非球面光学元件面形检测装置.pdf

本发明公开了一种非球面光学元件面形检测装置。该装置在现有干涉法面形检测装置的基础上，通过增设两个可控光阑实现了对检测光波和参考光波的光强测量，通过增设压电陶瓷实现了对相移干涉条纹的采集；非球面面形测量软件包通过计算待检非球面光学元件的待测面形与标准球面之间的相位偏差以及待检非球面光学元件的理想面形与标准球面之间的相位偏差，可方便地获得待检非球面光学元件的面形与其理想面形间的相位偏差。因此，本发明可以有效地解决大偏离量非球面光学元件面形的检测问题，不需要实际加工计算全息图，可降低检测成本、缩短

1.  一种非球面光学元件面形检测装置，包括氦氖激光器[1]、显微物镜[2]、针孔滤波器[3]、分光镜[4]、消球差透镜[5]、标准平面反射镜[7]、CCD探测器[11]和计算机[12]，其特征在于：还包括第一可控光阑[6]、第二可控光阑[9]和压电陶瓷[8]，所述标准平面反射镜[7]置于所述压电陶瓷[8]上，所述第一、第二可控光阑[6、9]和压电陶瓷[8]均受所述计算机[12]的控制，所述显微物镜[2]的像方焦点、所述消球差透镜[5]的物方焦点和所述针孔滤波器[3]均位于待检非球面光学元件[10]的最佳匹配球面的等效球心处；检测时，所述氦氖激光器[1]发出的激光束经所述显微物镜[2]会聚到所述针孔滤波器[3]的针孔处形成标准球面光波，该标准球面光波被所述分光镜[4]分为两束：由分光镜[4]反射的光波经过所述第二可控光阑[9]直接照射到所述非球面光学元件[10]的待检非球面上并被反射即定义为检测光波，由分光镜[4]折射的光波照射到所述消球差透镜[5]上形成平面光波，然后经过第一可控光阑[6]再照射到标准平面反射镜[7]上并被反射即定义为参考光波，所述检测光波和所述参考光波分别经分光镜[4]透射和反射后照射到所述CCD探测器[11]的靶面上并经光电转换后送入所述计算机[12]中；当所述第一、第二可控光阑[6、9]同时打开时，所述CCD探测器[11]探测到的是干涉条纹，当第一可控光阑[6]或第二可控光阑[9]打开时，CCD探测器[11]探测到的是所述参考光波或所述检测光波的光强度；计算机装有A/D转换器、存储器和非球面面形测量软件包，存储器预先存储非球面面形测量软件包运行过程中所需的已知参量，非球面面形测量软件包含有控制模块、存储模块、数据采集模块、数据输入模块、理想干涉条纹参数计算模块、相位差计算模块、相位解包裹模块和面形偏差计算模块，控制模块的功能是控制压电陶瓷8产生π/2的相移，控制第一、第二可控光阑的打开和关闭；存储模块存储数据处理中的过程数据并在程序运行过程中调用过程数据和存储器中存储的相关参数；数据采集模块的功能是通过A/D转换器采集压电陶瓷在零位时检测光波和参考光波形成的原位干涉条纹以及该位置上检测光波的光强度和参考光波的光强度，通过A/D转换器采集压电陶瓷相移π/2时检测光波和参考光波形成的相移干涉条纹，并将采集数据送入存储器中存储；数据输入模块通过键盘接收人工输入的待检非球面光学元件的理想面形方程及其口径尺寸并送入存储模块中；理想干涉条纹参数计算模块依据光线追迹法和干涉原理模拟出理想原位干涉条纹和理想相移干涉条纹，计算理想检测光波的光强度和理想参考光波的光强度，并将模拟和计算数据送入存储器中存储；相位差计算模块依据测量待检非球面光学元件的待测面形与标准球面之间的相位偏差以及模拟计算待检非球面光学元件的模拟理想面形与标准球面之间的相位偏差解算出待检非球面光学元件的待测面形与模拟理想面形包裹在0到2π之间的相位偏差；相位解包裹模块依据相位偏差值解算出一组连续变化的相位差值；面形偏差计算模块利用相位解包裹模块的计算结果求解出待测面形与模拟理想面形之间的偏差并予以输出。

