專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種斐索型共光路干涉測(cè)量裝置，特別是一種用于光學(xué)非球面和光學(xué)自由曲面面形質(zhì)量檢驗(yàn)的裝置。
背景技術(shù)：
近些年，光學(xué)自由曲面的優(yōu)越性引起科技人員的廣泛關(guān)注，并嘗試應(yīng)用自由曲面改善光學(xué)系統(tǒng)性能，普遍認(rèn)為光學(xué)自由曲面將對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量、小型化等產(chǎn)生革命性的影響，但是無(wú)論是制作成本還是加工精度都遠(yuǎn)不能與傳統(tǒng)的非球面相比，面形的精密檢測(cè)是制約自由曲面技術(shù)發(fā)展的瓶頸技術(shù)。光學(xué)自由曲面的加工分為銑削、研磨、拋光三個(gè)階段，根據(jù)各階段要求精度的不同，分別采用不同的檢測(cè)手段。一般，第一階段和第二階段分別使用三坐標(biāo)機(jī)和面形輪廓儀進(jìn)行檢測(cè)，第三階段精度要求最高，經(jīng)過(guò)拋光之后的光學(xué)自由曲面對(duì)于測(cè)量的超高精度要求以及在檢測(cè)過(guò)程中必須兼顧測(cè)量精度和測(cè)量范圍之間的矛盾使得傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量已經(jīng)無(wú)法達(dá)到要求。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)光學(xué)自由曲面檢測(cè)技術(shù)提出了不同的方法，但都存在著問(wèn)題測(cè)量方法慢，柔性不夠。Petz M等人在《Reflection grating method for 3D measurement of reflecting surfaces)) (SPIE, V4399, 2001)中提出反射光柵攝影測(cè)量法，精度可達(dá)到微米量級(jí)，但需使用繁雜的迭代算法。張新等人在《光學(xué)自由曲面的檢測(cè)方法》(《中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)》第I卷，第I期，2008)中應(yīng)用CGH作為零位補(bǔ)償器檢測(cè)一個(gè)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的三次位相板，利用計(jì)算全息圖作為零位補(bǔ)償器去檢測(cè)光學(xué)自由曲面，省去了復(fù)雜的迭代算法，但是零位CGH與光學(xué)自由曲面存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，成本很高，并且當(dāng)被檢面斜率過(guò)大時(shí)，CGH的加工誤差增大,精度下降。Jan Liesener等人在《Interferometer with Dynamic Reference)) (SPIE, V5252, 2004)中提出一種基于泰曼格林型干涉系統(tǒng)和點(diǎn)光源陣列垂軸分布產(chǎn)生多傾斜波面干涉的技術(shù)方案。該方案可以檢測(cè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)非球面，也可檢測(cè)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)非球面，具有檢測(cè)自由曲面的應(yīng)用前景，但是干涉系統(tǒng)應(yīng)用改進(jìn)的泰曼格林型式，在干涉儀參考臂中弓I入許多光學(xué)元件，光路復(fù)雜，誤差源較多，不利于提高檢測(cè)精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適合于光學(xué)非球面和光學(xué)自由曲面的檢驗(yàn)，覆蓋較多測(cè)試對(duì)象，精度高且成本低的斐索型光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置，包括激光器、擴(kuò)束系統(tǒng)、可控微透鏡點(diǎn)源陣列、分光棱鏡、標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組、移相器、小孔光闌、成像透鏡、電荷耦合器件(XD、監(jiān)視器和計(jì)算機(jī)；激光器后面放置擴(kuò)束系統(tǒng)，擴(kuò)束系統(tǒng)后放置可控微透鏡點(diǎn)源陣列，可控微透鏡點(diǎn)源陣列后面放置分光棱鏡，經(jīng)分光棱鏡后光路結(jié)構(gòu)分為兩路，一路是分光棱鏡后放置標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組，移相器與標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組相連接驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組作橫向移動(dòng)，另一路在分光棱鏡反射光的方向放置小孔光闌，小孔光闌后面放置成像透鏡，成像透鏡后放置電荷耦合器件CCD，電荷耦合器件CCD與監(jiān)視器和計(jì)算機(jī)相連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)(I)本發(fā)明干涉系統(tǒng)采用斐索型，光路中使用可控微透鏡點(diǎn)源陣列產(chǎn)生多視場(chǎng)干涉圖重構(gòu)自由曲面面形，根據(jù)被測(cè)面特征產(chǎn)生可控點(diǎn)源陣列點(diǎn)亮方案，裝置可覆蓋較多類(lèi)型測(cè)試對(duì)象(包含非球面)。克服了現(xiàn)有自由曲面檢測(cè)方法單一性和高成本的缺點(diǎn)。(2)參考波面與多視場(chǎng)傾斜波面經(jīng)過(guò)幾乎相同的光學(xué)元件，且系統(tǒng)采用斐索型，克服了現(xiàn)有檢測(cè)方法中由非共光路帶來(lái)的誤差大的缺陷。(3)干涉系統(tǒng)無(wú)需精密微位移平臺(tái)等運(yùn)動(dòng)組件，克服了子孔徑方法對(duì)位移精度要求高的缺陷。


