用ZEMAX模拟五棱镜误差对平行度检测的影响

用ZEM A X 模拟五棱镜误差对平行度

检测的影响

闫亚东1,2,何俊华1,仓玉萍1,2,陈良益1

(1.中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西西安710119;

(2.中国科学院研究生院,北京100039)

摘　要:　介绍了用五棱镜法检测大口径光束平行度的原理。分析了五棱镜加工的角度误差及面形误差对检测结果的影响,得出了五棱镜角度误差不影响检测结果,2个折射面的面形误差对检测结果的影响较小,2个反射面的面形误差对检测结果影响最大的结论。介绍了选择五棱镜的方法和减小面形误差影响的方法。最后,给出了用五棱镜法检测单星模拟器出射光束平行度的应用实例。

关键词:　五棱镜法;平行度检测;ZE M A X 模拟;角度误差;面形误差

中图分类号:O 435;TH 74　　　　　　文献标志码:A

Effect of pen ta pr is m error on para llel is m detection

YAN Ya 2dong

1,2

,H E Jun 2hua 1,CAN G Yu 2p ing 1,2,CH EN L iang 2yi

1

(1.X i ′an Institute of Op tics and P recisi on M echanics of CA S ,X i ′an 710119,Ch ina ;

2.Graduate Schoo l of CA S ,Beijing 100039,Ch ina )

Abstract :T he detecti on concep t fo r large diam eter beam parallelis m w ith pen ta p ris m is

in troduced .T he effect of p en ta p ris m angle and su rface p rofile erro rs on parallelis m detecti on w as analyzed .It is concluded that the angle erro r has no i m pact on the detecti on resu lts and the p rofile erro rs of the tw o refracti on su rfaces have little effect ,bu t the p rofile erro rs of the tw o reflecti on su rfaces have great influence on the detecti on .T he m ethods fo r selecting pen ta p ris m and reducing the effect of su rface p rofile erro r on detecti on are in troduced .A t the end ,an exam p le is given to illu strate the detecti on of the p arallelis m erro r of a single star si m u lato r w ith p en ta p ris m .Key words :

p en ta p ris m m ethod ;parallelis m detecti on ;ZE M A X si m u lati on ,angle erro r ;

su rface p rofile erro r

引言

大口径平行光管及单星模拟器出射光的平行

度指标的检测非常重要。常用的大口径光束平行度检测方法有:远物法、可调前置镜法、自准直法、五棱镜法和三管法以及近年来提出的剪切干涉法、塔耳波特成像法[1]等。这些方法中五棱镜法因设备简

单,检测精度较高而广泛应用。对五棱镜法检测平行度的原理报道较多,对五棱镜法检测平行度的导轨运动误差的影响分析[2]也有报道,但是在对检测结果的误差分析中往往忽视了五棱镜本身带来的误差,而在实际使用该方法过程中,五棱镜的选取是十分关键的。若五棱镜精度太低,则会给检测结

收稿日期:2006212215;　修回日期:2007203202

作者简介:闫亚东(1979-),男,河南周口人,中科院西安光学精密机械研究所博士生,主要研究方向光学设计和光学检测。E 2m ail :yyd @op t .ac .cn

第28卷第5期2007年9月　　　　　　　　　　　应用光学Journal of A pp lied Op tics 　　　　　　　　　　　　　　　　　

V o l .28N o.5

Sep.2007

果带来较大误差。然而,五棱镜加工误差对检测结果的影响分析较为困难。本文建立了五棱镜误差分析模型,用光学设计软件ZE M A X 对分析模型进行了模拟,完善了五棱镜法检测结果的误差分析,并

给出了减小误差的方法以及五棱镜法应用实例。

1　五棱镜法平行度检测的原理

五棱镜法检测平行度的原理[3]如图1所示

。将

图1　五棱镜法原理示意图

F ig .1　Pr i nc iple of pen t a pr is m m ethod

五棱镜固定于待检平行光束前的平移台上,平移台可以沿垂直于待检光束光轴的方向平移。用高精度数显自准直仪观察经五棱镜取样的待检光束的分划像,使之和自准直仪的分划线对准。沿垂直于光束光轴方向移动五棱镜,由于理想五棱镜使出射光线严格垂直于入射光线,即将光线折转90°,若待检光束严格平行,如图1(b 1,b 2)所示。在棱镜移动过程中,光束的分划像相对于自准直仪分划线不会产生横向移动。否则,如图1(a 1,a 2,c 1,c 2)所示,五棱镜从光束孔径一侧移到另一侧,自准直仪相当于对物距一定、距离光轴不同的物点分别成像,像将会有横向移动;重新调整自准直仪使光束分划像再次与分划线对准,自准直仪将显示光束的平行度误差。