非球面光学元件面形检测装置
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，特别涉及一种能够检测大非球面度的非球面光学元件面形检测装置。
背景技术
直到目前对非球面光学元件面形的定量检测仍然是光学计量检测领域中的一项挑战。主要原因是没有相应的标准非球面样板用于标准检测，从而导致在干涉检测中干涉条纹过密，而不能满足采样定理。目前采用的解决方法有子孔径拼接法和补偿法。子孔径拼接法利用精密的机械运动对非球面光学元件的不同子区域进行检测，然后再将各个检测结果拼接为整个非球面光学元件的面形检测结果。补偿法利用补偿镜或者计算全息图对检测光路进行补偿，使得所记录的干涉条纹能被正常采样。在现有的非球面光学元件的计算全息检测方法中，都必须实际加工出计算全息图，并在检测光路中进行装调。这样将增加非球面光学元件的检测成本、加长检测周期，同时由于计算全息图加工精度的限制不能对非球面度和面形陡度过大的非球面光学元件的面形进行检测。
发明内容
本发明的目的是，克服现有用计算全息技术检测非球面光学元件面形中计算全息图加工、装调困难的不足，提供一种基于两步相移技术、计算全息技术和数字全息干涉技术的非球面光学元件面形检测装置，以实现对大非球面度和大面形陡度的非球面光学元件面形的高精度检测。
本发明采用以下技术方案来实现上述目的。
非球面光学元件面形检测装置包括氦氖激光器、显微物镜、针孔滤波器、分光镜、消球差透镜、第一可控光阑、标准平面反射镜、压电陶瓷、第二可控光阑、CCD探测器和计算机，标准平面反射镜置于压电陶瓷上，第一、第二可控光阑和压电陶瓷均受计算机的控制，显微物镜的像方焦点、消球差透镜的物方焦点和针孔滤波器均位于待检非球面光学元件的最佳匹配球面的等效球心处；检测时，所述氦氖激光器发出的激光束经所述显微物镜会聚到所述针孔滤波器的针孔处形成标准球面光波，该标准球面光波被所述分光镜分为两束：由分光镜反射的光波经过所述第二可控光阑直接照射到所述待检非球面光学元件的待测面上并被反射即定义为检测光波，由分光镜折射的光波照射到所述消球差透镜上形成平面光波，然后经过第一可控光阑再照射到标准平面反射镜上并被反射即定义为参考光波，所述检测光波和所述参考光波分别经分光镜透射和反射后照射到所述CCD探测器的靶面上并经光电转换后送入所述计算机中；当所述第一、第二可控光阑同时打开时，所述CCD探测器探测到的是干涉条纹，当第一可控光阑或第二可控光阑打开时，CCD探测器探测到的是所述参考光波或所述检测光波的光强度。
计算机装有A/D转换器、存储器和非球面面形测量软件包，存储器预先存储非球面面形测量软件包运行过程中所需的已知参量，非球面面形测量软件包含有控制模块、存储模块、数据采集模块、数据输入模块、理想干涉条纹参数计算模块、相位差计算模块、相位解包裹模块和面形偏差计算模块，控制模块的功能是控制压电陶瓷8产生π/2的相移，控制第一、第二可控光阑的打开和关闭；存储模块存储数据处理中的过程数据并在程序运行过程中调用过程数据和存储器中存储的相关参数；数据采集模块的功能是通过A/D转换器采集压电陶瓷在零位时检测光波和参考光波形成的原位干涉条纹以及该位置上检测光波的光强度和参考光波的光强度，通过A/D转换器采集压电陶瓷相移π/2时检测光