基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種應(yīng)用光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，傾斜波面干涉系統(tǒng)可以補(bǔ)償自由曲面光學(xué)元件的局部梯度，從而減小干涉條紋密度，增強(qiáng)探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜自由曲面光學(xué)元件的測(cè)量。系統(tǒng)用光纖陣列代替透鏡陣列，光纖陣列相較于透鏡陣列出射球面波質(zhì)量要好，并且出射球面波發(fā)散角可以控制。光纖陣列中的每束光纖的出射光都由光纖一一對(duì)應(yīng)導(dǎo)入，光能利用效率要高于使用透鏡陣列的干涉系統(tǒng)，同時(shí)可以消除大部分雜散光的影響。每根光纖的通斷可以單獨(dú)控制，不需再使用掩模板來(lái)控制點(diǎn)源的選通。
【專利說(shuō)明】基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)精密測(cè)量領(lǐng)域，是一種用于測(cè)量自由曲面、非球面光學(xué)元件面形的干涉測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]自由曲面光學(xué)元件，是指一類復(fù)雜的、非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的光學(xué)元件。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)。自由曲面光學(xué)元件已經(jīng)大量用于各種領(lǐng)域。例如，為了滿足對(duì)路面的亮度、照度、均勻度的要求，且盡可能使得大部分光都分布在道路面上以提高燈光的利用率，通常用馬鞍形透鏡對(duì)LED路燈進(jìn)行配光，配光后LED路燈輸出的光線照射在路面上所形成的光斑由圓形變成矩形。自由曲面汽車車燈是目前國(guó)際上最為流行的一種汽車車燈，它具有車燈高度低、光能利用率高及空氣動(dòng)力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)。在激光技術(shù)、顯微鏡甚至圖像處理中，將入射光匯聚成一條直線或者特定形狀的曲線。將光束匯聚成一條線最簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)是由一個(gè)柱面透鏡和一個(gè)球面透鏡組成。但是，應(yīng)用這么簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)很難獲得光線強(qiáng)度分布均勻的光線，而應(yīng)用自由曲面光學(xué)元件則可以克服此缺點(diǎn)。
[0003]然而自由曲面光學(xué)元件的測(cè)量水平嚴(yán)重限制了其加工制造水平的提高。由于自由曲面光學(xué)元件面型自由度較高，局部面型梯度變化大，采用傳統(tǒng)干涉測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量，往往干涉條紋密度過(guò)大，超過(guò)了探測(cè)器的探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍，無(wú)法獲得條紋信息來(lái)測(cè)量自由曲面光學(xué)元件的面形質(zhì)量。
[0004]目前，世界上還沒(méi)有可以高精度、高效率檢測(cè)自由曲面光學(xué)元件面形的儀器。在自由曲面光學(xué)元件加工中，比較成熟的檢測(cè)方法主要是三坐標(biāo)機(jī)法和輪廓儀法。三坐標(biāo)機(jī)法檢測(cè)精度只能達(dá)到微米量級(jí)，不能滿足面形的精度測(cè)量要求。輪廓儀法精度可以達(dá)到亞微米級(jí)，但是每次測(cè)量?jī)H能得到待測(cè)元件表面上一條線的誤差，不是真正意義的面形測(cè)量。還有其他一些方法，如反射光柵攝影法、擺臂式輪廓掃描法、條紋投影法、子孔徑拼接法、計(jì)算全息法等，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的通用化面形測(cè)量。德國(guó)斯圖加特大學(xué)Osten教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種基于點(diǎn)光源陣列的光學(xué)自由曲面的測(cè)量裝置，采用該裝置測(cè)量自由曲面最大可以補(bǔ)償10°的表面梯度，測(cè)量精度優(yōu)于1/10 λ。該方法中最重要部分是點(diǎn)源陣列發(fā)生器，其主要由透鏡陣列、針孔陣列、掩模板組成。