CN109781032B - 基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置及测量方法，利用级联的可变形镜实现参考光的大曲率波前调制，并采用光学干涉原理对大面积大曲率被测自由表面面形进行测量；从而使得参考光波与物光波产生相似或一致的波前，通过在图像探测器上产生稀疏的干涉条纹，并综合利用定量已知的参考光波前信息和干涉条纹信息可以获得被测自由曲面面形；该测量装置及方式简单高效、适用于大面积大曲率光学自由曲面的自适应测量。

Description

基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置及测 量方法

技术领域

本发明属于光学干涉测量领域，具体涉及一种基于级联自适应光学的大面积大曲率光学自由曲面面形干涉测量装置及测量方法。

背景技术

由于对特定视场或景深等性能要求，离轴、非对称等自由曲面类元件在现代光学中得到了广泛的应用。采用自由曲面光学元件能够实现更加优异的光学性能并且可以简化光学系统结构。自由曲面的复杂性和多变性导致其加工过程不同于球面和传统非球面，其没有统一的表达式，也没有固定的定义描述，只能由高效的检测技术来保证加工质量。

现代计算机技术、光学技术、传感器技术、信号分析与处理技术的发展对表面形貌测量仪器的研制产生了巨大影响，基于各种原理的表面测量仪器相继问世，为科学研究和工业应用提供了先进的科学分析手段。光学自由曲面的检测方法主要分为接触式和非接触式，其中接触式检测法如轮廓仪法、坐标测量机法等，这类方法采用逐点扫描方式，测量效率低下，容易划伤表面且不适用于软材料的测量，在超精密测量领域有很多限制。非接触测量在制造工业领域已经得到了广泛应用，针对自由曲面的非接触式测量主要有微镜阵列法、白光干涉法、计算全息法等。微镜阵列法受微透镜尺寸限制，在对大曲率自由曲面进行测量时会很困难。白光干涉法是目前应用较多的轮廓测量方法，但是在大口径大曲率自由曲面面形的测量中仍存在许多缺陷，如需要精密的机械运动和复杂的轨迹规划，测量时间长、效率低。计算全息具有高精度测量的优势，但计算全息术需要针对每个待测元件加工专门的计算全息元件，成本高、周期长，不具有通用性。当被检面的面形梯度变化过大时，刻线会很密，加大了加工的难度和误差，使测量精度下降，测量动态范围也有限，因此其在面对大面积大曲率自由曲面的检测中受到限制。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置及测量方法，该装置结构简单紧凑、测量精度高、效率高，适用于大面积大曲率被测自由曲面的轮廓快速检测场合。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置，包括激光器、第一准直扩束镜、干涉测量单元、级联的可变形镜单元和控制终端；

所述级联的可变形镜单元，包括第一反射镜、第二反射镜和N级可变形镜，N≥2；在每级可变形镜的表面上方都设有一个用于检测可变形镜面形的检测装置，且该检测装置能够将检测的数据实时反馈至控制终端；

所述干涉测量单元，包括第一分光棱镜、第二分光棱镜及设置在二者之间的中继镜，在被测自由表面和第一分光棱镜之间设有第一成像镜头，在第二分光棱镜的出射光路上还设有图像探测器；

在第二反射镜和第二分光棱镜的光路上还设有第二成像镜头；

激光器发出的激光被准直扩束镜准直扩束后经第一分光棱镜分成两束光，一束光由被测自由表面反射后作为物光照射到图像探测器上；另一束光经级联的可变形镜单元波前调制后作为参考光入射到图像探测器上；物光和参考光的干涉条纹被图像探测器记录。

优选地，经过级联的可变形镜单元调制后的参考光波前经过检测后是定量已知的，且与被测自由表面的理想波前一致或相似。

优选地，所述检测装置包括设置在可变形镜上方的光源、准直扩束镜和波前传感器，光源发出的光经过准直扩束镜形成标准平面光，再经可变形镜反射至波前传感器，波前传感器将检测的面形信息反馈至控制终端。

优选地，标准平面光由光源发出的光经准直扩束镜准直扩束后形成，或者直接由激光器和第一准直扩束镜产生的标准平面波来分束获得。

优选地，激光器发出的激光被准直扩束镜准直扩束后经第一分光棱镜分成两束光，一束光经第一成像镜头的波前放大后由被测自由表面反射，反射光通过第一成像镜头、中继镜以及第二分光棱镜后作为物光照射到图像探测器上；另一束光经级联的可变形镜单元波前调制后，再经第二成像镜头后经第二分光棱镜作为参考光入射到图像探测器上。

本发明还公开了基于上述的基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置检测被测自由表面面形的方法，包括以下步骤：

1)激光器发出的激光经第一准直扩束镜准直扩束后，经第一分光棱镜分束后，一束光经被测自由表面反射后作为物光，入射到图像探测器上，另一束光经过级联的可变形镜单元经波前调制后作为参考光，入射到图像探测器上；物光和参考光的干涉条纹被图像探测器记录；

