CN100585362C

CN100585362C - 一种大口径非球面镜全场检测方法

Info

Publication number: CN100585362C
Application number: CN200710048201A
Authority: CN
Inventors: 苏显渝; 赵文川; 张启灿; 向立群; 曹益平; 陈文静
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2007-01-04
Filing date: 2007-01-04
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2027-01-04
Also published as: CN1995943A

Abstract

一种大口径非球面镜全场检测方法，通过计算机控制电控平移台移动干涉仪(例如菲索型干涉仪)，沿非球面镜对称轴对大口径非球面镜进行连续扫描测量，获取全场随时间变化的干涉条纹，即三维干涉条纹。连续扫描过程中，干涉仪产生的参考球面波前将与被测非球面自动匹配，最佳匹配区域(环形区域)对应低频可分辨的干涉条纹，随扫描过程在非球面镜上从中心向边缘移动。对三维干涉条纹进行数据处理，提取干涉条纹的最佳匹配点数据进行全孔径波前重构，从而获得被测非球面面形全场信息。本发明具有无需设计和制造非球面补偿器、无需进行子孔径拼接等优点，为大口径、大相对口径非球面镜的全场检测提供了一种有效的手段，具有广阔的应用前景。

Description

一种大口径非球面镜全场检测方法

技术领域

本发明涉及一种光学检测技术，特别是一种针对旋转对称的大口径非球面镜检测方法，属于先进光学制造与检测技术领域。

技术背景

所谓非球面光学元件，是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不相同的光学元件。非球面镜属于特殊表面，它具有许多独特的性质。如二次曲面在恰当的共轭位置没有球差，将非球面用于光学系统中，能够减少系统中光学元件的数量或能提高成像质量。随着光学精密加工的发展，非球面越来越广泛地应用于各种光学系统中，如：高品质的照相机、摄像机等。在天体观察、空间通讯系统、强激光武器发射系统等诸多领域中，广泛地使用大口径非球面镜，它具有成像质量高、体积小、重量轻的特点，在这些领域中，非球面起着球面无法替代的作用。因此，随着非球面越来越广泛的应用，对非球面的测量尤其是大口径深型非球面的高精度测量成为现在的一个热点问题。

通常，检验非球面镜的定量检测方法有无像差点法、补偿器法和计算全息法。无像差点法仅适用于检验反射式二次非球面，它由二次曲线围绕连接其几何焦点的轴线旋转而成。除检验凹椭球面镜外，其余的二次曲面的无像差检测均需要利用辅助平面或球面镜。这方法对检测大口径深型非球面镜所需的高精度大口径辅助镜的设计和制造都很困难，实际上无法采用。

补偿器法是用合适的补偿器，补偿非球面产生的非球面波前，使之与被检面的理论面形重合，而非球面上各点的法线并不交于一点，要使光源点发出的各光线经补偿系统后沿非球面的法线入射到非球面上，然后沿原路返回，与参考波进行干涉，即补偿器的球差与非球面的法线像差拟合，然后其干涉结果显示出非球面的面形偏差。如果补偿后的波前与参考波前完美的匹配，那么干涉条纹就是直条纹，反之，条纹就是弯曲的，弯曲的程度就显示了非球面表面偏离理想表面的程度。补偿法中最重要光学部分是补偿器。补偿干涉测量是一种测量精确度很高的方法，而且补偿器可以比被测非球面小很多。因此，补偿法现在广泛地应用于大口径非球面的测量中。但是，随着镜面口径和相对口径的增大，需要设计和装配更为复杂的补偿器，且对其本身的精密度的要求和它的安置精度也更高，这是因为补偿器的精密度应该高于被测镜的精密度，同时高精密补偿器的成本很高，每一套补偿器只能测量一种类型的非球面，测量不灵活，限制了补偿法的应用。最大的困难是不能单独测量补偿器的补偿效果。

Lohrnann和Paris在1967年提出计算全息技术，其干涉原理是用计算机生成全息图作为全息样板，可再现各种标准非球面波前，起参考表面或者光学补偿器的作用。采用计算全息图，可以补偿非球面与球面的系统误差波前，起光学补偿器的作用。但对于大口径的非球面，全息图的线纹频率非常之高，以致其制作实际上成为不可能。计算全息图在测试系统中也存在难于对准的问题。

