大相对孔径球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法.pdf

本发明公开了一种大相对孔径球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法，属于光学测量领域。首先，测量光纤的衍射波前透过分束棱镜，经显微物镜变换为能覆盖被测大相对孔径球面镜的测量波前，并在被测球面镜表面反射；携带被测球面镜面形信息的反射波前透过显微物镜，经分束棱镜反射后汇聚到参考光纤端面形成测量波前，并与参考光纤自身衍射的参考波前汇合而发生干涉；然后移走被测球面镜，其他光学元件保持不动，在显微物镜焦点处放置平面反射镜，用同样方法测量显微物镜、分束棱镜及参考光纤端面粗糙度所带入的像差。本发明分两步实现，且都利用了接近理想的点衍射球面波作为参考波前，能够实现大相对孔径球面面形的高精度测量。

权利要求书
1.  一种大相对孔径球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法，其特征在于：
首选，选取以下设备：分光系统、测量光纤、分束棱镜、显微物镜、参考光纤、成像镜头、CCD摄像机、计算机、被测大相对孔径球面镜和平面反射镜；
之后，从分光系统进入测量光纤的测量光束，在测量光纤的端面发生衍射；衍射波前透过分束棱镜，经显微物镜变换为大相对孔径球面波前，其球心位于显微物镜的物方焦点处；该球面波前在被测大相对孔径球面镜的表面反射，携带被测大相对孔径球面镜面形信息的反射波前再次透过显微物镜，经分束棱镜、参考光纤的倾斜端面反射后，形成测量波前；由参考光纤的倾斜端面衍射的参考球面波前，与上述测量波前汇合而发生干涉；将此时得到的干涉图通过成像镜头被CCD摄像机接收，输入计算机中采用标准方法进行处理和分析；
然后，移除被测球面镜，将平面反射镜放置于显微物镜的焦点处，同时固定其他光学元件不动；从测量光纤端面衍射的球面波透过分束棱镜、显微物镜，经平面反射镜反射；反射波前透过显微物镜，经分束棱镜、参考光纤的倾斜端面反射后，形成测量波前；从参考光纤的倾斜端面衍射的参考球面波前与上述测量波前汇合而发生干涉；将此时得到的干涉图通过成像镜头被CCD摄像机接收，输入计算机中采用标准方法进行处理和分析；
随后，将第一步测量结果减去第二步测量结果，得到被测大相对孔径球面镜的波差，最后，将该波差除以2，即可得到被测大相对孔径球面镜的面形。

说明书大相对孔径球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种大相对孔径球面面形的高精度干涉测量方法，可以在不用子孔径拼接的情况下，实现大相对孔径球面的全面形高精度干涉测量。
背景技术
近年来，大相对孔径球面元件如球碗、球形关节等广泛应用于信息技术、空间技术、遥感技术等高科技领域。对此类大相对孔径球面元件的检测一直是光学测量领域的一个难点。其主要原因在于：传统的光学干涉测量方法是采用高精度标准镜头来产生参考波面，但是高精度球面标准镜头加工非常困难，对大相对孔径球面标准镜头的加工就更为困难。当前商用干涉仪配备的球面标准镜头最小F数为0.75，对应最大可测角孔径约为82.3°(约相当于数值孔径0.67)，其参考球面的面形精度只能达到λ/10，透射波差约1.5λ(峰谷值)，除可测角孔径之外，其各项性能参数都远低于常规标准球面镜头，且制造成本非常昂贵。这就造成对大相对孔径球面的测量精度偏低，同时也无法满足更大相对孔径球面(即角孔径＞90°)面形的测试需求。因此，技术人员迫切需要一种便捷、高效、低成本的检测手段，来实现大相对孔径球面面形的高精度测量。
