CN110514142A - 一种面形检测装置及面形检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将相位偏折面形检测法与激光干涉面形检测法相结合的面形检测装置及面形检测方法，面形检测装置包括成像单元、光路调整单元、参考镜组、激光干涉照明单元和相位偏折投影单元，相位偏折投影单元与参考镜组形成共轭关系，相位偏折投影单元投射出的图案光线穿过参考镜组后至待检测面。本发明提供的面形检测装置及面形检测方法在保持了激光干涉检测法的检测精度的同时，提升了动态范围，误差频段覆盖宽，从低频面形到中高频误差均可检测，无需扫描即可快速完成全口径检测。系统无需额外复杂的位姿标定过程，基于激光干涉光路本身的激光光斑对准即可完成检测系统的位姿调整。

Description

一种面形检测装置及面形检测方法

技术领域

本发明涉及光学元件检测技术领域，更具体地说，涉及一种面形检测装置；本发明还涉及一种应用于上述面形检测装置的面形检测方法。

背景技术

随着航天遥感、天文观测以及各种军用、民用器件制造等领域科技的发展，人们对其中所使用的光学元件，特别是球面、非球面等镜面元件的制作精度要求越来越高，这对生产加工这些元件过程中的质量检测也提出了更高的要求。

目前，高精度的光学元件面形检测技术包括轮廓扫描法、夏克-哈特曼检测法、相位偏折法、激光干涉检测法等。

轮廓扫描法采用接触或非接触式探头沿一定路径直接测量镜面各点矢高从而获知面形分布信息。该方法适用于各种面形的镜面检测，自动化程度高，但需要逐点检测，检测时间较长，同时采样点密度有限，测量结果中无法反映中高频误差，而且精度受限于扫描机构的性能与环境稳定性等因素。

夏克-哈特曼检测法是将被检镜波面经微透镜阵列分束并聚焦到成像传感器焦面上，计算这些光束中心坐标与理想位置的偏离量来获得被检镜的面形误差。该方法由于受到微透镜阵列个数的限制导致其横向分辨率不高，而其动态范围也受到微透镜尺寸限制，无法检测大曲率半径表面。

相位偏折法的原理是点光源发出的光经样件反射后被相机接收，入射光线与反射光线夹角的平分线即为当前镜面点的法线方向，从而可计算出镜面斜率信息再重构面形。该方法优点是检测速度快、动态范围大、中高频信息全，但低频面形分布的检测精度严重依赖于复杂的系统标定，重复性相对欠缺。

激光干涉面形检测法是当前高精度光学检测的标准方法，Zygo公司研制的平面/球面干涉仪成为光学检测业界的标杆，其检测精度可优于3nm。但由于干涉测量法动态范围小，在配备相应光学补偿元件的同时，被测元件与参考元件的面形偏离量一般需优于1μm才能使用激光干涉法进行测量。

每一种面形检测技术都有自己的局限性，为了克服上述不同检测技术的缺点，发挥各自的优点，在高精度光学元件的全制造周期中，通常选择轮廓扫描法、夏克-哈特曼检测法、相位偏折法的检测方法进行粗检，激光干涉面形检测法作为终检。激光干涉法保证光学元件面形的检测精度，轮廓扫描法负责在超出激光干涉动态范围的低阶面形检测。但是，多套按照不同测量原理运行的检测系统增加了检测设备选配和系统维护的成本，同时，不同设备在检测时对所配套工装的加工、被测件位姿的调整都有不同的要求，这也限制了光学元件制造和检测的效率。

综上所述，如何提供一种保证检测效果的同时提高检测效率的面形检测装置，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种面形检测装置，可以在保证面形检测准确度的同时提高检测效率。本发明的另一目的是提供一种应用于上述面形检测装置的面形检测方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种面形检测装置，包括：

激光干涉照明单元、相位偏折投影单元、参考镜组、光路调整单元、成像单元、数据分析单元，

所述激光干涉照明单元发出的光经所述光路调整单元调整照射至所述参考镜组，照射至所述参考镜组的光波部分被所述参考镜组反射，另一部分穿过所述参考镜组到达待检测面、且被所述待检测面反射，所述参考镜组反射的光与所述待检测面反射的光相干涉，且形成的干涉条纹在激光干涉成像光路中被所述成像单元接收；

所述相位偏折投影单元投射出的图案由所述光路调整单元投影至所述参考镜组，投影至所述参考镜组的光线穿过所述参考镜组至所述待检测面、并被所述待检测面反射，由所述待检测面反射回的光线穿过所述参考镜组在相位偏折成像光路中被所述成像单元接收；

所述相位偏折投影单元与所述参考镜组共轭；

所述成像单元与所述数据分析单元连接。

优选的，所述光路调整单元包括设置于所述成像光路的第一半透半反镜和第二半透半反镜；

所述第一半透半反镜用于将所述激光干涉照明单元所发出的光线调整照射至所述参考镜组；

所述第二半透半反镜用于将所述相位偏折投影单元显示的图案投影至所述参考镜组。

优选的，所述第一半透半反镜与所述第二半透半反镜均可转动或可平移的设置于所述成像光路、以实现向所述参考镜组照射所述激光干涉照明单元发出的光或者向所述参考镜组投影所述相位偏折投射单元所投射出的图案两者之间的切换。

