CN110926360A - 一种全视场外差移相测量自由曲面的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全视场外差移相测量自由曲面的装置，所述装置包括光源模块、干涉模块、监视模块和成像模块，所述光源模块包括两个短相干光源、两个分光镜、两个声光移频器和高精度导轨，所述干涉模块包括空间滤波器、分光镜、准直镜和待测自由曲面；通过高精度导轨来调节光程，使之和参考面与被测面之间的光程进行匹配，通过采用白光干涉测量法对所述干涉图像数据进行分析处理，提取每个像素点的相干包络峰值，所有像素点的相对高度就组合成了待测自由曲面表面的整体形貌；最后通过三维重构得到其表面形貌，完成对待测自由曲面表面的测量。该装置只需进行光程匹配，不进行机械移相，从而缓解了对精度的苛刻要求，提高了实用价值。

Description

一种全视场外差移相测量自由曲面的装置

技术领域

本发明涉及光学系统技术领域，尤其涉及一种全视场外差移相测量自由曲面的装置。

背景技术

现代光学系统正朝着体积小、质量轻、结构简单、高性价比等方向发展，传统光学元件愈来愈难满足这些要求。随着光学设计水平的不断进步及自由曲面测量与加工技术的不断发展，自由曲面在光学系统中的应用越来越重要，然而自由曲面面形复杂，限制了其设计、制造和测量。随着微加工和超精密加工技术的发展，需要检测的表面由单一表面发展为复杂轮廓，测量的仪器也由小范围、单一功能的表面粗糙度测量仪朝大量程、高精度、复杂功能的方向发展。

白光干涉技术以白光为光源，白光的光谱很宽，相干长度很小，因此白光干涉零级条纹具有较好的对比度，其光强值也明显大于其它条纹。白光干涉的特性决定了白光干涉技术在高度方向不会出现相位模糊现象，由白光干涉技术与显微镜技术结合而出现的白光干涉显微镜可以测量峰谷高度大于半波长的表面微观形貌。通过改变参考光路和测量光路的光程差，利用干涉条纹完成对整个表面的扫描，能够实现表面形貌的高精度高分辨率测量，但现有技术的方案需要利用微型步进电机(PZT)时进行机械移相与光程匹配，因此对PZT精度要求非常苛刻，且PZT步进精度也会影响探测精度，同时双波长探测要求两个激光器，耗资不菲，使得成本增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种全视场外差移相测量自由曲面的装置，该装置只需进行光程匹配，不进行机械移相，从而缓解了对精度的苛刻要求，提高了实用价值。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种全视场外差移相测量自由曲面的装置，所述装置包括光源模块、干涉模块、监视模块和成像模块，其中：

所述光源模块包括两个短相干光源、两个分光镜、两个声光移频器和高精度导轨，其中：

两个短相干光源构成双频激光光源，所发射的光束在第一分光镜处合束形成等效波；等效波分为两束光，光束1由反射镜反射后，经过第一声光移频器移频后进入与所述高精度导轨连接的角锥，再由第二分光镜透射；光束2由第一分光镜透射经过第二声光移频器移频后，再由反射镜反射进入第二分光镜；光束1和光束2在第二分光镜处合束，最终输出频率分别为ω₁与ω₂的光束，并进入所述干涉模块；

所述干涉模块包括空间滤波器、分光镜、准直镜、分光板和待测自由曲面，其中：

经所述第二分光镜合束后的激光经由所述空间滤波器进行滤波，再经第三分光镜透射至所述准直镜；部分准直光束经所述准直镜的参考面反射后成为参考光束，另一部分准直光束经参考面投射到所述待测自由曲面的被测面，再经被测面反射成为测试光束，并反射回参考面；参考光束和测试光束在参考面后表面合束，沿原光路返回，光束经所述第三分光镜反射，并在分光板处分为两束光；