圖I是本發(fā)明光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明裝置中可控微透鏡點(diǎn)源陣列的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置，包括激光器I、擴(kuò)束系統(tǒng)2、可控微透鏡點(diǎn)源陣列3、分光棱鏡4、標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組5、移相器6、小孔光闌8、成像透鏡9、電荷耦合器件 (XD1、監(jiān)視器11和計(jì)算機(jī)12 ;可控微透鏡點(diǎn)源陣列3包括微透鏡陣列3-1、小孔陣列3_2和光源選擇掩膜板3-3，可控微透鏡點(diǎn)源陣列3位于激光器的出射光路上，用于產(chǎn)生所要選擇的點(diǎn)光源。微透鏡陣列3-1其后放置小孔陣列3-2，小孔陣列3-2后面再放置光源選擇掩膜板3-3 ;所述微透鏡陣列3-1的陣列數(shù)、小孔陣列3-2的陣列數(shù)和光源選擇掩膜板3-3的陣列數(shù)三者數(shù)目相同。激光器I后面放置擴(kuò)束系統(tǒng)2，擴(kuò)束系統(tǒng)2后放置可控微透鏡點(diǎn)源陣列3，可控微透鏡點(diǎn)源陣列3后面放置分光棱鏡4，經(jīng)分光棱鏡4后光路結(jié)構(gòu)分為兩路，一路是分光棱鏡 4后放置標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組5，移相器6與標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組5相連接驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組5作橫向移動(dòng)，另一路在分光棱鏡4反射光的方向放置小孔光闌8,小孔光闌8后面放置成像透鏡9，成像透鏡9后放置電荷耦合器件(XD1，電荷耦合器件CXDl與監(jiān)視器11和計(jì)算機(jī)12 相連接。本發(fā)明光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置，擴(kuò)束系統(tǒng)2為開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，由第一透鏡2-1、第二小孔光闌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， 第二小孔光闌2-2放置在第一透鏡2-1與第二透鏡2-3的焦點(diǎn)上。本發(fā)明光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置，所述光源選擇掩膜板3-3由與微透鏡陣列 3-1中微透鏡數(shù)目相同的掩膜擋板組成，計(jì)算機(jī)通過(guò)電路程序控制掩膜擋板的開(kāi)和閉，當(dāng)掩膜擋板擋住小孔陣列3-2上與其對(duì)應(yīng)的小孔時(shí)，微透鏡陣列3-1中對(duì)應(yīng)的微透鏡產(chǎn)生的點(diǎn)光源即被擋住，當(dāng)掩膜擋板打開(kāi)時(shí)，微透鏡陣列3-1中對(duì)應(yīng)的微透鏡產(chǎn)生的點(diǎn)光源即被點(diǎn)売。本發(fā)明的特征在于點(diǎn)光源陣列和干涉光路的設(shè)計(jì)，讓光源選擇掩模板使得位于光軸上的小孔始終打開(kāi)作為參考光，從而使得參考光與測(cè)試光共光路，透過(guò)幾乎相同的光學(xué)元件，具有斐索型干涉光路特征，誤差小。本發(fā)明采用由可控微透鏡點(diǎn)源陣列產(chǎn)生的多視場(chǎng)干涉圖重構(gòu)自由曲面面形誤差。利用微透鏡陣列與光源選擇掩膜板產(chǎn)生多視場(chǎng)傾斜波面， 照明被測(cè)自由曲面，干涉系統(tǒng)采用斐索型，多視場(chǎng)干涉圖按移相干涉技術(shù)復(fù)原得到子區(qū)域波面數(shù)據(jù)組；用標(biāo)準(zhǔn)球面作為被測(cè)對(duì)象標(biāo)定CCD像素與多視場(chǎng)干涉圖之間的位置關(guān)系，測(cè)量自由曲面時(shí)，多視場(chǎng)干涉圖位置將發(fā)生偏移，由偏移量得到波面傾斜信息；根據(jù)傾斜信息與多視場(chǎng)子區(qū)域波面數(shù)據(jù)組重構(gòu)被測(cè)面面形信息。根據(jù)被測(cè)面特征產(chǎn)生可控點(diǎn)源陣列點(diǎn)亮方案，裝置可覆蓋較多的測(cè)試對(duì)象。具體工作原理為由He-Ne激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)后產(chǎn)生照度均勻的平行光束入射微透鏡陣列，產(chǎn)生點(diǎn)光源。