CN111238397B - 光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置和方法 - Google Patents

光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置及方法，其解决了使用两步载波拼接法时需要牺牲瞬时抗振性换取测量范围的缺陷，扩展了传统的数字莫尔移相方法的测量范围，同时也保留了数字莫尔移相方法的瞬时抗振特性。装置包括：光源(1)、分光镜(2)、参考镜(3)、第一偏振光栅(4)、被测镜(5)、第二偏振光栅(6)、第一成像物镜(7)、第一相机(8)、第二成像物镜(9)和第二相机(10)；通过偏振光栅的分光性能加载不同载波，使用偏振光栅将两束干涉光分离，同时获取两幅实际干涉图。

Description

光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置和方法
技术领域
本发明涉及光电检测的技术领域，尤其涉及一种光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，以及这种光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置所采用的方法。
背景技术
数字莫尔移相干涉测量方法是一种非球面检测方法，属于部分补偿干涉法的一种，是一种瞬时抗振的干涉测量方法，无需移相机构便可实现高精度的测量。
由于数字莫尔移相干涉测量方法需要进行低通滤波，因此剩余波前较大，或载波较大时会出现频谱混叠的情况，导致数字莫尔移相干涉测量方法出现求解错误区域的现象，且求解错误区域的位置与加载的空间载波大小有关。这导致使用数字莫尔移相干涉测量方法时，剩余波前带宽受限。造成使用数字莫尔移相干涉测量方法的剩余波前带宽只有传统多步移相干涉方法的剩余波前带宽的0.707。
由于在频谱混叠情况下，数字莫尔移相干涉测量方法求解错误区域的位置与加载的空间载波大小有关，为解决数字莫尔移相干涉测量方法剩余波前带宽受限的问题，申请人的专利(专利号201810067710.4，发明名称：基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法)提出了基于数字莫尔移相干涉测量方法的两步载波拼接法，通过采集两幅加入不同载波的干涉图，解得两个带有不同求解错误区域的面形误差。之后再提取两个面形误差的正确区域进行拼接，最终得到完整的面形误差。
两步载波拼接法扩展了传统的数字莫尔移相方法的测量范围，消除传统的数字莫尔移相方法的剩余波前带宽限制，使得数字莫尔移相干涉测量方法的剩余波前带宽与传统的移相干涉方法相当，但是现有的两步载波拼接法需要依次加载空间载波fR1、采集相应的干涉图I、加载空间载波fR2、采集相应的干涉图II，即两幅干涉图的采集需要间隔一段时间，这意味着两步载波拼接法丧失了数字莫尔移相方法的瞬时抗振特性。
偏振光栅是一种基于入射光的偏振态实现选择性分光的衍射光学元件，衍射角度取决于光栅空间周期。当偏振光栅的入射光为线偏振光时，其出射光为+1级衍射光及-1级衍射光，其中+1级衍射光为左旋圆偏振光，-1级为右旋圆偏振光；当偏振光栅的入射光为右旋圆偏振光时，其出射光为+1级衍射光，衍射光偏振态为左旋圆偏振光；当偏振光栅的入射光为左旋圆偏振光时，其出射光为-1级衍射光，衍射光偏振态为右旋圆偏振光。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其解决了使用两步载波拼接法时需要牺牲瞬时抗振性换取测量范围的缺陷，扩展了传统的数字莫尔移相方法的测量范围，同时也保留了数字莫尔移相方法的瞬时抗振特性。
本发明的技术方案是：这种光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其包括：光源(1)、分光镜(2)、参考镜(3)、第一偏振光栅(4)、被测镜(5)、第二偏振光栅(6)、第一成像物镜(7)、第一相机(8)、第二成像物镜(9)和第二相机(10)；