针对测量中所需大相对孔径标准球面镜头加工困难这一问题，目前最常用的方法是采用子孔径拼接干涉测量技术，用于90°以上孔径张角的大相对孔径球面面形测量。此方法通过将多次小相对孔径的干涉测量结果拼接起来，实现大相对孔径球面的面形检测。与传统测量方法相比，子孔径拼接方法避免了制造大相对孔径标准球面镜头的困难，大大降低了测量成本。但这种方法为了拼接的需要，各子孔径必须相互重叠测量区域，导致测量次数增多、效率低下，同时对多次测量数据的拼接也降低了最终全面形测量结果的精度。
为提高干涉仪上的球面面形测量精度，Jensen首先提出了球面面形的绝对干涉测量方法，后来Bruning和Elssner等人又对该技术做了深入研究。该方法可以在非理想参考波面的情况下得到被测球面的绝对面形。球面面形的测量过程分为三步，分别得出被测球面镜在三个不同位置处的波像差：某一方向角位置测得波像差W1，该位置绕光轴旋转180°测得波像差W2，猫眼位置测得波像差W3，然后将测得值W1、W2、W3进行相应的相位变换运算，即可得到被测球面的面形。但该方法测量过程比较复杂，被测球面镜在旋转和移动时容易偏心、倾斜，难以共轴，因而影响了测量精度。
提高干涉法球面面形测量精度的关键在于寻找高精度的参考球面波，借助于小孔点衍射产生近似理想的球面波前是一个可行的方法。而用柔性光纤纤芯的端面代替小孔就构成了光纤点衍射干涉仪。光纤芯径的大小决定了衍射光的数值孔径和偏离球面波的误差。理论计算表明，若采用He-Ne激光器(λ＝0.6328μm)，光纤的纤芯直径为2.4μm(4λ)，数值孔径(NA)为0.2时的衍射球面偏差小于λ/104。可见点衍射参考球面波的精度比实物镜头产生的参考球面精度高200倍以上。对实际测量而言，其参考球面可视为理想波面，采用光纤点衍射干涉法将大大提高球面面形的测量准确度。
中国专利申请“一种光学球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法”(申请号：200910235650.3)实现了基于光纤点衍射技术的球面(凸面及凹面)面形测量，解决了普通光纤点衍射干涉测量方法只能检测凹球面而不能检测凸球面的难题。同时因为使用了全部衍射光束参与测量，该专利申请所记载的技术方案将可测量孔径角扩大了一倍。但是，由于光纤衍射场的数值孔径有限，通常都在0.3以下，即使全部衍射光束都参与测量，其球面测量的角孔径也仅能达到35°左右。要在光纤点衍射干涉仪上实现大相对孔径球面(角孔径＞90°)的测量就必须考虑新的方案。
发明内容
本发明的目的是为解决在光纤点衍射干涉仪上实现角孔径＞90°的大相对孔径球面测量过程中存在的子孔径拼接方法的测量次数多、效率低，拼接后测量精度降低的问题，以及球面面形绝对测量方法中被测球面镜无法准确共轴和定位的难题，提出了一种大相对孔径球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法。
由于显微物镜可以实现微小物体的放大，同时也能够实现物像孔径角的变换，其正常使用状态下的物方孔径角要远大于像方孔径角。例如：一个数值孔径为0.8的显微物镜物方孔径角为106.4°，而数值孔径为0.86的显微物镜物方孔径角则达到120°。本发明方法的原理是：通过引入一个倒置的显微物镜对光纤衍射波面进行孔径角变换。由测量光纤衍射产生的小角度球面波前透过分束棱镜，在显微物镜的物方产生能覆盖被测大相对孔径球面镜的测量波前，并在被测球面镜的表面反射。携带被测大相对孔径球面镜面形信息的反射波前透过显微物镜，经分束棱镜反射后与参考光纤衍射的参考球面波发生干涉，从而得到被测球面镜的面形信息。在此测量过程中，分束棱镜和显微物镜的像差会影响到测量结果。而要得到高精度的球面面形信息，就必须修正分束棱镜和显微物镜引入的像差。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种大相对孔径球面面形的光纤点衍射移相干涉测量的装置，包括分光系统、测量光纤、分束棱镜、显微物镜、参考光纤、成像镜头、CCD摄像机、计算机、被测大相对孔径球面镜和平面反射镜。
