CN109458944A - 基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置及其检测方法，利用光纤耦合器将一个点光源分成复振幅相同但位置各异的四个点光源，使得参考面上的相同区域对应待测面上四个有着一定错位的对称区域，错位量与腔长及点光源的离轴量有关；可同步采集四个区域的干涉图解算相位信息，利用共轭差分的平面绝对检验方法，可以准确求解得到待测面的面形。本发明克服了传统绝对检验方法必须要移动待测件的缺点，不会引入因平移而引入的误差项，能够实现高精度、高效率的平面绝对检验。

Description

基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置及其检测方法

技术领域

本发明属于平面绝对检测领域，具体涉及一种基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置及其检测方法。

背景技术

平面光学元件是光学系统中应用最广泛的基本的光学元件，大口径平面光学元件更是在天文、军事、航天、能源等各个领域之中发挥了重要作用，包括太空望远镜，可控惯性约束核聚变装置等。在这些大型光学装置中，平面光学元件的面形缺陷会引入波前畸变，影响系统性能，因此对面形精度要求极高，需要利用绝对面形检测技术获得更高精度的光学元件面形。

目前平面绝对检测的方法主要包括液面基准法，三面互检法，差分法等。液面基准法只能用于立式光学系统，并且用作参考面的液体面形受外部环境影响很大，必须工作在非常严格的测试环境中，使用有相当大的局限性，难以推广。在三面互检及其改进方法中，为了获得所需待测面全口径的面形，必须对待测件进行多次旋转及翻转操作，而涉及到大口径平面元件时，由于待测件口径大、自重大，其装调，移动和旋转的过程相对困难，这就给三面互检法的应用带来了难度，该问题同样存在于需要平移或旋转待测件的差分法中。同时，由于待测件受装夹力及重力等因素的影响，在立式情况下旋转待测件后，其表面面形会产生变化。在此种情况下采集的数据显然会影响重建波面的结果，引入一定面形畸变。

在波面恢复过程中，最常用的算法是Zernike多项式拟合法。由于Zernike多项式函数的旋转不变特性，且其各项系数分别对应面形的各类像差，利于分析，用Zernike多项式作基底函数，可以将所有波面都用最小二乘法拟合。通常在满足精度前提下，取包含初级像差在内的前36项拟合即可够用。差分法只需平移待测件，操作相对简易，根据x和y方向上的差分波前，可以求取待测波前的前n项Zernike多项式系数。值得注意的是，在移动待测件时必然会引入平移误差，该误差会分别在两个方向的差分波面中叠加入倾斜项(一次项)，并在后续积分复原时影响恢复波面的像散项(二次项)。由于移动造成的平移误差难以测量量化，在对差分波面的处理过程中往往将不可靠的倾斜项(即积分后的像散项)剔除，因而最终恢复出的待测面面形实际是不准确的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置及其检测方法，能够避免对待测件进行移动，不会引入因移动而产生的误差，提高测量效率及准确度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置，包括点光源阵列、分光棱镜、准直物镜、参考平面镜、微透镜阵列、成像物镜和CCD相机；共第一光轴依次设置点光源阵列、分光棱镜、准直物镜、参考平面镜和待测平面镜，共第二光轴依次设置微透镜阵列、成像物镜和CCD相机，微透镜阵列位于分光棱镜的反射光路上，分光棱镜分光面与第一光轴呈45°夹角。

点光源阵列用于生成四个独立、复振幅相同但各自有一定离轴量的球面波。

参考平面镜反射回来的光线和待测平面镜反射回来的光线在CCD相机靶面上会合形成干涉场。

点光源阵列出射的四个球面波打在分光棱镜上，到达准直物镜，经准直物镜出射的平行光经过参考平面镜，一部分形成参考光直接反射至准直物镜，另一部分入射至待测平面镜形成测试光，经待测平面镜反射回参考平面镜再入射至准直物镜，参考光和测试光成为会聚球面波到达分光棱镜并反射打到微透镜阵列上，随后经过成像物镜后变成平行光到达CCD相机靶面，参考光和测试光在靶面上发生干涉。