2)检测装置将检测到的可变形镜的面形信息反馈给控制终端，由控制终端控制可变形镜单元调制参考光波前，使图像探测器产生稀疏的干涉条纹；

3)结合级联的可变形单元获得的已知的参考波前信息和干涉条纹信息，通过计算获得被测自由表面的面形。

优选地，步骤1)中，激光器发出的光经过第一准直扩束镜准直扩束后经第一分光棱镜分成两束光，一束光经第一成像镜头波前放大处理后由被测自由表面反射，反射光通过第一成像镜头、中继镜以及第二分光棱镜后作为物光，照射到图像探测器上；

另一束光经过第一反射镜反射后照射到级联的可变形镜上进行波前调制后，经第二反射镜、第二成像镜头后再经过第二分光棱镜作为参考光入射到图像探测器上。

优选地，步骤2)中，光源发出的光经准直扩束镜准直扩束后成为标准平面波，照射到可变形镜上后，反射到波前传感器上，由波前传感器测量可变形镜的面形，并将该数据反馈至控制终端。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的基于级联自适应光学的大面积大曲率自由曲面面形测量装置是一种非接触式测量装置，利用级联的可变形镜单元可以完成对任意曲率面形的测量，利用级联的可变形镜实现参考光的大曲率波前调制，并采用光学干涉原理对大面积大曲率被测自由表面面形进行测量；从而使得参考光波与物光波产生相似或一致的波前，通过在图像探测器上产生稀疏的干涉条纹，并综合利用定量已知的参考光波前信息和干涉条纹信息可以获得被测自由曲面面形，该装置测量速度快、测量精度高。

本发明公开的基于上述装置的检测方法，在求解自由曲面面形时只涉及光学干涉基本理论，算法简单、高效，适用于测量具有大面积大曲率自由曲面的光学元件。

附图说明

图1为本发明的基于级联自适应光学的大面积大曲率自由曲面面形测量装置的结构示意图。

其中：1-激光器；2-第一准直扩束镜；3-第一分光棱镜；4-第二分光棱镜；5图像探测器；6-第二可变形镜；7-光源I；8-第二准直扩束镜；9-第一波前传感器；10-第三准直扩束镜；11-光源II；12-第二波前传感器；13-第一反射镜；14-第一可变形镜；15-第二反射镜；16-控制终端；17-第一成像镜头；18-被测自由表面；19-中继镜；20-第二成像镜头。

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的实施例，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。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，为本实施例的基于级联自适应光学的大面积大曲率光学自由曲面面形干涉测量装置，该实施例公开的装置为两级级联的可变形镜单元，从图中来看，测量装置的元器件具体包括三个准直扩束镜，两个反射镜、两个可变形镜、两个个波前传感器、两个分光棱镜、两个成像镜头、一个图像探测器，一个中继镜以及控制终端。

由激光器1发出的激光被第一准直扩束镜2准直扩束后经第一分光棱镜3分成两束光，一束光经被测自由表面18反射后经过第二分光棱镜4和第一成像镜头17后的波前放大后作为物光，反射光通过第一成像镜头17、中继镜19以及第二分光棱镜4后照射到图像探测器5上；另一束光经过第一反射镜13反射后照射到第一可变形镜14上对入射的平面波进行波前调制；被第一变形镜14调制后的光波入射到第二可变形镜6上再次进行波前调制后，经第二反射镜15、第二成像镜头20和第二分光棱镜4后作为参考光入射到探测器5上；参考光和物光的干涉条纹被图像探测器5记录。

级联的可变形镜单元中，光源I 7发出的光经第二准直扩束镜8准直扩束后成为标准平面波，照射到第一可变形镜14上后，反射到第一波前传感器9上，由第一波前传感器9测量第一可变形镜14的面形；光源II 11发出的光经第三准直扩束镜10准直扩束后成为标准平面波，照射到第二可变形镜6上后，反射到第二波前传感器12上，由第二波前传感器12测量第二可变形镜6的面形。

测量中通过精确控制第二可变形镜6和第一可变形镜14的面型来对参考光波前进行波前调制，使得图像探测器5上产生稀疏的干涉条纹，结合第一波前传感器9和第二波前传感器12获得的参考波前信息，计算出被测自由曲面18的面形信息。

