共光路型多重傾斜波面補(bǔ)償非零位干涉測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種共光路型多重傾斜波面補(bǔ)償非零位干涉測量裝置，包括菲索干涉儀、標(biāo)準(zhǔn)平晶、自由曲面梯度補(bǔ)償模塊和待測自由曲面，自由曲面梯度補(bǔ)償模塊的主光軸與干涉測試裝置主光軸重合，菲索干涉儀的發(fā)出的平行光束經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)平晶后分成兩束光，一束光從標(biāo)準(zhǔn)平晶表面反射回菲索干涉儀形成參考光，另一束光進(jìn)入自由曲面梯度補(bǔ)償模塊，并從自由曲面梯度補(bǔ)償模塊出射，形成不同傾斜角度的測試光束入射到待測自由曲面，經(jīng)過待測自由曲面反射回到自由曲面梯度補(bǔ)償模塊，最終從自由曲面梯度補(bǔ)償模塊出射，返回菲索干涉儀形成測試光。本裝置同時(shí)實(shí)現(xiàn)了局部梯度較大的光學(xué)自由曲面的高精度測量和測試裝置的可移植性模塊化。
【專利說明】共光路型多重傾斜波面補(bǔ)償非零位干涉測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量領(lǐng)域，是一種用于測量光學(xué)自由曲面的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)大型光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造過程中，為了獲得較好的光學(xué)質(zhì)量，往往會(huì)使用一些較大口徑的光學(xué)元件，這些光學(xué)元件體積大、加工制造困難、成本高、面型質(zhì)量受環(huán)境和應(yīng)力影響大。光學(xué)自由曲面，不僅可以獲得較之傳統(tǒng)光學(xué)面型更好的光學(xué)質(zhì)量，同時(shí)大大減小了光學(xué)元件的體積尺寸，具有重量輕、裝調(diào)方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。光學(xué)自由曲面已經(jīng)大量用于天文觀測、國防武器等不同領(lǐng)域。然而光學(xué)自由曲面的測量水平嚴(yán)重限制了光學(xué)自由曲面加工制造水平的提高。由于光學(xué)自由曲面面型自由度較高,局部面型梯度變化大,采用傳統(tǒng)干涉測量裝置進(jìn)行測量，往往干涉條紋密度過大，超過了探測器的探測動(dòng)態(tài)范圍，無法獲得條紋信息來測量光學(xué)自由曲面的面型質(zhì)量。
[0003]目前國內(nèi)還沒有采用點(diǎn)光源陣列來實(shí)現(xiàn)光學(xué)自由曲面測量的裝置，通常采用的比較多的是通過計(jì)算全息法(CGH)來測量光學(xué)自由曲面(J.C.Wyant and V.P.Bennett,Using Computer Generated Holograms to Test Aspheric Wavefronts)。米用計(jì)算全息的方法，理論上可以測量任何光學(xué)面型，但是隨著待測面型越來越復(fù)雜，表面梯度變大，CGH的刻線密度也隨之增加，這增加了 CGH加工制造困難和誤差。同時(shí)，每一塊不同的待測光學(xué)面必須加工制造與之對(duì)應(yīng)的CGH，這無疑增加了測量的成本和時(shí)間，難以實(shí)現(xiàn)測量的通用化。國外的光學(xué)自由曲面測量的發(fā)展，德國斯圖加特大學(xué)Osten教授團(tuán)隊(duì)在發(fā)明了一種類似基于點(diǎn)光源陣列的光學(xué)自由曲面的測量裝置(Eugenio Garbusi, Goran Baer, WolfgangOsten, Advanced studies on the measurem ent of aspheres and freeform surfaceswith the Tilted-wave Interferometer),采用該裝置測量自由曲面最大可以補(bǔ)償10°的表面梯度，測量精度優(yōu)于1/10 λ。然而該裝置采用的是Tyman干涉系統(tǒng)的雙光路結(jié)構(gòu)。