CN105890543A - 一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法及装置，涉及光学仪器检测技术领域，特别是涉及一种非接触式干涉检测柱面面形的方法，本发明的技术方案分别使用柱面汇聚镜与柱面发散镜与待测凹柱面组合，通过干涉测量分别获得柱面发散镜和待测凹柱面的组合波面误差数据以及柱面汇聚镜和待测凹柱面的组合波面误差数据，然后通过干涉测量获得柱面发散镜与柱面汇聚镜组合波面误差数据，使用差分算法以及波面复原算法分别获得待测凹柱面、柱面发散镜以及柱面汇聚镜的面形误差数据，本技术方案具有检测光路简单，不需要使用高精度的实现测量好的检具即可实现对柱面较高精度的面形检测，特别适合光学加工领域中的柱面加工。

Description

一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法及装置
技术领域
本发明涉及光学仪器检测技术领域，特别是涉及一种非接触式干涉检测柱面面形的方法及装置。
背景技术
圆柱面光学元件的子午截面和弧矢截面的光焦度不同，因此它被广泛应用于形成变形图像的光学系统中。在民用领域，柱面光学元件多应用在宽荧幕镜头、线性探测器照明、全息照明、条形码扫描、光信息处理等方面。近年来，随着强激光系统、同步辐射光束线、线形测试仪器等的迅速发展，人们对圆柱面精度的要求越来越高；然而，圆柱面的应用一直受光学加工和检测技术的限制。尽管目前光学加工技术发展迅速，但圆柱面的检测技术却相对缓慢，总体上无法满足现在的应用需求；因此，高精度的圆柱面检测技术成为制约圆柱面应用的关键问题，研发高精度的圆柱面检测技术也显得尤为迫切。高精度检测是光学元件高精度加工的依据和保证，是高精度加工的必要条件。要制作符合要求的高精度圆柱面，必须解决圆柱面的高精度检测的问题，但由于圆柱面的特殊光学特性，采用一般的检测技术无法对其面形质量进行高精度检测。
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(CGH)。其中样板法和轮廓仪检测法都属于接触式检测，容易划伤待测凹柱面，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。计算全息法中，需要根据被检测的柱面尺寸、曲率半径单独设计并制作计算全息图；的光通常全系图上栅线最小刻划间隔很小，其加工困难，精度难以保证。标准柱面法需要先加工一个精度很高的标准柱面，其标准柱面自身的检测依然相当困难，并且标准柱面的面形精度直接影响了被检柱面的测量精度，从而增大了加工与检测成本。
标准柱面法如图1所示，一束平行光通过用于产生柱面波的标准柱面透镜14，一部分光透射，此透射光首先在圆柱面曲率中心位置会聚成一条直线状的焦线2，然后发散到达待测圆柱面1，当待测圆柱面曲率中心线和标准柱面透镜的焦线重合时，经圆柱面反射的光波作为带有圆柱面面形信息的被检光波。图中标准柱面透镜14的后表面是面形精度很高的标准柱面，其曲率中心线和标准柱面透镜的焦线重合，经此面反射的光束作为参考光波；被检光波和参考光波发生干涉形成干涉图样，根据干涉图样确定被测圆柱面的面形偏差。该检测方法需要标准柱面透镜，其面形质量要求较高，加工难度大且价格昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法及装置，通过使用柱面发散镜与柱面汇聚镜分别对柱面面形进行检测，再通过差分法将柱面发散镜与柱面汇聚镜的误差消除，从而得到待测凹柱面的面形误差数据，同时还可以得到柱面发散镜与柱面汇聚镜的面形误差数据。这种检测方案，降低了对柱面发散镜与柱面汇聚镜的面形精度要求，可以实现柱面发散镜、柱面汇聚镜与待测凹柱面的互检，既降低了柱面镜的加工难度，又通过差分减小了柱面的测量误差，实现了不需要先加工出高精度的检具才能检测柱面的技术问题，通过对柱面发散镜、柱面汇聚镜与待测凹柱面的互检互修实现柱面的高精度测量。
