管的研制完成，为以后研制大范围波段、更大口径的平行光管提供了成功的范例。目前已交付使用，效果良好。
参考文献：
[1] Smith W.J. Modern Optical Engineering[M]. New York：McGraw Hill Book Company，2000. 439-447.
[2] 袁立银，郝沛明，周森林. 非球面齐明透镜的设计[J]. 量子电子学报，2006，23(2)：159-163.YUAN Li-yin，HAO Pei-ming，ZHOU Sen-lin. Design of aplanatic lens with aspheric surface[J] . Chinese Journal ofQuantum ElectroNIcs，2006，23(2)：159-163.
[3] 潘君骅. 光学非球面的设计、加工与检验[M]. 北京：科学出版社，1994. 80-82.PAN Jun-hua. Design，Machining and Test of Aspheric Lens[M]. Beijing：Science Press，1994. 80-82.
[4] 郝沛明. 凸非球面加工[J]. 光学学报，1991，11(10)：931-937.HAO Pei-ming. Fabrication of a convex aspherical surface[J]. ACTA Optical Sinica，1991，11(10)：931-937.
基金项目：863 计划子课题
作者简介：郝沛明(1940-)，男(汉族)，天津人，教授，主要从事光学系统设计、加工和检验。
袁立银(1981-)，女(汉族)，安徽宣城人，博士生，主要从事光学系统设计、加工和检验。Email:yuanliyintongji@163.com
