CN102607461B - 一种光学元件面形误差的高精度测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种光学元件面形误差的高精度测试装置和方法，涉及光学测试技术领域，该装置成本低廉，能够快速简便的进行测量和对自身的测量误差进行校准，测量精度高，对测量环境的要求相对宽松。该装置和方法将相位复原方法和点衍射干涉仪的原理融合在一起。采用小孔为测试装置产生理想球面波，对光学面形误差进行高精度测试。该测试装置和方法具有两部分功能，既能够对光学元件的面形误差进行测试，又能对测试装置进行高精度校准。本发明具有低成本、高精度的特点，适合于光学成像系统的生产企业、科研和检测单位使用。

Description

一种光学元件面形误差的高精度测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种光学测试技术领域，具体涉及一种光学元件面形误差的高精度测试方法。

背景技术

对光学元件面形误差的精密检测通常使用干涉测量的方法，长时间使用干涉仪进行测量需要对干涉仪的测量误差进行校准，而对干涉仪的校准操作十分繁琐而且价格昂贵，对测试环境的要求也十分高。应用相位复原的方法对光学元件面形进行检测正在被广泛的开展研究。AugustusJ.E.MJanssen将Nijboer-Zernike理论进行了扩展，得到了ExtendedNijboer-Zernike（ENZ）理论，使之能够应用于离焦情况下的光学点扩散函数的计算。JosephJ.M.Braat,PeterDirksen,AugustusJ.E.MJanssen,ArthurS.vandeNes考虑了偏振和高数值孔径情况下ExtendedNijboer-Zernike的计算。利用这种ExtendedNijboer-Zernike（ENZ）理论进行相位复原具有很高的精度。同时根据点衍射干涉仪的原理，当单色光光束照明极小的小孔时，可以衍射产生理想的球面波，这样就为利用相位复原的方法测试光学元件的面形误差提供了基础。

发明内容

本发明提供了一种对光学元件面形误差的高精度测试装置及方法。该装置成本低廉，能够快速简便的进行测量和对自身的测量误差进行校准，测量精度高，对测量环境的要求相对宽松。

一种光学元件面形误差的高精度测试装置，该装置包括探测装置、照明系统、可转动的小孔板和待测光学元件；所述可转动的小孔板上设置有小孔、中心孔和方孔；可转动的小孔板以中心孔为圆心转动；小孔到中心孔的距离与方孔到中心孔的距离相等，所述中心孔的直径分别为其中NA为待测光学元件的数值孔径；λ为照明系统发出光束的波长；照明系统发出的光束经过可转动的小孔板的中心孔后产生理想测试光束，光束经过被测光学元件反射会聚后，穿过可转动的小孔板上的小孔或者方孔后，被探测装置采集，将所述探测装置对准可转动的小孔板的方孔，照明系统发出的光束经过可转动的小孔板的中心孔后产生理想测试光束，光束经过被测光学元件反射会聚后，穿过可转动的小孔板上的方孔，被探测装置采集。

一种光学元件面形误差的高精度测试方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、将探测装置对准可转动的小孔板上的小孔，照明系统发出的光束经过可转动的小孔板中的中心孔后产生理想测试光束，光束经过待测光学元件反射会聚后，穿过可转动的小孔板上的小孔，被探测装置采集；通过前后移动探测装置中的精密轴向微调导轨，获得由小孔衍射的不同离焦星点图像；

步骤二、计算探测装置的光学波前误差；

步骤三、将步骤一所述的探测装置对准可转动的小孔板的方孔，照明系统发出的光束经过可转动的小孔板的中心孔后产生理想测试光束，光束经过被测光学元件反射会聚后，穿过可转动的小孔板上的方孔，被探测装置采集；通过前后移动精密轴向微调导轨，获得待测光学元件不同的离焦星点图像；

步骤四、计算探测装置和待测光学元件的光学波前误差，并将该光学波前误差减去所述步骤二所述探测装置的光学波前误差，获得所测光学元件的面形误差。

本发明的有益效果：本发明采用小孔衍射产生的球面波校准了装置自身的误差，能够准确的测试待测光学元件的面形误差。同时由于需要采集的是待测光学元件的星点图像，测试过程中对振动空气扰动的要求较低。本发明所述的装置和方法将相位复原方法和点衍射干涉仪的原理融合在一起。测试装置和方法具有两部分功能，既能够对光学元件的面形误差进行测试，又能对利用相位复原方法测试的装置进行校准。测试和校准过程简单快捷，成本低廉。

