CN103954235B - 一种光学凸球面面形的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学凸球面面形的检测装置及方法，该装置中，光源发出波长可变的线偏振准单色光，经滤波孔、第一扩束镜、空间滤波器、第二扩束镜、λ/4波片和第一聚焦透镜聚焦于小孔中心。一部分小孔衍射波经第二聚焦透镜照射到被测凸球面表面，经过反射后形成检测光束，经第二聚焦透镜聚焦于小孔附近，在小孔衍射板背面反射，再与另一部分作为参考光束的小孔衍射波发生干涉。将被测凸球面换为一随机球，其球心与被测凸球面球心位置重合，通过多次测量标定第二聚焦透镜引入的聚焦系统误差。本发明利用接近理想球面的小孔衍射波作为参考波，采用随机球法多次测量标定聚焦系统误差，能够实现对光学凸球面面形的高精度测量。

Description

一种光学凸球面面形的检测装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种光学凸球面面形的检测装置及方法。

背景技术

现代光学面形加工中，主要的检测工具为干涉仪。但是一般商用干涉仪均采用菲索型和泰曼-格林型，利用参考面产生参考球面波。由于加工精度限制，参考面精度一般小于λ/50，使检测精度远不能满足超高精度面形检测要求。

小孔或者单模光纤衍射，能够产生与理想球面波非常接近的衍射波，将其作为参考波，能够摆脱参考面精度限制，提高检测精度。小孔或者光纤纤芯直径决定了参考波像差大小，当直径在微米或小于微米量级时，参考波像差小于λ/104，可以认为是一理想球面波。

2001年，日本高等电子技术协会(ASET)EUV实验室研制了一种可见光波段(He-Ne，632.8nm)的针孔点衍射干涉仪，针孔直径为1μm，对非球面进行检测，检测精度达到0.2nm。美国Lawrence-Livermore国家实验室的Sommargren团队于2002年研制了可见光波段的(532nm)点衍射干涉仪，利用小孔产生参考波，通过数值分析能够达到RMS值0.1nm精度的测量。

由于衍射波面的发散性，因此基于衍射产生参考波面的干涉仪，一般局限于对凹球面的测量。如果需要对凸球面进行检测，则要加入聚焦系统，将发散波转化为会聚波。但是此时聚焦系统的像差将会降低检测精度。在专利CN101672632中，北京理工大学的陈凌峰等人提出了一种光纤点衍射移相干涉测量方法，利用平面反射镜标定聚焦系统像差，实现凸球面的高精度测量。

光纤纤芯直径一般只能达到2μm～3μm，纤芯端面制作成满足要求的半反半透镜也比较困难。一定入射角入射的光束，经平面镜反射后，并不沿原路径返回，这与被测凸球面检测时的光路有所不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学凸球面面形的检测装置及方法，实现针孔衍射波作为参考波的凸球面高精度移相干涉测量。

本发明利用针孔衍射产生参考波，采用波长调制的方式实施移相，并通过随机球取代被测凸球面，多次测量求平均，标定聚焦系统像差的方法，保证了凸球面测量的检测精度。

为达成所述目的，本发明提供一种检测小孔衍射球面波光学面形的检测装置，该装置包括：光源、第一滤波孔、第一扩束镜、第二滤波孔、第二扩束镜、λ/4波片、第一聚焦透镜、小孔衍射板、第二聚焦透镜、夹持架、成像透镜、CCD探测器、和计算机；其中：第一滤波孔放置在光源的出光口，第一扩束镜放置在第一滤波孔和第二滤波孔中间，第一滤波孔放置的位置为第一扩束镜物面位置，第二滤波孔放置在第一扩束镜像面位置；第二扩束镜的前焦点与第二滤波孔的位置重合，λ/4波片放置在第二扩束镜与第一聚焦透镜之间，小孔衍射板放置在第一聚焦透镜焦点处，小孔衍射板的小孔中心与焦点重合；光源，用于发出波长可变的激光作为照明光源，并实现测量过程中的移相；第一滤波孔，利用衍射效应将光源发出的光发散；第一扩束镜，用于收集通过第一滤波孔后的发射光；第二滤波孔，用于过滤经第一扩束镜聚焦后光束中的杂散光；第二扩束镜，用于将第二滤波孔过滤后的发散光变为平行光；λ/4波片，用于将光源发出的线偏振光转化为圆偏振光；第一聚焦透镜，用于平行光束聚焦；小孔衍射板，用于产生衍射波，并反射聚焦后的检测光束；第二聚焦透镜位于小孔衍射板和夹持架之间；夹持架，用于放置被测凸球面或者随机球；第一滤波孔、第一扩束镜、第二滤波孔、第二扩束镜、λ/4波片、第一聚焦透镜各中心与小孔衍射板上的小孔中心都在同一光轴上；第二聚焦透镜将一部分发散的小孔衍射波转换为会聚波，经夹持架上的被测凸球面或随机球反射后，形成检测光束，检测光束被第二聚焦透镜聚焦，再经小孔衍射板背面反射，与另一部分未经被测凸球面反射的小孔衍射波相遇而形成干涉，所述另一部分衍射波作为参考光束；成像透镜位于小孔衍射板与CCD探测器之间；CCD探测器放在成像透镜后面；成像透镜，用于将所述检测光束和所述参考光束相遇后的干涉图案投射到CCD探测器上；计算机与光源、CCD探测器连接，计算机控制光源按照测量要求调制波长，并存储处理CCD探测器记录的干涉图案，标定系统误差，计算被测凸球面面形。