具体的本发明技术方案的关键步骤依次如下：
步骤1)采集柱面发散镜3与待测凹柱面1组合波面误差数据步骤:沿光轴方向依次设置用于提供平行光的干涉仪、用于将平行光调制成柱面波的柱面发散镜3以及待测凹柱面1，其中待测凹柱面1的曲率中心线和平行光通过柱面发散镜3形成的虚焦线2位置重合，调整使光轴上各个光学元件共光轴，使用干涉仪测量获得平行光参考波面与返回干涉仪的被检波面WA的干涉图样数据，其中被检波面WA中携带有柱面发散镜3的波面误差W3与待测凹柱面1的波面误差W1；
步骤2)采集柱面汇聚镜4与待测凹柱面1组合波面误差数据步骤:沿光轴方向依次设置步骤1)所述的干涉仪、用于将平行光调制成柱面波的柱面汇聚镜4、步骤1)所述待测凹柱面1，其中待测凹柱面1的曲率中心线和平行光通过柱面汇聚镜4形成的焦线2位置重合，调整使光轴上各个光学元件共光轴，使用干涉仪测量获得平行光参考波面与返回干涉仪的被检波面WB的干涉图样数据，其中被检波面WB中携带有柱面汇聚镜4的波面误差W4与待测凹柱面1的波面误差W1；
步骤3)采集柱面发散镜3与柱面汇聚镜4组合波面误差数据步骤：沿光轴方向依次设置步骤1)所述的干涉仪、步骤1)所述的柱面发散镜3、步骤2)所述的柱面汇聚镜4以及平面标准反射镜5，其中柱面汇聚镜4的焦线2位置与柱面发散镜3的虚焦线位置重合，柱面汇聚镜4用于将发散光线重新调制为平行光，平面标准反射镜5放置于柱面汇聚镜4之后用于将平行光返回，调整使光轴上各个光学元件共光轴，使用干涉仪测量获得平行光参考波面与返回干涉仪的携带有柱面发散镜3的波面误差W3和柱面汇聚镜4的波面误差W4信息的波面WC干涉图样数据；
步骤4)数据处理获取面形误差的步骤：将上述三次测量分别得到波面WA、WB、WC通过波面复原算法以及数据差分算法恢复出待测凹柱面1、柱面发散镜3、柱面汇聚镜4的面形误差数据。
优选技术方案：
为了便于后期数据处理，步骤3)中的柱面发散镜3与步骤1)中的柱面发散镜3在光轴上位置相同，步骤3)中的柱面汇聚镜4与步骤2)中的柱面汇聚镜4绕其焦线的空间旋转角为180度，柱面汇聚镜4位置位于其焦线与柱面发散镜3虚焦线重合处；
波面复原算法为傅里叶变换法、多路径积分法或泽尼克拟合法；数据差分算法为W1＝(WA+WB-WC)/2，W3＝(WA+WC-WB)/2,W4＝(WB+WC-WA)/2。
上述技术方案中，沿光轴方向看，待测凹柱面放置在柱面发散镜的虚焦线2后端，原则上可以检测任意曲率半径的柱面，实际检测时还需要考虑反射光的光强，条纹对比度等因素；对于大口径的待测凹柱面，可以使用拼接测量的办法，在待测凹柱面上规划处多个子孔径柱面，通过分别对每一个子孔径柱面测量结果的拼接实现对大口径的柱面测量。
上述步骤2)中为了便于调整光路，可以选用三维平移配合三维旋转的调整架，将柱面汇聚镜4固定在转台10上，转台固定在调整架上，通过调整架与转台姿态调整使平行光通过柱面汇聚镜4的形成的焦线2与待测凹柱面1的曲率中心线位置重合。
上述步骤3)中，将转台旋转180度，并使用调整架将柱面汇聚镜4的焦线调整与柱面发散镜3虚焦线重合。
