郭培基，余景池，丁澤釗，孫俠菲（蘇州大學(xué) 現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215006）摘自《光學(xué)技術(shù)》

摘要：高質(zhì)量的透射光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)材料的光學(xué)均勻性要求非常高，材料局部折射率10-6量級(jí)的變化就可能破壞整個(gè)系統(tǒng)的性能。詳細(xì)介紹了三種用于測(cè)量光學(xué)玻璃光學(xué)均勻性的干涉法，研制了一臺(tái)高精度光學(xué)玻璃材料光學(xué)均勻性測(cè)量?jī)x。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：40mm左右厚的光學(xué)玻璃材料的光學(xué)均勻性檢測(cè)精度可達(dá)1×10-6。 K mL PWj  
    關(guān)鍵詞：環(huán)行浮動(dòng)拋光技術(shù)；工藝實(shí)驗(yàn)；透射波前；反射波前 ,)oUdwR k  
    中圖分類號(hào)：TH706 jsi\*5=9p<  
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí):A (h`||48d  
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    High accuracy testing method of the homogeneity of optical glass Lxd*W2$3_  
    GUO Pei-ji, YU Jing-chi, DING Zhe-zao, SHUN Xia-fei oN)K2&M0  
   （Institute of Modern Optical Technology, Soochow University, Suzhou 215006, China） % YU(,83(+  
    Abstract：In high quality refractive optical system the homogeneity of optical components is rather high. Local changes in the refractive index of the order of 10-6 will detect the adequate performance of the whole system. In this paper, we describe three optical interference methods to measure the homogeneity of optical glass, a high accuracy apparatus for testing the homogeneity of optical glass is developed, and the test result shows the measurement error is less than 1×10-6. Y Xn)?  
    Key word：homogeneity of optical glass; testing; high accuracy

    1 引 言 3G5i+9Nt.L  
    光學(xué)玻璃比普通工業(yè)玻璃的質(zhì)量要求高。光學(xué)玻璃的質(zhì)量檢驗(yàn)包括光學(xué)性能和光學(xué)質(zhì)量的檢驗(yàn)和測(cè)試。光學(xué)性能包括折射率和色散等光學(xué)常數(shù)。光學(xué)玻璃質(zhì)量是指熔制和退火過(guò)程中的各種缺陷的大小，包括光學(xué)玻璃的光學(xué)均勻性、應(yīng)力雙折射、條紋、氣泡和由雜質(zhì)引起的光吸收等。光學(xué)玻璃的光學(xué)均勻性是指同一塊光學(xué)玻璃內(nèi)部的折射率的不一致性，常用其內(nèi)部的折射率的最大差值表示。光學(xué)玻璃的光學(xué)均勻性是非常重要的玻璃質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗�直接影響透射光學(xué)系統(tǒng)的波面質(zhì)量，改變系統(tǒng)的波像差。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和國(guó)防事業(yè)的發(fā)展，對(duì)一些透射光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求越來(lái)越高，迫切需要有高精度的光學(xué)玻璃光學(xué)均勻性的檢測(cè)手段，而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的光學(xué)材料生產(chǎn)廠家都沒(méi)有合適的手段來(lái)檢測(cè)這種高要求的玻璃材料。光學(xué)玻璃的光學(xué)均勻性檢測(cè)有定性和定量?jī)深惙椒ǎ�高精度的檢測(cè)方法主要是定量檢測(cè)波像差的干涉儀。