优选的，所述光路调整单元包括可转动切换至第一位置与第二位置的第三半透半反镜，

所述第三半透半反镜位于所述第一位置以将所述激光干涉照明单元所发出的光线调整照射至所述参考镜组，

或所述第三半透半反镜位于所述第二位置以将所述相位偏折投影单元显示的图案投影至所述参考镜组。

优选的，所述成像单元包括成像镜组以及成像传感器，且所述成像传感器沿所述成像光路可移动设置、以实现平移对焦。

优选的，还包括用于带动所述成像传感器移动的移动机构，所述移动机构为丝杠导轨，或滑块，或压电陶瓷。

优选的，所述激光干涉照明单元包括用于发射激光的激光器以及用于对所述激光器发射的激光光源进行扩束或整形的准直镜组；

和/或所述相位偏折投影单元包括图案显示部和相位偏折成像镜组。

优选的，所述成像单元包括一个成像镜组以及一个成像传感器，

在所述激光干涉成像光路中，所述光路调整单元向所述参考镜组照射所述激光干涉照明单元发出的光时，所述成像镜组及所述成像传感器实现对所述干涉条纹的成像；

在所述相位偏折成像光路中，所述光路调整单元向所述参考镜组投影所述相位偏折投影单元所投射的图案时，所述成像镜组及所述成像传感器实现对所述调制特征图案的成像。

优选的，所述成像单元包括设置于激光干涉成像光路的第一成像镜组和第一成像传感器、以及设置于相位偏折成像光路的第二成像镜组和第二成像传感器；

在所述激光干涉成像光路中，所述光路调整单元向所述参考镜组照射所述激光干涉照明单元发出的光时，所述第一成像镜组及所述第一成像传感器实现对所述干涉条纹的成像；

在所述相位偏折成像光路中，所述光路调整单元向所述参考镜组投影所述相位偏折投影单元所投射的图案时，所述第二成像镜组及所述第二成像传感器实现对所述调制特征图案的成像。

优选的，还包括成像光路调整单元，以在所述成像单元之前，改变所述干涉条纹或所述调制特征图案两者中至少一者的成像方向。

优选的，所述成像传感器前设置有变焦镜组。

一种面形检测方法，包括：

使所述待检测面反射的光斑与所述参考镜组参考面反射的光斑在所述成像单元中心重合，利用激光干涉成像光路进行待检测面位姿粗调。

优选的，所述使待检测面反射的光斑与参考面反射的光斑重合之后包括：

所述待检测面反射的光斑与所述参考镜组参考面反射的光斑在所述成像单元中心重合之后包括：

根据所述干涉条纹的疏密及方向对所述待测面的位姿进行精调，直至干涉条纹分布最为稀疏，对所述干涉条纹进行解析、并对所述待检测面进行面形解算，获得激光干涉检测数据；

或利用相位偏折检测法对所述待检测面进行检测，并进行特征图案相位解调和所述待检测面中高频误差解算，获得相位偏折检测数据。

优选的，所述待检测面反射的光斑与所述参考镜组参考面反射的光斑在所述成像单元中心重合之后包括：

根据所述干涉条纹的疏密及方向对所述待测面的位姿进行精调，直至干涉条纹分布最为稀疏，对所述干涉条纹进行解析、并对所述待检测面进行面形解算；利用相位偏折检测法对所述待检测面进行检测，并进行特征图案相位解调和所述待检测面中高频误差解算，对激光干涉检测数据和相位偏折检测数据进行融合，计算输出待检测面的面形分布数据。

优选的，还包括：

对所述调制特征图案进行成像，根据中高频误差的尺度分布，选择合适的变焦镜组倍数，调节待检镜位姿，对准所需检测的局域视场，实现对所述检测面不同局域口径的缩放检测。

本发明提供的面形检测装置，包括激光干涉照明单元、相位偏折投影单元、光路调整单元、参考镜组、成像单元以及数据分析单元；激光干涉照明单元发出的光线经光路调整单元的调整之后，照射至参考镜组，照射至参考镜组的激光干涉照明单元发出的光一部分被参考镜组的参考面反射，另一部分穿过参考镜组后被待检测面反射，被待检测面反射的光线以及被参考镜组反射的光线相互干涉，形成的干涉条纹在激光干涉成像光路中被成像单元接收，数据分析单元根据接收到的成像单元中的干涉条纹信息，进行干涉条纹解析和待检测面面形解算，实现激光干涉面形检测；相位偏折投影单元显示的图案经光路调整单元之后投影至参考镜组，由于相位偏折投影单元与参考镜组共轭，投影至参考镜组的图案显示部发出的光线穿过参考镜组之后汇聚于参考镜组的焦点处，并继续向前传播至待检测面，待检测面反射回的调制特征图案经参考镜组后在相位偏折成像光路中被成像单元接收，数据分析单元根据接收到的成像单元中的调制特征图案信息，进行特征图案相位解调和待检测面面形解算，以实现相位偏折面形检测；且相位偏折投影单元中的相位偏折成像镜组与参考镜组共轭；成像单元与数据分析单元连接。