1982年，美国Arizona光学中心的C.J.Kim首先提出了子孔径测试概念，使用小口径平面反射镜阵列代替大口径平面反射镜实现了抛物面镜的自准直检验。到目前为止，子孔径测试技术得到了不断发展。技术的关键问题在于环形子孔径数据的准确提取、数据拼接处理以及硬件方面的必要保证。尤其是对于大口径深型非球面镜测量，所需测量的子孔径数目多，测量周期长，在检测过程中易受到周围环境影响，数据处理量大，孔径的拼接算法复杂，且此过程中会造成误差传递和积累，这些因素都会影响到最后的测量精度。

发明内容

为克服上述几种测量方法的不足，提出一种大口径非球面镜全场连续扫描的检测方法，该方法可以有效地解决现有的几种定量检测方法存在的问题，如辅助镜所需精度太高，制作困难，成本高，数据量大，后期处理麻烦等，本方法无需设计和制造复杂非球面补偿器、无需进行子孔径拼接，系统结构简单，数据量小易处理等优点。

本发明是一种大口径非球面镜连续全场扫描的检测方法，其特征在于：使球面干涉仪光轴和被测非球面镜对称轴在重合的条件下实现相对连续扫描测量。测量装置包括干涉仪(例如菲索型干涉仪)、作为干涉仪附件的标准球面透镜、被测非球面镜、电控平移台及其计算机控制系统。标准球面透镜放在干涉仪和被测非球面之间，位于平行入射光路中。通过计算机控制电控平移台移动被测非球面镜或者干涉仪(包括标准球面透镜)，或者标准球面透镜，使干涉仪光轴和被测非球面镜光轴在重合的条件下实现干涉仪(包括标准球面透镜)和被测非球面镜之间的相对连续扫描测量，从干涉仪出射的参考平面波前通过标准球面透镜转换成标准的球面波前照射在被测非球面镜上，反射回来后会与参考光波发生干涉，形成了干涉图样。这是具有两个空间变量的二维干涉图，对应于XY坐标。图样里条纹对比度好且频率最低的部分是球面波前与被测非球面的最佳匹配区域，这些区域才能被干涉仪所分辨测量。当通过由计算机控制的电控平移台在光轴方向上连续精密移动干涉仪(包括标准球面透镜)，或者标准非球面镜，或者被测非球面镜时，干涉仪就会探测到一系列这样的二维干涉图，这些匹配区域也会随着扫描过程在非球面上从中心向边缘移动。引入连续移动所经历的时间变量，与电控平移台的移动坐标(Z坐标)相对应。这样我们就得到了包括2个空间变量和1个时间变量的三维干涉条纹图。实际上，探测器中像素点与两空间变量即XY坐标是对应的。探测器中的每个像素点在三维条纹图坐标系中都有对应确定的XY值，余下Z坐标对应了时间变量，单独提出这个以Z为变量的一维条纹，就得到该像素坐标上对应的、在连续扫描过程中探测到的、随时间变化的干涉光强分布。通过对这个一维条纹进行数字空间滤波提取出最佳匹配位置，就可以与其相对应的XYZ坐标联合计算出被测非球面的波象差，对探测器中的每个像素点都完成这种处理后，也就完成了对被测非球面的检测测量。

本发明与现有技术相比的优点

1.本发明具有无需设计和制造非球面补偿器，无需设计和制造计算全息零位补偿器的优点，克服了非球面补偿器法和全息法中存在的辅助镜的制造、检验、装调困难等缺点。

2.本发明可以检测旋转对称的二次非球面和高次非球面，突破了传统无像差点法仅能检测二次非球面镜的限制。

3.本发明中只使用了结构简单，制造工艺已经很成熟了的标准球面透镜，精度高，价格低廉，购买方便，大大节约了成本。

4.本发明采用的测量方法是对被测非球面镜的全场测量，不需要进行子孔径(包括环形子孔径)拼接，所以不需要复杂的拼接算法，不存在拼接误差。

5.可以方便地得到轴向球差δL与非球面法线角的三维关系图，与理想值比较可以非常形象地观察出被测非球面与理想非球面之间的差异，最佳匹配点在像素坐标系中位置可以精确到亚像素级，具有很高的灵敏度，其差异值可以用波象差来定量表示。