上述的柱面发散镜3或柱面汇聚镜4可以选用标准柱面透镜、将平行光汇聚成柱面的计算全息片、单片用于将平行光调制成柱面的透镜或者由多片透镜组成的柱面汇聚系统，柱面发散镜3可以在以上类型中任选一个与柱面汇聚镜4组合，反之亦然，当然柱面发散镜也不仅限于上述几种类型，其他能起到将平行光调制成柱面波的装置都可使用。
基于上述的柱面及柱面发散镜的检测方法，本发明还提供了一种凹柱面及柱面发散镜的检测装置。
一种凹柱面及柱面发散镜的检测装置，包括水平基板11，设置于水平基板11上的调整架6、调整架7、调整架8，固定在调整架7上的水平转台10，设置于调整架6上的柱面发散镜3，设置于转台10上的柱面汇聚镜4，装夹在调整架7上的待测凹柱面1与平面标准反射镜5；
其特征在于：柱面发散镜3与柱面汇聚镜4以及平面标准反射镜5共光轴，构成第一组合测试区9；柱面发散镜3与待测凹柱面1共光轴，构成第二组合测试区12；柱面汇聚镜4与待测凹柱面1共光轴，构成第三组合测试区13；
其中第一组合测试区9中柱面汇聚镜4放置于柱面发散镜3的后端且柱面汇聚镜4的焦线2位置与柱面发散镜3的虚焦线位置重合，柱面汇聚镜4用于将发散光线重新调制为平行光，平面标准反射镜5放置于柱面汇聚镜4的后端用于将平行光返回；
其中第二组合测试区12中待测凹柱面1放置在柱面发散镜3的后端且待测凹柱面1的曲率中心线和平行光通过柱面发散镜3形成的虚焦线2位置重合；
其中第三组合测试区13中待测凹柱面1放置于柱面汇聚镜4的后端且待测凹柱面1的曲率中心线和平行光通过柱面汇聚镜4形成的焦线2位置重合；
第一组合测试区9中柱面汇聚镜4与第三组合测试区13的中柱面汇聚镜4沿其焦线方向的空间旋转角为180度，待测凹柱面1的曲率半径R大于柱面发散系统3的焦距f。
该装置还可以包括用于提供平行光源的数字波面干涉仪，干涉仪分别与组合测试区9、组合测试区12、组合测试区13中的光学元件共光轴。
所述的柱面发散系统3与柱面汇聚系统4的位置可以互换，在实际使用时，柱面发散系统和柱面汇聚系统的位置可以互换。
优选技术方案：所述待测凹柱面1的前表面为柱面后表面为平面且柱面与所述平面共光轴；这种平柱结构的柱面中后表面的平面可以取代第一组合测试区中的平面标准反射镜5，直接将平行光返回。
本发明与现有技术相比，其显著优点:(1)不需要事先加工出高精度的用于产生柱面波检具如标准柱面透镜或计算全息图，减小了检具本身的加工检测难度；(2)通过一个柱面发散镜与一个柱面汇聚镜与柱面镜组合互检减小了测量时的系统误差。运用本装置可以实现对凹面柱面镜或者柱面发散镜的高精度检测。
附图说明
图1.标准柱面法检测圆柱面光路示意图；
图2.第一组合测试区柱面发散镜与待测凹柱面组合结构示意图；
图3.第二组合测试区柱面汇聚镜与待测凹柱面组合结构示意图；
图4.第三组合测试区柱面发散镜与柱面汇聚镜组合结构示意图；
其中：
1 为待测凹柱面；
2 为焦线(虚焦线)；
3 为用于将平行光调制成发散柱面波的柱面发散镜；
4 为另一个用于将平行光调制成汇聚柱面波的柱面汇聚镜；
5 为平面标准反射镜；
6-8 为调整架；
9 为第一组合测试区；
10 为转台；
11 为水平基板；
12 为第二组合测试区；
13 为第三组合测试区；
14 为标准柱面透镜。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明“柱面及柱面发散镜的检测方法及装置”做进一步描述。
实施例一：一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法，包括如下步骤：
