本發(fā)明涉及一種干涉檢測裝置與檢測方法，特別是一種適用于以像散為主要面形誤差成分的光學(xué)自由曲面的像散補(bǔ)償型干涉檢測裝置。
背景技術(shù)：
：為了同時(shí)滿足日益提高的高像質(zhì)與小型化的要求，光學(xué)自由曲面出現(xiàn)在了成像光學(xué)系統(tǒng)，特別是離軸反射式系統(tǒng)中。自由曲面元件的應(yīng)用提高了光學(xué)設(shè)計(jì)的自由度，能夠更好的校正非共軸引起的軸外像差。相對(duì)于光學(xué)自由曲面的設(shè)計(jì)與加工技術(shù)，光學(xué)自由曲面的高精度檢測問題是制約光學(xué)自由曲面在成像領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。目前國內(nèi)外對(duì)于光學(xué)自由曲面的檢測方法可以概括為以下幾類：逐點(diǎn)掃描法、相位偏折法、干涉法。工業(yè)界對(duì)光學(xué)自由曲面的檢測主要采用逐點(diǎn)掃描法測量，其檢測精度只能達(dá)到微米量級(jí)。商用儀器主要為三坐標(biāo)機(jī)和輪廓儀。日本松下公司生產(chǎn)的UA3P系列輪廓儀是當(dāng)前測試精度最高的接觸式測量儀器，測量準(zhǔn)確度可達(dá)0.1μm。G.Hausler,C.Faber,E.Olesch,andetal..Deflectometryvs.Interferometry.SPIE,8788:87881C(2013)中指出利用相位偏折術(shù)通過將條紋圖案投射到待測自由曲面上，經(jīng)其偏折后的畸變條紋被探測器采集，根據(jù)條紋畸變情況復(fù)原自由曲面面形。相位偏折術(shù)與逐點(diǎn)掃描式測量的準(zhǔn)確度相當(dāng)，均為微米量級(jí)。干涉測量是一種非接觸式測量，測量準(zhǔn)確度可達(dá)納米量級(jí)(RMS值)。計(jì)算全息法(CGH)可作為干涉測量時(shí)的補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)對(duì)自由曲面面形的零位測量，但是CGH的加工周期長、成本高檢測時(shí)需要對(duì)成像畸變進(jìn)行標(biāo)定，測試結(jié)果易受CGH以及待測件對(duì)準(zhǔn)誤差的影響且只能實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的測量。長春光機(jī)所在X.Zhang,D.Xue,M.Liandetal..Designing,fabricatingandtestingfreeformsurfacesforspaceoptics.SPIE,8838:88380N(2013)中定制了CGH實(shí)現(xiàn)了對(duì)其研制的空間相機(jī)中自由曲面元件的檢測。子孔徑拼接干涉測試技術(shù)(以美國QED公司生產(chǎn)的ASI為代表，將待測自由曲面分割成多個(gè)小區(qū)域，通過局部最佳擬合球面的匹配，使得局部干涉條紋能夠被分辨。K.Medicus,S.DeFisher,M.Bauza,andetal..Round-Robinmeasurementofatoroidalwindow.SPIE,8884:88840Y(2013)中指出子孔徑拼接干涉測試技術(shù)采樣分辨率較高，能提供面形信息中的中高頻成分，但拼接算法在檢測自由曲面時(shí)仍不成熟，測試獲取的面形信息中的低頻成分不準(zhǔn)確。德國斯圖加特大學(xué)在EGarbusi,GBaer,WOsten.Advancedstudiesonthemeasurementofaspheresandfreeformsurfaceswiththetilted-waveinterferometer(C).SPIE,8082:80821F(2011)中提出的傾斜波面干涉測試技術(shù)利用點(diǎn)源陣列產(chǎn)生多個(gè)測試球面波，與待測非球面局部匹配，需事先標(biāo)定干涉系統(tǒng)，再根據(jù)系統(tǒng)模型復(fù)原待測件面形，并且將其應(yīng)用到自由曲面檢測方面還有待研究。