由于采用的是雙光路結(jié)構(gòu)，沒有共光路特性，導(dǎo)致其系統(tǒng)誤差增大，為了保證測量精度彌補(bǔ)系統(tǒng)誤差的增加必然對(duì)器件的加工提出了更高的要求，增加了加工安裝的成本。此外，測量多大口徑的光學(xué)自由曲面就需要制造對(duì)應(yīng)口徑的分光棱鏡，而高質(zhì)量大口徑的分光棱鏡的加工制造是很困難的事情。這意味著采用該裝置無法實(shí)現(xiàn)對(duì)較大口徑光學(xué)自由曲面的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種共光路型多重傾斜波面補(bǔ)償非零位干涉測量裝置，它同時(shí)實(shí)現(xiàn)了局部梯度較大的光學(xué)自由曲面的高精度測量和測試裝置的可移植性模塊化。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種共光路型多重傾斜波面補(bǔ)償非零位干涉測量裝置，包括菲索干涉儀、標(biāo)準(zhǔn)平晶、自由曲面梯度補(bǔ)償模塊、待測自由曲面，標(biāo)準(zhǔn)平晶位于菲索干涉儀和待測自由曲面之間，標(biāo)準(zhǔn)平晶和待測自由曲面之間還插入了自由曲面梯度補(bǔ)償模塊，自由曲面梯度補(bǔ)償模塊的主光軸與菲索干涉儀、標(biāo)準(zhǔn)平晶和待測自由曲面構(gòu)成的主光軸重合，菲索干涉儀、標(biāo)準(zhǔn)平晶、自由曲面梯度補(bǔ)償模塊和待測自由曲面構(gòu)成干涉測量裝置的主光軸，菲索干涉儀的發(fā)出的平行光束經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)平晶后分成兩束光，一束光從標(biāo)準(zhǔn)平晶表面反射回菲索干涉儀形成參考光，另一束光進(jìn)入自由曲面梯度補(bǔ)償模塊，并從自由曲面梯度補(bǔ)償模塊出射，形成不同傾斜角度的測試光束入射到待測自由曲面，經(jīng)過待測自由曲面反射回到自由曲面梯度補(bǔ)償模塊，最終從自由曲面梯度補(bǔ)償模塊出射，返回菲索干涉儀形成測試光。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):
①無需重新設(shè)計(jì)干涉系統(tǒng)，只需在商用菲索干涉儀的測量端口上添加由微透鏡陣列及補(bǔ)償透鏡組(即圖1虛框部分)構(gòu)成的自由曲面梯度補(bǔ)償模塊，就可以完成測量工作。與國外技術(shù)相比，該方法屬于對(duì)現(xiàn)有干涉儀的功能拓展，易于實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，有巨大的產(chǎn)業(yè)化潛力，可以迅速裝備到各個(gè)光學(xué)加工企業(yè)而無需重新購置設(shè)備；
②該設(shè)計(jì)采用了菲索型的共光路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，相比國外泰曼格林型的雙光路結(jié)構(gòu)，干涉系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差可以通過測試光路與參考光路相互抵消，從而降低了系統(tǒng)誤差的影響，使得干涉系統(tǒng)的研制要求和成本大大降低；
③采用微透鏡陣列對(duì)光束進(jìn)行分割，以形成若干束不同傾角的子光束對(duì)光學(xué)自由曲面進(jìn)行局部梯度補(bǔ)償，增加了干涉條紋分辨率，擴(kuò)大了干涉儀的動(dòng)態(tài)測量范圍，取消了傳統(tǒng)子孔徑測量過程子孔徑機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶來的誤差，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑大表面梯度的光學(xué)自由曲面的檢測；