一束光由所述分光板反射进入所述监视模块，经所述监视模块中的第一成像镜组在第一CCD上成像，用于观察参考光束和测试光束的光斑是否重合；

另一束光由所述分光板透射进入所述成像模块，经所述成像模块中的第二成像镜组，由第二CCD采集获得合成波长对应的干涉图像；

进一步的，通过高精度导轨来调节光程，使之和参考面与被测面之间的光程进行匹配，通过采用白光干涉测量法对所述干涉图像数据进行分析处理，提取每个像素点的相干包络峰值，即零光程差位置，这个零光程差点位置就是该像素点的相对高度，所有像素点的相对高度就组合成了待测自由曲面表面的整体形貌；最后通过三维重构得到其表面形貌，完成对待测自由曲面表面的测量。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置只需进行光程匹配，不进行机械移相，从而缓解了对精度的苛刻要求；同时通过不同步进长度下的干涉图像解算出不同时刻下的步进精度误差，从而对导轨步进误差进行修正，大幅缓解了对导轨的精度要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的全视场外差移相测量自由曲面的装置结构示意图；

图2为本发明实施例所述对比度调制系数V的曲线示意图。

具体实施方式

下面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，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的全视场外差移相测量自由曲面的装置结构示意图，所述装置主要包括光源模块、干涉模块、监视模块和成像模块，其中：

所述光源模块包括两个短相干光源、两个分光镜、两个声光移频器和高精度导轨，其中：

两个短相干光源构成双频激光光源，所发射的光束在第一分光镜BS1处合束形成等效波；等效波分为两束光，光束1由反射镜反射后，经过第一声光移频器AOM1移频后进入与所述高精度导轨连接的角锥，再由第二分光镜BS2透射；光束2由第一分光镜BS1透射经过第二声光移频器AOM2移频后，再由反射镜反射进入第二分光镜BS2；光束1和光束2在第二分光镜BS2处合束，最终输出频率分别为ω₁与ω₂的光束，并进入所述干涉模块；

所述干涉模块包括空间滤波器、分光镜、准直镜、分光板和待测自由曲面，其中：

经所述第二分光镜BS2合束后的激光经由所述空间滤波器进行滤波，再经第三分光镜BS3透射至所述准直镜；部分准直光束经所述准直镜的参考面反射后成为参考光束，另一部分准直光束经参考面投射到所述待测自由曲面的被测面，再经被测面反射成为测试光束，并反射回参考面；参考光束和测试光束在参考面后表面合束，沿原光路返回，光束经所述第三分光镜BS3反射，并在分光板处分为两束光；

一束光由所述分光板反射进入所述监视模块，经所述监视模块中的第一成像镜组1在第一CCD 1(电荷耦合元件)上成像，用于观察参考光束和测试光束的光斑是否重合；

另一束光由所述分光板透射，进入所述成像模块，经所述成像模块中的第二成像镜组2，由第二CCD 2采集获得合成波长对应的干涉图像；

通过高精度导轨来调节光程，使之和参考面与被测面之间的光程进行匹配，通过采用白光干涉测量法对所述干涉图像数据进行分析处理，提取每个像素点的相干包络峰值，即零光程差位置，这个零光程差点位置就是该像素点的相对高度，所有像素点的相对高度就组合成了待测自由曲面表面的整体形貌；最后通过三维重构得到其表面形貌，完成对待测自由曲面表面的测量。

具体实现中，所述频率分别为ω₁与ω₂的光束满足如下条件：

ΔL′＝L₂-L₁；Δω＝ω₂-ω₁

其中，λ_eq代表在第一分光镜BS1处合束形成等效波的波长；λ₁、λ₂代表频率为ω₁、ω₂的光束的波长；t为采样时间；E₁、E₂分别表明频率为ω₁、ω₂的光束到达参考面后反射的光束能量；E₃、E₄分别表明频率为ω₁、ω₂的光束到达被测面后反射的光束能量；A₁、A₂代表光束的振幅；L₁、L₂分别为光源照射在参考面与被测面时对应的回光光程；

为携带被测面三维形貌信息的相位信息；ΔL为参考面与被测面之间的光程；ΔL′代表高精度导轨移动长度差；Δω为两光束差频。

上述4束反射光干涉产生的强度信号表示为：

其中，V₁、V₂、V₃、V₄、V₅为调制系数。

进一步的，当高精度导轨移动满足条件ΔL＝ΔL′时，其光程和参考面与被测面之间的光程匹配，如图2所示为本发明实施例对比度调制系数V的曲线示意图，已知相干长度l_c＝λ²/Δλ，针对部分相干光：