6.本系统的评价结果用波象差来表示，是沿非球面的法线方向测量其与顶点球或最接近比较球或其它任意比较球的偏离量，比用两者在光轴方向上的坐标差值表示法更精确地反映了非球面的特性。

综上所述，本系统结构简单，原理清楚，所需要的器件易于制造，价格低廉，结果用波像差来评价，直观形象，克服了现有的无像差点法、补偿器法、全息法和子孔径拼接所存在一些局限性，能够检测大口径、大相对口径的二次和高次深型非球面镜，有广泛的应用领域。

附图说明

图1为本发明中提到的检测方法原理示意图；

图2连续扫描过程中，干涉仪产生的参考球面波前与被测非球面自动匹配位置变化示意图；

图3为连续扫描测量过程中，获取的全场随时间变化的干涉条纹，即三维干涉条纹示意图；

图4为本发明中提到的获取全场随时间变化的干涉条纹之一，参考球面波前与被测非球面对称轴中心圆域匹配时，即类似于图3中的Z₀坐标位置处的模拟干涉图；

图5本发明中提到的获取全场随时间变化的干涉条纹之二，参考球面波前与被测非球面半孔径环带区域匹配时，即类似于图3中的Z₁坐标位置处的模拟干涉图；

图6本发明中提到的获取全场随时间变化的干涉条纹之三，参考球面波前与被测非球面边缘外侧环带区域匹配时，即类似于图3中的Z₂坐标位置处的模拟干涉图；

图7连续扫描过程中，被测非球面过对称轴的剖面上，即图3中横截三维干涉图的∑平面上，各点随时间变化的模拟干涉图；

图8为本发明中提到的三维干涉条纹中，探测器中心圆域中一个像素点即图3及图7中O点在连续扫描过程中探测到的随时间变化的强度分布图；

图9为本发明中提到的三维干涉条纹中，探测器半孔径环带区域中一个像素点即图3及图7中A点在连续扫描过程中探测到的随时间变化的强度分布图；

图10为本发明中提到的三维干涉条纹中，探测器边缘外侧一个像素点即图3及图7中B点在连续扫描过程中探测到的随时间变化的强度分布图；

图11为波象差计算示意图；

具体实施方式

如图1所示，本系统主要是由干涉仪(例如菲索型干涉仪)、球面透镜9、被测非球面镜10、电控平移台11、数字驱动器12和计算机系统14组成。其中的干涉仪主要由激光光源1、准直透镜2、平面标准镜头3、分光棱镜4、成像透镜5和CCD探测器6组成。标准球面透镜9位于干涉仪和被测非球面镜10之间，三者光轴位于同一直线上。实施方法之一是使被测非球面镜10置于电控平移台上，由计算机系统14通过数字驱动器12控制其在光轴方向上进行精确移动，使被测非球面镜10与由干涉仪和球面透镜9产生的球面波前形成相对扫描。这种相对扫描也可以通过另外两种实施方式实现。实施方法之二：通过计算机控制电控平移台移动干涉仪(包括标准球面透镜)，使被测非球面镜10与由干涉仪和球面透镜9产生的球面波前形成相对扫描。实施方法之三：通过计算机控制电控平移台移动标准球面透镜，使被测非球面镜10与由干涉仪和球面透镜9产生的球面波前形成相对扫描。以下的叙述中，将以实施方法之一为例进行说明。

