CN103149013A - 基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法 - Google Patents

Abstract

基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法属于光学检测与装调技术领域，该方法解决了平行光管分划板定焦精度较低、无法定量判读的问题，该方法包括通过调整球面反射镜、平行光管和干涉仪共光轴，球面反射镜焦点与平行光管轴上焦点齐焦，将分划板引入光路中，微调分划板的俯仰方位角，并沿光轴方向对分划板进行前后离焦调整；对干涉仪采集的干涉条纹进行计算，通过Zernike系数的Power值、干涉光束口径D以及平行光管焦距f′的数学关系，得到分划板的离焦量Δd，实现基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法。本发明计算出分划板实时的失调量，避免了人工目视判读寻找回转点的盲目性，提高了装调效率和精度。

Description

基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法

技术领域

本发明属于光学检测与装调技术领域，具体涉及一种基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法。

背景技术

平行光管通过光学***将位于其焦平面上的各类分化目标成像至无穷远，用以模仿具有不同光谱特性、辐射特性、几何特性的光学目标，是光学参数检测、标定、成像质量评价所使用的核心检测器具。其中分划板是将特定的几何图形采用光刻方法复制在玻璃基板上，通过平行光管的光学***成像至无穷远而实现光学参数检测。根据平行光管的工作原理，只有当分划板的图形和图案刻划表面位于平行光管光学***焦平面内，其出射光束才具备平行光束的特征，模拟的是无穷远光学目标。分划板在焦面内的装调精度直接决定平行光管的适用范围与基本性能。常规的平行光管分划板定焦方法包括五棱镜扫描法、道口阴影法、自准直法、最大灰度对比度法，以及采用球面干涉仪配合平面反射镜的自准直定标法。前几种测试方法需要人工判读离焦量，并且无法定量测出分划板的失调量，实验室条件下可以实现100μm左右的分划板焦面装调精度。自准直定标法采用球面干涉仪与平行光管、平面反射镜构成自准直干涉光路，在装调过程中需要对分划板进行一次翻转，定焦精度受机械复位精度影响，其分划板定焦精度可提高至10μm。当平行光管焦距为待测光学***焦距的3～5倍时，上述定焦方法均可满足平行光管的使用要求与测试精度要求。但当所用平行光管焦距与待测光学***焦距相当甚至略小时，根据放大倍率公式与焦深公式，采用上述方法的分划板焦面装调精度将无法满足平行光管的使用要求。

在光学检测实验中配合平行光管使用的分划板主要包括用于焦距检测的波罗板，它由数组依据一定间隔排列的竖线刻划在玻璃基板上；用于准直测量的十字丝分划板，它由一组十字交叉型竖线刻划在玻璃基板上；用于成像质量检测的分辨率板或黑白条纹板，前者根据国家标准在玻璃基板上刻划数组由间隔条纹构成的分辨率检测图案，后者在玻璃基板上刻划有特定空间频率的黑白条纹线对。常规分划板反射率较低，难以找到分划板的几何中心。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法，该方法解决了现有的平行光管分划板定焦精度无法满足平行光管焦距与待测光学***焦距相当使用条件下，定焦精度较低、无法定量判读的技术问题。通过本发明，可以将分划板图形刻划面装调至与平行光管光学***最佳焦平面偏差在±2μm范围内，确保焦距与待测光学***焦距相当的平行光管可用于光学***的高精度检测和标定。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：首先将一相对孔径大于等于平行光管相对孔径的球面反射镜根据其理论焦距值摆放在平行光管的焦面附近，将与平行光管口径相当的平面干涉仪摆放至平行光管的出口处，使平面干涉仪出射的平行光束经过平行光管光学***聚焦至平行光管的焦面上；

步骤二：观察干涉条纹，对平面干涉仪与球面反射镜的姿态与相对位置进行调整，直到出现零级干涉条纹且波像差最小，确定球面反射镜、平行光管和平面干涉仪共光轴，球面反射镜焦点与平行光管轴上焦点齐焦；

步骤三：将分化板安装至平行光管焦面上的调焦机构内，使刻划有目标图案的一侧朝向平面干涉仪，并将球面反射镜移出光路，微调调焦机构，将分划板中心与平面干涉仪发出并经平行光管聚焦后的汇聚光斑对正，然后微调分划板的俯仰角、方位角，并沿光轴方向对分划板进行前后离焦调整；

步骤四：对平面干涉仪采集的步骤三的干涉条纹进行计算，获得与波像差相关的Zernike系数，分划板的离焦量Δd与Zernike系数中的Power值、干涉光束口径D以及平行光管焦距f′的数学关系如下:

$\mathrm{\Δd}=\mathrm{Powre}/[(\sqrt{{4f}^{\′2}-D^2}/2f^{\′})-1]$

通过以上公式，计算出分划板的离焦量，并且通过计算结果判断每一步对分划板的调整方向和距离，实现基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法。

本发明的有益效果是：本发明采用两次调整的操作步骤实现装调光路的快速对准。依据数字干涉仪计算干涉条纹而获得的Zernike系数Power项与分划板离焦量Δd之间的数理关系，定量计算出分划板实时的大小与方向，并且指导进一步的精密装调，具有客观性，避免了人工目视判读寻找回转点的盲目性，提高了装调效率，相比目前方法可将装调精度提高，适用于光学实验室所使用的各类平行光管分划板的装配与调整。

