CN103196387B - 柱面面型检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱面面型检测系统及方法，所述系统包括干涉仪、会聚的透射球面、计算全息元件、空间滤波器及待测柱面，所述干涉仪、会聚的透射球面和计算全息元件依次沿干涉仪光轴放置，所述空间滤波器和待测柱面依次离轴置于所述计算全息元件后。本发明结构简单，加工难度低，抗干扰能力强，计算全息元件的最小刻划间隔大，检测精度高。

Description

柱面面型检测系统及方法

技术领域

本发明涉及光学仪器检测技术领域，特别是涉及一种柱面面型非接触式检测系统及方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，柱面在科研领域和日常生活中扮演着越来越重要的角色。其中，柱面面型质量的高精度检测是柱面广泛应用的最关键技术之一，也是柱面高精度加工的基础。

目前，检测柱面的方法有样板法、轮廓仪检测法、辅助平面法、光纤法、标准柱面法、计算全息法。样板法和轮廓仪检测法都属于接触式检测，容易划伤待测柱面，测量精度较低。辅助平面法不能检测柱面面型的非对称偏差，且辅助平面法和光纤法只对小相对孔径的柱面有效。标准柱面法需要标准柱面，其价格相当昂贵且很难加工。计算全息法中，采用平行光照射计算全息元件，其最小刻划间隔很小，加工精度难以保证。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种柱面面型检测系统及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种柱面面型检测系统及方法，能够对柱面进行非接触式测量，还能检测大相对孔径柱面，且不用标准柱面。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种柱面面型检测系统，所述系统包括干涉仪、会聚的透射球面、计算全息元件、空间滤波器及待测柱面，所述干涉仪、会聚的透射球面和计算全息元件依次沿干涉仪光轴放置，所述空间滤波器和待测柱面依次离轴置于所述计算全息元件后，其中：

所述干涉仪，用于生成平行光束、滤除像面干扰级次、接收并处理干涉图像，所述干涉图像为检测光和参考光形成的干涉图像，所述检测光为会聚光束透过计算全息元件衍射的衍射光经待测柱面表面反射，按原路返回再经计算全息图衍射的衍射光；

所述会聚的透射球面，用于将部分平行光束调整为会聚光束，还用于反射部分平行光束作为参考光；

所述计算全息元件，用于对会聚光束产生衍射，还用于对经待测柱面表面反射，并按原路返回的光束产生衍射；

所述空间滤波器，用于滤除经计算全息元件衍射的光束交线面上的干扰杂散光。

作为本发明的进一步改进，所述干涉仪内部设有针孔滤波器，用于过滤检测光和参考光。

作为本发明的进一步改进，所述待测柱面相对于干涉仪光轴有倾斜和偏心，用于滤除干扰杂散光。

作为本发明的进一步改进，所述待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与所述会聚光束F数的比值在0.55至0.9之间。

相应地，一种柱面面型检测方法，所述方法包括以下步骤：

S1、干涉仪生成平行光束；

S2、生成检测光和参考光，将部分平行光束通过会聚的透射球面调整为会聚光束，通过计算全息元件进行衍射后，并通过空间滤波器滤除干扰杂散光后，经待测柱面表面反射，按原路返回再进行衍射，得到检测光；将部分平行光束通过会聚的透射球面进行反射得到参考光；

S3、干涉仪接收检测光和参考光并进行干涉形成的干涉图像，根据干涉图像检测柱面面型。

作为本发明的进一步改进，所述检测方法对待测柱面的检测采用非接触式检测。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1前还包括：

选取合适的会聚透射球面，使得待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与所述会聚光束F数的比值在0.55至0.9之间。

与现有技术相比，本发明柱面面型检测系统及方法结构简单，加工难度低，抗干扰能力强，计算全息元件的最小刻划间隔大，检测精度高。采用会聚透射球面和计算全息元件结合，对柱面面型进行非接触式检测；采用会聚光束照射计算全息元件，计算全息元件的最小刻划间隔能取到最大值；通过对干涉图像进行分析，得出柱面面型偏差，能够高精度检测柱面面型；柱面相对干涉仪光轴有倾斜和偏心，能够有效滤除杂散光。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一优选实施方式中柱面面型检测系统的结构示意图。