进一步的，所述光源发出波长可调制的照明光，光源是可调谐激光器，或是单纵模激光器结合波长调制器件。

进一步的，所述第一滤波孔是尺寸经过选择的小孔，或是使光束发散的器件。

进一步的，所述第一扩束镜、第二扩束镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和成像透镜分别采用透镜或者透镜组组合。

进一步的，所述小孔衍射板上有直径在微米或者亚微米量级的圆形小孔，背面为镀有反射膜的平面。

为达成所述目的，本发明提供一种使用所述的检测装置的光学凸球面面形的检测方法，该检测方法利用小孔产生参考波，采用波长移相的方法，利用随机球多次测量，将凸面检测结果中的系统误差去除，用于提高检测精度，具体检测步骤如下：

步骤A1：光源发出的线偏振准单色光经过第一滤波孔发散，经第一扩束镜、第二滤波孔和第二扩束镜滤波准直，垂直入射到λ/4波片上，转换为圆偏振光；第一聚焦透镜将准直光束聚焦入射到小孔衍射板上的小孔中心，发生衍射；被测凸球面放置在夹持架上，第二聚焦透镜将一部分衍射波聚焦在被测凸球面球心处；经被测凸球面反射的衍射波形成检测光束，微调整被测凸球面位置，使检测光束聚焦到小孔衍射板上的小孔附近反射，并与另一部分衍射波作为参考光束的衍射波相遇，进入成像透镜，最终成像在CCD探测器上，由计算机记录下干涉图；通过计算机控制光源改变波长，形成移相，记录下N幅干涉图；通过数据处理得到检测结果W，W为携带有第二聚焦透镜引入像差的凸球面面形信息，表示如下：

W＝W_figure+W_focus

其中W_figure为被测凸球面面形信息，W_focus为第二聚焦透镜引入像差；由于小孔直径在微米和亚微米量级，参考波面像差小于λ/104，忽略不计；

步骤A2：将被测凸球面换为随机球，保证随机球球心与凸球面球心重合，重复步骤A1，得到检测结果G₁，G₁为携带有第二聚焦透镜引入像差的随机球表面局部面形信息，表示如下：

G₁＝S₁+W_focus

其中S₁为随机球表面引入误差，随机转动随机球，重复测量多次，得到N′个测量结果G₁、G₂、…G_N′，每个测量结果G_n均携带有第二聚焦透镜引入像差和随机球表面局部面形信息；但是由于随机球随机转动，每次测量在随机球上的反射点不同，所携带的表面局部面形信息也不同，对这些结果求算术平均值G如下表示：

$G=\frac{1}{N^{\′}}\underset{n=1}{\overset{N^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{G}_n=\frac{1}{N^{\′}}\underset{n=1}{\overset{N^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n+W_{\mathrm{focus}}$

