CN101476880A - 大口径平面光学元件的面形检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

大口径平面光学元件的面形检测装置和方法，属于光学元件质量检测装置和方法，目的是解决现有大口径平面光学元件的检测装置及方法存在的不足，包括机架、图像采集与处理系统和三维精密运动控制系统；三维精密运动控制系统包括可转动安装在机架上的垂直运动导轨、能够在垂直运动导轨上滑动的水平运动导轨，垂直运动导轨上固定安装的转轴与旋转动力机构连接；图像采集与处理系统包括设置在水平运动导轨的滑块上的第一扫描五棱镜、与水平运动导轨同轴固定安装的第一参考五棱镜和第二扫描五棱镜，与垂直运动导轨同轴固定安装的第二参考五棱镜以及与水平运动导轨同轴固定安装的光学头。可应用于对大口径平面光学元件进行检测，特别适于在线检测。

Description

大口径平面光学元件的面形检测装置和方法

技术领域

本发明属于光学元件质量检测装置和方法，特别涉及大口径平面光学元件的面形检测装置和方法。

背景技术

大口径平面光学元件加工过程中多为水平放置，由于重力的影响，在垂直或一定的倾角状态下，面形将有所改变；同时，由于机械支撑结构的改变，对面形也有较大的影响。所以，需要对大口径平面光学元件在实际使用状态下的进行面形检测。

面形检测主要有角差法、LTP、瞬态干涉仪和哈特曼检测等方法。

角差法的原理是面形的变化可通过其各点法线方向角度的变化量而反映出，采用高精度测试角度变化量的方法可计算获知面形轮廓状态，同时通过条带区域面形轮廓的测试原理分析，可给出该方法的测量不确定度，其测试精度可达到1/8个波长，目前的报道仅实现了对一维面形的检测，而无二维。

LTP是采用细光束干涉计量原理，若被检测面相对垂直于光轴的平面倾斜一定角度，则在LTP的焦平面探测器上的干涉条纹就有移动，通过精确测量其移动距离，就可以得到倾斜度误差的变化曲线，对该曲线积分就可获得高度误差曲线，其测试精度能达到1/20个波长。

瞬态干涉仪是将空间位相调制的共路剪切干涉仪技术与数字化波面技术相结合的干涉系统，可采用近红外作为测试光源，测量精度能达到波前均方根优于1/15波长。

哈特曼检测法是通过一个有若干小孔光阑的波面进行采样的检测方法，受外界影响小，对检测环境要求比干涉仪的检测环境要求低；但实验中需要的大口径哈特曼扩束系统的光学系统设计、结构设计要求高，且成本也高。

上述干涉法对检测环境要求高，在ICF实验室中的在线检测条件很难满足瞬态干涉仪或LTP的要求，而且不能对处于不同倾斜状态的光学元件进行面形检测。

发明内容

本发明的目的是解决现有大口径平面光学元件的检测装置及方法存在的上述不足，提供一种大口径平面光学元件的面形检测装置和方法，应用此装置和方法可以检测处于不同倾斜姿态的平面元件面形分布，对光学系统和环境的要求低，结构简单，而且数据处理快，能实时在线检测。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

大口径平面光学元件的面形检测装置，所述检测装置包括机架、图像采集与处理系统和三维精密运动控制系统；三维精密运动控制系统包括可转动安装在机架上的垂直运动导轨、能够在垂直运动导轨上滑动的水平运动导轨，垂直运动导轨上固定安装的转轴与旋转动力机构连接；图像采集与处理系统包括设置在水平运动导轨的滑块上的第一扫描五棱镜、与水平运动导轨同轴固定安装的第一参考五棱镜和第二扫描五棱镜、与垂直运动导轨同轴固定安装的第二参考五棱镜以及与水平运动导轨同轴固定安装的光学头。