相比于现有技术，本发明中的面形检测装置可以在同一光路中实现激光干涉法检测与相位偏折法检测，保持了激光干涉检测法的检测精度的同时，提升了动态范围；误差频段覆盖宽，从低频面形到中高频误差均可检测；无需扫描即可快速完成全口径检测；且由于相位偏折投影单元中的相位偏折成像镜组与参考镜组共轭，当待检测面的焦点与参考镜组的焦点重合，待检测面俯仰、扭摆等位姿合适时，才能使待检测面的反射光点与参考镜组的反射光点在成像单元中重合，才能形成干涉光路，而这一严格的位姿关系，恰好提供了相位偏折检测中需要的待检测面与检测系统的准确位姿参考，使得相位偏折检测无需借助其它三维位姿检测设备进行额外的位姿标定，使面形检测装置的检测程序简化，因此，使用本技术方案的面形检测装置及面形检测方法能够全面提升光学元件的制造和检测效率，降低全制造周期中检测相关的操作复杂度，同时还能够降低产线的成本以及系统维护维修的成本，有望更好的满足现今光学元件制造的需求。

本发明还公开了一种应用于上述面形检测装置的面形检测方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的面形检测装置的具体实施例一的结构示意图；

图2为激光干涉光路与相位偏折光路分光切换的具体实施例一的结构示意图；

图3为激光干涉光路与相位偏折光路分光切换的具体实施例二的结构示意图；

图4为激光干涉与相位偏折焦平面分光光路示意图；

图5为激光干涉检测光路严格位姿关系为相位偏折检测提供准确位姿参考示意图；

图6为待检测面为凸面的结构示意图；

图7为待检测面为平面的结构示意图；

图8为待检测件为透镜组的结构示意图。

图1-8中：

1为成像单元、11为成像镜组、12为成像传感器、13为激光干涉成像单元、131为第一成像镜组、132为第一成像传感器、14为相位偏折成像单元、141为第二成像镜组、142为第二成像传感器、15为成像光路调整单元、151为第一反射镜、152为第二反射镜、2为光路调整单元、21为第一半透半反镜、22为第二半透半反镜、23为第三半透半反镜、3为参考镜组、31为参考面、4为激光干涉照明单元、41为激光器、42为准直镜组、5为相位偏折投影单元、51为图案显示部、52为相位偏折成像镜组、6为待检测面。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种面形检测装置，使激光干涉成像光路与相位偏折成像光路共用一个光路，使面形检测装置能够以两种检测方式工作，而且还使面形检测装置的体积减小、成本降低。本发明的另一核心是提供一种应用于上述面形检测装置的面形检测方法。

请参考图1-8，图1为本发明所提供的面形检测装置的具体实施例一的结构示意图；图2为激光干涉光路与相位偏折光路分光切换的具体实施例一的结构示意图；图3为激光干涉光路与相位偏折光路分光切换的具体实施例二的结构示意图；图4为激光干涉与相位偏折焦平面分光光路示意图；图5为激光干涉检测光路严格位姿关系为相位偏折检测提供准确位姿参考示意图；图6为待检测面为凸面的结构示意图；图7为待检测面为平面的结构示意图；图8为待检测件为透镜组的结构示意图。

本具体实施例提供的面形检测装置，包括激光干涉照明单元4、相位偏折投影单元5、光路调整单元2、参考镜组3、成像单元1以及数据分析单元；激光干涉照明单元4发出的光线经光路调整单元2的调整之后，照射至参考镜组3，照射至参考镜组3的激光干涉照明单元4发出的光一部分被参考镜组3的参考面31反射，另一部分穿过参考镜组3后被待检测面6反射，被待检测面6反射的光线以及被参考镜组3反射的光线相互干涉，形成的干涉条纹在激光干涉成像光路中被成像单元1接收，数据分析单元根据接收到的成像单元1中的干涉条纹信息，进行干涉条纹解析和待检测面6面形解算，实现激光干涉面形检测；相位偏折投影单元5显示的图案经光路调整单元2调整之后投影至参考镜组3，由于相位偏折投影单元5与参考镜组3共轭，投影至参考镜组3的相位偏折投影单元5发出的光线穿过参考镜组3之后汇聚于参考镜组3的焦点处，并继续向前传播至待检测面6，待检测面6反射回的调制特征图案经参考镜组3后在相位偏折成像光路中被成像单元1接收，数据分析单元根据接收到的成像单元1中的调制特征图案信息，进行特征图案相位解调和待检测面6面形解算，以实现相位偏折面形检测；且相位偏折投影单元5与参考镜组3共轭；成像单元1与数据分析单元连接。

激光干涉照明单元4发出的光由参考镜组3至待检测面6的光路、与相位偏折投影单元5投射的图案由参考镜组3至待检测面6的光路共光路设置。

相比于现有技术，本发明中的面形检测装置可以在同一光路中实现激光干涉法检测与相位偏折法检测，使设备的集成度提高，有助于提升检测光路的紧凑性以及检测数据的相容性；相位偏折检测光路可以增大激光干涉检测光路的面形检测动态范围，对于因局部斜率变化较大而无法形成可分辨干涉条纹的区域给出重构面形分布，与激光检测数据相融合，从而获取全口径面形分布数据。