一种基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置的检测方法，方法步骤如下：

步骤一、可调谐激光器发出的光经光纤后看作一个点光源，经过1×4光纤耦合器后成为四个呈正方形分布的点光源，四个点光源复振幅相同但空间位置有所区别，后续光路打在待测平面镜上时对应着四个不同的区域，且沿着x和y方向有一定的错位量，用于共轭差分算法实现对待测平面镜的绝对检验，而不用移动待测平面镜；

步骤二、依次调整待准直物镜、微透镜阵列和CCD相机的位置；

步骤三、得到稳定的干涉图后进行标定，通过调节可调谐激光器的波长实现移相，并多次测量重复采图；

步骤四、利用移相算法解算相位，利用共轭差分算法实现对待测平面镜的绝对检验。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)不需要对待测件进行移动，避免了因待测件的平移、翻转或旋转造成的移动误差，克服了传统方法中待测面像散项无法准确测得的问题，实现了待测件的静态测量，提高了稳定性和精准度。

(2)可同步采集共轭差分法恢复波面所需四个正交共轭位置的干涉图，并求解相位信息，一致性良好。

(3)通过改变波长实现相位移动，无需PZT移动参考镜。

附图说明

图1为本发明基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置的光路图。

图2为透镜阵列面上四根光纤的排列示意图。

图3为将点光源阵列替换为相位光栅方案的示意图。

图4为本发明基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置的检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置，包括点光源阵列1、分光棱镜5、准直物镜6、参考平面镜7、待测平面镜8、微透镜阵列9、成像物镜10和CCD相机11。共第一光轴依次设置点光源阵列1、分光棱镜5、准直物镜6、参考平面镜7和待测平面镜8，共第二光轴依次设置微透镜阵列9、成像物镜10和CCD相机11，微透镜阵列9位于分光棱镜5的反射光路上，分光棱镜5分光面与第一光轴呈45°夹角。

点光源阵列1出射的四个球面波打在分光棱镜5上，到达准直物镜6，经准直物镜6出射的平行光打到参考平面镜7上，一部分发生反射成为参考光，参考光经准直物镜6后成为平行光打到分光棱镜5上，发生反射后经过微透镜阵列9和成像物镜10后成为平行光达到CCD相机11；打到参考平面镜7的光，除反射外的另一部分光发生透射打到待测平面镜8上发生反射形成测试光，测试光经过参考平面镜7、准直物镜6后形成平行光打到分光棱镜5上，发生反射后经过微透镜阵列9和成像透镜10后成为平行光达到CCD相机11，和参考光在CCD相机11靶面上发生干涉。

结合图1和图2，所述点光源阵列1包括依次设置的含光纤输出的可调谐激光器2、1×4光纤耦合器3、光源阵列面4，其中含光纤输出的可调谐激光器2和1×4光纤耦合器3通过光纤连接，1×4光纤耦合器3接出的四根光纤在光源阵列面4上呈正方形分布，作为后续光路的四个独立点光源。

值得注意的是，作为备选方案还可以使用相位光栅产生四个点光源。光路示意图见图3。可调谐激光器2出射的球面波经过会聚透镜3后成为平行光打在相位光栅4上，会产生沿着x和y方向的衍射，衍射光纤出射光到达会聚透镜5后会聚，焦面和光阑6重合，光阑上有四个呈正方形分布的小孔，用来筛选衍射光线的(±1，±1)级次，这四个级次的平行光经过会聚透镜5后会聚的焦点分别对应光阑面上的四个小孔。