图2为本发明实施例1中柱面面型检测系统在光学设计软件中模拟的结构图；

图3为本发明实施例1中检测光波的残留波像差图；

图4为本发明实施例1中会聚光束经计算全息元件衍射后在空间滤波器处分布情况示意图；

图5为本发明实施例1中经柱面反射按原路返回的光束在空间滤波器处分布情况示意图；

图6为本发明实施例1中像面上各级次光斑分布情况示意图；

图7为本发明实施例1中检测光和参考光进行像面干涉后形成的干涉图像。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示为本发明一实施方式中柱面面型检测系统的结构示意图，该检测系统包括干涉仪1、会聚的透射球面2、计算全息元件3、空间滤波器4及待测柱面5，干涉仪1、会聚的透射球面2和计算全息元件3依次沿干涉仪1光轴放置，空间滤波器4和待测柱面5依次离轴置于计算全息元件后。

本实施方式中柱面面型检测系统的各元件具体功能如下：

干涉仪1用于生成平行光束、滤除像面干扰级次、接收并处理干涉图像，干涉图像为检测光和参考光形成的干涉图像，检测光为会聚光束透过计算全息元件衍射的衍射光经待测柱面表面反射，按原路返回再经计算全息图衍射的衍射光。干涉仪内部设有针孔滤波器，用于过滤检测光和参考光；

会聚的透射球面2用于将部分平行光束调整为会聚光束，还用于反射部分平行光束作为参考光；

计算全息元件3用于对会聚光束产生衍射，还用于对经待测柱面表面反射，并按原路返回的光束产生衍射；

空间滤波器4用于滤除经计算全息元件衍射的光束交线面上的干扰杂散光。

待测柱面5相对于干涉仪1光轴有倾斜和偏心，调整柱面相对于光轴的倾斜角度和偏心值，可以使干扰杂散光与所需光束有效分离，便于滤波。

计算全息元件3是根据全息术原理制成的衍射光学元件。计算全息元件在本专业领域中简称为CGH。CGH的显著优点是可以全面记录光波的振幅和相位，具有极大灵活性。

利用会聚光束照射所述计算全息元件，计算全息元件的最小刻划间隔明显增大。

其中，计算全息元件的最小刻划间隔变化规律为：

待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与会聚光束F数的比值在0.55至0.9之间时，计算全息元件的最小刻划间隔能取到最大值。

根据上述规律，选择合适的会聚透射球面，可以使计算全息元件的最小刻划间隔达到或接近最大值。

相应地，本发明中柱面面型检测方法包括以下步骤：

S1、干涉仪1生成平行光束；

S2、生成检测光和参考光，将部分平行光束通过会聚的透射球面2调整为会聚光束，通过计算全息元件3进行衍射后，并通过空间滤波器4滤除干扰杂散光后，经待测柱面5表面反射，按原路返回再进行衍射，得到检测光；将部分平行光束通过会聚的透射球面2进行反射得到参考光；

S3、干涉仪1接收检测光和参考光并进行干涉形成的干涉图像，根据干涉图像检测柱面面型。

形成干涉图像以后，对干涉图像进行分析，具体为：如果柱面面型无误差，则干涉图为等间距均匀分布的条纹；如果柱面面型有误差，则干涉图中条纹间距或者形状会发生变化。

本发明采用会聚透射球面镜和计算全息元件结合，对柱面面型进行非接触式检测，抗干扰能力强且检测精度高。

以下通过具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例1：

本实施方式中柱面面型检测系统的设计过程：

（1）假设被检柱面面型公式为：

x²=2rz-z²，

其中，本实施例中所选r=600mm；柱面口径为60mm；

（2）选择合适的会聚透射球面，待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与会聚光束F数的比值R=0.73；

（3）设置会聚透射球面2与计算全息元件3的间距d=100mm；

（4）设计计算全息元件3是指设计刻制在基底上的波纹状图案，其相位函数与干涉仪所产生的光束波长有关，本实施例中，所用光束波长为632.8nm；

（5）空间滤波器4为狭缝滤波器，放置在待测柱面焦面上，本实施例所选狭缝宽度最大能达到16mm；

（6）设置参数，使柱面相对干涉仪光轴有倾斜和偏心；

（7）所选干涉仪1内部针孔滤波器的滤波孔径为2mm。

根据以上操作过程，在光学设计软件中设计并优化了这一检测系统，重点是将参考光和检测光会聚到同一点，且使所需光束与其他干扰级次明显分离。本实施例精度可达到0.0134λP-V，其中λ为干涉仪所产生光束的波长；计算全息元件的最小刻划间隔为15.8μm。若采用平行光束照射计算全息元件检测该柱面，计算全息元件的最小刻划间隔仅为5.7μm。

