摘要：高質(zhì)量的透射光學系統(tǒng)對光學材料的光學均勻性要求非常高，材料局部折射率10-6量級的變化就可能破壞整個系統(tǒng)的性能。詳細介紹了三種用于測量光學玻璃光學均勻性的干涉法，研制了一臺高精度光學玻璃材料光學均勻性測量儀。實驗結(jié)果表明：40mm左右厚的光學玻璃材料的光學均勻性檢測精度可達1×10-6。
6&x\!+]F8 關(guān)鍵詞：環(huán)行浮動拋光技術(shù)；工藝實驗；透射波前；反射波前
- UkK$wP5 中圖分類號：TH706
zz*PAYl. 文獻標識:A FY'0?CT$ ^^V3nT2rR3 High accuracy testing method of the homogeneity of optical glass A5Hx $.Z GUO Pei-ji, YU Jing-chi, DING Zhe-zao, SHUN Xia-fei yq-~5u i
（Institute of Modern Optical Technology, Soochow University, Suzhou 215006, China） {<ShUN Abstract：In high quality refractive optical system the homogeneity of optical components is rather high. Local changes in the refractive index of the order of 10-6 will detect the adequate performance of the whole system. In this paper, we describe three optical interference methods to measure the homogeneity of optical glass, a high accuracy apparatus for testing the homogeneity of optical glass is developed, and the test result shows the measurement error is less than 1×10-6.
NTt4sWP!I Key word：homogeneity of optical glass; testing; high accuracy
1 引 言 ;NA5G:eQ
光學玻璃比普通工業(yè)玻璃的質(zhì)量要求高。光學玻璃的質(zhì)量檢驗包括光學性能和光學質(zhì)量的檢驗和測試。光學性能包括折射率和色散等光學常數(shù)。光學玻璃質(zhì)量是指熔制和退火過程中的各種缺陷的大小，包括光學玻璃的光學均勻性、應力雙折射、條紋、氣泡和由雜質(zhì)引起的光吸收等。光學玻璃的光學均勻性是指同一塊光學玻璃內(nèi)部的折射率的不一致性，常用其內(nèi)部的折射率的最大差值表示。光學玻璃的光學均勻性是非常重要的玻璃質(zhì)量標準，因為它直接影響透射光學系統(tǒng)的波面質(zhì)量，改變系統(tǒng)的波像差。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)和國防事業(yè)的發(fā)展，對一些透射光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求越來越高，迫切需要有高精度的光學玻璃光學均勻性的檢測手段，而現(xiàn)在國內(nèi)的光學材料生產(chǎn)廠家都沒有合適的手段來檢測這種高要求的玻璃材料。光學玻璃的光學均勻性檢測有定性和定量兩類方法，高精度的檢測方法主要是定量檢測波像差的干涉儀。
2 三種干涉測量法 bX$z)]KKu
2.1 直接測量法[ 1，2，3] #p( c{L!
如圖1所示，把被檢測的樣品玻璃置于斐索干涉儀的參考平面和一標準平面中間，從標準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，檢測得到的波面質(zhì)量就反映了樣品玻璃的光學不均勻性。 FFqK tj' s
如令樣品的光學不均勻性為△n，檢測得到的波相差為ω(x，y)，樣品厚度為t，則 2uEI@B
△n=ω(x，y)/(2t) （1） YcA. Bn|as
從理論上來說，直接干涉測量法測量光學均勻性的精度較高，但它要求樣品表面質(zhì)量也很高。如果要檢測的光學均勻性的精度為1×10-6，那么對30mm厚的樣品來說，系統(tǒng)的誤差（PV值）應小于0.047λ，于是每個面的面形精度都得在λ/25左右。即使是厚度為100mm樣品，如果要求檢測精度達到1×10-6，每個面的面形精度也需達到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，檢測時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、刀口干涉儀等來直接測量樣品的光學均勻性。圖2是一種檢測樣品的光學均勻性的平板剪切干涉儀示意圖。
]pvHs iI:
2.2 樣品翻轉(zhuǎn)法[ 2 ] DKS1Sm6d 0
為避免樣品面形的影響，最簡單的方法就是分別測量樣品的兩個表面。樣品的前表面容易測量，為測量其后表面，要繞與光軸垂直的軸翻轉(zhuǎn)樣品180o。這種方法可以用圖3所示的測量系統(tǒng)。 &|XgWZS5
測量系統(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 @4;'>yr(
第一步，樣品前表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差： Gt&yz"?D
M1(x，y)=2 S(x，y)+2 A(x，y) （2） tKt} ]KHV
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得到波相差： ytY\ &m
M2(x，y)=2 S(x，y)+2 B(x，-y) （3） ^^v3iCT
可以在數(shù)學上使M2(x，y)繞軸翻轉(zhuǎn)180o，從而得到 L"'=[O~
M′2(x，y)= M2(x，-y)=2 S(x，-y)+2 B(x，y) （4） BHY-fb@R]H
第三步，樣品在參考面和系統(tǒng)后反射面之間時，系統(tǒng)后表面反射光波與參考光波干涉檢測得到波相差： WVeNO,?ytS
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） QG* hQh
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得到波相差： o:#jvi84F
M4(x，y)=2 C(x，y)+2 S(x，y) （6） 5 &8BO1V.
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 vt5w(}v(
M3(x，y)- M4(x，y)+(n0-1)[ M1(x，y)+ M′2(x，y)] '^)'q\v 'k
=-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)] c$ /.Xp
=2t△n(x，y)+2(n0-1)[ S(x，y)+ S(x，-y)] （7） w<B
S
于是 tCrEcjT-
△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)] wK2$hsque
=2t△n(x，y)+ 2(n0-1)[ S(x，y)+ S(x，-y)] （8） x~5,v5R^]
可以看到，在上面的計算式中，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)的誤差不但沒有消除（除非它的誤差沿轉(zhuǎn)動軸反對稱），而且實際上反而增加了。 c6F?#@?
2.3 絕對測量法[ 2 ~ 4 ] %O9
