CN103575229A - 共光路型多重倾斜波面补偿非零位干涉测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共光路型多重倾斜波面补偿非零位干涉测量装置，包括菲索干涉仪、标准平晶、自由曲面梯度补偿模块和待测自由曲面，自由曲面梯度补偿模块的主光轴与干涉测试装置主光轴重合，菲索干涉仪的发出的平行光束经过标准平晶后分成两束光，一束光从标准平晶表面反射回菲索干涉仪形成参考光，另一束光进入自由曲面梯度补偿模块，并从自由曲面梯度补偿模块出射，形成不同倾斜角度的测试光束入射到待测自由曲面，经过待测自由曲面反射回到自由曲面梯度补偿模块，最终从自由曲面梯度补偿模块出射，返回菲索干涉仪形成测试光。本装置同时实现了局部梯度较大的光学自由曲面的高精度测量和测试装置的可移植性模块化。

Description

共光路型多重倾斜波面补偿非零位干涉测量装置

技术领域

本发明属于光学精密测量领域，是一种用于测量光学自由曲面的装置。

背景技术

在传统大型光学***的设计制造过程中，为了获得较好的光学质量，往往会使用一些较大口径的光学元件，这些光学元件体积大、加工制造困难、成本高、面型质量受环境和应力影响大。光学自由曲面，不仅可以获得较之传统光学面型更好的光学质量，同时大大减小了光学元件的体积尺寸，具有重量轻、装调方便、成本低等优点。光学自由曲面已经大量用于天文观测、国防武器等不同领域。然而光学自由曲面的测量水平严重限制了光学自由曲面加工制造水平的提高。由于光学自由曲面面型自由度较高，局部面型梯度变化大，采用传统干涉测量装置进行测量，往往干涉条纹密度过大，超过了探测器的探测动态范围，无法获得条纹信息来测量光学自由曲面的面型质量。

目前国内还没有采用点光源阵列来实现光学自由曲面测量的装置，通常采用的比较多的是通过计算全息法（CGH）来测量光学自由曲面（J. C. Wyant and V. P. Bennett，Using Computer Generated Holograms to Test Aspheric Wavefronts）。采用计算全息的方法，理论上可以测量任何光学面型，但是随着待测面型越来越复杂，表面梯度变大，CGH的刻线密度也随之增加，这增加了CGH加工制造困难和误差。同时，每一块不同的待测光学面必须加工制造与之对应的CGH，这无疑增加了测量的成本和时间，难以实现测量的通用化。国外的光学自由曲面测量的发展，德国斯图加特大学Osten教授团队在发明了一种类似基于点光源阵列的光学自由曲面的测量装置（Eugenio Garbusi，Goran Baer，Wolfgang Osten，Advanced studies on the measurem ent of aspheres and freeform surfaces with the Tilted-wave Interferometer），采用该装置测量自由曲面最大可以补偿10o的表面梯度，测量精度优于1/10λ。然而该装置采用的是Tyman干涉***的双光路结构。由于采用的是双光路结构，没有共光路特性，导致其***误差增大，为了保证测量精度弥补***误差的增加必然对器件的加工提出了更高的要求，增加了加工安装的成本。此外，测量多大口径的光学自由曲面就需要制造对应口径的分光棱镜，而高质量大口径的分光棱镜的加工制造是很困难的事情。这意味着采用该装置无法实现对较大口径光学自由曲面的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种共光路型多重倾斜波面补偿非零位干涉测量装置，它同时实现了局部梯度较大的光学自由曲面的高精度测量和测试装置的可移植性模块化。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种共光路型多重倾斜波面补偿非零位干涉测量装置，包括菲索干涉仪、标准平晶、自由曲面梯度补偿模块、待测自由曲面，标准平晶位于菲索干涉仪和待测自由曲面之间，标准平晶和待测自由曲面之间还***了自由曲面梯度补偿模块，自由曲面梯度补偿模块的主光轴与菲索干涉仪、标准平晶和待测自由曲面构成的主光轴重合，菲索干涉仪、标准平晶、自由曲面梯度补偿模块和待测自由曲面构成干涉测量装置的主光轴，菲索干涉仪的发出的平行光束经过标准平晶后分成两束光，一束光从标准平晶表面反射回菲索干涉仪形成参考光，另一束光进入自由曲面梯度补偿模块，并从自由曲面梯度补偿模块出射，形成不同倾斜角度的测试光束入射到待测自由曲面，经过待测自由曲面反射回到自由曲面梯度补偿模块，最终从自由曲面梯度补偿模块出射，返回菲索干涉仪形成测试光。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