采用上述装置进行测量的过程如下：
第一步：从分光系统进入测量光纤的测量光束，在测量光纤的端面发生衍射。衍射波前透过分束棱镜，经显微物镜变换为大相对孔径球面波前，其球心位于显微物镜的物方焦点处；该球面波前在被测大相对孔径球面镜的表面反射，携带被测大相对孔径球面镜面形信息的反射波前再次透过显微物镜，经分束棱镜、参考光纤的倾斜端面反射后，形成测量波前；由参考光纤的倾斜端面衍射的参考球面波前，与上述测量波前汇合而发生干涉。此时得到的干涉图通过成像镜头被CCD摄像机接收，输入计算机中采用标准方法进行处理和分析。
第二步：移除被测球面镜，将平面反射镜放置于显微物镜的焦点处，同时固定其他光学元件不动。从测量光纤端面衍射的球面波透过分束棱镜、显微物镜，经平面反射镜反射。反射波前透过显微物镜，经分束棱镜、参考光纤的倾斜端面反射后，形成测量波前。从参考光纤的倾斜端面衍射的参考球面波前与上述测量波前汇合而发生干涉。此时得到的干涉图通过成像镜头被CCD摄像机接收，输入计算机中采用标准方法进行处理和分析。
第三步：将第一步测量结果减去第二步测量结果，得到被测大相对孔径球面镜的波差。然后，将该波差除以2，即可得到被测大相对孔径球面镜的面形。
有益效果
本发明相对国内外现有技术具有以下显著优点：
1、利用显微物镜对小相对孔径的光纤点衍射球面波前进行孔径角变换，解决了常规光纤点衍射球面测量方法可测孔径角受限的难题，实现了光纤点衍射干涉仪上的大相对孔径球面面形测量。
2、将大相对孔径球面面形测量分为两步来实现，且两步测量都利用了接近理想的点衍射球面波作为参考波前，能够保证两次干涉测量的高精度，也就能够保证最终大相对孔径球面面形测量结果的精度。
3、本发明所采用的设备构成简单，由于利用了光纤点衍射球面波作为参考波面，因而无需使用标准球面镜头，在提高大相对孔径球面面形测量精度的同时大大降低了测量成本。
附图说明
图1为大相对孔径球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法第一步示意图；
图2为大相对孔径球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法第二步示意图；
图3为参考光纤的端面形状及波前示意图；
其中，1-激光器；2-可调中性密度滤光片；3-1/2波片；4-偏振分束棱镜；5-第一直角棱镜；6-第二直角棱镜；7-第一1/4波片；8-第二1/4波片；9-压电陶瓷；10-第一偏振片；11-第二偏振片；12-第一耦合透镜；13-第二耦合透镜；14-测量光纤；15-分束棱镜；16-显微物镜；17-被测大相对孔径球面镜；18-参考光纤；19-成像镜头；20-CCD摄像机；21-计算机；22-平面反射镜；23-插芯；24-轴线；25-端面法线；26-衍射光束轴线；27-入射测量光束；28-反射的测量光束；29-衍射波前。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
一种大相对孔径球面面形的光纤点衍射移相干涉测量方法。首先选取以下装置，如图1、图2所示，包括：分光系统、测量光纤14、分束棱镜15、显微物镜16、被测大相对孔径球面镜17、参考光纤18、成像镜头19、CCD摄像机20、计算机21、平面反射镜22；
其中，分光系统包括激光器1、可调中性密度滤光片2、1/2波片3、偏振分束棱镜4、第一直角棱镜5、第二直角棱镜6、第一1/4波片7、第二1/4波片8、压电陶瓷9、第一偏振片10、第二偏振片11、第一耦合透镜12和第二耦合透镜13。