    2 三種干涉測(cè)量法 M;3uG/E\  
    2.1 直接測(cè)量法[ 1，2，3] vco:6Ab$  
如圖1所示，把被檢測(cè)的樣品玻璃置于斐索干涉儀的參考平面和一標(biāo)準(zhǔn)平面中間，從標(biāo)準(zhǔn)平面反射的光與參考平面反射的光相干涉。如果樣品的表面面形是理想的，檢測(cè)得到的波面質(zhì)量就反映了樣品玻璃的光學(xué)不均勻性。 })T_D\2M  
如令樣品的光學(xué)不均勻性為△n，檢測(cè)得到的波相差為ω(x，y)，樣品厚度為t，則 r 97 VX>  
△n=ω(x，y)/(2t) （1） }$iH3#E8  
    從理論上來(lái)說(shuō)，直接干涉測(cè)量法測(cè)量光學(xué)均勻性的精度較高，但它要求樣品表面質(zhì)量也很高。如果要檢測(cè)的光學(xué)均勻性的精度為1×10-6，那么對(duì)30mm厚的樣品來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的誤差（PV值）應(yīng)小于0.047λ，于是每個(gè)面的面形精度都得在λ/25左右。即使是厚度為100mm樣品，如果要求檢測(cè)精度達(dá)到1×10-6，每個(gè)面的面形精度也需達(dá)到λ/10左右。為避免經(jīng)常加工高精度的平面，可以精制兩塊平板作貼置玻璃，檢測(cè)時(shí)在樣品的表面涂敷折射率與樣品的折射率相差不多的折射液，再把樣品夾在兩貼置玻璃中間。     也可以用別的干涉儀如泰曼-格林干涉儀、馬赫-澤得干涉儀、剪切干涉儀、刀口干涉儀等來(lái)直接測(cè)量樣品的光學(xué)均勻性。圖2是一種檢測(cè)樣品的光學(xué)均勻性的平板剪切干涉儀示意圖。

KvktC|~?  
    2.2 樣品翻轉(zhuǎn)法[ 2 ] mC J/gWDY  
    為避免樣品面形的影響，最簡(jiǎn)單的方法就是分別測(cè)量樣品的兩個(gè)表面。樣品的前表面容易測(cè)量，為測(cè)量其后表面，要繞與光軸垂直的軸翻轉(zhuǎn)樣品180o。這種方法可以用圖3所示的測(cè)量系統(tǒng)。 PtmdUHvD  
測(cè)量系統(tǒng)中，假設(shè)系統(tǒng)的參考平面誤差為S(x，y)，樣品前表面的面形誤差為A(x，y)，樣品后表面的面形誤差為B(x，y)，系統(tǒng)后反射面的面形誤差為C(x，y)，樣品的折射率為n0，樣品的厚度為t，△n(x，y)為此樣品的折射率變化量（即不均勻性），則 htMpL
  
    第一步，樣品前表面反射光波與參考光波干涉檢測(cè)得到波相差： gpE5ua&  
M1(x，y)=2 S(x，y)+2 A(x，y) （2） Pme`UcE3H  
    第二步，樣品繞x軸翻轉(zhuǎn)180o后，其后表面反射光波與參考光波干涉檢測(cè)得到波相差： rq2XFSXn  
M2(x，y)=2 S(x，y)+2 B(x，-y) （3） "C}nS=]8m  
可以在數(shù)學(xué)上使M2(x，y)繞軸翻轉(zhuǎn)180o，從而得到 l+YpRx/T\  
M′2(x，y)= M2(x，-y)=2 S(x，-y)+2 B(x，y) （4） `iQyKZS/+  
    第三步，樣品在參考面和系統(tǒng)后反射面之間時(shí)，系統(tǒng)后表面反射光波與參考光波干涉檢測(cè)得到波相差： d!w32Y,.  
M3(x，y)=2 C(x，y)-2(n0-1)A(x，y)-2(n0-1)B(x，y)+2t△n(x，y)+2 S(x，y) （5） 7{<t]wQq  
    第四步，取出樣品后，系統(tǒng)后表面反射光波與參考光波干涉檢測(cè)得到波相差： ("H:T?4Qs  
M4(x，y)=2 C(x，y)+2 S(x，y) （6） Kw925@W  
在方程（5）減方程（6）后，再加上（n0-1）乘以方程（2）加方程（4）得到 PO |p53  
M3(x，y)- M4(x，y)+(n0-1)[ M1(x，y)+ M′2(x，y)] oPre$YT}h  
=-2(n0-1)[A(x，y)+ B(x，y)]+ 2t△n(x，y)+2(n0-1)[A(x，y)+ B(x，y)+ S(x，y)+ S(x，-y)] Ep?a1&b  
=2t△n(x，y)+2(n0-1)[ S(x，y)+ S(x，-y)] （7） 0~n=|3*P  
于是 "o[\Aec:  
△n(x，y)={ M3(x，y)- M4(x，y)+(n0-1)[ M1(x，y)+ M′2(x，y)]}/ 2t-(n0-1)[ S(x，y)+ S(x，-y)] i3#]_ p{  
=2t△n(x，y)+ 2(n0-1)[ S(x，y)+ S(x，-y)] （8） 4S03W
 