但是，在實(shí)際裝配測(cè)量時(shí)，還有一些問(wèn)題需要克月艮，如透鏡陣列加工的好壞直接影響到出射波面的質(zhì)量從而影響測(cè)量精度、掩模板的移動(dòng)位置不精確會(huì)導(dǎo)致在干涉圖中引入雜散光。該裝置采用的是泰曼干涉系統(tǒng)的雙光路結(jié)構(gòu)。由于采用的是雙光路結(jié)構(gòu)，沒(méi)有共光路特性，導(dǎo)致其系統(tǒng)誤差增大，為了保證測(cè)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在實(shí)現(xiàn)自由曲面、非球面光學(xué)元件高精度測(cè)量的同時(shí)，保證高效快速的通用化檢測(cè)。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，光路為改進(jìn)的斐索干涉光路系統(tǒng)，包括光源、光纖耦合器模塊、光纖陣列、分光棱鏡、準(zhǔn)直透鏡組、球面透鏡組、待測(cè)件、光闌、成像透鏡和CCD ;其中光纖陣列、準(zhǔn)直透鏡組和球面透鏡組構(gòu)成梯度補(bǔ)償模塊；光源、光纖耦合器模塊、光纖陣列、分光棱鏡、準(zhǔn)直透鏡組、球面透鏡組、待測(cè)件依次共光軸設(shè)置；分光棱鏡、光闌、成像透鏡和CCD依次共光軸設(shè)置，且與光源、光纖耦合器模塊所處的光軸垂直；由光源發(fā)出的激光由光纖導(dǎo)入光纖耦合器模塊，光纖耦合器模塊將一束激光分成多束激光，再由光纖將多束激光導(dǎo)入光纖陣列，由光纖陣列出射多束發(fā)散光，經(jīng)分光棱鏡透射后，再通過(guò)準(zhǔn)直透鏡組形成多束具有不同傾斜角度的平行光，多束具有不同傾斜角度的平行光進(jìn)入球面透鏡組，在球面透鏡組最后一個(gè)鏡面上分成透射光和第一反射光；透射光照射到待測(cè)件，由待測(cè)件反射后，攜帶待測(cè)件局部面形偏差的多束光返回經(jīng)球面透鏡組形成多束攜帶待測(cè)件局部面形偏差的具有不同傾斜角度的平行光，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組后形成多束會(huì)聚光，再由分光棱鏡折轉(zhuǎn)度進(jìn)入光闌，經(jīng)光闌濾除雜散光，最后由成像透鏡成像在CXD上，形成測(cè)試光路；第一反射光從球面透鏡組最后一個(gè)鏡面上沿原路返回經(jīng)球面透鏡組、準(zhǔn)直透鏡組，再由分光棱鏡折轉(zhuǎn)90度進(jìn)入光闌，經(jīng)光闌濾除雜散光，最后由成像透鏡成像在CXD上，形成參考光路。CXD上出現(xiàn)測(cè)試光與參考光置加形成干涉圖。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)的梯度補(bǔ)償模塊中使用了光纖陣列替代以前的透鏡陣列。光纖陣列相較于透鏡陣列出射球面波質(zhì)量要好，并且通過(guò)選用不同的光纖，出射球面波發(fā)散角的改變較為方便。在光能利用效率方面，因?yàn)楣饫w陣列中的每束光纖的出射光都由光纖一一對(duì)應(yīng)導(dǎo)入，所以光能利用效率要高于使用透鏡陣列的干涉系統(tǒng)。同時(shí)，每根光纖的通斷可以單獨(dú)控制，不許再使用掩膜板來(lái)控制點(diǎn)源的選通。另外在光能利用效率提高的同時(shí)，也可以消除大部分雜散光的影響。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)示意圖。
[0009]圖2光纖陣列端面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]首次設(shè)計(jì)提出基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，突破了使用透鏡陣列的干涉系統(tǒng)的局限，能更好的消除系統(tǒng)誤差，提高測(cè)量精度。該方案在國(guó)際上尚無(wú)提出。
[0011]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0012]結(jié)合圖1，一種基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，光路為改進(jìn)的斐索干涉光路系統(tǒng)，包括光源1、光纖耦合器模塊2、光纖陣列3、分光棱鏡4、準(zhǔn)直透鏡組5、球面透鏡組6、待測(cè)件7、光闌8、成像透鏡9和CXD 10 ;其中光纖陣列3、準(zhǔn)直透鏡組5和球面透鏡組6構(gòu)成梯度補(bǔ)償模塊；光源1、光纖稱合器模塊2、光纖陣列3、分光棱鏡4、準(zhǔn)直透鏡組5、球面透鏡組6、待測(cè)件7依次共光軸設(shè)置；分光棱鏡4、光闌8、成像透鏡9和(XD 