④采用共光路的結(jié)構(gòu)相比國外雙光路的技術(shù)，系統(tǒng)中可以避免使用大口徑的分光棱鏡，該種口徑的分光棱鏡的精密加工很難實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明所述的共光路型多重傾斜波面補(bǔ)償非零位干涉測量裝置光路示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0009]結(jié)合圖1，共光路型多重傾斜波面補(bǔ)償非零位干涉測量裝置由菲索干涉儀1、標(biāo)準(zhǔn)平晶2、自由曲面梯度補(bǔ)償模塊10和待測自由曲面3組成，自由曲面梯度補(bǔ)償模塊10的主光軸與菲索干涉儀1、標(biāo)準(zhǔn)平晶2和待測自由曲面3構(gòu)成的主光軸重合，菲索干涉儀1、標(biāo)準(zhǔn)平晶2、自由曲面梯度補(bǔ)償模塊10和待測自由曲面3構(gòu)成干涉測量裝置的主光軸構(gòu)成干涉測量裝置的主光軸，其中自由曲面梯度補(bǔ)償模塊10包括微透鏡陣列4、針孔陣列5、動(dòng)態(tài)掩膜板6、準(zhǔn)直物鏡7和標(biāo)準(zhǔn)透鏡8，微透鏡陣列4位于標(biāo)準(zhǔn)平晶2后方的平行光路中，針孔陣列5位于微透鏡陣列4焦面上，針孔陣列5面法線與干涉測量裝置主光軸平行，針孔陣列5與微透鏡陣列4上的透鏡元9 一一對(duì)應(yīng)，動(dòng)態(tài)掩膜板6平行于針孔陣列5，位于在針孔陣列5后方，針孔陣列5和動(dòng)態(tài)掩膜板6之間的間距保證照射到動(dòng)態(tài)掩膜板6上的相鄰光束不發(fā)生重疊，準(zhǔn)直物鏡7焦面與微透鏡陣列4焦面重合，標(biāo)準(zhǔn)透鏡8位于準(zhǔn)直物鏡7后方；待測自由曲面3頂點(diǎn)曲率中心與標(biāo)準(zhǔn)透鏡8的焦點(diǎn)重合。
[0010]裝置的原理如下:由菲索干涉儀I射出平行光束，一部分光經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)平晶2反射回到菲索干涉儀I形成參考光；另一部分光透過標(biāo)準(zhǔn)平晶2，經(jīng)過微透鏡陣列4與針孔陣列5后被分割為若干個(gè)共焦面的點(diǎn)光源陣列，針孔陣列5與微透鏡陣列4焦面重合且與微透鏡陣列4單個(gè)透鏡元9 一一對(duì)應(yīng)，點(diǎn)光源陣列通過針孔陣列5后方的動(dòng)態(tài)掩膜板6在垂直于干涉測量裝置主光軸的二維方向上平移，實(shí)現(xiàn)控制部分點(diǎn)光源選通的同時(shí)關(guān)閉其他的點(diǎn)光源，點(diǎn)光源陣列通過準(zhǔn)直物鏡7，準(zhǔn)直物鏡7焦面與微透鏡陣列4焦面重合，使得微透鏡陣列4出射的點(diǎn)光源陣列光束經(jīng)準(zhǔn)直物鏡7后變?yōu)椴煌瑑A斜角度的平行光束，最后通過準(zhǔn)直物鏡7后方150mnTl55mm處的標(biāo)準(zhǔn)透鏡8后形成不同傾角的多束標(biāo)準(zhǔn)球面波照射到待測自由曲面3上。微透鏡陣列4數(shù)值孔徑不小于0.13，微透鏡陣列4單個(gè)透鏡元9直徑為
0.lmm-0.12_。由于不同傾角的多束標(biāo)準(zhǔn)球面波對(duì)待測自由曲面3梯度的補(bǔ)償,滿足局部梯度補(bǔ)償條件的光束經(jīng)待測自由曲面3反射，返回自由曲面梯度補(bǔ)償模塊10，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)透鏡8形成局部細(xì)平行光束經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡7后，再通過動(dòng)態(tài)掩膜板6，再次聚焦在微透鏡陣列4焦面處的針孔陣列5的對(duì)應(yīng)小孔上，最后通過微透鏡陣列4和標(biāo)準(zhǔn)平晶2，返回菲索干涉儀1，形成測試光波，該測試光即攜帶了待測自由曲面3的面形信息。測試光波和參考光波形成干涉圖，通過對(duì)干涉圖的計(jì)算得到被測曲面3的面形數(shù)據(jù)。
[0011]后期通過計(jì)算機(jī)對(duì)干涉圖進(jìn)行處理分析，以及電子計(jì)算機(jī)的對(duì)條紋信息的計(jì)算整合可以得到整個(gè)待測自由曲面3的面型信息。
【權(quán)利要求】
