專利名稱：共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)干涉儀波面檢測裝置，具體涉及一種共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀。
背景技術(shù)：
干涉儀是一種依據(jù)光的干涉原理，以光的波長為計量單位的光學(xué)測試儀器。許多精密測試工作，都是依靠光干涉方法實現(xiàn)的，對于某些測試任務(wù)的解決，干涉法甚至是唯一可行的理想方法。經(jīng)典的光學(xué)干涉儀器以光機型為主，只能定性的觀察、人工判斷干涉圖中所包含的誤差信息?，F(xiàn)代干涉儀是在經(jīng)典干涉儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的精密光學(xué)檢測儀器。其基本特征是采用激光光源并且綜合應(yīng)用了光學(xué)、電子學(xué)、精密機械與控制、計算機科學(xué)的最新成就，基于以上特征又被稱為數(shù)字波面干涉儀。與經(jīng)典干涉儀相比，具有更廣泛的應(yīng)用前景， 主要優(yōu)點在于分辨率高、抗干擾能力強、測量精度高、操作方便等。在高精度光學(xué)系統(tǒng)的眾多評價與檢測方法中，光學(xué)干涉檢測技術(shù)具有精密、客觀、 量化的評價特性，由于測試結(jié)果以波長作為計量單位，因此對于光學(xué)系統(tǒng)波面畸變的檢測具有極高的精度。同時干涉測量的波像差靈敏度極高，能夠清晰的反映裝調(diào)的微小誤差及鏡面的微小變形，其測試結(jié)果還可以與Zernike多項式建立數(shù)學(xué)模型，進一步分析系統(tǒng)的失調(diào)。而現(xiàn)代激光干涉儀作為最精密的測試儀器之一，集當代最新技術(shù)于一體，廣泛采用計算機技術(shù)、激光技術(shù)、電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)的最新成果，可快速、準確地實現(xiàn)對光學(xué)零件與系統(tǒng)的檢驗。在如今的光學(xué)加工、裝調(diào)、檢測實驗室中，從普通光學(xué)零件的設(shè)計加工、檢驗到大型非球面光學(xué)系統(tǒng)加工，大型空間光學(xué)系統(tǒng)、深空探測望遠鏡的裝調(diào)、校正與測試，干涉儀已成為一種易于操作、可靠、高精度、智能化的測試檢驗裝置，它在光學(xué)零件和系統(tǒng)的大批量生產(chǎn)和在線檢驗中有著不可低估的作用。而在計量測試領(lǐng)域，干涉技術(shù)和干涉儀更占據(jù)著不可替代的地位。依據(jù)工作原理，光學(xué)波面干涉儀可分為靜態(tài)干涉儀與相移式干涉儀。相移干涉儀依據(jù)“相移算法原理”，采用移相器件對光學(xué)參考面進行4步相移，并綜合計算在不同相移位置的干涉圖，最終測得光學(xué)波面的面型誤差。由于需要進行相移運動改變光路結(jié)構(gòu)，因此相移式干涉儀對測試環(huán)境要求苛刻，往往無法應(yīng)用于長光路條件下的光學(xué)檢測。此外由于相移干涉儀的電控、機械系統(tǒng)比較復(fù)雜，其研制成本較高。靜態(tài)干涉儀無需相移機構(gòu)，只對單幅干涉圖中的條紋分布進行計算就可以得到待測波面的面型誤差，適用于長光路或測試環(huán)境難以保證的使用條件。但由標準鏡頭，光路布置等原因引入的系統(tǒng)誤差使得靜態(tài)干涉儀很難達到較高的測試精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀，該干涉儀具有較高測試精度、可應(yīng)用于超長光路光學(xué)干涉檢測、同時兼具緊湊外形與使用靈活性的光學(xué)數(shù)字波面干涉檢測儀器。