所述机架为龙门框架，两条垂直运动导轨通过转轴分别安装在该龙门框架的两侧边上，水平运动导轨的两端固定连接于嵌在垂直运动导轨的滑块上。

所述光学头包括CCD成像元件、将单一点光源的光线分散成平行光的透镜、将平行光聚成点光源的透镜以及分光镜。

所述在线检测装置还包括通过单模光纤与光学头连接的激光器。

所述三维精密运动控制系统包括分别控制滑块在水平运动导轨上、水平运动导轨在垂直运动导轨上的位移和控制垂直运动导轨转轴旋转角度的动力机构。

大口径平面光学元件的面形检测方法，包括如下步骤：

a.将测试装置和被测平面光学元件相对而置，调节微动机械调整机构，使被测平面光学元件被测表面与测试装置的垂直运动导轨平行；对于与垂直运动导轨成夹角的被测平面光学元件，转动垂直运动导轨的转轴，使被测平面光学元件与测试装置平行；

b.设定被测平面光学元件的尺寸、垂直运动导轨和水平运动导轨的运动步长和运动的起始坐标原点；

c.开启激光器，通过光学头产生平行光，经过第一、第二参考五棱镜和第一、第二扫描五棱镜照射到被测平面光学元件，再返回到光学头，经分光镜汇聚成点光源；

d.动力机构分别驱动滑块上的第一扫描五棱镜沿水平运动导轨运动、与水平运动导轨同轴安装的第二扫描五棱镜和第一参考五棱镜沿垂直运动导轨运动，对被测平面光学元件进行二维扫描；

e.图像采集与处理系统采集自第一、第二参考五棱镜和第一、第二扫描五棱镜返回的点光源的光斑，对图像进行处理获取光斑的质心位置，水平方向和垂直方向上的参考光斑和检测点光斑的位移，得到被测平面光学元件的面形分布。

本发明采用上述结构，将点光源通过光学头扩束准直后的平行光作为测试光源，将平行测试光经过分光镜、多个扫描五棱镜和参考五棱镜后多束光入射到元件表面，反射后沿原光路返回，通过分光镜进入CCD成像元件成像；通过控制高精密运动控制系统的垂直、水平方向的运动做二维扫描控制，从而可获得被测平面光学元件的面形分布。

本发明由于以被测光学元件为参考物和利用五棱镜的一维不变性，克服了传统角差法不能有效扣除运动平台因机械运动或振动等带来的测量误差问题；同时由于采用了在垂直方向(列)测试中的两束参考光，可有效扣除振动带来的影响，同时还以被光学元件作为绝对参考，从而还能扣除因地基振动、大气振动等带来的误差。

本发明的装置结构简单，只需要一束独立测试光源经过分光镜、五棱镜等光学元件后产生多束平行光入射到元件表面，无需调节多束入射光的平行光路，易于快速调节，同时本发明装置还可通过二维运动控制平台的整体倾斜，测试处于不同倾斜状态的光学元件的面形，便于在线检测，便于工业化推广，同时还具有成本低、易于工业化实施应用、数据处理快等优点。

由于大口径平面光学元件在ICF等应用十分广泛，许多企事业单位为了保证产品的质量和元件的装调质量而需要对元件的面形进行在线检测，而进口大口径平面光学元件的哈特曼检测装置则超过数百万人民币，且不能对处于不同倾斜状态的元件进行面形分布检测，而国内还没有类似产品应用中实际生产中；而本装置仅需要60余万就可以实现大口径平面元件的面形检测。

可见，采用本发明的装置和方法，具有结构简单、装调方便、数据处理快、成本低、可在二维上进行扫描及检测与装置有夹角的被测元件的优点，可应用于对大口径的平面光学元件进行检测，特别适用于对其进行在线检测。

附图说明

图1是本发明中装置的结构示意图；

图2是本发明中装置的光学系统示意图；

图中标号：1是机架，2是垂直运动导轨，3是第二扫描五棱镜，4是光学头，5是第一扫描五棱镜，6是第一参考五棱镜，7是第二参考五棱镜，8是水平运动导轨，9是转轴，10是被测平面光学元件，11是激光器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