附图说明

图1为本发明所述一种光学元件面形的高精度测试装置的整体示意图；

图2为本发明所述一种光学元件面形的高精度测试装置的小孔板示意图；

图3为本发明所述一种光学元件面形的高精度测试装置的探测装置示意图；

图4为本发明所述一种光学元件面形的高精度测试装置的照明装置与小孔板位置示意图。

图中：1、探测装置，2、照明系统，3、可转动的小孔板，4、待测光学元件，5、小孔，6、中心孔，7、方孔，8、显微物镜。9、精密轴向微调导轨，10、适配镜头，11、CCD探测器，12、精密五维调整机构，13、偏振分光棱镜，14、第一二分之一波片，15、第二二分之一波片，16、光度计，17照明物镜。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种光学元件面形误差的高精度测试装置，探测装置1、照明系统2、可转动的小孔板3和待测光学元件4；所述可转动的小孔板3上设置有小孔5、中心孔6和方孔7；可转动的小孔板3以中心孔6为圆心转动；小孔5到中心孔6的距离与方孔7到中心孔6的距离相等，所述中心孔6的直径分别为λ/2NA，其中NA为待测光学元件的数值孔径；λ为照明系统2发出光束的波长；照明系统2发出的光束经过可转动的小孔板3的中心孔6后产生理想测试光束，光束经过待测光学元件4反射会聚后穿过可转动的小孔板3上的小孔5或者方孔7后，被探测装置1采集。

本实施方式所述的探测装置1由显微物镜8、精密轴向微调导轨9、适配镜头10、CCD探测器11和精密五维调整机构12组成；显微物镜8和适配镜头10组成光学放大系统，将星点图像成像在CCD探测器11上，利用CCD探测器11采集经光学放大系统放大的星点图像。显微物镜8、适配镜头10和CCD探测器11安装在精密轴向微调导轨9上，通过前后移动精密轴向微调导轨9来实现对不同离焦星点图像的采集。精密轴向微调导轨9安装在精密五维调整机构12上，利用精密五维调整机构12将显微物镜8、精密轴向微调导轨9、适配镜头10和CCD探测器11组成的整体调整到正确的位置上。所述的CCD探测器11的分辨率大于1k×1k，由显微物镜8和适配镜头10组成系统的光学放大倍率足够的大，使待测元件焦面处的星点图像占CCD探测器11的总面积的一半。

本实施方式所述的照明系统2由偏振分光棱镜13、第一二分之一波片14、第二二分之一波片15、光度计16和照明物镜17组成。照明系统2采用激光器作为照明光源。光束经过偏振分光棱镜13后分为两束：一束光经反射穿过第二二分之一波片15被光度计16采集，利用光度计16记录照明光束的光强；另一束光透射穿过第一二分之一波片14和照明物镜17被汇聚到可转动的小孔板3的中心孔6上。同时由于第一二分之一波片14和第二二分之一波片15的存在，能够防止反射的激光光束穿过偏振分光棱镜13，以免引起激光光源的不稳定。方孔7的尺寸能够让待测光学元件4的反射光束刚好完全通过。

本实施方式所述的小孔5到中心孔6的距离等于中心孔6衍射光斑的二级衍射环半径与待测光学元件4的反射光束在可转动的小孔板3上的衍射光斑的二级衍射环半径之和。

具体实施方式二、一种光学元件面形的高精度测试方法，该方法由以下步骤实现：

步骤A、搭建光学成像系统的检测平台；

步骤B、将步骤一所述的检测平台中的探测装置1对准可转动的小孔板3上的小孔5，通过前后移动探测装置1中的精密轴向微调导轨9，获得由小孔5衍射的不同离焦星点图像；

步骤C、计算探测装置1的光学波前误差；

步骤D、将步骤一所述的检测平台中的探测装置1对准可转动的小孔板3上的较大的方孔7，通过前后移动探测装置1中的精密轴向微调导轨9，所获得由方孔7通过的不同离焦星点图像；

步骤E、计算获得光学波前误差，并减去步骤C所述的探测装置1的光学波前误差，最终获得所测光学元件的面形误差。

本实施方式所述的照明系统2发出的照明光束为圆偏振光，在照明物镜17前放置偏振分光棱镜13和第一二分之一波片14，防止出射光束反射回激光器引起光源不稳定。同时记录偏振分光棱镜反射光束的光强。

本实施方式中步骤B获得小孔衍射的不同星点图像时，将小孔5对准探测装置1，采用探测装置中1精密五维调整机构12将探测装置1调整到最佳成像位置，利用精密轴向微调导轨9以此位置为中心，对称等间距采集星点图像。

本实施方式中步骤D获得方孔衍射的不同星点图像时，将较大的方孔7对准探测装置1，利用精密五维调整机构12将探测装置调整到最佳成像位置，利用精密轴向微调导轨9以此位置为中心，对称等间距采集星点图像。

本实施方式中步骤B和步骤D所述的采集不同离焦星点图像时，调整入射光束的光强使离焦图像的中心光强接近饱和，并分别记录偏振分光棱镜反射光束的光强I_i(i=1，2，3......)，将离焦图像分别除以光强Ii，进行归一化。通过这种方式，降低了CCD探测器的噪声和模数转换带来的误差。