且由于相位偏折投影单元中的相位偏折成像镜组与参考镜组共轭，当待检测面的焦点与参考镜组的焦点重合，待检测面俯仰、扭摆等位姿合适时，才能使待检测面的反射光点与参考镜组的反射光点在成像单元中重合，才能形成干涉光路，而这一严格的位姿关系，恰好提供了相位偏折检测中需要的待检测面与检测系统的准确位姿参考，使得相位偏折检测无需借助其它三维位姿检测设备进行额外的位姿标定，使面形检测装置的检测程序简化，同时也提高了定位精度和检测效率。

另外，本具体实施例中的面形检测装置可以在同一光路中实现激光干涉法检测与相位偏折法检测，激光干涉照明单元4发出的光被待检测面6反射后到成像单元1之间所形成的激光干涉成像光路与相位偏折投影单元5所显示的图案被待检测面6反射后到成像单元1之间所形成的相位偏折成像光路，两者能够被设置为同一成像光路，并且激光干涉照明单元4发出的光由参考镜组3到待检测面6这部分光路，与相位偏折投影单元5显示的图案由参考镜组3到待检测面6这部分光路，两者共光路，相比于只可以进行激光干涉检测的设备与只可以进行相位偏折检测的设备的组合，不仅使面形检测装置能够以两种检测方式工作，而且还使面形检测装置的零部件数量减少，从而使面形检测装置的体积减小、成本降低。

使用相位偏折检测时，可借助激光干涉检测光路的位姿调整基准，确认相位偏折检测光路元件相对于待检面的位姿关系，完成位姿标定，具体操作为：在使用上述面形检测装置进行面形检测时，可以使待检测面6反射的光斑与参考面31反射的光斑在成像单元1中心重合，以利用激光干涉成像光路进行待检测面6位姿粗调的操作；位姿粗调操作结束之后，根据干涉条纹疏密及方向，进行待检测面6位姿的精调。利用检测系统中的激光干涉成像光路本身实现了相位偏折光路的位姿标定，而无需借助第三方仪器设备来建立位姿坐标系，减小了系统操作复杂度，提高了检测的效率。

需要进行说明的是，待检测面6可以是凹面、凸面、平面或透镜组，针对不同的待检测面6，参考镜组3可以是不同结构的，具体的参考镜组3的选择需与待测镜配合，参考镜组3的复杂度也与待测镜相关；如附图6-8所示，以参考镜组3最接近待检测面6的面为参考面31。参考面31和待检测面6对激光干涉照明单元4发出光的反射信号两者形成干涉以实现激光干涉面形测量。

成像单元1与数据分析单元连接，以使成像单元1中的成像信息能够传递至数据分析单元。

在上述实施例的基础上，可以使光路调整单元2包括用于将激光干涉照明单元4所发出的光线调整照射至参考镜组3的第一半透半反镜21以及用于将相位偏折投影单元5显示的图案投影至参考镜组3的第二半透半反镜22，且第一半透半反镜21与第二半透半反镜22均设置于激光干涉成像光路或相位偏折成像光路中。

在使用的过程中，激光干涉照明单元4发出的光，照射至第一半透半反镜21之后被第一半透半反镜21反射至参考镜组3；相位偏折投影单元5所投射出的图案经相位偏折成像镜组52由第二半透半反镜22反射并投影至参考镜组3。由于使用的是半透半反镜，因此，激光干涉照明单元4发出的光被待检测面6反射后能够由第一半透半反镜21穿过至成像单元1，相位偏折投影单元5所显示的图案被待检测面6反射后由第二半透半反镜22穿过至成像单元1。

在本具体实施例提供的面形检测装置中，激光干涉照明单元4与相位偏折投影单元5是分时工作的，两者切换的方式可以通过第一半透半反镜21以及第二半透半反镜22实现，可以将第一半透半反镜21可转动或可平移的设置于激光干涉成像光路，将第二半透半反镜22可转动或可拆卸的设置于相位偏折成像光路。

如图2所示，虚线表示第一半透半反镜21旋转为不将激光干涉照明单元4发出的光线反射到参考镜组3的位置，或者第一半透半反镜21被移出激光干涉成像光路，也就是第一半透半反镜21处于非工作位置；此时，面形检测装置以相位偏折法进行测量，图案显示部51显示的特定特征的图案经相位偏折成像镜组52通过第二半透半反镜22反射至参考镜组3，在参考镜组3的焦点处形成实像，作为投影光源照亮待检测面6，光线由待检测面6反射回来经参考镜组3、第二半透半反镜22、被成像单元1接收，数据分析单元进行特征图案相位解调和待检测面6面形解算；在相位偏折检测的过程中，由于第一半透半反镜21旋转或被移出光路，所以激光干涉照明单元4发出的光不会进入投影光路而照射到待检测面6上，同时第一半透半反镜21的旋转或移出也可以减少对相位偏折成像光路上相位偏折检测信号的影响。