本系统的工作原理：当激光光束准直，通过分光棱镜4入射到准直扩束系统7、8，光束为平行光束，再通过标准平面镜头3后，一部分被反射回来形成参考波前，一部分入射到标准就携带了被测非球面的面形误差信息，它被分光棱镜4反射后与参考光束发生干涉，产生的干涉条纹被放置在成像透镜5焦面位置的CCD器件6所探测。由于参考球面波前和非球面镜表面之间存在大的斜率差，这将导致干涉图样具有很高的条纹密度。图4为参考球面波前与被测非球面对称轴中心圆域匹配时的模拟干涉图，与中心圆域处对应的干涉条纹具有较低的空间频率，其他部分的干涉条纹具有较高的空间频率；图5为轴向移动一段距离后，参考球面波前与被测非球面半孔径环带区域匹配时的模拟干涉图，与半孔径环带区域对应的干涉条纹具有较低的空间频率，其他部分的干涉条纹具有较高的空间频率；图6为轴向继续移动一定的距离后，参考球面波前与被测非球面外侧环带区域匹配时的模拟干涉图，与外侧环带区域对应的干涉条纹具有较低的空间频率，其他部分的干涉条纹具有较高的空间频率。从图中可以看出，这些干涉条纹中只有小部分条纹对比度好且频率较低，能为干涉仪所分辨，这个区域就是球面波前与被测非球面的最佳匹配区域。我们用计算机14通过数字驱动器12来控制电动平移台在光轴方向连续移动，让不同的参考球面波前将与被测非球面镜上不同的环带区域自动匹配，这些匹配区域会从非球面中心向边缘移动。在这个过程中，用干涉仪连续扫描记录下这些干涉图样，就获取到了全场随时间变化的干涉条纹，即三维干涉条纹，如图3所示。以时间t(与坐标Z对应)为变量，空间坐标XY为常量，从三维干涉条纹图中提出随移动过程变化的一维条纹图，即是探测器中与此坐标XY值对应的某个像素点在连续扫描过程中所持续探测到随时间变化的干涉光场强度。图8为从三维干涉条纹中提取出的探测器中心圆域中一个像素点即图3及图7中的O点随时间变化的探测到的模拟干涉图；图9为从三维干涉条纹中提取出的探测器中心与边缘之间某个像素点即图3及图7中的A点随时间变化的探测到的模拟干涉图；图10为从三维干涉条纹中提取出的探测器边缘一个像素点即图3及图7中的B点随时间变化的模拟干涉图。对这些一维条纹进行数字空间滤波提取出最佳匹配位置Z后，记录下此值，并与此时的XY坐标相对应。对探测器中的每个像素点都作同样的这种处理。这样从最佳匹配点的Z值可以得出轴向球差δL，可以得到在δL与XY的三维关系图。与理想值对比，可以非常形象地看出被测非球面与理想非球面之间的差异。再从XY值可以得出被测非球面法线与光轴的夹角按照下面的波象差公式1积分可定量计算出其相对于比较球的波象差N，即图中MM的距离，得到全孔径的面形信息。式中Δ_x为此比较球相对于顶点球的球心偏移量，R是抛物面的顶点曲率半径。

本发明的检测步骤如下：

第一步：选择高精度的球面透镜，确保产生的是标准的参考球面波前。

第二步：按照原理图1搭建测量系统，正确安装球面透镜9并进行仔细的调整，要求球面透镜9、被测非球面镜10和由7、8构成的准直扩束部分的中心均与激光光轴尽可能重合。

第三步：由计算机14控制电控平移台11使置于台上的被测非球面镜在光轴方向上移动，使得平面光波透过球面透镜9产生的标准球面波前与被测非球面镜10在中心圆域部分匹配，偏离最小，得到了类似于图3的干涉图样，中心部分干涉条纹密度小，边缘部分干涉条纹密度大。

第四步：由计算机14控制电控平移台11使置于台上的被测非球面镜在光轴方向上远离球面透镜9连续移动，这时平面光波透过球面透镜9产生的标准球面波前与被测非球面镜10的匹配区域由中心向边缘移动，得到类似于图5的干涉图，当匹配区域刚好移到被测非球面边缘时，得到类似于图6的干涉图。在此过程中，干涉仪连续扫描，并用计算机连续记录下这一系列的干涉图样，就是全场随时间变化的干涉条纹，即三维干涉条纹，包括两个空间坐标和一个时间坐标。

