CN107560565B - 基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置及检测方法，根据被检元件的面形，计算出所需要的空间干涉点源阵列位置，采用Tip/Tilt镜产生分时空间干涉点源阵列，每调整一次Tip/Tilt镜的空间姿态，实现一个空间点源的布置。通过设计好的姿态调整位置，依次完成所规划空间点源的扫描。解算干涉条纹，完成被检元件的面形重构，从而实现本发明的高精度面形元件的面形测量。本发明的优点在于采用Tip/Tilt镜的偏摆使其产生轴外倾斜，保证了理想点光源的标准球面波特性；干涉源阵列的空间尺寸不受限制，解决大口径测量的难题；分时动态产生任意分布的轴外干涉点源阵列，提高测量通用性；使干涉源全部利用激光能量，简化系统结构。
Description
技术领域
本发明属于面形元件检测技术领域，具体涉及一种基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置及检测方法。
背景技术
为了解决大梯度变化的非球面面形测量问题，2007年德国斯图加特大学的Osten教授所在科研团队提出了基于非零位干涉思想的测量方法——多重倾斜波面干涉测量法[36-41]。区别于传统的零位干涉原理，它根据被检非球面的表面梯度分布，在干涉光路里利用透镜阵列引入了多个轴外干涉源，使其产生不同倾角的多束球面波来补偿被检面的各个局部区域的梯度，从而完成干涉测量。该方法通过将元件表面分割成若干子孔带从而降低干涉图的条纹密度实现局部面形偏差的测量。但它相比子孔拼接法最大的优势就是无需进行子孔的平移和拼接，这就省去了高精度控制的机械移动装置以及对平移拼接的策略和算法研究，避免了定位误差和运动误差的引入，提高了测量的精度，而且由于它是一次得到整个被检面的全场三维面形，它的测量效率也大大得到了提高。另外，该方法利用透镜阵列产生了不同倾角多束波面，能够对各种梯度变化的曲面进行局部补偿，它集合了夏克-哈特曼波前传感与干涉测量的优点，大大增加了干涉系统的动态测量范围，适合大梯度变化的面形测量。
但倾斜波面干涉法的静态倾斜载频技术无法解决面形元件大口径条件下的纳米测量精度难题，主要是其有四大瓶颈问题：标准球面波产生问题、干涉点源阵列的空间尺寸受到固化问题、系统的通用性受到限制问题、系统光源能量损失问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置及检测方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置，包括激光器光源、扩束镜、第一分光板、标准反射镜、Tip/Tilt镜、反射镜、第二分光板、标准球面镜、干涉点源阵列、被检元件、成像系统，其中：
所述激光器光源、扩束镜、第一分光板、Tip/Tilt镜、反射镜、第二分光板、标准球面镜、被测元件顺时针依次放置在光路中，其中，所述激光器光源、扩束镜、第一分光板、Tip/Tilt镜在一水平线上同轴放置，所述反射镜、第二分光板、标准球面镜、被测元件在另一水平线上同轴放置，，所述标准反射镜水平位于第一分光板的正上方，所述成像系统位于第二分光板的正下方，所述干涉点源阵列设置在标准球面镜与被测元件之间，且位于标准球面镜的焦面处。
激光器光源发出的光，经扩束镜的扩束、准直，以平行光出射，平行光在第一分光板处分成一束参考光与一束测试光，参考光由第一分光板的前表面反射垂直入射到标准反射镜上，再由标准反射镜反射透过第一分光板以及第二分光板直接进入成像系统，测试光直接透射过第一分光板，经由Tip/Tilt镜反射至反射镜，经反射镜反射的测试光透射过第二分光板，由标准球面镜会聚于干涉点源阵列的一个点源处，使测试光能够覆盖被测元件，被测元件反射测试光，经被测元件反射的测试光透过标准球面镜并经第二分光板斜面反射进成像系统中，参考光以及测试光在成像系统中形成干涉条纹并被采集。
本发明实现的另外一个目的在于提供一种一种基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测方法，方法步骤如下：
步骤1、根据被检元件的设计面形，计算出完成其面形测量所需要的空间干涉点源阵列位置及数量；
步骤2、摆放所述的动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置；
步骤3、根据计算出的空间干涉点源阵列位置，得到每个空间干涉点源所对应的Tip/Tilt镜的空间姿态。
步骤4、调整Tip/Tilt镜依次满足每个空间干涉点源所对应的Tip/Tilt镜的空间姿态，利用Tip/Tilt镜产生分时空间干涉点源阵列；
步骤5、每次Tip/Tilt镜的姿态调整完毕，发送一个信号给CCD相机，CCD相机相应的采集一次干涉条纹，直至采集完所有空间干涉点源相应的干涉条纹；
步骤6、解算干涉条纹，完成被检元件的面形重构。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)由Tip/Tilt镜的偏摆产生轴外倾斜载波，保证了理想点光源的标准球面波特性，解决了倾斜波面干涉法的标准球面波产生问题；2)利用Tip/Tilt镜的偏摆分时动态产生轴外干涉点源阵列，使干涉源阵列的空间尺寸不受限制，解决大口径测量的难题；3)分时动态产生任意空间分布的轴外干涉点源阵列，从而满足不同梯度变化的被测件的测量需求，提高测量通用性；4)使干涉源全部利用激光能量，从而使用低功率光源就能满足测量对比度的要求，简化系统结构。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置的结构示意图。
