科研训练结题报告
径向剪切干涉仪光学系统设计与研究
——之望远系统的设计与装调
一、摘要
在近代干涉测量中，剪切干涉法是其中应用较为广泛而稳定的一种方法，而径向剪切干涉仪正是基于这种原理工作的。径向剪切干涉仪结构简单、共光路、不需要额外
设置参考面、对外界环境因素不敏感，只需要一幅干涉图就可进行波面检测，同时还可以保证较高的测试精度，因此其在实时、瞬态的波面检测中具有很大的优势。其中主体光路经分光后分别由不同不同路径通过伽利略望远系统进行缩放，最终重新汇合并相干涉，生成干涉条纹。因此可以说望远系统是径向剪切干涉仪最为重要的组成部分之一，其对系统的影响很大。
本文首先在从干涉仪的具体原理分析望远系统的作用及其应达到的技术指标要求。其次根据具体的要求指标用光学设计软件Zemax进行望远系统设计，给出具体的系统结构及参数，并进行了精度分析，确保不影响干涉仪整体精度。接着文章从望远系统机械结构出发进行系统装调，并用Zygo光学测量软件对采集到的条纹进行分析处理，不断调节望远系统以达到精度要求。最后我们给出系统的优缺点。
关键词：望远系统 Zemax 精度分析 系统装调 Zygo
二、背景分析：
1、干涉仪的原理简单介绍：
图一：干涉仪的原理图
如图一，由待测激光器发出的脉冲激光束（图中未画出）经分束镜（1）被分成二束，其中一束为反射光束，经分束镜（1）反射后，通过胶合透镜（2）、负透镜（3）形成的伽利略望远系统后成为缩束光束，然后分别经反射镜（4）、反射镜（5）反射后垂直入射到分束镜（1）上；其中另一束为透射光，经分束镜（1）透射后，分别经过反射镜（5）、反射镜（4）反射，水平通过负透镜（3）、胶合透镜（2）组成的伽利略望远系统成为扩束光束。缩束光束经分束镜（1）反射，扩束光束经分束镜（1）透射后两者相干涉，生成的干涉条纹图通过反射镜（6）反射后进入成像系统，经反射镜（11）折转光路后进入CCD靶面，根据图像的分析从而得出光波前的具体信息。
由此可见，伽利略望远系统在整个过程中承载着对不同光束进行缩放的作用，以便于两束光相干涉，有利于波面重构。同时，有效缩短了光路。若选取倍率适合的望远系统还可以产生虚焦点，防止高能激光产生电离，方便系统装调。
2、相关技术指标要求分析：
对于整个干涉系统主要应用于检验近红外瞬态波前，其工作波长是 1064nm，但是近红外光不可见，因此采取了双波长设计，除了工作波长还有
632.8nm作为调试波长。所以望远系统的设计和装调过程也将使用双波长。
因为系统光学质量要求小于等于/20（RMS)，所以当632.8nm时，要求望远系统的精度为/30；当1064nm时，要求望远系统的精度为/50。
当入射波前畸变量较大时，望远系统的缩放比增大能提高波面重构精度，但当缩放比增大到一定数值时，望远系统的工作距离也会随之增大，导致系统光路很长，重构精度提高有限。因此，望远系统的缩放比（f1/f22）选取0.5即可，这样的伽利略系统在有效缩短光路的同时也不会使工作距离很大 。
三、伽利略望远系统的设计
根据确定的缩放比（即f1/f2=2）来选择其他参数设计伽利略望远系统，为缩短光路，透镜焦距的选择应尽量使得光程较短；为提高测试精度，保证系统的稳定性，应使系统结构尽量简单；由于望远系统的精度对整体精度影响很大，透镜参数的选取还要满足望远系统的波像差尽可能的小。为了防止高能激光产生焦点电离空气，所要要采用一片负透镜。同时为了消色差，单透镜无法消色差，因此在负透镜前选用双胶合透镜消色差。综合以上考虑采用双胶合透镜和一片负透镜组成望远系统使用ZEMAX光学设计软件来设计望远系统，并进行优化分析。
如图二所示，为保证入射光束可以全部进入望远系统而不被机械结构遮拦，同时根据缩放比为0.5，选择选取双胶合透镜的口径为30mm，焦距是79.93mm,负透镜的口径为15mm，焦距为-40.01mm的初始结构进行光学设计优化
其光学结构如下图所示：
图二：干涉仪光学结构图
输入镜头初始结构参数如下表所示：
图三：望远系统优化过程结构参数表
优化结束后，可以得到系统的波像差图如下：
图四：望远系统波像差图
当=632.8nm时，经优化得到PV=0.1302，RMS=0.0334；当=1064nm时，得到PV=0.0681，RMS=0.0141，均优于预设系统精度要求。
望远系统的结构数据已经光学特性参数等数据如下：
GENERAL LENS DATA:
Surfaces : 7 Stop : 2
System Aperture : Entrance Pupil Diameter = 28 Afocal Image Space : On