10依次共光軸設(shè)置,上述光軸與光源1、光纖稱合器模塊2所處的光軸垂直；由光源I發(fā)出的激光由光纖導(dǎo)入光纖耦合器模塊2，光纖耦合器模塊2將一束激光分成多束激光，再由光纖將多束激光導(dǎo)入光纖陣列3，由光纖陣列3出射多束發(fā)散光，經(jīng)分光棱鏡4透射后，再通過(guò)準(zhǔn)直透鏡組5形成多束具有不同傾斜角度的平行光，多束具有不同傾斜角度的平行光進(jìn)入球面透鏡組6，在球面透鏡組6的最后一個(gè)鏡面上分成透射光和第一反射光；透射光照射到待測(cè)件7，由待測(cè)件7反射后，攜帶待測(cè)件7局部面形偏差的多束光返回經(jīng)球面透鏡組6形成多束攜帶待測(cè)件7局部面形偏差的具有不同傾斜角度的平行光，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組6后形成多束會(huì)聚光，再由分光棱鏡4折轉(zhuǎn)90度進(jìn)入光闌8，經(jīng)光闌8濾除雜散光，最后由成像透鏡9成像在CXD 10上，形成測(cè)試光路；第一反射光從球面透鏡組6最后一個(gè)鏡面上沿原路返回經(jīng)球面透鏡組6、準(zhǔn)直透鏡組5，再由分光棱鏡4折轉(zhuǎn)90度進(jìn)入光闌8，經(jīng)光闌8濾除雜散光，最后由成像透鏡9成像在CXD 10上，形成參考光路；(XD 10上出現(xiàn)測(cè)試光與參考光疊加形成干涉圖。
[0013]球面透鏡組6為齊名透鏡組，即球面透鏡組6的焦點(diǎn)與距待測(cè)件7最近的球面的球心重合，由球面透鏡組6距待測(cè)件7最近的球面反射的光束為參考光。待測(cè)件7頂點(diǎn)曲率中心與球面透鏡組6的焦點(diǎn)重合。
[0014]系統(tǒng)為非零位干涉系統(tǒng)，由待測(cè)件7反射后攜帶待測(cè)件7局部面形偏差的多束測(cè)試光并不需完全原路返回，只要滿足干涉圖樣條紋密度不超出CCD 10分辨率。
[0015]光纖耦合器模塊2由若干個(gè)光纖耦合器、光開(kāi)關(guān)組成。為了避免相鄰點(diǎn)光源之間相互干擾，光纖陣列3中每根光纖都可以通過(guò)控制光纖耦合器模塊2中該根光纖中的光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)光路通斷。
[0016]由光纖陣列3出射球面光波發(fā)散角為2u,且sinu不小于0.13,選用不同的光纖可得到不同發(fā)散角的球面波；光纖陣列3相鄰光纖芯距為2mm ;光纖陣列3的端面與光源1、光纖耦合器模塊2所處的光軸垂直，光纖陣列3中每根光纖的出射端面在同一平面內(nèi)。
[0017]光纖陣列3中每根光纖出射的測(cè)試光都能覆蓋待測(cè)件7的整個(gè)面形。位于光纖陣列3的同一直徑上的兩個(gè)兩根最邊緣光纖出射光束照射到待測(cè)件7上的重疊區(qū)域要大于待測(cè)件7的口徑。
[0018]最后一步的工作是從干涉條紋解析出待測(cè)件面形信息，首先把不同點(diǎn)源在光開(kāi)關(guān)控制通斷時(shí)得到的子干涉圖進(jìn)行拼接融合，以得到整個(gè)曲面上的干涉條紋圖樣。通過(guò)對(duì)整個(gè)待測(cè)件干涉圖的處理，解析出整個(gè)待測(cè)件的面形信息。
[0019]實(shí)施例:
結(jié)合圖1和圖2，設(shè)計(jì)一種基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，光源I選用波長(zhǎng)為632.8nm的He-Ne激光器；在光纖稱合器模塊2中，首先用光纖稱合器將導(dǎo)入的I束激光分為11束激光，然后將這11束激光中的每一束再次用光纖耦合器分為11束激光，最后將得到的121束激光分別導(dǎo)入光纖陣列3 ;光纖陣列3包含11X11根光纖，每根光纖數(shù)值孔徑為0.2 ;準(zhǔn)直透鏡組5視場(chǎng)角為±5°，準(zhǔn)直透鏡組5有效工作口徑為Φ 118mm,準(zhǔn)直透鏡組5焦距為225mm ;球面透鏡組6的視場(chǎng)角為±5°，球面透鏡組6的有效工作口徑為Φ80πιπι，球面透鏡組6的焦距為163mm ;準(zhǔn)直透鏡組5與球面透鏡組6的主面間距為225mm。系統(tǒng)可用來(lái)測(cè)試最大表面梯度偏差± 10°以內(nèi)、相對(duì)孔徑小于0.4 (F數(shù)大于2.5)的系列自由曲面光學(xué)兀件。