摘 要:在检验光路中,采用补偿透镜来补偿口径为φ500mm的非球面透镜的使用波长(λ=1053nm)与检测波长(λ=632.8nm)之间的色差。给出补偿透镜的求解方法,得到非球面透镜的补偿检验光路,并就非球面透镜的检验精度进行分析。通过精度分析可以看出,在此种补偿检验光路下,非球面透镜的透射波前PV不低于0.2λ(λ=632.8nm),可满足元件的精度要求。
0 引 言
透射光学元件对不同的波长有不同的折射率,从而在不同的波长之间产生色差[1]。例如在近红外使用的透射光学元件,定量检验其面形精度时需要使用数字干涉仪,而干涉仪的激光波长为632.8nm,在使用波长和检验波长之间就会产生色差,色差的存在会使在检测波长下合格的数据会在使用波长下产生误差,与最初的设计意愿偏离。为解决上述存在的问题,在检验波长下使用补偿透镜[2],从而补偿使用波长与检验波长之间存在的色差,完成检测。文中给出了口径为φ500mm非球面透镜的设计数据,并以它的检验为例来具体说明此种补偿检验方法。
1 待检非球面透镜的设计
在激光参数诊断系统中,由于入射光束口径很大,目前很难有大口径、高精度的探测器与之相匹配,并且在光束的传输过程中,大口径光学元件的面形加工精度普遍较低,这在光束的传输中就会造成光束波前的失真,从而引入额外的误差,降低参数诊断的精度。因此,需要将大口径光束进行缩束,以便于光束的传输和参数的诊断。待检非球面透镜是在参数诊断系统中用于光束缩束的一块大透镜。为保证整个缩束系统的光束质量,要求非球面透镜的透射波前PV不低于0.2λ(λ=632.8nm)。为便于非球面透镜的检测,在非球面透镜的设计中,采用自身完善成像的设计方式,第一面为二次非球面,第二面为平面。非球面透镜口径为Φ500mm,焦距f′=4000mm,F=8。非球面透镜的设计光路图以及像差结果见图1,光路像差弥散圆直径φ<3μm,PV<0.0026λ,RMS<0.0009λ,λ=1053nm。正确评价非球面透镜的透射波前是整个光学系统的基本要求。此例中非球面透镜的口径非常大,平面的检测相对要简单,但是用常规方法完成凸非球面的面形检测需要更大口径的辅助镜,这不但增加了系统的制造成本,而且还增加了系统的加工难度。
2 非球面透镜的补偿光路设计
表1和表2为非球面透镜在激光波长(λ=632.8 nm)和使用波长(λ=1053nm)下的透镜数据。通过比较两表可以看出:透镜自身的参数没有发生变化,由于轴向色差使得透镜的后截距产生差异。非球面透镜在轴上状态下使用,因此只需补偿透镜的轴向色差,即可使透镜的检验状态和使用状态相符。考虑到以上存在的问题及解决思路,对该透镜使用补偿法进行检验,即使用补偿透镜对使用波长和检测波长两个状态下存在的后截距差异进行补偿[3]。
2.1 补偿透镜初始参数求解
如图2所示,令补偿透镜的物距为S,像距为S′,透镜焦距为f′,在λ=1053nm和λ=632.8nm的情况下待检非球面透镜的后截距分别为L1053和L632.8。由图1可知
2.2 补偿光路的优化设计
将补偿透镜的初始结构参数代入设计软件中进行优化分析[5],可以得到最终补偿检验光路的像差结果,见图3,像差弥散圆直径φ<2μm,PV<0.038λ,RMS<0.012λ,λ=1053nm,光学系统设计数据见表3。
3 非球面透镜的检验精度分析
非球面透镜的干涉仪检验光路如图4所示,表4为补偿检测光路的误差设置表,其中光学元件的加工误差、调整误差和光学间隔误差是根据目前光学、结构能够较容易达到的工艺水平进行设置的,光学材料误差是根据目前一级材料进行设置的。由于平面反射镜的调节灵敏度要求较高,将平面反射镜放于水平、俯仰二维调节平台上进行调节,以保证光学系统的共轴,因此,检验光路中没有设置平面反射镜的倾斜误差。
将表4中的光路设置误差代入软件中进行模拟分析[5],可以得到系统的透射波前PV值。由于检验光路采用的是平面镜自准反射,即光线先后两次经过元件,误差增大一倍[6],因此单次透射波前PV值误差为模拟结果的1/2。通过模拟结果可以看出系统的透射波前PV值分布在0.34~0.4λ(λ=632.8nm),即单次透射波前PV值分布在0.17~0.2λ(λ=632.8nm)。取模拟结果的下限PV=0.2λ(λ=632.8nm)作为待检元件的透射波前PV值,只要在整个工艺流程中按照误差设置结果进行控制,最终非球面的实际精度不低于检验值,检测光路系统的模拟结果见图5。
4 结 论
检验方法对元件的加工精度有直接的影响。非球面透镜在透射光路中的使用波长为λ=1053nm,而目前干涉仪的检验波长为λ=632.8nm。文中采用一块补偿透镜来补偿两个波长之间的色差,并得到非球面透镜的补偿检验光路,通过精度分析可以看出,此种补偿方法的最终非球面透镜的透射波前PV不低于0.2λ(λ=632.8nm),实现了大口径凸非球面透镜透射波前的定量检验。在检验光路中,按照精度分析结果进行误差控制,完全可以满足元件的精度需求。
参考文献:
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[7] GPI & VeriFire Operating Manual[Z].47~48.
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收稿日期:2010-04-12;收到修改稿日期:2010-07-02 E-mail:xiaoguang0539@163.com
基金项目:高技术研究与发展计划(051Z331BOA)资助项目
作者简介:李红光(1982-),男,工程师,硕士,主要从事激光光束控制和参数诊断方面的研究.
