Φ300mm光学平晶绝对检验技术研究

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干涉测量法是检测光学元件表面面形精度的常用方法,但该方法会受到干涉仪参考平晶面形精度的制约,测量结果中不可避免地携带了参考平晶的面形误差。为了解决该问题,突破大口径超高精度光学平晶加工壁垒,满足高精尖技术领域对精密光学元件的更高精度要求,研究了大口径平晶的绝对检验技术。这项技术可以分离参考平晶与测试平晶各自的面形误差,获得待测平晶的绝对面形分布,是干涉仪标定和高精度干涉检测中的关键技术。首先,重点研究了两种适用于大口径平晶的绝对检验方法。理论推导了单次旋转奇偶函数三平晶互检法和图像N次旋转两平晶互检法的计算过程,采用数值计算的方式对两种算法进行了理论仿真,它们恢复面形的均方根(RMS)值偏差均小于0.05nm。分析了旋转角度和偏心误差对三平晶互检法的影响,结果表明旋转精度优于0.3°并结合叉丝空间对准的方式便可满足高精度检测需求;改进了两平晶互检法中的旋转角度,将图像的旋转次数增加至40次,有效提高了检测精度。其次,设计了大口径立式干涉仪中参考平晶的装夹支撑及变形补偿方案。采用有限元方法分析了大口径平晶的自重变形情况,确定了Ф300mm立式斐索干涉仪中参考平晶的最佳尺寸为Ф350mm、厚度为90mm、装夹方式为侧面18×3三层点胶支撑,计算得到平晶Ф300mm有效口径范围内的自重变形量峰谷(PV)值约为24nm;研究了自重变形补偿方法,对反作用力后期补偿方式的可靠性进行有限元分析,通过液面基准法测量了补偿前后平晶的面形变化,结果表明面形误差中的Power项由0.048λ降低为0.013λ,证明了反作用力补偿方法的有效性。最后,设计完成了平晶及液面绝对检验实验。采用单次旋转奇偶函数三平晶互检法及图像旋转两平晶互检法完成了Ф100mm、Ф150mm和Ф300mm平晶的绝对检验实验。对比两种不同方法恢复的同一块平晶的绝对面形,RMS值偏差均小于0.1nm;将两种方法所得结果中水平和垂直方向的绝对面形与传统三平晶互检法进行对比,RMS值偏差均小于0.5nm。采用液面基准法对立式干涉仪中Ф300mm参考平晶进行绝对面形标定,其PV值和RMS值均优于相对检测结果。实验结果均表明了两种平晶绝对检验方法和液面绝对检验方法在大口径平晶高精度检测中的可行性和有效性。
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