    可以看到，在上面的計(jì)算式中，既不包含樣品的面形誤差，也不包含系統(tǒng)后反射鏡的面形誤差，這樣在原理上就避免了對(duì)樣品和系統(tǒng)后反射鏡的面形的高質(zhì)量要求。但也看到，系統(tǒng)的誤差不但沒(méi)有消除（除非它的誤差沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸反對(duì)稱），而且實(shí)際上反而增加了。 #4d0/28b  
    

2.3 絕對(duì)測(cè)量法[ 2 ~ 4 ] #T !YFMh;  
    為避免系統(tǒng)誤差的影響，可以用如圖4和圖5所示的測(cè)量過(guò)程。 7jEAhi!Cq(  
同上面的樣品翻轉(zhuǎn)法一樣，假設(shè)系統(tǒng)的參考平面誤差為S(x，y)，樣品前表面的面形誤差為A(x，y),樣品后表面的面形誤差為B(x，y)，系統(tǒng)后反射面的面形誤差為C(x，y)，樣品的折射率為n0，樣品的厚度為t，△n(x，y)為此樣品的折射率變化量（即不均勻性），則 OEZXV ;F  
    第一步，樣品前表面反射光波與參考光波干涉檢測(cè)得到波相差： 3tOnALv  
M1(x，y)=2 S(x，y)+2 A(x，y) （9） zjVb+Z\n  
    第二步，樣品后表面反射光波與參考光波干涉檢測(cè)得到波相差： =EV8~hMyqh  
M2(x，y)=2 S(x，y) -2n0B(x，y) - 0]i#1Si~@  
2(n0-1)A(x，y) +2t△n(x，y) （10） 5/neV&VcB  
    第三步，樣品在參考面和系統(tǒng)后反射面之間時(shí)，系統(tǒng)后表面反射光波與參考光波干涉檢測(cè)得到波相差： SM0
=  
M3(x，y)=2 C(x，y)-2(n0-1)A(x，y)- 0/-[k  
2(n0-1)B(x，y)+2t△n(x，y)+2 S(x，y) （11） i-tX5Md|  
    第四步，取出樣品后，系統(tǒng)后表面反射光波與參考光波干涉檢測(cè)得到波相差： d{9jd{ _#G  
M4(x，y)=2 C(x，y)+2 S(x，y) （12） {N7,=(-2=  
在方程（5）減方程（9）后，再減去方程（5）減方程（10）得到 &=_YL  
M1(x，y)- M2(x，y)= 2n0 [A(x，y)+ B(x，y)] -2t△n(x，y) （13） ,uDB]  
在方程（5）減方程（11）后，再減去方程（5）減方程（12）得到 QN*'MA"M  
M3(x，y)- M4(x，y)= -2(n0-1) [A(x，y)+ B(x，y)]+ 2t△n(x，y) （14） 2+y4Gd 7  
于是 ]lm9D@HMC  
△n(x，y)={ (n0-1)[ M1(x，y)- M2(x，y)]+ n0 [ M3(x，y)- M4(x，y)]}/ 2t （15） @bD,^3