该方法主要应用了五棱镜将光束折转90°的特性,然而五棱镜自身加工中的角度误差和面形误差将影响五棱镜90°折转特性,从而可能影响五棱镜法检测的结果。下面详细分析角度误差和面形误差对检测结果的影响。

2　五棱镜加工误差对检测结果的影响

2.1　角度误差对检测结果的影响

实际的五棱镜不可能是理想的五棱镜,它的5

个角度都不同程度地存在一定的加工误差,因而光

束转向并非绝对的90°。一般认为该误差会影响检测结果,事实并非如此。譬如五棱镜工作误差为

±2″(即将入射光束偏转90°±2″),这将使所有通过五棱镜的光线都向一个方向偏转2″,而不会改变光线之间的相对偏角。而检测的正是光束的一个边缘到另一边缘各个孔径光线的相对不平行度,因此五棱镜的角度加工误差不会影响检测结果。图2是五棱镜45°角存在误差时对光束的转向情况,

实际

图2　棱镜角度误差对出射光束方向的影响　F ig .2　Effect of pr is m angle error on

direction of e m ergen t beam

・056・　应用光学　2007,28(5)　闫亚东,等:用ZE M A X 模拟五棱镜误差对平行度检测的影响　

上,无论是哪一角度存在误差或是几个角度同时存在误差,最终结果都是将出射光束整体向某个方向偏转,不会影响光束的相对结构,也就不会影响检测结果。因此,在应用五棱镜法时没有必要过高要求五棱镜的角度加工精度。2.2　面形误差对检测结果的影响

五棱镜的加工面形要求包括光圈N 和局部光

圈∃N 。在分析面形误差对检测精度的影响时,因为光学元件表面面形较复杂,需要建立既简单又能反映出主要问题的分析模型。一般局部光圈∃N 较小,为简化分析可以忽略其影响[4],只考虑光圈N 的影响,为此建立了如图

3所示的分析模型。

图3　五棱镜面形误差分析模型

F ig .3　Analytical m odel for surface -shape

m is mach i ned error of pen t a pr is m

　　用光学设计软件ZE M A X 对模型a (各面同为高光圈)和模型b (同为低光圈)2种极端情况进行了光线追迹分析[526]。若折射面取光圈N 1=1(中等精度),反射面取N 2=0.5(高精度),Κ=0.555Λm ,由棱镜口径D 根据公式(1)算出各面的曲率半径R (玻璃材料取K 9,通光口径为Υ5)。

R =

D

2

8h =D 2

4ΚN

(1)

对子午面内各孔径的光线进行追迹,在离棱镜400mm 处考察光线的偏角,结果见表1。

表1　模型a 光线追迹结果

Table 1　Ray trac i ng results of m odel a

Aperture Ray deviation

angle ″

Reflection surface component ″Refraction surface

component ″

0.10.040.030.010.20.090.030.010.30.130.100.030.40.170.140.030.50.220.170.050.60.260.200.060.70.300.240.060.80.340.270.070.90.390.310.081.0

0.46

0.34

0.12

表2　模型b 光线追迹结果

Table 2　Ray trac i ng result of m odel b

Aperture Ray deviation angle ″

Reflection surface component ″Refraction surface

component ″

0.10.040.030.010.20.090.070.020.30.130.100.030.40.170.140.030.50.220.170.050.60.260.200.060.70.300.240.060.80.340.270.070.90.390.310.081.0

0.43

0.34

0.09

　　由表1和表2可以看出:虽然折射面面形精度要求较低,反射面面形精度要求较高,但在结果误差中,反射面对误差的贡献量比折射面的贡献大3倍多,且误差随着通光口径的增大而相应地增大。在折射面光圈N 1=1、反射面光圈N 2=0.5的情况下,模型a 和模型b 面形误差引起的最大角度误差分别是0.46″和0.43″。一般五棱镜各面的光圈高低是随机的,相互之间可能互相抵消一部分,实际面形误差引起的角度误差要小于极端情况。图5(a )组是抵消最好的2种情况,(b )组是抵消较好