步骤1)采集柱面发散镜3与待测凹柱面1组合波面误差数据步骤:如图3所示，沿光轴方向依次设置商用的数字波面干涉仪，干涉仪的标准镜头选用4英寸平面标准镜用于提供平行光；柱面发散镜3的焦距为-100mm，将平行光波面汇聚成柱面波并相交于焦线2处；待测凹柱面1为凹面柱面其曲率半径为300mm，调整待测凹柱面的位置使其曲率中心线和焦线2位置重合；调整使光轴上各个光学元件共光轴，使用干涉仪测量获得平行光参考波面与返回干涉仪的被检波面WA的干涉图样数据，其中被检波面WA中携带有柱面发散镜3的波面误差W3与待测凹柱面1的波面误差W1；
步骤2)采集柱面汇聚镜4与待测凹柱面1组合波面误差数据步骤:如图4所示，将柱面发散镜3替换为另一块柱面汇聚镜4，焦距为100mm，并重复步骤1)，使用干涉仪测量获得平行光参考波面与返回干涉仪的被检波面WB的干涉图样数据，其中被检波面WB中携带有柱面汇聚镜4的波面误差W4与待测凹柱面1的波面误差W1；
步骤3)采集柱面发散镜3与柱面汇聚镜4组合波面误差数据步骤：如图2所示，沿光轴方向依次设置步骤1)所述的干涉仪、步骤1)所述的柱面发散镜3、步骤2)所述的柱面汇聚镜4以及平面标准反射镜5，其中柱面汇聚镜4的焦线2位置与柱面发散镜3的虚焦线位置重合，柱面汇聚镜4用于将通过焦线2后的发散光线重新调制为平行光，平面标准反射镜5放置于柱面汇聚镜4之后用于将平行光返回，调整使光轴上各个光学元件共光轴，使用干涉仪测量获得平行光参考波面与返回干涉仪的携带有柱面发散镜3的波面误差W3和柱面汇聚镜4的波面误差W4信息的波面WC干涉图样数据；
步骤4)数据处理获取面形误差的步骤：将上述三次测量分别得到波面WA、WB、WC通过波面复原算法以及数据差分算法恢复出待测凹柱面1、柱面发散镜3、柱面汇聚镜4的面形误差数据。
实施例二：为了便于数据处理，在实施例一的基础上，其步骤3)中的柱面发散镜(3)与步骤1)中的柱面发散镜(3)在光轴上位置相同，步骤3)中的柱面汇聚镜(4)与步骤2)中的柱面汇聚镜(4)绕其焦线的空间旋转角为180度，柱面汇聚镜(4)位置位于其焦线与柱面发散镜3虚焦线重合处；所述步骤4)中，波面复原算法为傅里叶变换法、多路径积分法或泽尼克拟合法；数据差分算法为W1＝(WA+WB-WC)/2，W3＝(WA+WC-WB)/2,W4＝(WB+WC-WA)/2。
实施例三：在实施例一基础上的柱面及柱面发散镜的检测方法，其中的待测凹柱面也可以为柱面汇聚镜镜；用一个柱面发散镜与两个柱面汇聚镜实现彼此之间的互检；待测凹柱面为大口径柱面时，在大口径柱面上规划若干个子孔径，通过对每个子孔径单独测量最后用数据拼接算法实现对大口径柱面的检测。
实施例四：一种凹柱面及柱面发散镜的检测装置，如图2所示，包括水平基板11，设置于水平基板11上的调整架6、调整架7、调整架8，固定在调整架7上的水平转台10，设置于调整架6上的柱面发散镜3，设置于转台10上的柱面汇聚镜4，装夹在调整架7上的待测凹柱面1与平面标准反射镜5；
柱面发散镜3与柱面汇聚镜4以及平面标准反射镜5共光轴，构成第一组合测试区9；柱面发散镜3与待测凹柱面1共光轴，构成第二组合测试区12；柱面汇聚镜4与待测凹柱面1共光轴，构成第三组合测试区13；
其中第一组合测试区9中柱面汇聚镜4放置于柱面发散镜3的后端且柱面汇聚镜4的焦线2位置与柱面发散镜3的虚焦线位置重合，柱面汇聚镜4用于将通过焦线2后的发散光线重新调制为平行光，平面标准反射镜5放置于柱面汇聚镜4的后端用于将平行光返回；