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀，該干涉儀包括半導(dǎo)體激光器、擴束鏡、空間濾波器、準直鏡、剪切比控制鏡、成像系統(tǒng)；其特征在于，該干涉儀還包括第一偏振片、第二偏振片和膠合棱鏡；所述半導(dǎo)體激光器發(fā)出激光作為光源，經(jīng)過擴束鏡擴束匯聚，匯聚光源通過空間濾波器后，出射光斑的能量分布均勻，經(jīng)由準直鏡準直為平行光后入射進入第一偏振片，形成出射光強較弱的偏振光S光和光強較強偏振光P光；所述S光入射進入膠合棱鏡，經(jīng)過分束面的左側(cè)反射后，透射出膠合棱鏡形成極細的平行光作為參考光，所述平行光入射進入被測系統(tǒng)后，經(jīng)被測系統(tǒng)反射后經(jīng)過被測系統(tǒng)的焦點發(fā)散形成球面波，所述球面波經(jīng)過剪切比控制鏡后形成平行光入射進入膠合棱鏡，經(jīng)由膠合棱鏡鏡體和分束面的右側(cè)反射并透射出膠合棱鏡；所述P光入射進入膠合棱鏡，經(jīng)過分束面的左側(cè)透射后，反射出膠合棱鏡，經(jīng)過剪切比控制鏡后和被測系統(tǒng)后發(fā)散形成球面波作為測試光，所述球面波入射進入被測系統(tǒng)后，反射形成平行光，所述平行光入射進入膠合棱鏡，經(jīng)由分束面的左側(cè)透射后，透射出膠合棱鏡；所述S光和P光經(jīng)過第二偏振片后調(diào)節(jié)兩者的光強比，通過成像系統(tǒng)后由外部系統(tǒng)接收。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用同軸共光路形式，使共光路干涉系統(tǒng)具有對振動、溫度和氣流的變化能產(chǎn)生彼此共模抑制的優(yōu)點，可以在隔振條件和恒溫條件較低時也能獲得穩(wěn)定的干涉條紋。因此具有抗干擾特性的數(shù)字波面共光路徑向剪切干涉光路較為適合于長光路條件下光學(xué)系統(tǒng)波像差的實時檢測與監(jiān)控，并與較常規(guī)的剪切式干涉儀相比體積與重量明顯減少，具有極高的便攜性。


圖1本發(fā)明共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2本發(fā)明共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀的主視圖。圖3本發(fā)明共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀主視圖的AA剖面圖。圖中1、半導(dǎo)體激光器電源，2、半導(dǎo)體激光器，3、擴束鏡，4、空間濾波器，5、準直鏡，6、第一偏振片，7、偏振片旋轉(zhuǎn)撥輪，8、剪切比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪，9、第二偏振片，10、膠合棱鏡， 11、剪切比控制鏡，12、CCD。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖1所示，共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀，該干涉儀包括半導(dǎo)體激光器2、擴束鏡3、空間濾波器4、準直鏡5、剪切比控制鏡11、成像系統(tǒng)；該干涉儀還包括第一偏振片 6、第二偏振片9和膠合棱鏡10 ；所述半導(dǎo)體激光器2發(fā)出激光作為光源，經(jīng)過擴束鏡3擴束匯聚，匯聚光通過空間濾波器4后，出射光斑的能量分布均勻，經(jīng)由準直鏡5準直為平行光后入射進入第一偏振片6，形成出射光強較弱的偏振光S光和光強較強偏振光P光；所述 S光入射進入膠合棱鏡10，經(jīng)過分束面的左側(cè)反射后，透射出膠合棱鏡10形成極細的平行光作為參考光，所述平行光入射進入被測系統(tǒng)后，經(jīng)被測系統(tǒng)反射后經(jīng)過被測系統(tǒng)的焦點發(fā)散形成球面波，所述球面波經(jīng)過剪切比控制鏡11后形成平行光入射進入膠合棱鏡10，經(jīng)由膠合棱鏡10鏡體和分束面的右側(cè)反射并透射出膠合棱鏡10 ；所述P光入射進入膠合棱鏡10，經(jīng)過分束面的左側(cè)透射后，反射出膠合棱鏡10，經(jīng)過剪切比控制鏡11后和被測系統(tǒng)后發(fā)散形成球面波作為測試光，所述球面波入射進入被測系統(tǒng)后，反射形成平行光，所述平行光入射進入膠合棱鏡10，經(jīng)由分束面的左側(cè)透射后，透射出膠合棱鏡10 ；所述S光和P光經(jīng)過第二偏振片9后調(diào)節(jié)兩者的光強比，通過成像系統(tǒng)后由外部系統(tǒng)接收。