韓國國家科學(xué)院在Y.S.Ghim,H.G.Rhee,A.Daviesandetal..3Dsurfacemappingoffreeformopticsusingwavelengthscanninglateralshearinginterferometry.OpticsExpress,22(5):5098-5105(2014)中開展了橫向剪切干涉檢測非球面和自由曲面的相關(guān)技術(shù)研究，上述研究均存在光學(xué)自由曲面一對(duì)一檢測的缺點(diǎn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種適合一類以像散為主要面形誤差的光學(xué)自由曲面的像散補(bǔ)償型干涉檢測裝置與檢測方法，解決了部分光學(xué)自由曲面一對(duì)多的高精度檢測問題。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種光學(xué)自由曲面的像散補(bǔ)償型干涉檢測裝置，包括He-He激光器、擴(kuò)束系統(tǒng)、1/2波片、偏振分光棱鏡、第一1/4波片、第二1/4波片、標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡、移相器、第一匯聚透鏡、待測自由曲面、第二匯聚透鏡、平面反射鏡、偏振片、旋轉(zhuǎn)毛玻璃屏、成像物鏡、探測器、顯示器、計(jì)算機(jī)；所述He-Ne激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)形成準(zhǔn)直光束，然后經(jīng)過1/2波片后形成P光與S光比例可調(diào)的檢測光束，該檢測光束經(jīng)過偏振分光棱鏡后分為振動(dòng)方向相互垂直的兩束光：S光作為參考光、P光作為測試光，其中P光經(jīng)第一會(huì)聚透鏡后形成發(fā)散光束投射到待測自由曲面上，產(chǎn)生的反射光經(jīng)第二會(huì)聚透鏡準(zhǔn)直，然后入射至平面反射鏡并沿原路返回；S光投射到標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡上然后沿原路返回，移相器位于標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡后，通過推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡使參考光束產(chǎn)生光程差從而獲得多幅移相干涉圖；參考光路中放置了第一1/4波片、測試光路中放置了第二1/4波片，使得返回至偏振分光棱鏡的兩束光由出射時(shí)的P光變?yōu)镾光、S光變?yōu)镻光；偏振分光棱鏡出射的參考光與測試光經(jīng)過偏振片合束后滿足干涉條件，并在旋轉(zhuǎn)毛玻璃屏上形成干涉圖，旋轉(zhuǎn)毛玻璃屏上的干涉圖通過成像物鏡成像后，由探測器采集經(jīng)移相器移相后的多幅干涉圖，并且在顯示器上顯示，最后由計(jì)算機(jī)處理干涉圖。進(jìn)一步地，所述擴(kuò)束系統(tǒng)采用開普勒式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，包括第一透鏡、小孔光闌、第二透鏡，第一透鏡與第二透鏡的焦點(diǎn)重合，小孔光闌放置在第一透鏡與第二透鏡的焦點(diǎn)上。進(jìn)一步地，所述待測自由曲面為鍍制高反膜自由曲面元件時(shí)，1/2波片的快軸與偏振光的振動(dòng)方向夾角呈2.29°；待測自由曲面為未鍍膜自由曲面元件時(shí)，1/2波片的快軸與偏振光的振動(dòng)方向夾角呈87.71°。進(jìn)一步地，所述第一1/4波片、第二1/4波片的快軸與經(jīng)過它們的線偏振光振動(dòng)方向夾角為45°。進(jìn)一步地，所述第一匯聚透鏡、待測自由曲面、第二匯聚透鏡、平面反射鏡構(gòu)成像散補(bǔ)償裝置，其中第一匯聚透鏡用于將平面波轉(zhuǎn)換為球面波投射到待測自由曲面上，第二匯聚透鏡用于將經(jīng)待測自由曲面反射后的光束準(zhǔn)直，平面反射鏡用于將第二匯聚透鏡準(zhǔn)直后的光束返回。一種基于所述光學(xué)自由曲面的像散補(bǔ)償型干涉檢測裝置的檢測方法，包括以下步驟：步驟1，首先根據(jù)待測自由曲面的理論面型參數(shù)，根據(jù)下式計(jì)算出像散補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)化傾斜角度fts：fts＝-R/2sinUtanU其中，R為待測自由曲面的擬合球面半徑，U為光束入射到待測自由曲面的入射角；步驟2，根據(jù)像散補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)化傾斜角度fts搭建像散補(bǔ)償裝置；步驟3，調(diào)整待測自由曲面的x、y、z軸位置以及x、y軸方向的傾斜，直到顯示器中y方向的干涉條紋最少；步驟4，由探測器采集多幅移相干涉圖，在計(jì)算機(jī)中經(jīng)移相算法及相位解包后恢復(fù)出待測自由曲面的面形。