Glass Catalogs : CDGM-1 HIKARI Ray Aiming : Off
Apodization : Uniform, factor = 0.00000E+000 Temperature (C) : 2.00000E+001 Pressure (ATM) : 1.00000E+000 Adjust Index Data To Environment : Off
Effective Focal Length : -156726 (in air at system temperature and pressure) Effective Focal Length : -156726 (in image space) Back Focal Length : -78412.92 Total Track : 105.3949 Image Space F/# : 5597.357 Paraxial Working F/# : 5597.357 Working F/# : 10000 Image Space NA : 8.932788e-005 Object Space NA : 1.4e-009 Stop Radius :
14
Paraxial Image Height : 0 Paraxial Magnification : 0 Entrance Pupil Diameter : 28 Entrance Pupil Position : 15 Exit Pupil Diameter : 14.00319 Exit Pupil Diameter-X : 14.00319 Exit Pupil Diameter-Y : 14.00319 Exit Pupil Position : -52.05454 Field Type : Angle in degrees Maximum Radial Field : 0 Primary Wavelength : 1.064 um Lens Units : Millimeters Angular Magnification : 0
Fields : 1
Field Type: Angle in degrees
# X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000
Vignetting Factors
# VDX VDY VCX VCY VAN 1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
Wavelengths : 1 Units: 祄
# Value Weight 1 1.064000 1.000000
四、望远系统的装调
望远系统是径向剪切干涉仪的重要组成部分，望远系统的精度直接影响径
向剪切干涉仪的整体测量结果，因此机械结构必须要保证望远系统的同轴度良好。采用止螺从三个方向固定望远系统目镜筒，这样就可以通过调整止螺来保证望远系统同轴。
望远系统的测量原理如图一所示，Zygo干涉仪出射的平行光束，依次经标
准平面镜、望远系统及标准反射镜。则由标准平面镜自准直回去的波面为参考波面，通过望远系统经标准反射镜反射后的波面为待测波面，待测波面与参考波面相干，在视场中形成干涉条纹。
标准平面镜
望远系统
标准
Zygo干涉仪
反射
镜
图五：望远系统精度调试原理图
望远系统的测量过程如下图所示，调节望远系统物镜和目镜之间的距离和同轴度，用显示器目测干涉图条纹质量，利用Zygo光学测量软件，对采集所得的干涉条纹进行分析处理，根据条纹图反映出来的问题，去调节望远系统的目镜，直到望远系统精度达到要求为止，调节完后用止螺固定望远系统的目镜位置。
图六：望远系统精度调试实物图
望远系统的测量结果如图七所示，在波长λ=632.8nm、口径Φ=20mm时测得的望远系统PV=0.073λ、RMS=0.012λ，符合设计要求。
图七: 望远系统精度调试测量结果图
由于条件有限，未能验证近红外波长上望远系统的精度，而且入射光均是平行光，没有验证光的平行度对系统精度的影响，这也是今后可以深入研究的方向。
五、参考资料
1、《Zemax软件在像差设计中的应用》 高志山 南京理工大学 2、《径向剪切干涉仪光学系统设计与研究》 姜卓偲 南京理工大学 3、《工程光学》 李林等 北京理工大学出版社 4、《工程光学》 郁道银 机械工业出版社
5、http://mall.cnki.net/magazine/Article/HWYJ2008S3045.htm 6、