其中位于光軸上的光源小孔始終處于打開(kāi)狀態(tài)，作為參考光，軸上點(diǎn)光源發(fā)出的光束經(jīng)分光棱鏡后由標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡會(huì)聚，會(huì)聚點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡的最后一個(gè)球面球心重合，一部分光束透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡的最后一個(gè)球面入射被測(cè)自由曲面，一部分光束直接被標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡的最后一個(gè)球面反射回去作為參考光束。如果被測(cè)自由曲面簡(jiǎn)化為偶次非球面，則僅選擇軸上點(diǎn)光源就可以完成檢測(cè)。下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
參見(jiàn)圖I和圖2，由He-Ne激光器I發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束系統(tǒng)2由透鏡2_1、小孔光闌 2-2、透鏡2-3組成后形成照度均勻的平行光束入射可控微透鏡點(diǎn)源陣列3，可控微透鏡點(diǎn)源陣列3由微透鏡陣列3-1、小孔陣列3-2和光源選擇掩膜板3-3組成，光源選擇掩膜板3-3 使得小孔陣列3-2中位于光軸上的小孔始終打開(kāi)提供軸上點(diǎn)光源，軸上點(diǎn)光源發(fā)出的光束經(jīng)分光棱鏡4后由標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組5會(huì)聚，會(huì)聚點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組5中最后一個(gè)球面的球心重合，一部分光束透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組5入射被測(cè)自由曲面7，另一部分光束直接被標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組5中最后一個(gè)球面反射回去作為參考光束。如果被測(cè)自由曲面7簡(jiǎn)化為偶次非球面，則僅選擇軸上點(diǎn)光源就能檢測(cè)。如果被測(cè)自由曲面7面形復(fù)雜，則由其面形特征決定軸外點(diǎn)光源點(diǎn)亮的選擇方案，軸外點(diǎn)光源發(fā)出的光束由標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組5會(huì)聚后，中心光線沿被測(cè)自由曲面7的法線方向入射被測(cè)自由曲面7，經(jīng)被測(cè)自由曲面7返回的測(cè)試光束與由軸上點(diǎn)光源發(fā)出的經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組5中最后一個(gè)球面反射回的參考光束形成干涉。 軸上點(diǎn)光源點(diǎn)亮和軸外點(diǎn)光源點(diǎn)亮形成的參考光束和測(cè)試光束最后均被分光棱鏡4反射進(jìn)入由小孔光闌8、成像透鏡9、(XD1形成的干涉圖像采集系統(tǒng)，監(jiān)視器11用于裝置調(diào)整時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)干涉圖。移相器6控制標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組5移相產(chǎn)生移相干涉圖，計(jì)算機(jī)12對(duì)采集的移相干涉圖進(jìn)行處理計(jì)算被測(cè)自由曲面的面形。在檢測(cè)自由曲面面形時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)球面標(biāo)定自由曲面的檢測(cè)。在光學(xué)自由曲面檢測(cè)裝置中采用與檢測(cè)自由曲面時(shí)相同的點(diǎn)光源選用方案，將標(biāo)準(zhǔn)球面作為被測(cè)件7，得到與自由曲面入射光束相同，由標(biāo)準(zhǔn)球面反射到CXDl靶面上的一組像素基準(zhǔn)位置，即多視場(chǎng)主光線在CCDl靶面上基準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)，供自由曲面面形重構(gòu)使用。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了通過(guò)干涉測(cè)量重構(gòu)被測(cè)自由曲面7的面形，需先由被測(cè)自由曲面7面形特征，經(jīng)三維逆向光路追跡，獲取測(cè)量該被測(cè)自由曲面7的點(diǎn)光源選用方案。 由被測(cè)自由曲面7出發(fā)的逆向光路追跡模型，具有兩方面的應(yīng)用I由被測(cè)自由曲面7的面形特征，確定軸外點(diǎn)光源最佳選擇方案，此時(shí)由被測(cè)自由曲面7追跡到微透鏡陣列3-2平面；2確定被測(cè)自由曲面7上點(diǎn)位置與CXDl靶面上像素位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所得結(jié)果用于后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)球面標(biāo)定與自由曲面面形的三維重建。