進(jìn)一步地，步驟3所述x、y、z軸坐標(biāo)系建立如下：光軸方向?yàn)閦軸，垂直于紙面的方向?yàn)閤軸并且符合右手坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)到干涉檢測裝置中，光軸方向?yàn)閦軸，垂直于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的方向?yàn)閤軸且符合右手坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)到顯示器中水平方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，其顯著的優(yōu)點(diǎn)是：(1)在干涉光路中加入了像散補(bǔ)償裝置，可以檢測一類以像散為主要面形誤差的光學(xué)自由曲面；(2)通過在干涉光路中引入1/2波片、1/4波片和偏振片使得檢測光路與參考光路光強(qiáng)可調(diào)，無論是未鍍膜光學(xué)自由曲面還是鍍制高反膜的光學(xué)自由曲面都可以得到最佳對(duì)比度的干涉圖，便于后續(xù)干涉圖的處理，同時(shí)可以有效的抑制雜光提高干涉系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。附圖說明圖1是本發(fā)明光學(xué)自由曲面的像散補(bǔ)償型干涉檢測裝置原理示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)示例自由曲面檢測時(shí)探測器處采集到的干涉圖。具體實(shí)施方式結(jié)合圖1，本發(fā)明光學(xué)自由曲面的像散補(bǔ)償型干涉檢測裝置，包括He-He激光器1、擴(kuò)束系統(tǒng)2、1/2波片3、偏振分光棱鏡4、第一1/4波片5、第二1/4波片8、標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡6、移相器7、第一匯聚透鏡9、待測自由曲面10、第二匯聚透鏡11、平面反射鏡12、偏振片13、旋轉(zhuǎn)毛玻璃屏14、成像物鏡15、探測器16、顯示器17、計(jì)算機(jī)18；所述He-Ne激光器1發(fā)出的線偏振光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)2形成準(zhǔn)直光束，然后經(jīng)過1/2波片3后形成P光與S光比例可調(diào)的檢測光束，該檢測光束經(jīng)過偏振分光棱鏡4后分為振動(dòng)方向相互垂直的兩束光：S光作為參考光、P光作為測試光，其中P光經(jīng)第一會(huì)聚透鏡9后形成發(fā)散光束投射到待測自由曲面10上，產(chǎn)生的反射光經(jīng)第二會(huì)聚透鏡11準(zhǔn)直，然后入射至平面反射鏡12并沿原路返回；S光投射到標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡6上然后沿原路返回，移相器7位于標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡6后，通過推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡6使參考光束產(chǎn)生光程差從而獲得多幅移相干涉圖；參考光路中放置了第一1/4波片5、測試光路中放置了第二1/4波片8，使得返回至偏振分光棱鏡4的兩束光由出射時(shí)的P光變?yōu)镾光、S光變?yōu)镻光；偏振分光棱鏡4出射的參考光與測試光經(jīng)過偏振片13合束后滿足干涉條件，并在旋轉(zhuǎn)毛玻璃屏14上形成干涉圖，旋轉(zhuǎn)毛玻璃屏14上的干涉圖通過成像物鏡15成像后，由探測器16采集經(jīng)移相器7移相后的多幅干涉圖，并且在顯示器17上顯示，最后由計(jì)算機(jī)18處理干涉圖。進(jìn)一步地，所述擴(kuò)束系統(tǒng)2采用開普勒式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，包括第一透鏡2-1、小孔光闌2-2、第二透鏡2-3，第一透鏡2-1與第二透鏡2-3的焦點(diǎn)重合，小孔光闌2-2放置在第一透鏡2-1與第二透鏡2-3的焦點(diǎn)上。