由图2～图7可以看出，本发明与现有技术相比，检测精度明显提高，本优选实施例待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与会聚光束F数的比值R=0.73，计算全息元件的最小刻划间隔非常接近最大值。本优选实施例与采用平行光束照射计算全息元件检测该柱面相比，计算全息元件的最小刻划间隔明显增大。柱面相对干涉仪光轴有倾斜和偏心，能够更好地滤除杂散光。

实施例2：

柱面面型检测系统的设计过程如实施例1所述，本优选实施例与实施例1的不同之处是步骤（1）、步骤（2）和步骤（5），步骤（1）中所选r=420mm；步骤（2）中所选会聚透射球面，使待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与会聚光束F数的比值R=0.7；步骤（5）中所选狭缝滤波的狭缝宽度最大为10mm。

根据上面的操作过程，在光学设计软件中设计并优化了这一检测系统，本实施例精度可达到0.0051λP-V，其中λ为干涉仪所产生光束的波长；本优选实施例中，计算全息元件的最小刻划间隔为11.7μm。若利用平行光束照射计算全息元件检测该柱面，其最小刻划间隔仅为4.1μm。

此实施例在光学设计软件中模拟得到的结果示意图与实施例1类似。

本发明与现有技术相比，检测精度明显提高，本优选实施例待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与会聚光束F数的比值R=0.7，计算全息元件的最小刻划间隔非常接近最大值。本优选实施例与采用平行光束照射计算全息元件检测该柱面相比，计算全息元件的最小刻划间隔明显增大。柱面相对干涉仪光轴有倾斜和偏心，能够更好地滤除杂散光。

实施例3：

柱面面型检测系统的设计过程如实施例1所述，本优选实施例与实施例1的不同之处是步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）和步骤（5），步骤（1）中所选r=300mm；步骤（2）中所选会聚透射球面，使待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与会聚光束F数的比值R=0.68；步骤（3）中所选会聚透射球面与计算全息元件的间距d=200mm；步骤（5）中所选狭缝滤波的狭缝宽度最大为7mm。

根据上面的操作过程，在光学设计软件中设计并优化了这一检测系统，本实施例精度可达到0.0174λP-V，其中λ为干涉仪所产生光束的波长；本优选实施例中，计算全息元件的最小刻划间隔为8.6μm。若利用平行光束照射计算全息元件检测该柱面，其最小刻划间隔仅为3μm。

此实施例在光学设计软件中模拟得到的结果示意图也与实施例1类似。

本发明与现有技术相比，检测精度明显提高，本优选实施例待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与会聚光束F数的比值R=0.68，计算全息元件的最小刻划间隔非常接近最大值。本优选实施例与采用平行光束照射计算全息元件检测该柱面相比，计算全息元件的最小刻划间隔明显增大。柱面相对干涉仪光轴有倾斜和偏心，能够更好地滤除杂散光。

实施例4：

柱面面型检测系统的设计过程如实施例1所述，本优选实施例与实施例1的不同之处是步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）和步骤（5），步骤（1）中所选r=40mm；步骤（2）中所选会聚透射球面，使待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与会聚光束F数的比值R=0.55；步骤（3）中所选会聚透射球面与计算全息元件的间距d=20mm；步骤（5）中所选狭缝滤波的狭缝宽度最大为2mm。

根据上面的操作过程，在光学设计软件中设计并优化了这一检测系统，本实施例精度可达到0.0115λP-V，其中λ为干涉仪所产生光束的波长；本优选实施例中，计算全息元件的最小刻划间隔为2.1μm。若利用平行光束照射计算全息元件检测该柱面，其最小刻划间隔仅为0.8μm。

此实施例在光学设计软件中模拟得到的结果示意图与实施例1类似。

本发明与现有技术相比，检测精度明显提高，本优选实施例待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与会聚光束F数的比值R=0.55，计算全息元件的最小刻划间隔非常接近最大值。本优选实施例与采用平行光束照射计算全息元件检测该柱面相比，计算全息元件的最小刻划间隔明显增大。柱面相对干涉仪光轴有倾斜和偏心，能够更好地滤除杂散光。

