摘要：针对目前已有的光学检测设备无法实现大口径大曲率半径光学元件高精度检测的问题，提出利用长程轮廓仪( LTP)来进行大口径大曲率半径(正、负)光学元件的精确测量，并通过实验证明了LTP检测大曲率半径光学元件的优势。分析计算LTP测量曲率半径的算法精度，设计了合理的机械结构进行旋转测量，得到了全口径的曲率半径分布。最后与球径仪、刀口仪的测量结果进行了对比。对R=37.108m和R=41.065m的球面镜测量结果显示，LTP的测量 重复性在0.05%以内，与球径仪、刀口仪的测量值相差均在0.05%以内。研究结果表明，LTP可以用来解决目前几十米的大R曲率半径光学元件难以高精度测量的难题。关键词：长程轮廓仪；曲率半径测量；算法精度；旋转测量

引言

大型光学观察系统和巨型激光装置都会使用大量的大口径长焦距球面或非球面透镜，特别是阵列式的巨型激光驱动装置对透镜焦距的一致性有很高的要求，精确测量这些长焦距透镜的各项参数是保证激光系统性能的前提。焦距可以通过透镜表面的曲率半径计算得到，所以，研制一种直接进行光学元件曲率半径检测的专用设备既能确保长焦距透镜的精度，又能提高制造过程的效率。

目前，光学加工车间测量大曲率半径光学元件主要是用刀口仪、球径仪、激光球面干涉仪或借用球面样板来复制相应的精度。这些方法可以对一定范围的曲率半径进行测量，有些方法虽具有较高精度，但有很多局限性。比如大口径球面干涉仪检测精度高，可同时检测局部误差，但是需配备多级标准球面以及与半径等长的移动导轨，制造难度大、成本高；刀口仪相对精度高，非接触测量，但是测量精度与检测人员的操作经验密切相关，只能测凹面，测量环境需要比半径长；球径仪测量小曲率半径光学元件精度高，但测大曲率半径光学元件时精度降低，而且接触式测量会划伤表面。样板法属于定性测量，人眼观察，从同一块样板复制精度，精度低；接触式测量易划伤表面，只适用于加工前几道工序检测。所以对于曲率半径为几十米的大口径光学元件，需要寻找一种全新的检测设备，要求其不但测量范围大，而且能测凹凸球面，非接触测量，容易实现高精度、快速测量，适合光学加工过程中使用。

长程轮廓仪(LTP)最初是为了适应同步辐射光源迅速发展的需要而发展起来的，主要由美国布鲁克海文国家实验室研制开发而成。LTP从笔束干涉仪演变而来，经历十几年的改进发展，逐渐趋于成熟，已经是同步辐射光源领域通用的检测设备。LTP的扫描式绝对检测不需要与被测件口径相当的参考镜，也不需要高质量的大口径入射波前，降低了检测成本和难度；每次扫描最大行程可以达到1m，克服了普通检测设备测量大口径光学元件的主要困难；利用两细光束干涉光斑定位，定位精度高，参考光束可消除部分系统误差，提高了检测精度。根据长程轮廓仪的检测优势，本文提出了利用其进行大口径大曲率半径光学元件检测的可行性，进行了相应的实验验证，并给出了验证结果。

2.LTP的检测原理

LTP发展至今，已经升级到第二代，增加了参考光路来抵消部分系统误差。其原理如图1所示：

图1.LTP II原理图和实物图

激光器发出的激光从准直器出来，被分束器BS1分成两束光，分别入射到直角棱镜CR1和CR2上，反射后成为两束相距1mm左右的笔束平行光；经过第二个分束器BS2透射，垂直入射到被测光学元件表面上。反射后再次经过BS2，入射到傅里叶透镜上，在透镜后焦面上相遇生成干涉条纹。条纹信息经过空间滤波器(一个光阑)和显微物镜被探测器接收。计算机分析探测器上条纹的中心位置，计算出被测点斜率信息。光学头在气浮导轨上移动完成一维扫描测量。被BS2反射的光束入射到参考镜上，反射后透过BS2，与测量光束经过同一个透镜到达探测器上，作为参考光束消除部分系统误差。该光学系统的最大特点就是零程差分束器，零程差可以降低设备对空气扰动的敏感性。LTP测量的是扫描线上各点的斜率数据，沿着扫描轴对斜率积分就可以得到高度函数H。对H数据，使用最小二乘法可拟合出曲率半径R。

3.实验设计及测量过程

将LTP应用于大口径大曲率半径光学元件的精确检测，首先要解决测试方式、工装、以及各种测试姿态下的测试精度和可重复性的问题。针对目前LTP只能完成一维扫描测量，本文选择使用旋转台，每旋转一个角度扫描一次，旋转360°后完成全口径测量。测量不同倾斜状态下的曲率半径，观察LTP测量的非线性区域以及测量曲率半径的下限。

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鉴于篇幅问题，本文仅为节选(光学精密工程 第19卷 第6期)，全文内容请

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