大口径平面光学元件的面形检测装置包括机架、图像采集与处理系统和三维精密运动控制系统；三维精密运动控制系统包括可转动安装在机架上的垂直运动导轨、能够在垂直运动导轨上滑动的水平运动导轨，垂直运动导轨上固定安装的转轴与旋转动力机构连接；图像采集与处理系统包括设置在水平运动导轨的滑块上的第一扫描五棱镜、与水平运动导轨同轴固定安装的第一参考五棱镜和第二扫描五棱镜、与垂直运动导轨同轴固定安装的第二参考五棱镜、正对第二参考五棱镜的光学头。

三维精密运动控制系统包括分别控制滑块在水平运动导轨上、水平运动导轨在垂直运动导轨上的位移和控制垂直运动导轨转轴旋转角度的动力机构及动力机构的精密控制机构。

如图1所示，机架1为龙门框架、两条垂直运动导轨2通过同轴的转轴9可转动安装在龙门框架两侧边，水平运动导轨8的两端分别固定连接在两条垂直运动导轨2的滑块上，或是水平运动导轨8的两端直接可滑动地嵌在两条垂直运动导轨2上，转轴9与控制垂直运动导轨转轴旋转角度的动力机构轴联，在该动力机构的受控驱动下，转轴9可以按设定的角度旋转，以带动垂直运动导轨2、安装在垂直运动导轨2上的水平运动导轨8偏转相应的角度，因此，安装在水平运动导轨上的五棱镜则可以通过在水平运动导轨上的滑动、水平运动导轨在垂直运动导轨上的滑动、垂直运动导轨的转动而实现三维调整，使用时，垂直运动导轨调整到位后，则可以实现二维扫描。

如图1、图2所示，图像采集与处理系统包括设置在水平运动导轨8的滑块上的第一扫描五棱镜5、与水平运动导轨同轴固定安装的第一参考五棱镜6、第二扫描五棱镜3和光学头4、与垂直运动导轨同轴固定安装的第二参考五棱镜7。本发明中所述同轴安装表示安装在与相应导轨平行的轴上。

如图2所示，光学头4包括CCD成像元件、将单一点光源的光线分散成平行光的透镜、将平行光聚成点光源的透镜以及分光镜等。

上述检测装置还包括通过单模光纤和光学头4连接、作为测试光源的激光器11。

使用上述检测装置对大口径平面光学元件进行检测的方法如图2所示，上述检测装置在使用状态时为水平放置，与被测平面光学元件10相对，具体步骤如下：

a.将测试装置和被测平面光学元件相对而置，调节微动机械调整机构，使被测平面光学元件被测表面与测试装置的垂直运动导轨平行；对于与垂直运动导轨成夹角的被测平面光学元件，通过动力机构及其控制系统驱动旋转垂直运动导轨的转轴，使被测平面光学元件与测试装置平行；

b.设定被测平面光学元件的尺寸、垂直运动导轨和水平运动导轨的运动步长和运动的起始坐标原点；

c.开启激光器，通过光学头产生平行光，经过第一、第二参考五棱镜和第一、第二扫描五棱镜照射到被测平面光学元件，再返回到光学头，经分光镜汇聚成点光源；

d.动力机构分别驱动滑块上的第一扫描五棱镜沿水平运动导轨运动、与水平运动导轨同轴安装的第二扫描五棱镜和第一参考五棱镜沿垂直运动导轨运动，对被测平面光学元件进行二维扫描；

e.图像采集与处理系统采集自第一、第二参考五棱镜和第一、第二扫描五棱镜返回的点光源的光斑，对图像进行处理获取光斑的质心位置，水平方向和垂直方向上的参考光斑和检测点光斑的位移，得到被测平面光学元件的面形分布。