其中n为随机球测量的次数，n＝1，2，3……N′，当N′数量足够大，有G≈W_focus，即得到第二聚焦透镜引入像差；

步骤A3：将步骤A1中携带有第二聚焦透镜引入像差的凸球面面形信息W减去步骤A2中第二聚焦透镜引入像差G，得到被测凸球面表面面形信息表示如下：

W_figure＝W-G。

本发明的有益效果：利用小孔衍射波作为参考波，采用波长移相的方法，通过随机球取代被测凸球面多次测量求平均，标定出聚焦系统像差，实现光学凸球面面形的高精度检测。

附图说明

图1为本发明光学凸球面面形的检测装置结构示意图；

图2为本发明光学凸球面面形的检测方法流程图。

图中符号说明：

1为光源、2为第一滤波孔、4为第二滤波孔、

3为第一扩束镜、5为第二扩束镜、6为λ/4波片、

7为第一聚焦透镜、9为第二聚焦透镜、8为小孔衍射板、

10为夹持架、11为成像透镜、12为CCD探测器、13为计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1表示本发明装置的结构示意图，由光源1、第一滤波孔2、第一扩束镜3、第二滤波孔4、第二扩束镜5、λ/4波片6、第一聚焦透镜7、小孔衍射板8、第二聚焦透镜9、夹持架10、成像透镜11、CCD探测器12和计算机13组成；其中：光源1采用可调谐激光器，第一滤波孔2放置在光源1的出光口，用于使光束发散，第一扩束镜3放置在第一滤波孔2和第二滤波孔4中间，第一滤波孔2放置的位置为第一扩束镜3物面位置，第二滤波孔4放置在第一扩束镜3的像面位置，第二扩束镜5的前焦点与第二滤波孔4位置重合，用于将第二滤波孔4过滤后的发散光变为平行光。λ/4波片6放置在第二扩束镜5与第一聚焦透镜7之间，用于将光源发出的线偏振光转化为圆偏振光。小孔衍射板8上有直径在微米或者亚微米量级的圆形小孔，背面为镀有反射膜的平面，小孔衍射板8放置在第一聚焦透镜7焦点处，用于产生小孔衍射光，并反射聚焦后的检测光束。小孔衍射板8的小孔中心与焦点重合；

光源1，用于发出波长可变的激光作为照明光源，并实现测量过程中的移相；第一滤波孔2，利用衍射效应将光源1发出的光发散；第一扩束镜3，用于收集通过第一滤波孔2后的发射光；第二滤波孔4，用于过滤经第一扩束镜3聚焦后光束中的杂散光；第二扩束镜5，用于将第二滤波孔4过滤后的发散光变为平行光；λ/4波片6，用于将光源发出的线偏振光转化为圆偏振光；第一聚焦透镜7，用于平行光束聚焦；小孔衍射板8，用于产生衍射波，并反射聚焦后的检测光束；第二聚焦透镜9位于小孔衍射板8和夹持架10之间；夹持架10，用于放置被测光学凸球面或随机球。

其中第一滤波孔2、第一扩束镜3、第二滤波孔4、第二扩束镜5、λ/4波片6、第一聚焦透镜7各中心与小孔衍射板8上的小孔中心都在同一光轴上；第二聚焦透镜9将一部分小孔衍射光转换为会聚波，经夹持架10上被测凸球面或随机球反射后，形成检测光束，经第二聚焦透镜9聚焦，再在小孔衍射板8的背面反射。另一部分未经被测凸球面反射的小孔衍射波作为参考光束，参考光束与检测光束相遇，形成干涉，进入成像透镜11；成像透镜11位于夹持架10与CCD探测器12之间，CCD探测器12放在成像透镜11后面，成像透镜11，用于将所述检测光束和所述参考光束相遇后的干涉图案投射到CCD探测器12上；计算机13与光源1、CCD探测器12连接，计算机13控制光源1按照测量要求调制波长，实现移相，并存储处理CCD探测器12记录的干涉图案，标定系统误差，计算被测凸球面面形，通过常规的移相算法处理干涉条纹，得到被测凸球面面形的检测结果。

光源1发出波长可调制的照明光，光源1是可调谐激光器，也可以是单纵模激光器结合波长调制器件；第一滤波孔2是尺寸经过选择的小孔，一般小孔在毫米以下，也可以是其他使光束发散的器件，所述光束发散的器件是凸面反射镜、负焦距透镜或透镜组合；第一扩束镜3、第二扩束镜5、第一聚焦透镜7、第二聚焦透镜9和成像透镜11可以分别采用透镜，或者是透镜组组合。