当进行激光干涉测量时，第二半透半反镜22旋转或被移出投影光路，从而不将相位偏折投影单元5所显示的图案投向参考镜组3。激光干涉照明单元4发出激光，经第一半透半反镜21之后照射至参考镜组3，参考镜组3的参考面31反射的光波与待检测面6反射的光波相干涉，两者形成的干涉条纹被成像单元1接收，数据分析系统进行干涉条纹解析和待检测面6的面形解算。在这个过程中，由于第二半透半反镜22旋转或被移出光路，所以相位偏折投影单元5的图案不会进入投影光路而照射到待检测面6上，同时第二半透半反镜22的旋转或移出也可以减少对成像光路上激光干涉检测信号的影响。经过上述设计，光路调整单元2的设置，使激光干涉照明单元4和相位偏折投影单元5均可以固定设置。

在上述实施例的基础上，为了进一步减少零件的设置，可以使光路调整单元2包括可转动至第一位置和第二位置的第三半透半反镜23，第三半透半反镜23位于第一位置以将激光干涉照明单元4所发出的光线调整照射至参考镜组3，第三半透半反镜23位于第二位置以将相位偏折投影单元5显示的图案投影至参考镜组3。

第三半透半反镜23旋转至第一位置时，激光干涉照明单元4发出的光经第三半透半反镜23反射之后照射至参考镜组3，此时，图案显示部51发出的光不会投影至参考镜组3；当第三半透半反镜23转动至第二位置时，图案显示部51投射的图案经第三半透半反镜23被投影至参考镜组3，此时，激光干涉照明单元4发出的光线不能被照射至参考镜组3。

优选的，可以在光路中增加光阑，光阑为在光学系统中对光束起限制作用的实体，以减小激光干涉照明单元4与相位偏折投影单元5之间信号的影响，当然，还可以采取其它的措施，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。

在上述实施例的基础上，为了提高激光干涉照明单元4所发射激光的质量，可以使激光干涉照明单元4包括用于发射激光的激光器41以及用于使激光器41所发射的激光光源进行扩束或整形的准直镜组42。

优选的，激光器41为具有稳定相干波长的激光器41，激光波长与光路中使用的光学元件以及成像传感器12适配，可以是常规使用的632.8nm的红色激光，或其他可见光、红外、紫外激光。

需要进行说明的是，相位偏折投影单元5包括图案显示部51以及相位偏折成像镜组52，图案显示部51为亮度可调的点源阵列，如LED、LCD、激光点阵显示屏、空间光调制器等，光源波长可以是单色光、多个单色光组合或者白光。光路中的第一半透半反镜21和第二半透半反镜22可以是偏振光分光镜，也可以是普通光能分光镜。

在上述实施例的基础上，可以使成像单元1包括成像镜组11以及成像传感器12，

在激光干涉成像光路中，光路调整单元2向参考镜组3照射激光干涉照明单元4发出的光时，成像镜组11及成像传感器12实现对干涉条纹的成像；

在相位偏折成像光路中，光路调整单元2向参考镜组3投影相位偏折投影单元5所投射的图案时，成像镜组11及成像传感器12实现对调制特征图案的成像。

对于激光干涉测量来说，为了进一步控制杂散光等方面带来的影响，成像单元1可被设置为不直接对干涉条纹进行拍摄，而是设置中间像面，但相位偏折测量并不需要对中间像面进行特殊处理，因此，系统中激光干涉光路的像面和相位偏折光路的像面会在不同的位置。为了保证成像质量需要成像传感器12通过前后平移来实现对焦。

在上述实施例的基础上，为了控制杂散光，激光干涉成像光路能够形成中间像面，使成像单元1包括成像镜组11、成像传感器12且成像传感器12沿所述成像光路可移动设置、以实现平移对焦。

优选的，还包括用于带动成像传感器移动的移动机构，移动机构为丝杠导轨，或滑块，或压电陶瓷。

当然，可以通过丝杠带动滑块相对于导轨移动，由电机带动丝杠转动，或者还可以是其它移动机构，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。

在上述实施例的基础上，为了解决像面不一致的问题，也可以将成像单元设计为两套，可以使成像单元1包括设置于激光干涉成像光路的第一成像镜组131和第一成像传感器132、以及设置于相位偏折成像光路的第二成像镜组141和第二成像传感器142。

在使用的过程中，图案显示部51投出的图案经待检测面6反射之后透过参考镜组3经第一成像镜组131在第一成像传感器132成像；激光干涉照明单元4发出的光线经待检测面6反射之后与参考镜组3反射的光线形成干涉条纹，经第二成像镜组141在第二成像传感器142成像。

需要进行说明的是，第一成像镜组131与第一成像传感器132统称为激光干涉成像单元13，第二成像镜组141与第二成像传感器142统称为相位偏折成像单元14。

当成像单元1中激光干涉成像单元13与相位偏折成像单元14为不同结构时，为了实现激光干涉成像单元13与相位偏折成像单元14的切换，可以设置成像光路调整单元15，成像光路调整单元15包括第一反射镜151和第二反射镜152，第一反射镜151用于将激光干涉成像光路中的光线反射至第一成像镜组131、第二反射镜152用于将相位偏折成像光路中的光线反射至第二成像镜组141；