利用测量已知的被测自由表面16入射波前的数据和测量的反射波前数据，来解调出被测自由表面16的面形。

优选地，本发明不限于图1所示的两级可变形镜的级联，也可以扩展成三级可变形镜级联，甚至更多级的可变形镜级联，实现更大的可测量曲率变化范围。

本发明中的光源I 7、第二准直扩束装置8和第三准直扩束镜10可以采用平行光管，也可以用激光器1和第一准直扩束镜2产生的标准平面波来分束获得。

综上所述，本发明的创新体现在：利用级联的可变形镜实现参考光的大曲率波前调制，并采用光学干涉原理对大面积大曲率的被测自由表面面形进行测量；从而使得参考光波与物光波产生相似或一致的波前，通过在图像探测器上产生稀疏的干涉条纹，并综合利用定量已知的参考光波前信息和干涉条纹信息可以获得被测自由曲面的面形；该测量装置及方式简单高效、适用于大面积大曲率光学自由曲面的自适应测量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置，其特征在于，包括激光器（1）、第一准直扩束镜（2）、干涉测量单元、级联的可变形镜单元和控制终端（16）；

所述级联的可变形镜单元，包括第一反射镜（13）、第二反射镜（15）和N级可变形镜，N≥2；在每级可变形镜的表面上方都设有一个用于检测可变形镜面形的检测装置，且该检测装置能够将检测的数据实时反馈至控制终端（16）；

所述干涉测量单元，包括第一分光棱镜（3）、第二分光棱镜（4）及设置在二者之间的中继镜（19），在被测自由表面（18）和第一分光棱镜（3）之间设有第一成像镜头（17），在第二分光棱镜（4）的出射光路上还设有图像探测器（5）；

在第二反射镜（15）和第二分光棱镜（4）的光路上还设有第二成像镜头（20）；

激光器（1）发出的激光被第一准直扩束镜（2）准直扩束后经第一分光棱镜（3）分成两束光，一束光由被测自由表面（18）反射后作为物光照射到图像探测器（5）上；另一束光经级联的可变形镜单元波前调制后作为参考光入射到图像探测器（5）上；物光和参考光的干涉条纹被图像探测器（5）记录。

2.根据权利要求1所述的基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置，其特征在于，经过级联的可变形镜单元调制后的参考光波前经过检测后是定量已知的，且与被测自由表面（18）的理想波前一致或相似。

3.根据权利要求1所述的基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置，其特征在于，所述检测装置包括设置在可变形镜上方的光源、第二准直扩束镜和波前传感器，光源发出的光经过第二准直扩束镜形成标准平面光，再经可变形镜反射至波前传感器，波前传感器将检测的面形信息反馈至控制终端（16）。

4.根据权利要求3所述的基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置，其特征在于，标准平面光由光源发出的光经第二准直扩束镜准直扩束后形成，或者直接由激光器（1）和第一准直扩束镜（2）产生的标准平面波来分束获得。

5.根据权利要求1所述的基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置，其特征在于，激光器（1）发出的激光被第一准直扩束镜（2）准直扩束后经第一分光棱镜（3）分成两束光，一束光经第一成像镜头（17）的波前放大后由被测自由表面（18）反射，反射光通过第一成像镜头（17）、中继镜（19）以及第二分光棱镜（4）后作为物光照射到图像探测器（5）上；另一束光经级联的可变形镜单元波前调制后，再经第二成像镜头（20）后经第二分光棱镜（4）作为参考光入射到图像探测器（5）上。

6.基于权利要求1~5中任意一项所述的基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置检测被测自由表面面形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）激光器（1）发出的激光经第一准直扩束镜（2）准直扩束后，经第一分光棱镜（3）分束后，一束光经被测自由表面（16）反射后作为物光，入射到图像探测器（5）上，另一束光经过级联的可变形镜单元经波前调制后作为参考光，入射到图像探测器（5）上；物光和参考光的干涉条纹被图像探测器（5）记录；

2）检测装置将检测到的可变形镜的面形信息反馈给控制终端（16），由控制终端（16）控制可变形镜单元调制参考光波前，使图像探测器（5）产生稀疏的干涉条纹；

3）结合级联的可变形单元获得的已知的参考波前信息和干涉条纹信息，通过计算获得被测自由表面（16）的面形。

7.根据权利要求6所述的检测被测自由表面面形的方法，其特征在于，步骤1）中，激光器（1）发出的光经过第一准直扩束镜（2）准直扩束后经第一分光棱镜（3）分成两束光，一束光经第一成像镜头（17）波前放大处理后由被测自由表面（18）反射，反射光通过第一成像镜头（17）、中继镜（19）以及第二分光棱镜（4）后作为物光，照射到图像探测器（5）上；

另一束光经过第一反射镜（13）反射后照射到级联的可变形镜上进行波前调制后，经第二反射镜（15）、第二成像镜头（20）后再经过第二分光棱镜（4）作为参考光入射到图像探测器（5）上。

8.根据权利要求6所述的检测被测自由表面面形的方法，其特征在于，所述检测装置包括设置在可变形镜上方的光源、第二准直扩束镜和波前传感器；

步骤2）中，光源发出的光经第二准直扩束镜准直扩束后成为标准平面波，照射到可变形镜上后，反射到波前传感器上，由波前传感器测量可变形镜的面形，并将该数据反馈至控制终端（16）。

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