由計(jì)算機(jī)12控制依次點(diǎn)亮微透鏡陣列點(diǎn)光源，并控制移相器6產(chǎn)生移相干涉圖，由移相干涉術(shù)波面復(fù)原模型，得到各視場(chǎng)面形數(shù)據(jù)組；使用標(biāo)準(zhǔn)球面置換被測(cè)件，進(jìn)行相同的測(cè)試過(guò)程，獲取各視場(chǎng)在CCDl靶面上的基準(zhǔn)位置，利用兩次數(shù)據(jù)結(jié)果，找出各視場(chǎng)波面數(shù)據(jù)和波面重心偏移量，按去包裹和種子生長(zhǎng)法重構(gòu)自由曲面面形。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置，其特征在于包括激光器[I]、擴(kuò)束系統(tǒng)[2]、可控微透鏡點(diǎn)源陣列[3]、分光棱鏡[4]、標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組[5]、移相器[6]、小孔光闌[8]、成像透鏡[9]、電荷耦合器件CCD [10]、監(jiān)視器[11]和計(jì)算機(jī)[12];激光器[I]后面放置擴(kuò)束系統(tǒng)[2]，擴(kuò)束系統(tǒng)[2]后放置可控微透鏡點(diǎn)源陣列[3]，可控微透鏡點(diǎn)源陣列[3]后面放置分光棱鏡[4]，經(jīng)分光棱鏡[4]后光路結(jié)構(gòu)分為兩路，一路是分光棱鏡[4]后放置標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組[5]，移相器[6]與標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組[5]相連接驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)球面透鏡組[5]作橫向移動(dòng)，另一路在分光棱鏡[4]反射光的方向放置小孔光闌[8]，小孔光闌[8]后面放置成像透鏡[9]，成像透鏡[9]后放置電荷耦合器件CCD [10]，電荷耦合器件CCD [10]與監(jiān)視器[11] 和計(jì)算機(jī)[12]相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置，其特征在于擴(kuò)束系統(tǒng)[2]為開(kāi)普勒式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，由第一透鏡[2-1]、第二小孔光闌[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，第二小孔光闌[2-2]放置在第一透鏡[2-1]與第二透鏡[2-3]的焦點(diǎn)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置，其特征在于可控微透鏡點(diǎn)源陣列[3]包括微透鏡陣列[3-1]、小孔陣列[3-2]和光源選擇掩膜板[3-3]，微透鏡陣列 [3-1]其后放置小孔陣列[3-2]，小孔陣列[3-2]后面再放置光源選擇掩膜板[3-3];所述微透鏡陣列[3-1]的陣列數(shù)、小孔陣列[3-2]的陣列數(shù)和光源選擇掩膜板[3-3]的陣列數(shù)三者數(shù)目相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置，其特征在于所述光源選擇掩膜板[3-3]由與微透鏡陣列[3-1]中微透鏡數(shù)目相同的掩膜擋板組成，計(jì)算機(jī)通過(guò)電路程序控制掩膜擋板的開(kāi)和閉，當(dāng)掩膜擋板擋住小孔陣列[3-2]上與其對(duì)應(yīng)的小孔時(shí)，微透鏡陣列[3-1]中對(duì)應(yīng)的微透鏡產(chǎn)生的點(diǎn)光源即被擋住，當(dāng)掩膜擋板打開(kāi)時(shí)，微透鏡陣列 [3-1]中對(duì)應(yīng)的微透鏡產(chǎn)生的點(diǎn)光源即被點(diǎn)亮。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光學(xué)自由曲面干涉檢測(cè)裝置，采用點(diǎn)光源陣列產(chǎn)生多視場(chǎng)傾斜波面，照明被測(cè)自由曲面，位于光軸上的點(diǎn)光源始終點(diǎn)亮作為參考光，獲得的多視場(chǎng)干涉圖按移相干涉技術(shù)復(fù)原得到子區(qū)域波面數(shù)據(jù)；用標(biāo)準(zhǔn)球面標(biāo)定CCD像素與多視場(chǎng)干涉圖之間的位置關(guān)系，測(cè)量自由曲面時(shí)，多視場(chǎng)干涉圖位置發(fā)生偏移，由偏移量得到波面傾斜信息；根據(jù)傾斜信息與多視場(chǎng)子區(qū)域波面數(shù)據(jù)重構(gòu)被測(cè)面面形信息。根據(jù)被測(cè)面特征產(chǎn)生可控點(diǎn)源陣列點(diǎn)亮方案，本發(fā)明的裝置可覆蓋包括較多測(cè)試對(duì)象(凸凹非球面、自由曲面)。本發(fā)明克服了現(xiàn)有自由曲面檢測(cè)方法單一性和高成本的缺點(diǎn)，克服了現(xiàn)有檢測(cè)方法中由非共光路帶來(lái)的誤差大的缺陷以及子孔徑方法對(duì)位移精度要求高的缺陷。
文檔編號(hào)G01B9/02GK102607454SQ201110044698
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月24日
發(fā)明者倪江楠, 袁群, 高志山 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)