实施例5：

柱面面型检测系统的设计过程如实施例1所述，本优选实施例与实施例1的不同之处是步骤（1）、步骤（2）、步骤（3）和步骤（5），步骤（1）中所选r=1200mm；步骤（2）中所选会聚透射球面，使待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与会聚光束F数的比值R=0.9；步骤（3）中所选会聚透射球面与计算全息元件的间距d=2000mm；步骤（5）中所选狭缝滤波的狭缝宽度最大为22mm。

根据上面的操作过程，在光学设计软件中设计并优化了这一检测系统，本实施例精度可达到0.0094λP-V，其中λ为干涉仪所产生光束的波长；本优选实施例中，计算全息元件的最小刻划间隔为29.2μm。若利用平行光束照射计算全息元件检测该柱面，其最小刻划间隔仅为10.1μm。

此实施例在光学设计软件中模拟得到的结果示意图与实施例1类似。

本发明与现有技术相比，检测精度明显提高，本优选实施例待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与会聚光束F数的比值R=0.9，计算全息元件的最小刻划间隔非常接近最大值。本优选实施例与采用平行光束照射计算全息元件检测该柱面相比，计算全息元件的最小刻划间隔明显增大。柱面相对干涉仪光轴有倾斜和偏心，能够更好地滤除杂散光。

由以上技术方案可以看出，本发明提供的柱面面型检测系统及方法具有以下有益效果：

利用计算全息元件，对柱面面型进行非接触式检测，抗干扰能力强且检测精度高；

采用会聚光束照射计算全息元件，按照本发明的规律，选择合适会聚透射球面，计算全息元件的最小刻划间隔能够增大几倍甚至更多；计算全息元件的加工难度显著降低，加工精度明显提高；

待测柱面相对干涉仪光轴有倾斜和偏心，更有效地滤除干扰杂散光；

未使用标准柱面镜，加工难度和加工成本均明显降低；

结构简单，易搭建，检测精度高。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种柱面面型检测系统，其特征在于，所述系统包括干涉仪、会聚的透射球面、计算全息元件、空间滤波器及待测柱面，所述干涉仪、会聚的透射球面和计算全息元件依次沿干涉仪光轴放置，所述空间滤波器和待测柱面依次离轴置于所述计算全息元件后，其中：

所述干涉仪，用于生成平行光束、滤除像面干扰级次、接收并处理干涉图像，所述干涉图像为检测光和参考光形成的干涉图像，所述检测光为会聚光束透过计算全息元件衍射的衍射光经待测柱面表面反射，按原路返回再经计算全息图衍射的衍射光；

所述会聚的透射球面，用于将部分平行光束调整为会聚光束，还用于反射部分平行光束作为参考光；

所述计算全息元件，用于对会聚光束产生衍射，还用于对经待测柱面表面反射，并按原路返回的光束产生衍射；

所述空间滤波器，用于滤除经计算全息元件衍射的光束交线面上的干扰杂散光；

所述干涉仪内部设有针孔滤波器，用于过滤检测光和参考光；

所述待测柱面相对于干涉仪光轴有倾斜和偏心，用于滤除干扰杂散光。

2.根据权利要求1所述的柱面面型检测系统，其特征在于，所述待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与所述会聚光束F数的比值在0.55至0.9之间。

3.一种通过权利要求1所述的柱面面型检测系统进行柱面面型检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、干涉仪生成平行光束；

S2、生成检测光和参考光，将部分平行光束通过会聚的透射球面调整为会聚光束，通过计算全息元件进行衍射后，并通过空间滤波器滤除干扰杂散光后，经待测柱面表面反射，按原路返回再进行衍射，得到检测光；将部分平行光束通过会聚的透射球面进行反射得到参考光；

S3、干涉仪接收检测光和参考光并进行干涉形成的干涉图像，根据干涉图像检测柱面面型。

4.根据权利要求3所述的柱面面型检测的方法，其特征在于，所述检测方法对待测柱面的检测采用非接触式检测。

5.根据权利要求3所述的柱面面型检测的方法，其特征在于，步骤S1前还包括：

选取合适的会聚透射球面，使得待测柱面曲率半径r与有效孔径D相比所得值与所述会聚光束F数的比值在0.55至0.9之间。