第一反射镜151可转动或可平移的设置于激光干涉成像光路，第二反射镜152可转动或可平移的设置于相位偏折成像光路。

当需要通过激光干涉法进行测量时，可以将第二反射镜152旋转至非工作位置或者将第二反射镜152移出相位偏折成像光路，并将第一反射镜151旋转至工作位置，以使激光干涉照明单元4所发出的光被待检测面6反射之后与被参考镜组3反射之后的光线能够被第一反射镜151反射至第一成像镜组131，并在第一成像传感器132成像；当需要通过相位偏折法进行测量时，可以将第一反射镜151旋转至非工作位置或将第一反射镜151移出激光干涉成像光路，并将第二反射镜152旋转至工作位置，以使图案显示部51投射的图案经待检测面6反射之后能够被第二反射镜152反射至第二反射镜152组，并在第二成像传感器142成像。

在上述实施例的基础上，为了在激光干涉光路中，能够实现对待检测面6不同局域口径的缩放检测，以及在相位偏折光路中，实现对于待检测面6不同尺度的中高频信息检测，成像传感器12前设置有变焦镜组。

当成像单元1中激光干涉成像单元13与相位偏折成像单元14为不同结构时，可以在第一成像传感器132前设置第一变焦镜组，在第二成像传感器142前设置有第二变焦镜组。

在检测的过程中，对调制特征图案进行成像，可以根据中高频误差的尺度分布，选择合适的变焦镜组倍数，调节待检测面6的位姿，对准所需检测的局域视场。

需要进行说明的是，上述实施例提供的面形检测装置保持了激光干涉检测法的检测精度的同时，提升了动态范围；使误差频段覆盖宽度增加，从低频面形到中高频误差均可检测；无需扫描即可快速完成全口径检测；无额外复杂位姿标定过程，基于激光干涉光路本身的激光光斑对准便可完成检测系统位姿调整。因此，使用本技术方案的系统和方法能够全面提升光学元件的制造和检测效率，降低制造周期中与检测相关的操作的复杂度，同时还能够降低产线的成本以及系统维护维修的成本，能够更好的满足光学元件制造的需求。

除了上述实施例提供的面形检测装置，本发明还提供了一种应用于上述面形检测装置的面形检测方法，该面形检测方法包括：

步骤S1，使待检测面6反射的光斑与参考镜组3参考面反射的光斑在成像单元1中心重合，利用激光干涉成像光路进行待检测面位姿粗调。

上述步骤S1之后，可以包括：

步骤S11，根据干涉条纹的疏密及方向对待测面6的位姿进行精调，直至干涉条纹分布最为稀疏，对干涉条纹进行解析、并对待检测面6进行面形解算，获得激光干涉检测数据；

或利用相位偏折检测法对待检测面6进行检测，并进行特征图案相位解调和待检测面6中高频误差解算，获得相位偏折检测数据。

上述步骤S1之后，也可以包括：

步骤S12，根据干涉条纹的疏密及方向对待测面6的位姿进行精调，直至干涉条纹分布最为稀疏，对干涉条纹进行解析、并对待检测面6进行面形解算；利用相位偏折检测法对待检测面6进行检测，并进行特征图案相位解调和待检测面6中高频误差解算，对激光干涉检测数据和相位偏折检测数据进行融合，计算输出待检测面6的面形分布数据。

上述步骤S11与S12中还可以包括：

步骤S111，对调制特征图案进行成像，根据中高频误差的尺度分布，选择合适的变焦镜组倍数，调节待检镜位姿，对准所需检测的局域视场，实现对检测面不同局域口径的缩放检测。

在使用的过程中，不同的工况情况下，需要进行不同的操作，具体选择使用激光干涉测量还是相位偏折测量或者二者结合的测量方式需要根据实际情况确定。

当工况情况为：待检测面6全口径面形精度均已进入干涉仪检测范围，可直接使用激光干涉光路检测待检测面6面形时，使用方法为：

步骤一，切入激光干涉检测光路，点亮激光器41，利用干涉仪激光光斑对准工作模式进行待检测面6位姿粗调，使待检测面6反射的光斑与参考面31反射光斑在成像传感器12的中心重合。

步骤二，利用干涉仪干涉条纹显示工作模式，根据条纹的疏密及方向对待测面6位姿进行精调，直至干涉条纹分布最为稀疏，此时数据分析系统进行干涉条纹解析和待检测面6面形解算，输出待检测面6全口径面形分布数据。

当工况情况为：待检测面6部分区域面形精度已进入干涉仪检测范围，但局域加工精度不足，导致局域干涉条纹无法解析，需使用相位偏折检测补全该部分区域面形时：

步骤一，切入激光干涉检测光路，利用干涉仪激光光斑对准工作模式进行待检测面6位姿粗调，使待检测面6反射的光斑与参考镜组3反射光斑在成像传感器12中心重合；利用干涉仪干涉条纹显示工作模式对待检测面6进行位姿精调，调整至干涉条纹分布最为稀疏；此时数据分析系统进行干涉条纹解析和待检测面6面形解算，此时有局部干涉条纹过密而无法分辨，待后续流程继续解析。

步骤二，切出激光干涉检测光路，切入相位偏折检测光路，点亮图案显示部51，显示特征图案，成像传感器12采集由待检测面6反射回来的调制特征图案，数据分析系统进行特征图案相位解调和待检测面6形解算。