的2种情况。

图5　五棱镜各面误差相互抵消示意　F ig .5　Sketch of error coun teraction on

all surfaces of pen t a pr is m

在实际选择五棱镜时,有时检测各个面的面形

误差受到各种条件的,不易做到。另外,一个更有效的方法就是对五棱镜的成像鉴别率进行检验。

3　减小面形误差影响的方法

五棱镜加工完成以后,其面形误差是固有的定

・

156・　应用光学　2007,28(5)　闫亚东,等:用ZE M A X 模拟五棱镜误差对平行度检测的影响　

值,但是可以通过在五棱镜前加1个小孔光阑,以减小通光口径,来减弱面形误差的影响。应用中尽量使用五棱镜中心面部分,以减小棱镜面塌边、勾边造成的影响。另外,小孔光阑的应用可以对待检光束进行更多更精确的采点,提高了检验精度。但是,有时光阑的大小受到待检光束照度的,光阑太小,采样光束太弱,不利于自准直仪对准,因此光阑的大小要根据实际情况权衡而定。

4　五棱镜法应用实例

用五棱镜法对单星模拟器模拟的无穷远星光

的平行度进行了检测、调试,检测装置如图6所示。

图6　单星模拟器检测装置

F ig .6　D etection equip m en t of si ngle -st ar si m ulator

单星模拟器出射光束口径100mm ,五棱镜小孔光阑直径5mm 。

数字显示自准直仪指标为a )自准直仪示值误差1′内±0.3″;b )自准直仪瞄准精度±0.1″

;c )自准直仪读数误差±0.02″

。五棱镜放在1个导轨平行度经过严格调校的平移台上,导轨平行度误差0.8″,平移台能够在垂直星模拟器出射光束方向移动。4.1　检测装置系统误差

系统误差来源主要有:①五棱镜加工面形误差∆1;②导轨平行度误差∆2;③自准直仪总误差为　∆3=±

(±0.3″)2+(±0.1″)2+(±0.02″)2≈

±0.32″(2)

根据误差理论,可算出五棱镜法调校单星模拟

器的极限误差为

∆=±∆2

1

+∆22

+∆23

=

±0.462+0.802+0.322=±0.98″(3)

4.2　检测、调校方法与步骤

首先将五棱镜移到星模拟器出射光束的一侧,将自准直仪的像点调到十字丝中心,并将自准直仪清零。当五棱镜从光束口径一个边缘以步长10mm 移到另一边缘时,记录自准直仪读数。

若平行度误差过大,则通过调整星模拟器修切圈的厚度,调节星点板到物镜之间的距离,然后再进行检测,反复进行此过程,直到检测结果满足要求为止。4.3　调校结果

用上述方法经过2次调整之后,检测结果如表3中 组数据。可以看出,全口径内最大平行度误

差为1.83″,考虑到系统误差±0.98″仍然满足±2″的平行度误差要求。为防止物镜偏心引起出射光束不对称,将星模拟器翻转90°再进行测量,记录结果如表3中 组数据,可以看出,由于偏心引起的光束不对称度,考虑到系统误差后,数据仍在允许的范围之内。

表3　单星模拟器检测结果数据

Table 3　D etected results of si ngle -st ar si m ulator Guide po siti on

mm

R ay deviati on

angle ″

R ay deviati on

angle ″

2000300.880.70400.801.10501.030.95600.921.24701.141.68801.571.37901.831.75100

1.68

1.96

5　结论

用五棱镜法进行平行度检测,检测精度受下列很多因素的影响:平移台导轨精度、自准直仪误差及环境影响等,但在五棱镜加工误差的因素中,2个反射面面形误差的影响起着主要作用。选择五棱镜时必须注意,在面形精度相同的情况下,大尺寸的五棱镜要比小尺寸的五棱镜面形更好。检测中要

尽量减小五棱镜小孔光阑尺寸,并利用五棱镜面中间部分,以减小五棱镜加工面形误差对检测结果的

・256・　应用光学　2007,28(5)　闫亚东,等:用ZE M A X 模拟五棱镜误差对平行度检测的影响　

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