附图说明

图1本发明装调方法对准布置图。

图2本发明装调方法装调布置图。

图3本发明分划板的图案设计图。

图中：1、球面反射镜，2、平行光管，3、微调机构，4、数字平面干涉仪，5、光学平台，6、数字干涉仪电源，7、特种分划板，8、计算机和9、平行光管调焦机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：如图1所示，首先将一相对孔径大于等于平行光管2相对孔径的球面反射镜1，作为粗调基准，将球面反射镜1连同微调机构3根据其理论焦距值摆放在平行光管2的焦面附近，将与平行光管2口径相当的数字平面干涉仪4摆放至平行光管2的出射端，使数字平面干涉仪4的口径基本覆盖平行光管2口径。上述组件摆放在光学平台5上，打开数字干涉仪电源6，数字平面干涉仪4出射的平行光束经过平行光管2光学***聚焦至平行光管2的焦面上。

步骤二：观察聚焦光束经球面反射镜1反射后与参考光形成的干涉条纹，通过调节微调机构3，对数字平面干涉仪4与球面反射镜1的姿态与相对位置进行调整，直到出现零级干涉条纹，并且由干涉条纹计算得到的波像差数值最小，则表明球面反射镜1的光轴、平行光管2光轴、干涉仪4光轴共线，球面反射镜1焦点与平行光管2轴上焦点齐焦。

步骤三：将特制的分化板7安装至平行光管2焦面上的调焦机构9内，使刻划有目标图案的一侧朝向数字平面干涉仪4，并将球面反射镜1移出光路，此时干涉条纹消失。微调平行光管调焦机构9，将位于特种分划板7中心刻划有准直点的区域与数字平面干涉仪4发出并经平行光管聚焦后的汇聚光斑对正，然后微调特种分划板7的俯仰角和方位角，并沿光轴方向对特种分划板7进行前后离焦调整；根据光的干涉原理，只有当特种分划板7的图案刻划表面位于平行光管2光学***的最佳焦面内，才会再次出现零级条纹且波像差最小。

步骤四：通过计算机8对干涉仪采集的步骤三的干涉条纹进行计算，获得与波像差相关的Zernike系数，其中的Power项是与特种分划板离焦量相关的Zernike系数。特种分划板的离焦量Δd与Zernike系数的Power值、干涉光束口径D以及平行光管焦距f′的数学关系如下:

$\mathrm{\Δd}=\mathrm{Powre}/[(\sqrt{{4f}^{\′2}-D^2}/2f^{\′})-1]$

通过以上公式，计算出特种分划板7的离焦量，并且通过计算结果的正负号判断调整方向，通过调整平行光管调焦机构9逐次调整特种分划板7的位置与姿态，使得Power值接近0.000λ（以ZYGO干涉仪为例）；当Power值小于0.003λ时，对于焦距550mm、口径50mm的平行光管，特种分划板7离焦量Δd为2.1μm。实现基于平面干涉原理的平行光管特种分划板高精度装调方法。

本发明中针对背景技术中提到的分划板的刻划图案进行改进。如图3所示，在分划板的几何中心设计了一个Φ（2±0.01）mm的圆形靶面，镀有高反射膜（λ=550nm～700nm）与防止长期使用过程中圆形靶面的划伤和提高重复测量精度的保护膜。在装调过程中可以实现分划板中心与光轴的对准，并且使数字平面干涉仪发出的平面波经平行光管聚焦至该圆形靶面中心并反射构成干涉光路，并形成具有较高对比度的干涉条纹，采用该特种分划板是该装调方法实现的必要条件。

Claims (3)

1.基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：首先将一相对孔径大于等于平行光管相对孔径的球面反射镜根据其理论焦距值摆放在平行光管的焦面附近，将与平行光管口径相当的平面干涉仪摆放至平行光管的出口处，使平面干涉仪出射的平行光束经过平行光管光学***聚焦至平行光管的焦面上；

步骤二：观察干涉条纹，对平面干涉仪与球面反射镜的姿态与相对位置进行调整，直到出现零级干涉条纹且波像差最小，确定球面反射镜、平行光管和平面干涉仪共光轴，球面反射镜焦点与平行光管轴上焦点齐焦；

步骤三：将分化板安装至平行光管焦面上的调焦机构内，使刻划有目标图案的一侧朝向平面干涉仪，并将球面反射镜移出光路，微调调焦机构，将分划板中心与平面干涉仪发出并经平行光管聚焦后的汇聚光斑对正，然后微调分划板的俯仰角、方位角，并沿光轴方向对分划板进行前后离焦调整；

步骤四：对平面干涉仪采集的步骤三的干涉条纹进行计算，获得与波像差相关的Zernike系数，分划板的离焦量Δd与Zernike系数中的Power值、干涉光束口径D以及平行光管焦距f′的数学关系如下:

$\mathrm{\Δd}=\mathrm{Powre}/[(\sqrt{{4f}^{\′2}-D^2}/2f^{\′})-1]$

通过以上公式，计算出分划板的离焦量，并且通过计算结果判断对分划板的调整方向和距离，实现基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法。

2.如权利要求1所述的基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法，其特征在于，所述球面反射镜通过微调机构来调节与平行光管和平面干涉仪的相对位置。

3.如权利要求1所述的基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法，其特征在于，所述分化板的几何中心有一个Φ（2±0.01）mm的靶面，靶面上镀高反射膜。

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