步骤三，数据分析系统对激光干涉检测数据和相位偏折检测数据进行融合，计算输出待检测面6全口径面形分布数据。

当工况情况为：待检测面6面形精度尚未进入干涉仪检测范围，使用相位偏折检测待检测面6的面形，所需待检测面6位姿仍通过激光干涉光路的中心光斑来调整：

步骤一，切入激光干涉检测光路，点亮激光器41，利用激光光斑对准光路进行待检测面6位姿粗调，使待检测面6反射的光斑与参考面31反射光斑在成像传感器12中心重合；若此时切换为干涉条纹显示光路，将发现由于待检测面6表面面形误差过大，无法获取清晰干涉条纹。

步骤二，切出激光干涉检测光路，切入相位偏折检测光路，点亮图案显示部51，显示特征图案，成像传感器12采集由待检测面6反射回来的调制特征图案，数据分析系统进行特征图案相位解调和待检测面6面形解算，输出当前状态下的待检测面6全口径面形分布数据。

当工况情况为：待检测面6面形精度无限制，使用相位偏折检测待检测面6中高频误差，此时可结合待检测面6待测视场选择不同变焦倍数时：

步骤一，切入相位偏折检测光路，点亮图案显示部51，显示特征图案，成像传感器12采集由待检测面6反射回来的调制特征图案。

步骤二，根据所需检测的中高频误差的尺度分布，选择合适的变焦镜组倍数，调节待检测面6位姿，对准所需检测的局域视场。

步骤三，采集当前检测视场的调制特征图案，数据分析系统进行特征图案相位解调和待检测面6中高频误差解算，输出待检测面6该视场的表面形貌特征分布数据。

与现有技术相比，本申请的面形检测装置融合了激光干涉面形检测技术和相位偏折面形检测技术，因而设备集成度高，有助于提升检测光路的紧凑性，以及检测数据的相容性。加入的相位偏折检测光路可提升激光干涉检测光路的面形检测动态范围，对于因局部斜率变化较大而无法形成可分辨干涉条纹的区域给出重构面形分布，可以通过与激光干涉检测数据相融合，获取待检测面6全口径面形分布数据。还可在成像传感器12前端加入变焦镜组，利用相位偏折检测光路获取不同尺度的待检测面6表面形貌特征分布，更全面的评价待检测面6表面质量，因此本面形检测装置具有很广的适用范围。

另外，本系统和方法使得图案显示部51与成像单元1所形成的相位偏折检测光路在系统搭建完成后两者的位姿关系固定，无需在每次检测时对其进行重新标定。并且只有当待检测面6的焦点与参考镜组3焦点重合，待检测面6俯仰、扭摆等位姿合适时才能使待检测面6反射光点与参考面31反射光点在成像单元1的成像传感器12中心区域重合，才能形成干涉光路；而这一严格的位姿关系，恰好提供了相位偏折检测中需要的待检测面6与检测系统的准确位姿参考，使得相位偏折检测无需借助其他三维位姿检测设备进行额外的位姿定，不仅简化了系统操作难易程度，同时还提高了定位精度和检测效率。

上面提到的有关面形检测装置的使用方法的实施例以及工况情况只是若干工况情况以及使用方法中的一部分，对于本领域的技术人员在此基础上进行的修改和改动均在本发明的保护范围之内。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的第一变焦镜组和第二变焦镜组、第一反射镜151和第二反射镜152、第一半透半反镜21、第二半透半反镜22和第三半透半反镜23、第一成像镜组131和第二成像镜组141、第一成像传感器132和第二成像传感器142、第一位置和第二位置中的第一、第二和第三只是为了区分位置的不同，并没有先后顺序之分。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。

以上对本发明所提供的面形检测装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.一种面形检测装置，其特征在于，包括：

激光干涉照明单元(4)、相位偏折投影单元(5)、参考镜组(3)、光路调整单元(2)、成像单元(1)、数据分析单元，

所述激光干涉照明单元(4)发出的光经所述光路调整单元(2)调整照射至所述参考镜组(3)，照射至所述参考镜组(3)的光波部分被所述参考镜组(3)反射，另一部分穿过所述参考镜组(3)到达待检测面(6)、且被所述待检测面(6)反射，所述参考镜组(3)反射的光与所述待检测面(6)反射的光相干涉，且形成的干涉条纹在激光干涉成像光路中被所述成像单元(1)接收；

所述相位偏折投影单元(5)投射出的图案由所述光路调整单元(2)投影至所述参考镜组(3)，投影至所述参考镜组(3)的光线穿过所述参考镜组(3)至所述待检测面(6)、并被所述待检测面(6)反射，由所述待检测面(6)反射回的光线穿过所述参考镜组(3)在相位偏折成像光路中被所述成像单元(1)接收；

所述相位偏折投影单元(5)与所述参考镜组(3)共轭；所述成像单元(1)与所述数据分析单元连接。

2.根据权利要求1所述的面形检测装置，其特征在于，所述光路调整单元(2)包括设置于所述成像光路的第一半透半反镜(21)和第二半透半反镜(22)；

所述第一半透半反镜(21)用于将所述激光干涉照明单元(4)所发出的光线调整照射至所述参考镜组(3)；

所述第二半透半反镜(22)用于将所述相位偏折投影单元(5)显示的图案投影至所述参考镜组(3)。

3.根据权利要求2所述的面形检测装置，其特征在于，所述第一半透半反镜(21)与所述第二半透半反镜(22)均可转动或可平移的设置于所述成像光路、以实现向所述参考镜组(3)照射所述激光干涉照明单元(4)发出的光或者向所述参考镜组(3)投影所述相位偏折投射单元(5)所投射出的图案两者之间的切换。