其中第二组合测试区12中待测凹柱面1放置在柱面发散镜3的后端且待测凹柱面1的曲率中心线和平行光通过柱面发散镜3形成的虚焦线2位置重合；
其中第三组合测试区13中待测凹柱面1放置于柱面汇聚镜4的后端且待测凹柱面1的曲率中心线和平行光通过柱面汇聚镜4形成的焦线2位置重合；
第一组合测试区9中柱面汇聚镜4与第三组合测试区13的中柱面汇聚镜4沿其焦线方向的空间旋转角为180度。
本发明借助一个柱面发散镜与一个柱面汇聚镜通过组合互检实现了高精度测量，优点是避免了检测柱面时其所使用的检具本身的面形测试难题，通过差分算法可以有效地降低柱面发散镜的加工精度要求；此外柱面发散镜与柱面汇聚镜可以在标准柱面透镜、计算全息片、单片用于将平行光调制成柱面的透镜或者由多片透镜组成的柱面汇聚系统等结构中任意选择，具有较大的灵活性；还可以使用本发明结合拼接算法实现对于大口径的柱面的检测。

Claims (10)

1.一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法，其特征在于包括：
步骤1)采集柱面发散镜(3)与待测凹柱面(1)组合波面误差数据步骤:沿光轴方向依次设置用于提供平行光的干涉仪、用于将平行光调制成发散柱面波的柱面发散镜(3)以及待测凹柱面(1)，其中待测凹柱面(1)的曲率中心线和平行光通过柱面发散镜(3)形成的虚焦线(2)位置重合，调整使光轴上各个光学元件共光轴，使用干涉仪测量获得平行光参考波面与返回干涉仪的被检波面WA的干涉图样数据，其中被检波面WA中携带有柱面发散镜(3)的波面误差W3与待测凹柱面(1)的波面误差W1；
步骤2)采集柱面汇聚镜(4)与待测凹柱面(1)组合波面误差数据步骤:沿光轴方向依次设置步骤1)所述的干涉仪、用于将平行光调制成柱面波的柱面汇聚镜(4)、步骤1)所述待测凹柱面(1)，其中待测凹柱面(1)的曲率中心线和平行光通过柱面汇聚镜(4)形成的焦线(2)位置重合，调整使光轴上各个光学元件共光轴，使用干涉仪测量获得平行光参考波面与返回干涉仪的被检波面WB的干涉图样数据，其中被检波面WB中携带有柱面汇聚镜(4)的波面误差W4与待测凹柱面(1)的波面误差W1；
步骤3)采集柱面发散镜(3)与柱面汇聚镜(4)组合波面误差数据步骤：沿光轴方向依次设置步骤1)所述的干涉仪、步骤1)所述的柱面发散镜(3)、步骤2)所述的柱面汇聚镜(4)以及平面标准反射镜(5)，其中柱面汇聚镜(4)的焦线(2)位置与柱面发散镜(3)的虚焦线位置重合，柱面汇聚镜(4)用于将发散光线重新调制为平行光，平面标准反射镜(5)放置于柱面汇聚镜(4)之后用于将平行光返回，调整使光轴上各个光学元件共光轴，使用干涉仪测量获得平行光参考波面与返回干涉仪的携带有柱面发散镜(3)的波面误差W3和柱面汇聚镜(4)的波面误差W4信息的波面WC干涉图样数据；
步骤4)数据处理获取面形误差的步骤：将上述三次测量分别得到波面WA、WB、WC通过波面复原算法以及数据差分算法恢复出待测凹柱面(1)、柱面发散镜(3)、柱面汇聚镜(4)的面形误差数据。
2.根据权利要求1所述的一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法，其特征在于步骤3)中的柱面发散镜(3)与步骤1)中的柱面发散镜(3)在光轴上位置相同，步骤3)中的柱面汇聚镜(4)与步骤2)中的柱面汇聚镜(4)绕其焦线的空间旋转角为180度，柱面汇聚镜(4)位置位于其焦线与柱面发散镜(3)虚焦线重合处。