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:光路為改進(jìn)的斐索干涉光路系統(tǒng)，包括光源(1)、光纖耦合器模塊(2)、光纖陣列(3)、分光棱鏡(4)、準(zhǔn)直透鏡組(5)、球面透鏡組(6)、待測(cè)件(7)、光闌(8)、成像透鏡(9)和CCD (10);其中光纖陣列(3)、準(zhǔn)直透鏡組(5)和球面透鏡組(6)構(gòu)成梯度補(bǔ)償模塊；光源(1)、光纖耦合器模塊(2)、光纖陣列(3)、分光棱鏡(4)、準(zhǔn)直透鏡組(5)、球面透鏡組(6)、待測(cè)件(7)依次共光軸設(shè)置；分光棱鏡(4)、光闌(8)、成像透鏡(9)和(XD (10)依次共光軸設(shè)置,上述光軸與光源(I)、光纖耦合器模塊(2)所處的光軸垂直；由光源(I)發(fā)出的激光由光纖導(dǎo)入光纖率禹合器模塊(2),光纖稱合器模塊(2)將一束激光分成多束激光,再由光纖將多束激光導(dǎo)入光纖陣列(3)，由光纖陣列(3)出射多束發(fā)散光，經(jīng)分光棱鏡(4)透射后，再通過(guò)準(zhǔn)直透鏡組(5)形成多束具有不同傾斜角度的平行光，多束具有不同傾斜角度的平行光進(jìn)入球面透鏡組(6)，在球面透鏡組(6)的最后一個(gè)鏡面上分成透射光和第一反射光；透射光照射到待測(cè)件(7)，由待測(cè)件(7)反射后，攜帶待測(cè)件(7)局部面形偏差的多束光返回經(jīng)球面透鏡組(6)形成多束攜帶待測(cè)件(7)局部面形偏差的具有不同傾斜角度的平行光，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組(6)后形成多束會(huì)聚光，再由分光棱鏡(4)折轉(zhuǎn)90度進(jìn)入光闌(8)，經(jīng)光闌(8)濾除雜散光，最后由成像透鏡(9)成像在CXD (10)上，形成測(cè)試光路；第一反射光從球面透鏡組(6)最后一個(gè)鏡面上沿原路返回經(jīng)球面透鏡組(6)、準(zhǔn)直透鏡組(5)，再由分光棱鏡(4)折轉(zhuǎn)90度進(jìn)入光闌(8)，經(jīng)光闌(8)濾除雜散光，最后由成像透鏡(9)成像在CCD (10)上，形成參考光路；(XD (10)上出現(xiàn)測(cè)試光與參考光疊加形成干涉圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:待測(cè)件(7)頂點(diǎn)曲率中心與球面透鏡組(6)的焦點(diǎn)重合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:球面透鏡組(6)為齊名透鏡組，即球面透鏡組(6)的焦點(diǎn)與距待測(cè)件(7)最近的球面的球心重合，由球面透鏡組(6)中距待測(cè)件(7)最近的球面反射的光束為參考光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)為非零位干涉系統(tǒng)，由待測(cè)件(7)反射后攜帶待測(cè)件(7)局部面形偏差的多束測(cè)試光并不需完全原路返回，只要滿足干涉圖樣條紋密度不超出CCD (10)分辨率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:為了避免相鄰點(diǎn)光源之間相互干擾，光纖陣列(3)中每根光纖都可以通過(guò)控制光纖耦合器模塊(2)中該根光纖中的光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)光路通斷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:由光纖陣列(3)出射球面光波發(fā)散角為2u，且sinu不小于0.13，選用不同的光纖可得到不同發(fā)散角的球面波；光纖陣列(3)相鄰光纖芯距為2mm;光纖陣列(3)的端面與光源(I)、光纖耦合器模塊(2)所處的光軸垂直，光纖陣列(3)中每根光纖的出射端面在同一平面內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:光纖陣列(3)中每根光纖出射的測(cè)試光都能覆蓋待測(cè)件(7)的整個(gè)面形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:位于光纖陣列(3)的同一直徑上的兩個(gè)兩根最邊緣光纖出射光束照射到待測(cè)件(7)上的重疊區(qū)域要大于待測(cè)件(7)的口徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于光纖陣列型空間點(diǎn)源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:光纖稱合器模塊(2)由若`干個(gè)光纖稱合器、光開(kāi)關(guān)組成。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK103759668SQ201410001551
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】沈華, 李嘉, 朱日宏, 王念, 陳磊, 何勇, 高志山 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)