图2示出本发明光学凸球面面形的检测方法过程流程图，包括以下步骤：

步骤A1：光源1发出的线偏振准单色光经过第一滤波孔2发散，经第一扩束镜3、第二滤波孔4、和第二扩束镜5滤波准直，垂直入射到λ/4波片6上，并转换为圆偏振光。第一聚焦透镜7将准直光束聚焦入射到小孔衍射板8上小孔中心，发生衍射。调整小孔衍射板8位置，使透射光能量达到最大，此时认为聚焦斑与小孔衍射板8的小孔中心对准。被测凸球面放置在夹持架10上，第二聚焦透镜9将一部分衍射波聚焦在被测凸球面球心处。经被测凸球面反射的衍射波形成检测光束，略微调整被测凸球面位置，使检测光束聚焦到小孔衍射板8的小孔附近反射，与另一个部分作为参考光束的衍射波相遇，进入成像透镜11，最终成像在CCD探测器12上，观测到干涉条纹，再细微调整被测凸球面倾斜量，使条纹数量尽量小，再由计算机13记录下第一幅干涉图。通过计算机13控制光源1改变波长，形成移相，记录下N幅干涉图。每次波长的改变量可以相同，也可以不相同，但需每次标定出移相量。再通过相应移相算法处理干涉条纹，得到检测结果W，W为携带有第二聚焦透镜引入像差的凸球面面形信息，表示如下：

W＝W_figure+W_focus

其中W_figure为被测凸球面面形信息，W_focus为第二聚焦透镜9引入像差。由于小孔直径在微米和亚微米量级，参考波面像差小于λ/10⁴，忽略不计。

步骤A2：将被测凸球面换为随机球，调整随机球位置直到在CCD探测器12上观测到干涉条纹，再细微调整随机球，直到干涉图区域位置与大小与步骤A1中系统相同。此时，随机球球心与被测凸球面球心重合，重复步骤A1，得到检测结果(G₁，G₁为携带有第二聚焦透镜引入像差的随机球表面局部面形信息，表示如下：

G₁＝S₁+W_focus

其中S₁为随机球表面引入误差，随机转动随机球，重复测量多次，得到N′个测量结果G₁、G₂、…G_N，，每个测量结果G_n均携带有第二聚焦透镜引入像差和随机球表面局部面形信息。但是由于随机球随机转动，每次测量在随机球上的反射点不同，所携带的表面局部面形信息也不同。每次测量可以等随机球转动停止后再测，也可以在转动过程中测量。最终，对这些结果求算术平均值G如下表示：

$G=\frac{1}{N^{\′}}\underset{n=1}{\overset{N^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{G}_n=\frac{1}{N^{\′}}\underset{n=1}{\overset{N^{\′}}{\mathrm{\Σ}}}{S}_n+W_{\mathrm{focus}}$

其中n为随机球测量的次数，n＝1，2，3……N′，当N′数量足够大，即时，有G≈W_focus，即得到第二聚焦透镜9引入像差。一般情况下，N′可以取20。

步骤A3：将步骤A1中携带有第二聚焦透镜引入像差的凸球面面形信息W减去步骤A2中第二聚焦透镜引入像差G，得到被测凸球面表面面形信息表示如下：

W_figure＝W-G。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种光学凸球面面形的检测装置，其特征在于，

该装置包括：光源、第一滤波孔、第一扩束镜、第二滤波孔、第二扩束镜、λ/4波片、第一聚焦透镜、小孔衍射板、第二聚焦透镜、夹持架、成像透镜、CCD探测器和计算机；其中：

第一滤波孔放置在光源的出光口，第一扩束镜放置在第一滤波孔和第二滤波孔中间，第一滤波孔放置的位置为第一扩束镜物面位置，第二滤波孔放置在第一扩束镜像面位置；第二扩束镜的前焦点与第二滤波孔的位置重合，λ/4波片放置在第二扩束镜与第一聚焦透镜之间，小孔衍射板放置在第一聚焦透镜焦点处，小孔衍射板的小孔中心与焦点重合；