本发明的大相对孔径球面面形测量方法如下：
第一步：如图1所示，从激光器1出射的线偏振光通过可调中性密度滤光片2衰减，由1/2波片3调整偏振方向后入射到偏振分束镜4，被分解成偏振方向互相垂直的两束线偏振光，一束为透射(测量光)，一束为反射(参考光)。当这两束线偏光分别被第一直角棱镜5和第二直角棱镜6反射回偏振分束镜4时已两次经过第一1/4波片7和第二1/4波片8，其偏振方向各自改变90度，先前的透射光束将反射，并通过压电陶瓷9实现移相，而先前的反射光束将透射。从偏振分束镜4出射的两束正交偏振光分别通过第一偏振片10、第二偏振片11调整其偏振方向，然后再通过第一耦合透镜12、第二耦合透镜13分别耦合到测量光纤14和参考光纤18。从测量光纤14端面衍射的球面波透过分束棱镜15，经显微物镜16变换为大相对孔径球面波前，其球心位于显微物镜16的焦点处。该球面波前在被测大相对孔径球面镜17的表面发生反射，携带有被测大相对孔径球面镜17面形信息的反射波前再次透过显微物镜16，经分束棱镜15、参考光纤18的倾斜端面反射后，形成测量波前(如图1中实线所示)；由参考光纤18的倾斜端面衍射的参考球面波前(如图1中虚线所示)与上述测量波前汇合而发生干涉。通过计算机21控制压电陶瓷9，实现步长为π/2的移相，移相干涉图通过成像镜头19被CCD摄像机20接收，送入计算机21中按标准方法(4步或5步移相算法)进行处理分析。图1中，可以通过旋转1/2波片3和第一偏振片10、第二偏振片11调整参考光与测量光的相对强度，以达到最佳的条纹对比度。
显然，此步骤的测量结果不仅包含有被测大相对孔径球面镜17的波差，还包含有显微物镜16、分束棱镜15及参考光纤18的端面粗糙度所带入的波前误差，第二步将测量这些中继光学系统引入的像差。
第二步：如图2所示，移除被测大相对孔径球面镜17，将平面反射镜22放置于显微物镜16的焦点处，同时固定其他光学元件不动。从测量光纤14端面衍射的球面波透过分束棱镜15、显微物镜16，然后经平面反射镜22反射，反射波前再次透过显微物镜16，经分束棱镜15、参考光纤18的倾斜端面反射后，形成测量波前(如图2中实线所示)；从参考光纤18的倾斜端面衍射的参考球面波前(如2图中虚线所示)与上述测量波前汇合而发生干涉。通过计算机21控制压电陶瓷9实现步长为π/2的移相，移相干涉图通过成像镜头19被CCD摄像机20接收，送入计算机21按标准方法(4步或5步移相算法)进行处理分析。由于第二步测量的光路与第一步基本一致，故该步测量可以得到所有中继光学系统引入的像差。
第三步：将第一步测量结果减去第二步测量得到的中继光学系统像差即可得到被测大相对孔径球面镜17的波差。最后，将上述波差除以2，即得到被测大相对孔径球面镜17的面形。
上述实施过程中，所述参考光纤18的端面要求抛光成斜面，其倾斜角度计算如下：
参考光纤18的端面形状及波前如图3所示：参考光纤18的端面连带插芯23被整体抛光成角度为α的斜面，端面镀有半透半反膜。其中参考光纤18的轴线24与端面法线25夹角为α，参考光纤18的衍射光束轴线26与参考光纤18的端面法线25夹角为β，根据折射定律，并取空气折射率为1，有：
                      nsinα＝sinβ
取参考光纤18的纤芯折射率为n＝1.5，若想得到β＝45°的折射角，由上式可计算出参考光纤18的端面倾斜角度为：α≈28°。即当参考光纤18的端面抛光成28°斜面时，携带被测球面面形信息的入射测量光束27以45°角入射到参考光纤18的端面，其反射的测量光束28将折转90°，恰好与参考光纤18的衍射波前29重合而产生干涉。