3.根据权利要求2所述的一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法，所述步骤4)中，波面复原算法为傅里叶变换法、多路径积分法或泽尼克拟合法；数据差分算法为W1＝(WA+WB-WC)/2，W3＝(WA+WC-WB)/2,W4＝(WB+WC-WA)/2。
4.根据权利要求1所述的一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法，所述的待测凹柱面(1)可以替换为柱面汇聚镜。
5.根据权利要求1至4之一所述的一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法，其特征在于：步骤2)中的柱面汇聚镜(4)固定在转台(10)上，转台固定在调整架(7)上，通过调整架(7)与转台(10)姿态调整使平行光通过柱面汇聚镜(4)的形成的焦线(2)与待测凹柱面(1)的曲率中心线位置重合。
6.根据权利要求5所述的一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法，其特征在于：步骤3)中，将步骤2)中固定有柱面汇聚镜(4)的转台旋转180度，并使用调整架将柱面汇聚镜(4)的焦线调整与柱面发散镜(3)虚焦线重合。
7.根据权利要求5所述的一种凹柱面及柱面发散镜的检测方法，其特征在于：所述的柱面发散镜(3)或柱面汇聚镜(4)可以选用标准柱面透镜、计算全息片、单片用于将平行光调制成柱面的透镜或者由多片透镜组成的柱面系统。
8.一种凹柱面及柱面发散镜的检测装置，包括水平基板(11)，设置于水平基板(11)上的调整架(6)、调整架(7)、调整架(8)，固定在调整架(7)上的水平转台(10)，设置于调整架(6)上的柱面发散镜(3)，设置于转台(10)上的柱面汇聚镜(4)，装夹在调整架(7)上的待测凹柱面(1)与平面标准反射镜(5)；
其特征在于：柱面发散镜(3)与柱面汇聚镜(4)以及平面标准反射镜(5)共光轴，构成第一组合测试区(9)；柱面发散镜(3)与待测凹柱面(1)共光轴，构成第二组合测试区(12)；柱面汇聚镜(4)与待测凹柱面(1)共光轴，构成第三组合测试区(13)；
其中第一组合测试区(9)中柱面汇聚镜(4)放置于柱面发散镜(3)的后端且柱面汇聚镜(4)的焦线(2)位置与柱面发散镜(3)的虚焦线位置重合，柱面汇聚镜(4)用于将发散光线重新调制为平行光，平面标准反射镜(5)放置于柱面汇聚镜(4)的后端用于将平行光返回；
其中第二组合测试区(12)中待测凹柱面(1)放置在柱面发散镜(3)的后端且待测凹柱面(1)的曲率中心线和平行光通过柱面发散镜(3)形成的虚焦线(2)位置重合；
其中第三组合测试区(13)中待测凹柱面(1)放置于柱面汇聚镜(4)的后端且待测凹柱面(1)的曲率中心线和平行光通过柱面汇聚镜(4)形成的焦线(2)位置重合；
第一组合测试区(9)中柱面汇聚镜(4)与第三组合测试区(13)的中柱面汇聚镜(4)沿其焦线方向的空间旋转角为180度，待测凹柱面(1)的曲率半径R大于柱面发散系统(3)的焦距f。
9.根据权利要求8所述的柱面及柱面发散镜的检测装置，其特征在于：还包括用于提供平行光源的数字波面干涉仪，干涉仪分别与组合测试区(9)、组合测试区(12)、组合测试区(13)中的光学元件共光轴。
10.根据权利要求8或9所述的柱面及柱面发散镜的检测装置，所述待测凹柱面(1)的背面为平面且凹柱面与所述平面共光轴。
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