所述光源阵列面4位于准直物镜6的前焦面上。所述参考平面镜7上的一个点可以和待测平面镜8上的四个点同时发生干涉。

所述微透镜阵列9处于准直物镜6经分光棱镜5折转光路后的焦面与成像物镜10的焦面重合的位置。

所述CCD相机11置于成像物镜10焦面后方的位置，该位置可通过计算获得，用于将光源阵列面4上的四个光源各自干涉成的像在CCD相机上完全分开。

结合图1和图4，一种基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置的检测方法，方法步骤如下：

步骤一、可调谐激光器2发出的光经光纤后可以看作一个点光源，经过1×4光纤耦合器3后成为四个呈正方形分布的点光源，四个点光源复振幅相同但空间位置有所区别，后续光路打在待测平面镜8上时对应着四个不同的区域，且沿着x和y方向有一定的错位量，用于共轭差分算法实现对待测平面镜8的绝对检验，而不用移动待测平面镜8。

步骤二、依次调整待准直物镜6、微透镜阵列9和CCD相机11的位置；

步骤三、得到稳定的干涉图后进行标定，通过调节可调谐激光器2的波长实现移相，并多次测量重复采图。

步骤四、利用移相算法解算相位，利用共轭差分算法实现对待测平面镜8的绝对检验。

其中参考光是指可调谐激光器2接出的光纤经1×4光纤耦合器3、光源阵列面4、分光棱镜5、准直物镜6、参考平面镜7后，经参考平面镜7反射后经过准直物镜6、分光棱镜5、微透镜阵列9、成像物镜10和CCD相机11组成的光路。

其中测试光是指可调谐激光器2接出的光纤经1×4光纤耦合器3、光源阵列面4、分光棱镜5、准直物镜6、参考平面镜7、待测平面镜8后，经待测平面镜8反射后经过参考平面镜7、准直物镜6、分光棱镜5、微透镜阵列9、成像物镜10和CCD相机11组成的光路。

结合图1和图2，上述步骤一中1×4光纤耦合器接出的四根光纤呈正方形排列在光源阵列面4上，光源阵列面4上的每根光纤离光轴的距离为d_离轴，准直物镜6焦距为f_准直物镜，微透镜阵列11焦距为f_微透镜，成像物镜10焦距为f_成像物镜，调整微透镜阵列9使其位于准直物镜6经分光棱镜5折转光路后的焦面和成像物镜10的焦面的重合位置，参考平面镜7与待测平面镜8之间距离为d_腔长，准直物镜6出射的平行光角度为α。

上述步骤一中可调谐激光器1每次改变电压0.35V，采集四幅干涉图，并计算四个点光源形成的干涉图的相位信息：

其中Φ为每一个点光源形成的干涉图的相位信息，I₁、I₂、I₃、I₄为同一个点光源的四幅干涉图强度，λ为可调谐激光器1中心波长。

准直物镜6出射到达参考平面镜7的平行光与光轴之间的夹角α：

α＝d_离轴/f_准直物镜

其中d_离轴为光源阵列面4上点光源到光轴的距离，

f_准直物镜＝1000mm为准直物镜的焦距。由此可以计算同一点光源在参考平面镜7和待测平面镜8之间形成的错位量Δd：

Δd＝d_腔长*α

其中d_腔长＝133mm，是参考平面镜7和待测平面镜8之间的腔长。在此基础上可以知道用于共轭差分法恢复待测波面的x和y方向上的错位长度Δx和Δy：

Δx＝Δy＝2*Δd＝2*d_腔长*α

之后通过共轭差分波面恢复算法即可以准确获取待测面的面形精度。

综上所述，本发明通过利用点源异位的干涉系统，使待测件不用进行平移、旋转或翻转，同时结合共轭差分法可以实现平面镜的绝对检验。与传统的差分法相比不需要移动待测件，因而不会引入更多的由移动待测件而产生的误差，解决了像散项无法准确测得的问题，提高了稳定性和准确性。

Claims (9)

1.一种基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置，其特征在于：包括点光源阵列(1)、分光棱镜(5)、准直物镜(6)、参考平面镜(7)、微透镜阵列(9)、成像物镜(10)和CCD相机(11)；共第一光轴依次设置点光源阵列(1)、分光棱镜(5)、准直物镜(6)、参考平面镜(7)和待测平面镜(8)，共第二光轴依次设置微透镜阵列(9)、成像物镜(10)和CCD相机(11)，微透镜阵列(9)位于分光棱镜(5)的反射光路上，分光棱镜(5)分光面与第一光轴呈45°夹角；