图2为本发明的实施例被检元件的理想面形图。
图3为本发明的实施例计算出的空间干涉点源阵列位置及数量分布图。
图4为本发明的实施例一空间点源所对应采集的干涉图。
图5为本发明的实施例加工面形与理想面形的偏差对比图。
具体实施方式
结合图1，一种基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置，包括激光器光源、扩束镜、第一分光板、标准反射镜、Tip/Tilt镜、反射镜、第二分光板、标准球面镜、干涉点源阵列、被检元件、成像系统，其中：
所述激光器光源、扩束镜、第一分光板、Tip/Tilt镜、反射镜、第二分光板、标准球面镜、被测元件顺时针依次放置在光路中，其中，所述激光器光源、扩束镜、第一分光板、Tip/Tilt镜在一水平线上同轴放置，所述反射镜、第二分光板、标准球面镜、被测元件在另一水平线上同轴放置，，所述标准反射镜水平位于第一分光板的正上方，所述成像系统位于第二分光板的正下方，所述干涉点源阵列设置在标准球面镜与被测元件之间，且位于标准球面镜的焦面处。
激光器光源发出的光，经扩束镜的扩束、准直，以平行光出射，平行光在第一分光板处分成一束参考光与一束测试光，参考光由第一分光板的前表面反射垂直入射到标准反射镜上，再由标准反射镜反射透过第一分光板以及第二分光板直接进入成像系统，测试光直接透射过第一分光板，经由Tip/Tilt镜反射至反射镜，经反射镜反射的测试光透射过第二分光板，由标准球面镜会聚于干涉点源阵列的一个点源处，使测试光能够覆盖被测元件，被测元件反射测试光，经被测元件反射的测试光透过标准球面镜并经第二分光板斜面反射进成像系统中，参考光以及测试光在成像系统中形成干涉条纹并被采集。
进一步的实施例中，成像系统包括透镜、CCD相机，所述参考光、测试光经过透镜在CCD相机靶面处形成干涉条纹，CCD相机采集干涉条纹。
进一步的实施例中，干涉点源阵列的位置及数量根据被检元件的面形特征预先计算得到。
进一步的实施例中，第一分光板与扩束镜出射的平行光所成的夹角为45°；反射镜与经由Tip/Tilt镜反射的测试光所成的夹角为45°。
一种基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测方法，方法步骤如下：
步骤1、根据被检元件的设计面形，计算出完成其面形测量所需要的空间干涉点源阵列位置及数量，具体步骤为：
步骤1-1、将被测件的设计面形数据输入倾斜波面干涉系统仿真程序；
步骤1-2、利用光路可逆性，将待测件上每个点对应的点源分布区域都计算出来；
步骤1-3、确定每个区域的质心坐标，计算出每个质心到对应区域边缘的最短距离矩阵；
步骤1-4、根据点源阵列发生器的具体加工情况，优化所需要的点源位置，获得每个点对应的最优点源位置；
步骤1-5、根据被测件上每个点对应的最优位置，获得符合待测件面形变化要求的空间干涉点源阵列位置及数量。
此部分内容在中国专利ZL201610575173.5上有详细记载，属于现有技术，该部分内容得到了充分公开。
步骤2、摆放所述的动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置；
步骤3、根据计算出的空间干涉点源阵列位置，得到每个空间干涉点源所对应的Tip/Tilt镜的空间姿态。
步骤4、调整Tip/Tilt镜依次满足每个空间干涉点源所对应的Tip/Tilt镜的空间姿态，利用Tip/Tilt镜产生分时空间干涉点源阵列；
步骤5、每次Tip/Tilt镜的姿态调整完毕，发送一个信号给CCD相机，CCD相机相应的采集一次干涉条纹，直至采集完所有空间干涉点源相应的干涉条纹；
步骤6、解算干涉条纹，完成被检元件的面形重构。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述。
实施例1
本实施例中，被检椭球面的面形特征为：口径40mm，曲率半径-120mm，二次曲面系数-0.8，理想面形形状如图2所示。
利用本发明的基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测方法检测上述加工的椭球面面形信息，方法步骤如下：
步骤1、根据该椭球面的理想面形，计算出完成其面形测量所需要的空间干涉点源阵列位置及数量如图3所示；
步骤2、摆放所述的动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置；
步骤3、根据计算出的空间干涉点源阵列位置，得到每个空间干涉点源所对应的Tip/Tilt镜的空间姿态。
步骤4、调整Tip/Tilt镜的空间姿态，产生如图2所示的空间点源1，当Tip/Tilt镜的姿态调整完毕，发送一个信号给CCD相机，CCD相机相应的采集一次干涉条纹，如图4所示；
步骤5、重复步骤4，依次产生图2所示的空间点源直至空间点源5，并采集所有空间干涉点源相应的干涉条纹；