進(jìn)一步地，所述待測自由曲面10為鍍制高反膜自由曲面元件時(shí)，1/2波片3的快軸與偏振光的振動(dòng)方向夾角呈2.29°；待測自由曲面10為未鍍膜自由曲面元件時(shí)，1/2波片3的快軸與偏振光的振動(dòng)方向夾角呈87.71°。進(jìn)一步地，所述第一1/4波片5、第二1/4波片8的快軸與經(jīng)過它們的線偏振光振動(dòng)方向夾角為45°。進(jìn)一步地，所述第一匯聚透鏡9、待測自由曲面10、第二匯聚透鏡11、平面反射鏡12構(gòu)成像散補(bǔ)償裝置，其中第一匯聚透鏡9用于將平面波轉(zhuǎn)換為球面波投射到待測自由曲面10上，第二匯聚透鏡11用于將經(jīng)待測自由曲面10反射后的光束準(zhǔn)直，平面反射鏡12用于將第二匯聚透鏡11準(zhǔn)直后的光束返回。一種基于權(quán)利要求1所述光學(xué)自由曲面的像散補(bǔ)償型干涉檢測裝置的檢測方法，包括以下步驟：步驟1，首先根據(jù)待測自由曲面的理論面型參數(shù)，根據(jù)下式計(jì)算出像散補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)化傾斜角度fts：fts＝-R/2sinUtanU其中，R為待測自由曲面10的擬合球面半徑，U為光束入射到待測自由曲面10的入射角；步驟2，根據(jù)像散補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)化傾斜角度fts搭建像散補(bǔ)償裝置；步驟3，調(diào)整待測自由曲面10的x、y、z軸位置以及x、y軸方向的傾斜，直到顯示器17中y方向的干涉條紋最少；步驟4，由探測器16采集多幅移相干涉圖，在計(jì)算機(jī)18中經(jīng)移相算法及相位解包后恢復(fù)出待測自由曲面的面形。進(jìn)一步地，步驟3所述x、y、z軸坐標(biāo)系建立如下：光軸方向?yàn)閦軸，垂直于紙面的方向?yàn)閤軸并且符合右手坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)到干涉檢測裝置中，光軸方向?yàn)閦軸，垂直于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的方向?yàn)閤軸且符合右手坐標(biāo)系，對(duì)應(yīng)到顯示器17中水平方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸。實(shí)施例1結(jié)合圖1，本發(fā)明一種光學(xué)自由曲面的像散補(bǔ)償型干涉檢測裝置與檢測方法，包括He-He激光器1、擴(kuò)束系統(tǒng)2、1/2波片3、偏振分光棱鏡4、第一1/4波片5和第二1/4波片8、標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡6、移相器7、第一匯聚透鏡9、待測自由曲面10、第二匯聚透鏡11、平面反射鏡12、偏振片13、旋轉(zhuǎn)毛玻璃屏14、成像物鏡15、探測器16、顯示器17、計(jì)算機(jī)18。其中擴(kuò)束系統(tǒng)2為開普勒式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，由第一透鏡2-1、小孔光闌2-2、第二透鏡2-3組成，第一透鏡2-1與第二透鏡2-3的焦點(diǎn)重合，小孔光闌2-2放置在第一透鏡2-1與第二透鏡2-3的焦點(diǎn)上。He-Ne激光器1發(fā)出的線偏振光經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)2形成準(zhǔn)直光束，然后經(jīng)過1/2波片3后形成P光與S光比例可調(diào)的檢測光束，經(jīng)過偏振分光棱鏡4后分為振動(dòng)方向相互垂直的兩束光：S光作為參考光、P光作為測試光。P光經(jīng)第一會(huì)聚透鏡9后形成發(fā)散光束投射到傾斜放置的待測自由曲面10上，經(jīng)其反射后經(jīng)第二會(huì)聚透鏡11準(zhǔn)直被平面反射鏡12返回。S光作為參考光投射到標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡6上然后返回。測試光路和標(biāo)定光路中均放置了第一1/4波片5和第一1/4波片8，波片快軸與經(jīng)過它們的線偏振光振動(dòng)方向成45°，使得返回至偏振分光棱鏡4的兩束光由出射時(shí)的P光和S光分別變?yōu)镾光和P光。