本实施例中的光学系统如图2所示，图中各光学元件之间的虚线表示光路，其中第一扫描镜5、第二扫描镜3等为透光五棱镜。激光器11发出的点光源经过一个将点光源扩展为平行光的透镜，经过分光镜、两个五棱镜、一个透镜进行扩束准直，以扩束准直后的平行光作为测试光源，该测试光经过多个五棱镜后将分为四束平行光(其中一束未在图2中示出，为经过第二参考五棱镜7照射到被测光学元件表面)照射到被测光学元件表面上；该测试光源通过一透光五棱镜后分成透射光和反射光，透射光经第二扫描五棱镜3照射到被测平面光学元件10的表面，反射后再沿原路返回，反射光线经第一扫描五棱镜5照射到被测平面光学元件10，反射后再沿原路返回；第一扫描镜5的透射光则经第一参考五棱镜6照射到被测平面光学元件10，反射后再沿原路返回；第二扫描五棱镜3反射后的光经第二参考五棱镜照射到被测平面光学元件10，反射沿原路返回；经被测平面光学元件10反射回的4束平行光再进入光学头，经分光镜进入一个将平行光聚成点光源的透镜，形成4个光斑并在CCD成像元件上形成检测图像。

通过检测图像中水平方向和垂直方向上的参考激光光斑和检测点光斑的位移，从而计算出元件表面的面形分布。

Claims (6)

1、大口径平面光学元件的面形检测装置，其特征在于，所述检测装置包括机架、图像采集与处理系统和三维精密运动控制系统；三维精密运动控制系统包括可转动安装在机架上的垂直运动导轨、能够在垂直运动导轨上滑动的水平运动导轨，垂直运动导轨上固定安装的转轴与旋转动力机构连接；图像采集与处理系统包括设置在水平运动导轨的滑块上的第一扫描五棱镜、与水平运动导轨同轴固定安装的第一参考五棱镜和第二扫描五棱镜、与垂直运动导轨同轴固定安装的第二参考五棱镜以及与水平运动导轨同轴固定安装的光学头。

2、如权利要求1所述大口径平面光学元件的面形检测装置，其特征在于，所述机架为龙门框架，两条垂直运动导轨通过转轴分别安装在该龙门框架的两侧边上，水平运动导轨的两端固定连接于嵌在垂直运动导轨的滑块上。

3、如权利要求1所述大口径平面光学元件的面形检测装置，其特征在于，所述光学头包括CCD成像元件、将单一点光源的光线分散成平行光的透镜、将平行光聚成点光源的透镜以及分光镜。

4、如权利要求3所述大口径平面光学元件的面形检测装置，其特征在于，所述在线检测装置还包括通过单模光纤与光学头连接的激光器。

5、如权利要求1所述大口径平面光学元件的面形检测装置，其特征在于，所述三维精密运动控制系统包括分别控制滑块在水平运动导轨上、水平运动导轨在垂直运动导轨上的位移和控制垂直运动导轨转轴旋转角度的动力机构。

6、大口径平面光学元件的面形检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.将测试装置和被测平面光学元件相对而置，调节微动机械调整机构，使被测平面光学元件被测表面与测试装置的垂直运动导轨平行；对于与垂直运动导轨成夹角的被测平面光学元件，转动垂直运动导轨的转轴，使被测平面光学元件与测试装置平行；

b.设定被测平面光学元件的尺寸、垂直运动导轨和水平运动导轨的运动步长和运动的起始坐标原点；

c.开启激光器，通过光学头产生平行光，经过第一、第二参考五棱镜和第一、第二扫描五棱镜照射到被测平面光学元件，再返回到光学头，经分光镜汇聚成点光源；

d.动力机构分别驱动滑块上的第一扫描五棱镜沿水平运动导轨运动、与水平运动导轨同轴安装的第二扫描五棱镜和第一参考五棱镜沿垂直运动导轨运动，对被测平面光学元件进行二维扫描；

e.图像采集与处理系统采集自第一、第二参考五棱镜和第一、第二扫描五棱镜返回的点光源的光斑，对图像进行处理获取光斑的质心位置，水平方向和垂直方向上的参考光斑和检测点光斑的位移，得到被测平面光学元件的面形分布。

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