①无需重新设计干涉***，只需在商用菲索干涉仪的测量端口上添加由微透镜阵列及补偿透镜组（即图1虚框部分）构成的自由曲面梯度补偿模块，就可以完成测量工作。与国外技术相比，该方法属于对现有干涉仪的功能拓展，易于实现工程化应用，有巨大的产业化潜力，可以迅速装备到各个光学加工企业而无需重新购置设备；

②该设计采用了菲索型的共光路结构的特点，相比国外泰曼格林型的双光路结构，干涉***的***误差可以通过测试光路与参考光路相互抵消，从而降低了***误差的影响，使得干涉***的研制要求和成本大大降低；

③采用微透镜阵列对光束进行分割，以形成若干束不同倾角的子光束对光学自由曲面进行局部梯度补偿，增加了干涉条纹分辨率，扩大了干涉仪的动态测量范围，取消了传统子孔径测量过程子孔径机械运动带来的误差，可以实现对大口径大表面梯度的光学自由曲面的检测；

④采用共光路的结构相比国外双光路的技术，***中可以避免使用大口径的分光棱镜，该种口径的分光棱镜的精密加工很难实现。

附图说明

图1是本发明所述的共光路型多重倾斜波面补偿非零位干涉测量装置光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，共光路型多重倾斜波面补偿非零位干涉测量装置由菲索干涉仪1、标准平晶2、自由曲面梯度补偿模块10和待测自由曲面3组成，自由曲面梯度补偿模块10的主光轴与菲索干涉仪1、标准平晶2和待测自由曲面3构成的主光轴重合，菲索干涉仪1、标准平晶2、自由曲面梯度补偿模块10和待测自由曲面3构成干涉测量装置的主光轴构成干涉测量装置的主光轴，其中自由曲面梯度补偿模块10包括微透镜阵列4、针孔阵列5、动态掩膜板6、准直物镜7和标准透镜8，微透镜阵列4位于标准平晶2后方的平行光路中，针孔阵列5位于微透镜阵列4焦面上，针孔阵列5面法线与干涉测量装置主光轴平行，针孔阵列5与微透镜阵列4上的透镜元9一一对应，动态掩膜板6平行于针孔阵列5，位于在针孔阵列5后方，针孔阵列5和动态掩膜板6之间的间距保证照射到动态掩膜板6上的相邻光束不发生重叠，准直物镜7焦面与微透镜阵列4焦面重合，标准透镜8位于准直物镜7后方；待测自由曲面3顶点曲率中心与标准透镜8的焦点重合。

装置的原理如下：由菲索干涉仪1射出平行光束，一部分光经过标准平晶2反射回到菲索干涉仪1形成参考光；另一部分光透过标准平晶2，经过微透镜阵列4与针孔阵列5后被分割为若干个共焦面的点光源阵列，针孔阵列5与微透镜阵列4焦面重合且与微透镜阵列4单个透镜元9一一对应，点光源阵列通过针孔阵列5后方的动态掩膜板6在垂直于干涉测量装置主光轴的二维方向上平移，实现控制部分点光源选通的同时关闭其他的点光源，点光源阵列通过准直物镜7，准直物镜7焦面与微透镜阵列4焦面重合，使得微透镜阵列4出射的点光源阵列光束经准直物镜7后变为不同倾斜角度的平行光束，最后通过准直物镜7后方150mm~155mm处的标准透镜8后形成不同倾角的多束标准球面波照射到待测自由曲面3上。微透镜阵列4数值孔径不小于0.13，微透镜阵列4单个透镜元9直径为0.1mm-0.12mm。由于不同倾角的多束标准球面波对待测自由曲面3梯度的补偿，满足局部梯度补偿条件的光束经待测自由曲面3反射，返回自由曲面梯度补偿模块10，经过标准透镜8形成局部细平行光束经过准直物镜7后，再通过动态掩膜板6，再次聚焦在微透镜阵列4焦面处的针孔阵列5的对应小孔上，最后通过微透镜阵列4和标准平晶2，返回菲索干涉仪1，形成测试光波，该测试光即携带了待测自由曲面3的面形信息。测试光波和参考光波形成干涉图，通过对干涉图的计算得到被测曲面3的面形数据。