本实施方式中步骤C和步骤E可以利用不同离焦情况下的星点图像计算光学波前误差时，利用基于ENZ理论的相关相位复原算法，获得波前误差。同时，本实施方式中为了防止中心小孔6衍射光斑的一级衍射环和待测光学元件4的反射光束在可转动的小孔板3的光斑一级衍射环混叠，需要对待测光学元件引入倾斜。为了消除待测光学元件倾斜引入的误差，在进行上述步骤E时，将利用基于ENZ理论的相关相位复原算法获得测试波前误差中，减去通过光学软件计算出的由于待测光学元件倾斜引入的误差量；也可以在利用基于ENZ理论的相关相位复原算法，获得波前误差后，将可转动的小孔板3旋转180°，将待测光学元件做反方向等量倾斜，将检测平台中的探测装置1对准可转动的小孔板3上的较大的方孔7，通过前后移动探测装置1中的精密轴向微调导轨9，再次获得由方孔7通过的不同离焦星点图像，再次利用基于ENZ理论的相关相位复原算法，获得波前误差，两次获得的波前误差结果取平均值。

本实施方式采用可转动的小孔板上的足够小的小孔和中心小孔衍射生成球面波，将小孔对准探测装置测试探测装置的误差；将可转动的小孔板上的方孔对准探测装置测试待测光学元件和探测装置的误差，将两次测得的结果相减，得到待测光学元件的面形误差。

Claims (4)

1.一种光学元件面形误差的高精度测试装置，该装置包括探测装置(1)、照明系统(2)、可转动的小孔板(3)和待测光学元件(4)；其特征是，所述可转动的小孔板(3)上设置有小孔(5)、中心孔(6)和方孔(7)；可转动的小孔板(3)以中心孔(6)为圆心转动；小孔(5)到中心孔(6)的距离与方孔(7)到中心孔(6)的距离相等，所述中心孔(6)的直径为其中NA为待测光学元件(4)的数值孔径；λ为照明系统(2)发出光束的波长，照明系统(2)发出的光束经过可转动的小孔板(3)的中心孔(6)后产生理想测试光束，光束经过待测光学元件(4)反射会聚后穿过可转动的小孔板(3)上的小孔(5)，被探测装置(1)采集，通过前后移动探测装置(1)中的精密轴向微调导轨(9)，获得由小孔(5)衍射的不同离焦星点图像；将所述探测装置(1)对准可转动的小孔板(3)的方孔(6)，照明系统(2)发出的光束经过可转动的小孔板(3)的中心孔(6)后产生理想测试光束，光束经过待测光学元件(4)反射会聚后，穿过可转动的小孔板(3)上的方孔(7)，被探测装置(1)采集；通过前后移动探测装置(1)中精密轴向微调导轨(9)，获得待测光学元件(4)不同的离焦星点图像。

2.根据权利要求1所述的一种光学元件面形误差的高精度测试装置，其特征在于，所述探测装置(1)由显微物镜(8)、精密轴向微调导轨(9)、适配镜头(10)、CCD探测器(11)和精密五维调整机构(12)组成；所述显微物镜(8)和适配镜头(10)组成光学放大系统，将星点图像成像在CCD探测器(11)上，显微物镜(8)、适配镜头(10)和CCD探测器(11)安装在精密轴向微调导轨(9)上，所述精密轴向微调导轨(9)安装在精密五维调整机构(12)上。

3.根据权利要求1所述的一种光学元件面形误差的高精度测试装置，其特征在于，所述照明系统(2)由偏振分光棱镜(13)、第一二分之一波片(14)、第二二分之一波片(15)、光度计(16)和照明物镜(17)组成；照明系统(2)发出的光束经偏振分光棱镜(13)分为两束，一束光经反射至第二二分之一波片(15)被光度计(16)采集，另一束光透射至第一二分之一波片(14)和照明物镜(17)汇聚到可转动的小孔板的中心孔(6)。

4.一种光学元件面形误差的高精度测试方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、将探测装置(1)对准可转动的小孔板(3)上的小孔(5)，照明系统(2)发出的光束经过可转动的小孔板的中心孔(6)后产生理想测试光束，光束经过待测光学元件(4)反射会聚后，穿过可转动的小孔板(3)上的小孔(5)，被探测装置(1)采集；通过前后移动探测装置(1)中的精密轴向微调导轨(9)，获得由小孔(5)衍射的不同离焦星点图像；所述可转动的小孔板(3)以中心孔(6)为圆心转动；小孔(5)到中心孔(6)的距离与方孔(7)到中心孔(6)的距离相等，所述中心孔(6)的直径为其中NA为待测光学元件(4)的数值孔径；λ为照明系统(2)发出光束的波长；

步骤二、计算探测装置(1)的光学波前误差；

步骤三、将步骤一所述的探测装置(1)对准可转动的小孔板(3)的方孔(6)，照明系统(2)发出的光束经过可转动的小孔板(3)的中心孔(6)后产生理想测试光束，光束经过待测光学元件(4)反射会聚后，穿过可转动的小孔板(3)上的方孔(7)，被探测装置(1)采集；通过前后移动探测装置(1)中精密轴向微调导轨(9)，获得待测光学元件(4)不同的离焦星点图像；

步骤四、计算探测装置(1)和待测光学元件(4)的光学波前误差，并将该光学波前误差减去所述步骤二所述探测装置(1)的光学波前误差，获得待测光学元件(4)的面形误差。