波和参考光波形成的相移干涉条纹，并将采集数据送入存储器中存储；数据输入模块通过键盘接收人工输入的待检非球面光学元件的理想面形方程及其口径尺寸并送入存储模块中；理想干涉条纹参数计算模块依据光线追迹法和干涉原理模拟出理想原位干涉条纹和理想相移干涉条纹，计算理想检测光波的光强度和理想参考光波的光强度，并将模拟和计算数据送入存储器中存储；相位差计算模块依据测量待检非球面光学元件的待测面形与标准球面之间的相位偏差以及模拟计算待检非球面光学元件的模拟理想面形与标准球面之间的相位偏差解算出待检非球面光学元件的待测面形与模拟理想面形包裹在0到2π之间的相位偏差；相位解包裹模块依据相位偏差值解算出一组连续变化的相位差值；面形偏差计算模块利用相位解包裹模块的计算结果求解出待测面形与模拟理想面形之间的偏差并予以输出。
本发明的有益效果体现在以下几个方面。
(一)本发明建立在现有干涉法面形检测装置的基础上，通过增设两个可控光阑实现了对检测光波和参考光波的光强测量，通过增设压电陶瓷实现了对相移干涉条纹的采集；非球面面形测量软件包通过计算待检光学元件的待测面形与标准球面之间的相位偏差以及待检非球面光学元件的理想面形与标准球面之间的相位偏差，可方便地获得待检非球面光学元件的面形与其理想面形间的相位偏差。与传统的计算全息检测方法相比，本发明不需要计算全息图的实际加工和后续的光路装调，从而降低了检测成本、缩短了检测周期并提高了检测精度。
(二)本发明将两步相移技术、计算全息技术和数字全息干涉技术结合起来，使待检非球面光学元件的面形与其理想面形之间进行比对，从而减小了检测过程中的偏差量，进而可以对大非球面度和大面形陡度的非球面光学元件的面形进行检测。
(三)采用本发明非球面光学元件面形检测方法建立的非球面光学元件面形检测装置能够对大非球面度和大面形陡度的非球面光学元件的面形进行检测，无需实际加工计算全息图，可降低检测成本、缩短检测周期，并提高了检测精度。
附图说明
图1是本发明非球面光学元件面形检测装置的原理示意图。
图2是图1所示装置中非球面面形测量软件包的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。
根据图1所示，本发明非球面光学元件面形检测装置包括氦氖激光器1、显微物镜2、针孔滤波器3、分光镜4、消球差透镜5、第一可控光阑6、标准平面反射镜7、压电陶瓷8、第二可控光阑9、CCD探测器11、计算机12。氦氖激光器1的工作波长为632.8nm，显微物镜2的放大率为100，针孔滤波器3的直径为5μm，分光镜4为半透半反45°直角棱镜，其分光面的分光比为1∶1，标准平面反射镜7的面形精度优于λ/20且置于压电陶瓷8上，压电陶瓷8受计算机12的控制而带着标准平面反射镜7作相对于参考光束中心的平移，其定位精度优于10nm。CCD探测器11选用面阵CCD。针孔滤波器3处在待检非球面光学元件10的最佳匹配球面的等效球心处，同时显微物镜2的像方焦点和消球差透镜5的物方焦点也处在该位置上。测试时，氦氖激光器1发出的激光束经显微物镜2会聚到针孔滤波器3的针孔处，形成标准球面光波，该标准球面光波被分光镜4分为两束：其反射光波经过第二可控光阑9直接照射到待检非球面光学元件10的待测面上并被反射，其折射光波照射到消球差透镜5上形成平面光波，然后经过第一可控光阑6再照射到标准平面反射镜7上并被反射，由于待检非球面光学元件10反射的光波中包含有待检非球面的面形信息，因而可将其作为测试中的检测光波，而由标准平面反射镜7反射后的光波则作为测试中的参考光波，检测光波和参考光波分别经分光镜4透射和反射后照射到CCD探测器11的靶面上并经光电转换后送入计算机12中。第一、第二可控光阑6、9分别且对应作为参考光波和检测光波的开关，两者的打开和关闭均受计算机12控制。当第一、第二可控光阑6、9同时打开时，CCD探测器11探测的是干涉条纹，当第一可控光阑6(或第二可控光阑9)打开时，CCD探测器11探测的是参考光波(或检测光波)的光强度。