后期通过计算机对干涉图进行处理分析，以及电子计算机的对条纹信息的计算整合可以得到整个待测自由曲面3的面型信息。

Claims (4)

1.一种共光路型多重倾斜波面补偿非零位干涉测量装置，包括菲索干涉仪（1）、标准平晶（2）和待测自由曲面（3），标准平晶（2）位于菲索干涉仪（1）和待测自由曲面（3）之间，其特征在于：标准平晶（2）和待测自由曲面（3）之间还***了自由曲面梯度补偿模块（10），自由曲面梯度补偿模块（10）的主光轴与菲索干涉仪（1）、标准平晶（2）和待测自由曲面（3）构成的主光轴重合，菲索干涉仪（1）、标准平晶（2）、自由曲面梯度补偿模块（10）和待测自由曲面（3）构成干涉测量装置的主光轴，菲索干涉仪（1）发出的平行光束经过标准平晶（2）后分成两束光，一束光从标准平晶（2）表面反射回菲索干涉仪（1）形成参考光，另一束光进入自由曲面梯度补偿模块（10），并从自由曲面梯度补偿模块（10）出射，形成不同倾斜角度的测试光束入射到待测自由曲面（3），经过待测自由曲面（3）反射回到自由曲面梯度补偿模块（10），最终从自由曲面梯度补偿模块（10）出射，返回菲索干涉仪（1）形成测试光。

2.根据权利要求1所述的共光路型多重倾斜波面补偿非零位干涉测量装置，其特征在于：所述的自由曲面梯度补偿模块（10）包括微透镜阵列（4）、针孔阵列（5）、动态掩膜板（6）、准直物镜（7）和标准透镜（8），测试光透过标准平晶（2）入射到自由曲面梯度补偿模块（10）的微透镜阵列（4）上，平行光束经过微透镜阵列（4）聚焦在微透镜阵列（4）的焦面上形成点光源阵列，然后通过与微透镜阵列（4）焦面重合的针孔阵列（5）和控制点光源选通的动态掩膜板（6），入射到准直物镜（7）上，经过准直物镜（7）形成不同倾斜角度的准直光束，最后通过标准透镜（8）形成不同倾斜角度的多束标准球面波照射到待测自由曲面（3）上，经过待测自由曲面（3）反射，满足局部补偿条件的光束反射回到标准透镜（8）并再次形成多束细平行光束，通过准直物镜（7）和动态掩膜板后（6）后再次聚焦在针孔阵列（5）对应小孔上，然后经过微透镜阵列（4），透过标准平晶（2）返回菲索干涉仪（1）形成测试光束，该测试光束即携带了待测自由曲面（3）面型信息针孔阵列（5）与微透镜阵列（4）焦面重合且与微透镜阵列（4）单个透镜元（9）一一对应。

3.根据权利要求2所述的共光路型多重倾斜波面补偿非零位干涉测量装置，其特征在于：标准透镜（8）与准直物镜（7）之间的距离为150mm~155mm。

4.根据权利要求2所述的共光路型多重倾斜波面补偿非零位干涉测量装置，其特征在于：微透镜阵列（4）数值孔径不小于0.13，微透镜阵列（4）单个透镜元（9）直径为0.1mm~0.12mm。