1.一種共光路型多重傾斜波面補(bǔ)償非零位干涉測量裝置，包括菲索干涉儀(I)、標(biāo)準(zhǔn)平晶(2)和待測自由曲面(3)，標(biāo)準(zhǔn)平晶(2)位于菲索干涉儀(I)和待測自由曲面(3)之間，其特征在于:標(biāo)準(zhǔn)平晶(2)和待測自由曲面(3)之間還插入了自由曲面梯度補(bǔ)償模塊(10)，自由曲面梯度補(bǔ)償模塊(10)的主光軸與菲索干涉儀(I)、標(biāo)準(zhǔn)平晶(2)和待測自由曲面(3)構(gòu)成的主光軸重合，菲索干涉儀(I)、標(biāo)準(zhǔn)平晶(2)、自由曲面梯度補(bǔ)償模塊(10)和待測自由曲面(3)構(gòu)成干涉測量裝置的主光軸，菲索干涉儀(I)發(fā)出的平行光束經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)平晶(2)后分成兩束光，一束光從標(biāo)準(zhǔn)平晶(2)表面反射回菲索干涉儀(I)形成參考光，另一束光進(jìn)入自由曲面梯度補(bǔ)償模塊(10)，并從自由曲面梯度補(bǔ)償模塊(10)出射，形成不同傾斜角度的測試光束入射到待測自由曲面(3)，經(jīng)過待測自由曲面(3)反射回到自由曲面梯度補(bǔ)償模塊(10)，最終從自由曲面梯度補(bǔ)償模塊(10)出射，返回菲索干涉儀(I)形成測試光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的共光路型多重傾斜波面補(bǔ)償非零位干涉測量裝置，其特征在于:所述的自由曲面梯度補(bǔ)償模塊(10)包括微透鏡陣列(4)、針孔陣列(5)、動(dòng)態(tài)掩膜板(6)、準(zhǔn)直物鏡(7)和標(biāo)準(zhǔn)透鏡(8)，測試光透過標(biāo)準(zhǔn)平晶(2)入射到自由曲面梯度補(bǔ)償模塊(10)的微 透鏡陣列(4)上，平行光束經(jīng)過微透鏡陣列(4)聚焦在微透鏡陣列(4)的焦面上形成點(diǎn)光源陣列，然后通過與微透鏡陣列(4)焦面重合的針孔陣列(5)和控制點(diǎn)光源選通的動(dòng)態(tài)掩膜板(6)，入射到準(zhǔn)直物鏡(7)上，經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡(7)形成不同傾斜角度的準(zhǔn)直光束，最后通過標(biāo)準(zhǔn)透鏡(8)形成不同傾斜角度的多束標(biāo)準(zhǔn)球面波照射到待測自由曲面(3)上，經(jīng)過待測自由曲面(3)反射，滿足局部補(bǔ)償條件的光束反射回到標(biāo)準(zhǔn)透鏡(8)并再次形成多束細(xì)平行光束，通過準(zhǔn)直物鏡(7 )和動(dòng)態(tài)掩膜板后(6 )后再次聚焦在針孔陣列(5 )對(duì)應(yīng)小孔上，然后經(jīng)過微透鏡陣列(4)，透過標(biāo)準(zhǔn)平晶(2)返回菲索干涉儀(I)形成測試光束，該測試光束即攜帶了待測自由曲面(3)面型信息針孔陣列(5)與微透鏡陣列(4)焦面重合且與微透鏡陣列(4)單個(gè)透鏡元(9) 一一對(duì)應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的共光路型多重傾斜波面補(bǔ)償非零位干涉測量裝置，其特征在于:標(biāo)準(zhǔn)透鏡(8)與準(zhǔn)直物鏡(7)之間的距離為150mnTl55mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的共光路型多重傾斜波面補(bǔ)償非零位干涉測量裝置，其特征在于:微透鏡陣列(4)數(shù)值孔徑不小于0.13，微透鏡陣列(4)單個(gè)透鏡元(9)直徑為0.1mm?0.12mm。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK103575229SQ201210263270
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月27日
【發(fā)明者】沈華, 朱日宏, 陳磊, 何勇, 王青, 榮四海, 李建欣 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)