若：ΔL＞＞λ²/Δλ；ΔL′＞＞λ²/Δλ即光程远远大于相干长度时，由图2可知：

调制系数V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝0；

由于对短相干光源而言，只有光程差近似为0时两束光才发生干涉；因此相干光的光强I可表示为：

滤除直流后，

当光程匹配光程差为零时，即高精度导轨移动满足条件ΔL＝ΔL′，则调制系数V₅→1

具体实现中，高精度导轨实际步进精度为：ΔL″＝ΔL′+δx，ΔL′为导轨目标步进长度，δx为导轨步进误差。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种全视场外差移相测量自由曲面的装置，其特征在于，所述装置包括光源模块、干涉模块、监视模块和成像模块，其中：

所述光源模块包括两个短相干光源、两个分光镜、两个声光移频器和高精度导轨，其中：

两个短相干光源构成双频激光光源，所发射的光束在第一分光镜处合束形成等效波；等效波分为两束光，光束1由反射镜反射后，经过第一声光移频器移频后进入与所述高精度导轨连接的角锥，再由第二分光镜透射；光束2由第一分光镜透射经过第二声光移频器移频后，再由反射镜反射进入第二分光镜；光束1和光束2在第二分光镜处合束，最终输出频率分别为ω₁与ω₂的光束，并进入所述干涉模块；

所述干涉模块包括空间滤波器、分光镜、准直镜、分光板和待测自由曲面，其中：

经所述第二分光镜合束后的激光经由所述空间滤波器进行滤波，再经第三分光镜透射至所述准直镜；部分准直光束经所述准直镜的参考面反射后成为参考光束，另一部分准直光束经参考面投射到所述待测自由曲面的被测面，再经被测面反射成为测试光束，并反射回参考面；参考光束和测试光束在参考面后表面合束，沿原光路返回，光束经所述第三分光镜反射，并在分光板处分为两束光；

一束光由所述分光板反射进入所述监视模块，经所述监视模块中的第一成像镜组在第一CCD上成像，用于观察参考光束和测试光束的光斑是否重合；

另一束光由所述分光板透射进入所述成像模块，经所述成像模块中的第二成像镜组，由第二CCD采集获得合成波长对应的干涉图像；

进一步的，通过高精度导轨来调节光程，使之和参考面与被测面之间的光程进行匹配，通过采用白光干涉测量法对所述干涉图像数据进行分析处理，提取每个像素点的相干包络峰值，即零光程差位置，这个零光程差点位置就是该像素点的相对高度，所有像素点的相对高度就组合成了待测自由曲面表面的整体形貌；最后通过三维重构得到其表面形貌，完成对待测自由曲面表面的测量。

2.根据权利要求1所述全视场外差移相测量自由曲面的装置，其特征在于，所述频率分别为ω₁与ω₂的光束满足如下条件：

ΔL′＝L₂-L₁；Δω＝ω₂-ω₁

其中，λ_eq代表在第一分光镜BS1处合束形成等效波的波长；λ₁、λ₂代表频率为ω₁、ω₂的光束的波长；t为采样时间；E₁、E₂分别表明频率为ω₁、ω₂的光束到达参考面后反射的光束能量；E₃、E₄分别表明频率为ω₁、ω₂的光束到达被测面后反射的光束能量；A₁、A₂代表光束的振幅；L₁、L₂分别为光源照射在参考面与被测面时对应的回光光程；

为携带被测面三维形貌信息的相位信息；ΔL为参考面与被测面之间的光程；ΔL′代表高精度导轨移动长度差；Δω为两光束差频。

3.根据权利要求2所述全视场外差移相测量自由曲面的装置，其特征在于，4束反射光干涉产生的强度信号表示为：

其中，V₁、V₂、V₃、V₄、V₅为调制系数。

4.根据权利要求1所述全视场外差移相测量自由曲面的装置，其特征在于，当高精度导轨移动满足条件ΔL＝ΔL′时，其光程和参考面与被测面之间的光程匹配，具体过程为：

已知相干长度l_c＝λ²/Δλ，针对部分相干光，若：ΔL＞＞λ²/Δλ；ΔL′＞＞λ²/Δλ

即光程远远大于相干长度时，则：

调制系数V₁＝V₂＝V₃＝V₄＝0；

由于对短相干光源而言，只有光程差近似为0时两束光才发生干涉，因此相干光的光强I表示为：

滤除直流后，

当光程匹配光程差为零时，即高精度导轨移动满足条件ΔL＝ΔL′，则调制系数V₅→1

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