外部系統(tǒng)包括目視接收系統(tǒng)、CXD 12接收器和計算機處理系統(tǒng)；所述目視接收系統(tǒng)可通過肉眼直接觀測到干涉條紋；所述CXD 12接收器接收到干涉圖像后由計算機處理系統(tǒng)進行處理并計算。圖2和圖3為共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀具體實施例。如圖2和圖3所示該剪切干涉儀的光學(xué)機械系統(tǒng)采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，前層布置干涉儀的主光路結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體激光器2、擴束鏡3、空間濾波器4、準直鏡5、第一偏振片(Pl)6、膠合棱鏡10和剪切比控制鏡11，半導(dǎo)體激光器2、擴束鏡3、空間濾波器4、準直鏡5和第一偏振片6從左到右依次排列，固定在前層箱體的左側(cè)，半導(dǎo)體激光器2采用波長為630nm的半導(dǎo)體激光器，具有較高的相干性與低發(fā)熱量，無需散熱，半導(dǎo)體激光器2與半導(dǎo)體激光器電源1共同集成在干涉儀殼體內(nèi)。光線出射后進入膠合棱鏡10，膠合棱鏡10和剪切比控制鏡11連接，膠合棱鏡10 由一等腰直角三角形棱鏡和一平行四邊形棱鏡組成，其中等腰直角三角形的斜邊與平行四邊形棱鏡的一邊膠合形成膠合面，兩者組成一個直角梯形。在主光路結(jié)構(gòu)之前設(shè)計了相對孔徑為F4-F20的剪切比控制鏡相對孔徑匹配鏡組，可根據(jù)需求通過調(diào)節(jié)剪切比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)輪8 選擇剪切比控制鏡11的相對孔徑，進行不同光學(xué)系統(tǒng)波像差檢測時對其進行切換，切換轉(zhuǎn)盤通過彈性鋼球?qū)崿F(xiàn)切換定位，實現(xiàn)不同的剪切比，極大的拓展了儀器的使用范圍。如圖3和圖4所示，在主光路結(jié)構(gòu)的后側(cè)是可調(diào)偏振片組件，包括第二偏振片 (P2) 9和偏振片旋轉(zhuǎn)撥輪7和CCD 12。第二偏振片9固定在偏振片旋轉(zhuǎn)撥輪7內(nèi)的鏡框中， 撥輪與一轉(zhuǎn)軸相連，這樣轉(zhuǎn)動偏振片旋轉(zhuǎn)撥輪7時就帶動第二偏振片9繞其主光軸旋轉(zhuǎn)，使主光軸與S光和P光的光強振動方向產(chǎn)生不同的夾角，第二片偏振片9可以調(diào)節(jié)光和S光之間的相對光強，即調(diào)節(jié)消光比，其目的在于調(diào)節(jié)參考光與測試光之間的光強比而獲取對比度良好的干涉條紋。探測器為2048 X 1536像素的彩色低照度CXD 12，CXD 12與其前端的顯微照相物鏡相連，對干涉區(qū)域的條紋成像，由計算機處理系統(tǒng)進行處理計算。經(jīng)過對干涉儀整體光路以及機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的優(yōu)化與排布，系統(tǒng)的整體外形尺寸為142mmX46mmX 78mm，在保證測試精度的前提下，其外形尺寸與結(jié)構(gòu)重量遠遠小于傳統(tǒng)的 Fizeau, Twyman-Green型干涉儀，與常規(guī)基于Mach-Zehnder光路結(jié)構(gòu)的剪切干涉儀相比， 其抗干擾能力、外形尺寸、重量也具有很大優(yōu)勢。上述發(fā)明已經(jīng)研制出原理樣機，經(jīng)過比對試驗與相關(guān)的數(shù)據(jù)處理與結(jié)算，本發(fā)明中的共光路徑向剪切干涉儀的測試精度優(yōu)于X/20(RMS，Root mean square，均方根值，λ =630nm)。