光源，用于发出波长可变的激光作为照明光源，并实现测量过程中的移相；

第一滤波孔，利用衍射效应将光源发出的光发散；

第一扩束镜，用于收集通过第一滤波孔后的发射光；

第二滤波孔，用于过滤经第一扩束镜聚焦后光束中的杂散光；

第二扩束镜，用于将第二滤波孔过滤后的发散光变为平行光；

λ/4波片，用于将光源发出的线偏振光转化为圆偏振光；

第一聚焦透镜，用于平行光束聚焦；

小孔衍射板，用于产生衍射波，并反射聚焦后的检测光束；

第二聚焦透镜位于小孔衍射板和夹持架之间；

夹持架，用于放置凸球面或者随机球；

第一滤波孔、第一扩束镜、第二滤波孔、第二扩束镜、λ/4波片、第一聚焦透镜各中心与小孔衍射板上的小孔中心都在同一光轴上；第二聚焦透镜将一部分发散的小孔衍射波转换为会聚波，经夹持架上的被测凸球面或随机球反射后，形成检测光束；检测光束被第二聚焦透镜聚焦，再经小孔衍射板背面反射，与另一部分未经被测凸球面反射的小孔衍射波相遇而形成干涉，所述另一部分未经被测凸球面反射的小孔衍射波作为参考光束；

成像透镜位于小孔衍射板与CCD探测器之间，CCD探测器放在成像透镜后面，成像透镜，用于将所述检测光束和所述参考光束相遇后的干涉图案投射到CCD探测器上；

计算机与光源、CCD探测器连接，计算机控制光源按照测量要求调制波长，并存储处理CCD探测器记录的干涉图案，标定系统误差，计算被测凸球面面形。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述光源发出波长可调制的照明光，光源是可调谐激光器，或是单纵模激光器结合波长调制器件。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述第一滤波孔是尺寸经过选择的小孔，或是使光束发散的器件。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述第一扩束镜、第二扩束镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和成像透镜分别采用透镜，或者是透镜组组合。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述小孔衍射板上有直径在微米或者亚微米量级的圆形小孔，背面为镀有反射膜的平面。

6.一种光学凸球面面形的检测方法，其特征在于：该检测方法利用小孔产生参考波，采用波长移相的方法，利用随机球多次测量，将凸面检测结果中的系统误差去除，用于提高检测精度，具体检测步骤如下：

步骤A1：光源发出的线偏振准单色光经过第一滤波孔发散，经第一扩束镜、第二滤波孔和第二扩束镜滤波准直，垂直入射到λ/4波片上，并转换为圆偏振光；第一聚焦透镜将准直光束聚焦入射到小孔衍射板上的小孔中心，发生衍射；被测凸球面放置在夹持架上，第二聚焦透镜将一部分衍射波聚焦在被测凸球面球心处；经被测凸球面反射的衍射波形成检测光束，微调整被测凸球面位置，使检测光束聚焦到小孔衍射板上的小孔附近反射，并与作为参考光束的另一部分未经被测凸球面反射的小孔衍射波相遇，进入成像透镜，最终成像在CCD探测器上，由计算机记录下干涉图，通过计算机控制光源改变波长，形成移相，记录下N幅干涉图；通过数据处理得到检测结果W，W为携带有第二聚焦透镜引入像差的凸球面面形信息，表示如下：

W＝W_figure+W_focus

其中W_figure为被测凸球面面形信息，W_focus为第二聚焦透镜引入像差；由于小孔直径在微米和亚微米量级，参考波面像差小于λ/104，忽略不计；

步骤A2：将被测凸球面换为随机球，保证随机球球心与凸球面球心重合，重复步骤A1，得到检测结果G₁，G₁为携带有第二聚焦透镜引入像差的随机球表面局部面形信息，表示如下：

G₁＝S₁+W_focus

其中S₁为随机球表面引入误差，随机转动随机球，重复测量多次，得到N'个测量结果G₁、G₂、…G_N'，每个测量结果G_n均携带有第二聚焦透镜引入像差和随机球表面局部面形信息；但是由于随机球随机转动，每次测量在随机球上的反射点不同，所携带的表面局部面形信息也不同，对这些结果求算术平均值G如下表示：

$G=\frac{1}{N^{\′}}\underset{n=1}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}{G}_n=\frac{1}{N^{\′}}\underset{n=1}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}{S}_n+W_{focus}$

其中n为随机球测量的次数，n＝1,2,3……N'，当N'数量足够大，有G≈W_focus，即得到第二聚焦透镜引入像差；

步骤A3：将步骤A1中携带有第二聚焦透镜引入像差的凸球面面形信息W减去步骤A2中第二聚焦透镜引入像差G，得到被测凸球面表面面形信息表示如下：

W_figure＝W-G。