步骤6、解算干涉条纹，获得如图5所示的该椭球面与理想椭球面的面形偏差。
本发明的一种基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置及检测方法，利用ip/Tilt镜的偏摆产生轴外倾斜载波，保证了理想点光源的标准球面波特性，解决了倾斜波面干涉法的标准球面波产生问题，利用Tip/Tilt镜的偏摆分时动态产生轴外干涉点源阵列，使干涉源阵列的空间尺寸不受限制，解决大口径测量的难题，干涉源全部利用激光能量，从而使用低功率光源就能满足测量对比度的要求，简化系统结构。
Claims (6)
1.一种基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置，其特征在于：包括激光器光源（1）、扩束镜（2）、第一分光板（3）、标准反射镜（4）、Tip/Tilt镜（5）、反射镜（6）、第二分光板（7）、标准球面镜（8）、空间干涉点源阵列（9）、被检元件（10）、成像系统（11），其中：
所述激光器光源（1）、扩束镜（2）、第一分光板（3）、Tip/Tilt镜（5）、反射镜（6）、第二分光板（7）、标准球面镜（8）、被测元件（10）顺时针依次放置在光路中，其中，所述激光器光源（1）、扩束镜（2）、第一分光板（3）、Tip/Tilt镜（5）在一水平线上同轴放置，所述反射镜（6）、第二分光板（7）、标准球面镜（8）、被测元件（10）在另一水平线上同轴放置，所述标准反射镜（4）水平位于第一分光板（3）的正上方，所述成像系统（11）位于第二分光板（7）的正下方，所述空间干涉点源阵列（9）设置在标准球面镜（8）与被测元件（10）之间，且位于标准球面镜（8）的焦面处；
激光器光源（1）发出的光，经扩束镜（2）的扩束、准直，以平行光出射，平行光在第一分光板（3）处分成一束参考光与一束测试光，参考光由第一分光板（3）的前表面反射垂直入射到标准反射镜（4）上，再由标准反射镜（4）反射透过第一分光板（3）以及第二分光板（7）直接进入成像系统（11），测试光直接透射过第一分光板（3），经由Tip/Tilt镜（5）反射至反射镜（6），经反射镜（6）反射的测试光透射过第二分光板（7），由标准球面镜（8）会聚于空间干涉点源阵列（9）的一个点源处，使测试光能够覆盖被测元件（10），被测元件（10）反射测试光，经被测元件（10）反射的测试光透过标准球面镜（8）并经第二分光板（7）斜面反射进成像系统（11）中，参考光以及测试光在成像系统中形成干涉条纹并被采集。
2.根据权利要求1所述的基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置，其特征在于，所述成像系统（11）包括透镜（11-1）、CCD相机（11-2），所述参考光、测试光经过透镜（11-1）在CCD相机（11-2）靶面处形成干涉条纹，CCD相机（11-2）采集干涉条纹。
3.根据权利要求1所述的基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置，其特征在于，所述空间干涉点源阵列（9）的位置及数量根据被检元件（10）的面形特征预先确定。
4.根据权利要求1所述的基于动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置，其特征在于，所述第一分光板（3）与扩束镜（2）出射的平行光所成的夹角为45°；所述反射镜（6）与经由Tip/Tilt镜（5）反射的测试光所成的夹角为45°。
5.一种基于权利要求1所述的动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置的检测方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、根据被检元件的设计面形，计算出完成其面形测量所需要的空间干涉点源阵列位置及数量；
步骤2、摆放所述的动态分时倾斜载频干涉的面形检测装置；
步骤3、根据计算出的空间干涉点源阵列位置，得到每个空间干涉点源所对应的Tip/Tilt镜的空间姿态；
步骤4、调整Tip/Tilt镜依次满足每个空间干涉点源所对应的Tip/Tilt镜的空间姿态，利用Tip/Tilt镜产生分时空间干涉点源阵列；
步骤5、每次Tip/Tilt镜的姿态调整完毕，发送一个信号给CCD相机，CCD相机相应的采集一次干涉条纹，直至采集完所有空间干涉点源相应的干涉条纹；
步骤6、解算干涉条纹，完成被检元件的面形重构。
6.基于权利要求5所述的面形检测方法，其特征在于，步骤1中根据被检元件的设计面形，计算出完成其面形测量所需要的空间干涉点源阵列位置及数量，具体步骤为：
步骤1-1、将被测件的设计面形数据输入倾斜波面干涉系统仿真程序；
步骤1-2、利用光路可逆性，将待测件上每个点对应的点源分布区域都计算出来；
步骤1-3、确定每个区域的质心坐标，计算出每个质心到对应区域边缘的最短距离矩阵；
步骤1-4、根据点源阵列发生器的具体加工情况，优化所需要的点源位置，获得每个点对应的最优点源位置；
步骤1-5、根据被测件上每个点对应的最优位置，获得符合待测件面形变化要求的空间干涉点源阵列位置及数量。
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