權(quán)利要求
1.共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀，該干涉儀包括半導(dǎo)體激光器O)、擴束鏡(3)、空間濾波器(4)、準直鏡(5)、剪切比控制鏡(11)、成像系統(tǒng)；其特征在于，該干涉儀還包括第一偏振片(6)、第二偏振片(9)和膠合棱鏡(10)；所述半導(dǎo)體激光器( 發(fā)出激光作為光源，經(jīng)過擴束鏡C3)擴束匯聚，匯聚光通過空間濾波器(4)后，出射光斑的能量分布均勻，經(jīng)由準直鏡( 準直為平行光后入射進入第一偏振片(6)，形成出射光強較弱的偏振光S光和光強較強偏振光P光；所述S光入射進入膠合棱鏡(10)，經(jīng)過分束面的左側(cè)反射后，透射出膠合棱鏡(10)形成極細的平行光作為參考光，所述平行光入射進入被測系統(tǒng)后，經(jīng)被測系統(tǒng)反射后經(jīng)過被測系統(tǒng)的焦點發(fā)散形成球面波，所述球面波經(jīng)過剪切比控制鏡(11)后形成平行光入射進入膠合棱鏡(10)，經(jīng)由膠合棱鏡(10)鏡體和分束面的右側(cè)反射并透射出膠合棱鏡(10)；所述P光入射進入膠合棱鏡(10)，經(jīng)過分束面的左側(cè)透射后，反射出膠合棱鏡(10)，經(jīng)過剪切比控制鏡(11)后和被測系統(tǒng)后發(fā)散形成球面波作為測試光，所述球面波入射進入被測系統(tǒng)后，反射形成平行光，所述平行光入射進入膠合棱鏡(10)，經(jīng)由分束面的左側(cè)透射后，透射出膠合棱鏡(10)；所述S光和P光經(jīng)過第二偏振片(9)后調(diào)節(jié)兩者的光強比，通過成像系統(tǒng)后由外部系統(tǒng)接收。
2.如權(quán)利要求1所述的共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀，其特征在于，所述外部系統(tǒng)包括目視接收系統(tǒng)、CCD (12)接收器和計算機處理系統(tǒng)；所述目視接收系統(tǒng)可通過裸眼直接觀測到干涉條紋；所述CCD(U)接收器接收到干涉條紋的圖像后由計算機處理系統(tǒng)進行處理并計算。
3.如權(quán)利要求1所述的共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀，其特征在于，所述膠合棱鏡 (10)由一等腰直角三角形棱鏡和一平行四邊形棱鏡膠合組成偏振分光鏡。
4.如權(quán)利要求3所述的共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀，其特征在于，所述等腰直角三角形的斜邊與平行四邊形棱鏡的一邊膠合形成膠合面，兩者組成一個直角梯形。
全文摘要
一種共光路徑向剪切數(shù)字波面干涉儀涉及一種光學(xué)干涉儀波面檢測裝置，解決了干涉儀的電控、機械系統(tǒng)復(fù)雜，研制成本高，難以保證長光路或測試環(huán)境的使用條件，很難達到較高的測試精度的問題。該干涉儀應(yīng)用新型的共光路剪切干涉光路結(jié)構(gòu)，具體包括半導(dǎo)體激光器、擴束鏡、空間濾波器、準直鏡、剪切比控制鏡、成像系統(tǒng)；該干涉儀還包括第一偏振片、第二偏振片和膠合棱鏡。本發(fā)明采用同軸共光路形式，使共光路干涉系統(tǒng)具有對振動、溫度和氣流的變化能產(chǎn)生彼此共模抑制的優(yōu)點，可以在隔振條件和恒溫條件較低時也能獲得穩(wěn)定的干涉條紋。因此具有抗干擾特性的數(shù)字波面共光路徑向剪切干涉光路較為適合于長光路條件下光學(xué)系統(tǒng)波像差的實時檢測與監(jiān)控。
文檔編號G01J9/02GK102519611SQ20111044014
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者何煦, 馬軍 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所