第五步：找出最佳匹配点。探测器中像素点与两空间变量即XY坐标是对应的，以空间坐标XY为常量，时间Z为变量，从三维干涉条纹图中提出随移动过程变化的一维条纹图，即是探测器中与此坐标XY值对应的某个像素点在连续扫描过程中所持续探测到随时间变化的干涉光场强度，得到类似于图8、图9、图10的一维模拟干涉强度分布图。对探测器所有像素点都作此处理，一共可得到像素点分辨率数目的一维条纹图。对这些一维条纹进行数字空间滤波提取出最佳匹配位置，记录下此时的XYZ坐标值。

第六步：波象差计算。设想非球面实质上带有很大像差的由光学系统出射的波前，而非球面的法线就是由该系统出射的光线。当非球面与顶点球的偏离量沿着非球面的法线测量时，可以把它看作是该系统的波象差。从最佳匹配点的Z值得出轴向球差δL，从XY值得出被测非球面法线与光轴的夹角

例如，当检测无中心遮拦的被测抛物面镜时，最佳匹配点在坐标系中值为XYZ，显然，XY均是整数，可得：

δL＝z-z₀(2)

其中，CCD分辨率为L×L，且-L/2≤X，Y≤L/2，R是抛物面的顶点曲率半径，D是抛物镜口径，

K_{m} = \frac{D}{2 R}

为非球面法线的最大斜率，z₀为顶点曲率球球心。再按照上面的波象差向公式1积分计算出与顶点曲率比较球的波象差，获得被测非球面面形全场信息。

Claims

1、一种大口径非球面镜全场检测方法，其特征在于：通过计算机控制电控平移台移动干涉仪或者被测非球面镜，使干涉仪光轴和被测非球面镜对称轴在重合的条件下实现相对连续扫描测量，获取全场随时间变化的干涉条纹，即三维干涉条纹；连续扫描过程中，干涉仪产生的参考球面波前将与被测非球面自动匹配，最佳匹配区域对应低频可分辨的干涉条纹，随扫描过程在非球面镜上从中心向边缘移动；对三维干涉条纹进行数据处理，用数字空间频域滤波的方法提取干涉条纹的最佳匹配点数据进行全孔径波前重建，该点指的是比较球与非球面的相切点；用该点对应的电控平移台移动坐标Z坐标和探测器像素点对应的XY坐标来计算波象差，从而获得被测非球面面形全场信息；评价结果用波象差来表示，是沿非球面的法线方向测量其与顶点球或最接近比较球或其它任意比较球的偏离量，比用两者在光轴方向上的坐标差值表示法更精确地反映了非球面的特性。

2、根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜全场检测方法，其特征在于：所述的最佳匹配区域为环形区域。

3、根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜全场检测方法，其特征在于：所述的使干涉仪光轴和被测非球面镜对称轴在重合的条件下实现相对连续扫描测量，包括通过计算机控制电控平移台移动干涉仪，沿被测非球面镜对称轴对大口径非球面镜进行连续扫描测量，获取全场随时间变化的干涉条纹；也包括通过计算机控制电控平移台移动被测非球面镜沿非球面镜对称轴对干涉仪进行连续扫描测量，获取全场随时间变化的干涉条纹；还包括过计算机控制电控平移台移动干涉仪中产生球面波的标准球面透镜沿被测非球面镜对称轴对大口径非球面镜进行连续扫描测量，获取全场随时间变化的干涉条纹。

4、根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜全场检测方法，其特征在于：所述的全场随时间变化的干涉条纹，即三维干涉条纹是一个包括3个变量的光强分布函数，其中2个变量是空间变量，对应XY坐标系，1个变量是时间变量，在匀速扫描的情况下与电控平移台移动坐标Z坐标对应。

5、根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜全场检测方法，其特征在于：所述的电控平移台具有μm级的重复精度和定位精度，由计算机系统通过数字驱动器控制，旨在测量过程中对沿Z轴的移动距离进行精确定位。

6、根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜全场检测方法，其特征在于：所述的测量方法是对被测非球面镜的全场测量，不需要进行子孔径拼接，不存在拼接误差。