点光源阵列(1)用于生成四个独立、复振幅相同但各自有一定离轴量的球面波；

参考平面镜(7)反射回来的光线和待测平面镜(8)反射回来的光线在CCD相机(11)靶面上会合形成干涉场；

点光源阵列(1)出射的四个球面波打在分光棱镜(5)上，到达准直物镜(6)，经准直物镜(6)出射的平行光经过参考平面镜(7)，一部分形成参考光直接反射至准直物镜(6)，另一部分入射至待测平面镜(8)形成测试光，经待测平面镜(8)反射回参考平面镜(7)再入射至准直物镜(6)，参考光和测试光成为会聚球面波到达分光棱镜(5)并反射打到微透镜阵列(9)上，随后经过成像物镜(10)后变成平行光到达CCD相机(11)靶面，参考光和测试光在靶面上发生干涉。

2.根据权利要求1所述的基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置，其特征在于：点光源阵列(1)包括依次设置的含光纤输出的可调谐激光器(2)、1×4光纤耦合器(3)、光源阵列面(4)，其中含光纤输出的可调谐激光器(2)和1×4光纤耦合器(3)通过光纤连接，1×4光纤耦合器(3)接出的四根光纤在光源阵列面(4)上呈正方形分布，作为后续光路的四个独立点光源，其中光源阵列面(4)位于准直物镜(6)的前焦面上。

3.根据权利要求1所述的基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置，其特征在于：微透镜阵列(9)处于准直物镜(6)经分光棱镜(5)折转光路后的焦面与成像物镜(10)的焦面重合的位置。

4.根据权利要求1所述的基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置，其特征在于：所述CCD相机(11)置于成像物镜(10)焦面后方的位置，用于将光源阵列面(4)上的四个光源各自干涉成的像在CCD相机(11)的靶面上完全分开。

5.一种基于上述权利要求1-4中任意一项所述的基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置的检测方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤一、可调谐激光器(2)发出的光经光纤后看作一个点光源，经过1×4光纤耦合器(3)后成为四个呈正方形分布的点光源，四个点光源复振幅相同但空间位置有所区别，后续光路打在待测平面镜(8)上时对应着四个不同的区域，且沿着x和y方向有一定的错位量，用于共轭差分算法实现对待测平面镜(8)的绝对检验，而不用移动待测平面镜(8)；

步骤二、依次调整待准直物镜(6)、微透镜阵列(9)和CCD相机(11)的位置；

步骤三、得到稳定的干涉图后进行标定，通过调节可调谐激光器(2)的波长实现移相，并多次测量重复采图；

步骤四、利用移相算法结算相位，利用共轭差分算法实现对待测平面镜(8)的绝对检验。

6.根据权利要求5所述的基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置的检测方法，其特征在于：步骤一中可调谐激光器(2)中心波长为632.8nm。

7.根据权利要求5所述的基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置的检测方法，其特征在于：步骤一中1×4光纤耦合器(3)接出的四根光纤呈正方形排列在光源阵列面(4)上，调整微透镜阵列(9)使其位于准直物镜(6)经分光棱镜(5)折转光路后的焦面和成像物镜(10)的焦面的重合位置。

8.根据权利要求5所述基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置的检测方法，其特征在于：步骤二中一个点光源在参考平面镜(7)和待测平面镜(8)上形成的错位量Δd：

Δd＝d_腔长*tanα

其中参考平面镜(7)与待测平面镜(8)之间距离为d_腔长，准直物镜(6)出射的平行光角度为α；

在使用共轭差分复原算法复原波面时，x方向和y方向上的错位量Δx和Δy：

Δx＝Δy＝2*Δd＝2*d_腔长*tanα。

9.根据权利要求5所述基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置的检测方法，其特征在于：所述步骤三中，使用短相干激光器替换可调谐激光器(2)，此时可以通过PZT实现移相，或者搭建偏振模块后实现偏振移相，随后计算得到测试的相位数据。