4.根据权利要求1所述的面形检测装置，其特征在于，所述光路调整单元(2)包括可转动切换至第一位置与第二位置的第三半透半反镜(23)，

所述第三半透半反镜(23)位于所述第一位置以将所述激光干涉照明单元(4)所发出的光线调整照射至所述参考镜组(3)，

或所述第三半透半反镜(23)位于所述第二位置以将所述相位偏折投影单元(5)显示的图案投影至所述参考镜组(3)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的面形检测装置，其特征在于，所述成像单元(1)包括成像镜组(11)以及成像传感器(12)，且所述成像传感器(12)沿所述成像光路可移动设置、以实现平移对焦。

6.根据权利要求5所述的面形检测装置，其特征在于，还包括用于带动所述成像传感器(12)移动的移动机构，所述移动机构为丝杠导轨，或滑块，或压电陶瓷。

7.根据权利要求1-4任一项所述的面形检测装置，其特征在于，所述激光干涉照明单元(4)包括用于发射激光的激光器(41)以及用于对所述激光器(41)发射的激光光源进行扩束或整形的准直镜组(42)；

和/或所述相位偏折投影单元(5)包括图案显示部(51)和相位偏折成像镜组(52)。

8.根据权利要求1-4任一项所述的面形检测装置，其特征在于，所述成像单元(1)包括一个成像镜组(11)以及一个成像传感器(12)，

在所述激光干涉成像光路中，所述光路调整单元(2)向所述参考镜组(3)照射所述激光干涉照明单元(4)发出的光时，所述成像镜组(11)及所述成像传感器(12)实现对所述干涉条纹的成像；

在所述相位偏折成像光路中，所述光路调整单元(2)向所述参考镜组(3)投影所述相位偏折投影单元(5)所投射的图案时，所述成像镜组(11)及所述成像传感器(12)实现对所述调制特征图案的成像。

9.根据权利要求1-4任一项所述的面形检测装置，其特征在于，所述成像单元(1)包括设置于激光干涉成像光路的第一成像镜组(131)和第一成像传感器(132)、以及设置于相位偏折成像光路的第二成像镜组(141)和第二成像传感器(142)；

在所述激光干涉成像光路中，所述光路调整单元(2)向所述参考镜组(3)照射所述激光干涉照明单元(4)发出的光时，所述第一成像镜组(131)及所述第一成像传感器(132)实现对所述干涉条纹的成像；

在所述相位偏折成像光路中，所述光路调整单元(2)向所述参考镜组(3)投影所述相位偏折投影单元(5)所投射的图案时，所述第二成像镜组(141)及所述第二成像传感器(142)实现对所述调制特征图案的成像。

10.根据权利要求9所述的面形检测装置，其特征在于，还包括成像光路调整单元(15)，以在所述成像单元(1)之前，改变所述干涉条纹或所述调制特征图案两者中至少一者的成像方向。

11.根据权利要求8所述的面形检测装置，其特征在于，所述成像传感器(12)前设置有变焦镜组。

12.一种面形检测方法，应用于上述权利要求1-11任一项提到的面形检测装置，其特征在于，包括：

使所述待检测面(6)反射的光斑与所述参考镜组(3)参考面反射的光斑在所述成像单元(1)中心重合，利用激光干涉成像光路进行待检测面位姿粗调。

13.根据权利要求12所述的面形检测方法，其特征在于，所述待检测面(6)反射的光斑与所述参考镜组(3)参考面反射的光斑在所述成像单元(1)中心重合之后包括：

根据所述干涉条纹的疏密及方向对所述待测面(6)的位姿进行精调，直至干涉条纹分布最为稀疏，对所述干涉条纹进行解析、并对所述待检测面(6)进行面形解算，获得激光干涉检测数据；

或利用相位偏折检测法对所述待检测面(6)进行检测，并进行特征图案相位解调和所述待检测面(6)中高频误差解算，获得相位偏折检测数据。

14.根据权利要求12所述的面形检测方法，其特征在于，所述待检测面(6)反射的光斑与所述参考镜组(3)参考面反射的光斑在所述成像单元(1)中心重合之后包括：

根据所述干涉条纹的疏密及方向对所述待测面(6)的位姿进行精调，直至干涉条纹分布最为稀疏，对所述干涉条纹进行解析、并对所述待检测面(6)进行面形解算；利用相位偏折检测法对所述待检测面(6)进行检测，并进行特征图案相位解调和所述待检测面(6)中高频误差解算，对激光干涉检测数据和相位偏折检测数据进行融合，计算输出待检测面(6)的面形分布数据。

15.根据权利要求13或14所述的面形检测方法，其特征在于，还包括：

对所述调制特征图案进行成像，根据中高频误差的尺度分布，选择合适的变焦镜组倍数，调节待检镜位姿，对准所需检测的局域视场，实现对所述检测面(6)不同局域口径的缩放检测。