最終參考光與測試光經(jīng)過偏振片13合束后滿足干涉條件，最終干涉截止在旋轉(zhuǎn)毛玻璃屏14處，旋轉(zhuǎn)毛玻璃屏14上的干涉圖通過成像物鏡15成像后由探測器16采集經(jīng)移相器7移相后的多幅干涉圖并且在顯示器中顯示。由采集到的干涉圖在計(jì)算機(jī)中利用移相算法求解出探測器處測得的波面。進(jìn)行檢測時(shí)首先要進(jìn)行的是像散補(bǔ)償光路中自由曲面最優(yōu)化傾斜角度的求解。光學(xué)自由曲面在離軸反射式相機(jī)中的工作狀態(tài)為光束離軸入射，單片自由曲面承擔(dān)的一個(gè)重要角色是像散校正，因而面形偏差中的最主要成分為像散。在干涉檢測系統(tǒng)中采用斜入射式光路檢測自由曲面時(shí)，并非與其在相機(jī)中的工作狀態(tài)相同，因而自由曲面的傾斜角并非與工作狀態(tài)傾斜角相同，而是需要最優(yōu)化求解，使其能夠校正面形偏差中的像散成分。自由曲面的表面形貌一般是球面基底疊加上面形偏差成分，同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)，加工和檢測之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)的面形數(shù)據(jù)匹配，一般用Zernike多項(xiàng)式表示面形偏差成分。由像差理論，軸外視場y，相對(duì)孔徑D/f的球面鏡引入的球差、像散、彗差分別可以表示為：ΔWcoma～(D/f)3(1)ΔWast～y2D/f(2)ΔWcoma～y(D/f)2(3)因此,在球面的相對(duì)孔徑不大時(shí)，光束傾斜入射球面鏡時(shí)主要引入的像差是像散。球面鏡半徑為R，傾斜角為α，子午焦距和弧矢焦距可以分別表示為：ft＝R/2cosU(4)fS＝R/2secU(5)像散可以用子午焦距和弧矢焦距之差表示fts＝-R/2sinUtanU(6)因此根據(jù)待測自由曲面的理論參數(shù)，即最佳擬合球面半徑，面形成分中像散項(xiàng)大小，可計(jì)算出最優(yōu)化傾斜角度α，使得經(jīng)自由曲面反射后的光束中不再具有像散成分或像散成分較小，從而有效地控制光束發(fā)散性，減小后續(xù)光學(xué)元件的口徑。以一塊離軸橢球面為例詳細(xì)論述待測自由曲面最優(yōu)化傾斜角度的具體求解過程，該離軸橢球面的具體參數(shù)如表1所示：表1待測自由曲面參數(shù)將科丁頓方程應(yīng)用到反射鏡我們可以得到。子午面：弧矢面：選擇合適的入射角U，反射鏡面形誤差中的像散成分將會(huì)被抵消。此時(shí)，子午焦點(diǎn)與弧矢焦點(diǎn)重合，即lt'＝ls'。聯(lián)立公式(1)(2)可以得到如果|Rs|＞|Rt|，此時(shí)傾斜角度U將重新定義到X-Z平面內(nèi)，公式(3)變?yōu)閰⒖糞chwiegerling等人在1995年發(fā)表的論文中提出的方法，矢高可以表示為含條紋澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)的形式。沿X方向的矢高可以寫為：沿Y方向的矢高可以寫為：其中，RB為待測自由曲面的最佳擬合球面半徑，ρ為徑向坐標(biāo)，RN為條紋澤尼克多項(xiàng)式所覆蓋區(qū)域的正規(guī)化半徑，Z4,5,8,12是條紋澤尼克多項(xiàng)式所對(duì)應(yīng)的離焦、球差、像散和傾斜球差系數(shù)。聯(lián)立公式(5)(6)并做簡化運(yùn)算，可以計(jì)算得到Rx，Ry。對(duì)待測自由曲面去除最佳擬合球面后的矢高進(jìn)行37項(xiàng)澤尼克條紋多項(xiàng)式擬合。其中項(xiàng)Z4,5,8,12擬合系數(shù)如表2所示。表2待測自由曲面與最佳擬合球面偏差的部分條紋澤尼克多項(xiàng)式擬合系數(shù)項(xiàng)數(shù)Z4Z5Z8Z12系數(shù)9.1116x10-50.00338.9272x10-45.6430x10-6將已知的參數(shù)代入公式(7)、(8)可以計(jì)算得到Rx，Ry的值分別為497.90mm、514.39mm。再將Rx，Ry的值代入公式(3)可以計(jì)算得到待測自由曲面的傾斜角度為繞X軸旋轉(zhuǎn)10.32°。因此在像散補(bǔ)償裝置中將待測自由曲面繞X軸旋轉(zhuǎn)10.32°后，待測自由曲面面形中的像散成分將被補(bǔ)償?shù)?。此時(shí)探測器處采集到的干涉圖如圖2所示，然后通過移相算法及相位解包后便可以恢復(fù)處待測自由曲面的面形。當(dāng)前第1頁1 2 3