计算机12中装有A/D转换器、存储器和非球面面形测量软件包。存储器预先存储非球面面形测量软件包运行过程中所需的已知参量，这些已知参量包括所用激光的波长λ、针孔滤波器3与分光镜4之间的距离d，面阵CCD探测器11的像素数M×N和像素尺寸Δx×Δy。非球面面形测量软件包含有控制模块、存储模块、数据采集模块、数据输入模块、理想干涉条纹参数计算模块、相位差计算模块、相位解包裹模块和面形偏差计算模块，其工作流程见图2。
控制模块的功能是控制压电陶瓷8产生π/2的相移，控制第一、第二可控光阑6、9的打开和关闭。存储模块的功能是存储数据处理中的过程数据并在程序运行过程中调用这些过程数据和存储器中的相关参数。数据采集模块的功能是通过A/D转换器采集压电陶瓷在零位时检测光波和参考光波形成的原位干涉条纹以及该位置上检测光波的光强度|O₁|²和参考光波的光强度|R₁|²；通过A/D转换器采集压电陶瓷相移π/2时检测光波和参考光波形成的相移干涉条纹，并将采集的四个数据送入存储器中存储。数据输入模块的功能是通过键盘接收人工输入的待检非球面光学元件的理想面形方程及其口径尺寸D，并送入存储模块中；理想干涉条纹参数计算模块的功能是利用输入的待检非球面光学元件的理想面形方程、口径尺寸D及针孔滤波器3与分光镜4之间的距离d，采用光线追迹的方法和干涉原理模拟理想原位干涉条纹和理想相移干涉条纹，计算理想检测光波的光强度|O₂|²和理想参考光波的光强度|R₂|²，并将模拟和计算数据送入存储器中存储。相位差计算模块依据测量待检非球面光学元件的待测面形与标准球面之间的相位偏差以及模拟计算待检非球面光学元件的理想面形与标准球面之间的相位偏差解算出待检非球面光学元件的待测面形与其模拟理想面形包裹在0到2π之间的相位偏差Δφ_w：







在(1)～(3)式中，I₁为原位干涉条纹的光强度，I₂为相移干涉条纹的光强度，O₁为检测光波在CCD探测器11靶面处的复振幅，R₁为参考光波在CCD探测器11靶面处的复振幅，为复振幅O₁的相位，为复振幅R₁的相位，上述参数均可从测量参数中得到；在(4)～(6)式中，I₃为理想原位干涉条纹的光强度，I₄为理想相移干涉条纹的光强度，O₂为待检非球面光学元件的模拟理想面形反射光在记录平面处的复振幅，R₂为模拟参考光波在记录平面处的复振幅，为复振幅O₂的相位，为复振幅R₂的相位，上述参数均由理想干涉条纹参数计算模块获得；(7)式中为反映待检非球面光学元件待测面形与其模拟理想面形的偏差相位，为实际采集与模拟计算之间的常相位差，它不影响对待检非球面光学元件面形的检测，可以通过将所有Δφ_w与选定的基准点(如Δφ_w1)相减进行消除。相位解包裹模块的功能是将包裹在0到2π之间的相位偏差值Δφ_w解算为一组连续变化的相位差值Δφ；面形偏差计算模块的功能是利用式(8)计算出待检非球面光学元件的待测面形与其模拟理想面形之间的面形偏差并将计算结果输出：
z=Δφ4πλ---(8)]]>
(8)式中z为待检非球面光学元件待测面的面形偏差。