光源出射单色线偏振光，经过分光镜分光后，一部分被反射至参考镜表面，一部分透射至第一偏振光栅，入射参考镜表面的单色线偏振光经参考镜反射后透过分光镜，入射第一偏振光栅的单色线偏振光被第一偏振光栅的分光性能分为+1级左旋圆偏振衍射光作为第一光束和-1级右旋圆偏振衍射光作为第二光束，这两束光分别与入射光成大小相等方向相反的两个夹角，作为所述频率分别为fR1、fR2的不同空间载波入射被测镜表面，并被其反射回第一偏振光栅，经过第一偏振光栅后，第一光束变为右旋圆偏振光，第二光束变为左旋圆偏振光，两者均返回分光镜，经分光镜反射后分别与上述经参考镜反射后透过分光镜的单色线偏振光产生干涉，其中第一光束与线偏振光中的右旋圆偏振成分产生第一干涉光，第二光束与线偏振光中的左旋圆偏振成分产生第二干涉光，第一干涉光经过第二偏振光栅后出射至第一成像物镜，经第一成像物镜会聚后进入第一相机，得到第一干涉图，第二干涉光经过第二偏振光栅后出射至第二成像物镜，经第二成像物镜会聚后进入第二相机，得到第二干涉图。
本发明入射第一偏振光栅的单色线偏振光被第一偏振光栅的分光性能分为+1级左旋圆偏振衍射光作为第一光束和-1级右旋圆偏振衍射光作为第二光束，这两束光分别与入射光成大小相等方向相反的两个夹角，作为所述频率分别为fR1、fR2的不同空间载波入射被测镜表面，并被其反射回第一偏振光栅，经过第一偏振光栅后，第一光束变为右旋圆偏振光，第二光束变为左旋圆偏振光，两者均返回分光镜，经分光镜反射后分别与上述经参考镜反射后透过分光镜的单色线偏振光产生干涉，其中第一光束与线偏振光中的右旋圆偏振成分产生第一干涉光，第二光束与线偏振光中的左旋圆偏振成分产生第二干涉光，第一干涉光经过第二偏振光栅后出射至第一成像物镜，经第一成像物镜会聚后进入第一相机，得到第一干涉图，第二干涉光经过第二偏振光栅后出射至第二成像物镜，经第二成像物镜会聚后进入第二相机，得到第二干涉图，因此可以以同时向被测面加载两个不同的载波，从而缩短测量过程，节约测量时间，使测量具有瞬时抗振特性，在向被测面加载波时无需移动测量装置中任何元件，只需在构建测量装置时装调到位即可，从而避免了现有两步载波拼接法中，加载波时移动元件带来的调整误差，减少误差源，提高测量精度，从而解决了使用两步载波拼接法时需要牺牲瞬时抗振性换取测量范围的缺陷，扩展了传统的数字莫尔移相方法的测量范围，同时也保留了数字莫尔移相方法的瞬时抗振特性。
还提供了一种光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量方法，其包括以下步骤：
(1)构建虚拟干涉测量装置，在像面上得到理想系统剩余波前
Figure BDA0002381779010000041
(2)根据虚拟干涉测量装置构建实际干涉测量装置；
(3)通过偏振光栅的分光性能，使用空间周期较大的偏振光栅进行分光，将+1级衍射光作为第一光束和-1级衍射光作为第二光束，分别作为频率为fR1、fR2的不同空间载波，再使用空间周期较小的另一个偏振光栅将两束重叠的干涉光分离，一次性采集获得两幅干涉图；加载空间载波fR1获得的干涉图定义为第一干涉图，加载空间载波fR2获得的干涉图定义为第二干涉图；
(4)采用基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法，求解完整的无错误的被测面形，实现对被测面形的测量。
附图说明
图1是根据本发明的光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置的结构示意图。
图2是根据本发明的光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量方法的流程图。
其中：1-光源，2-分光镜，3-参考镜，4-第一偏振光栅，5-被测镜，6-第二偏振光栅，7-第一成像物镜，8-第一相机，9-第二成像物镜，10-第二相机。
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“包括”以及任何变形，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、装置、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他步骤或单元。
如图1所示，这种光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其包括：光源1、分光镜2、参考镜3、第一偏振光栅4、被测镜5、第二偏振光栅6、第一成像物镜7、第一相机8、第二成像物镜9和第二相机10；
光源出射单色线偏振光，经过分光镜分光后，一部分被反射至参考镜表面，一部分透射至第一偏振光栅，入射参考镜表面的单色线偏振光经参考镜反射后透过分光镜，入射第一偏振光栅的单色线偏振光被第一偏振光栅的分光性能分为+1级左旋圆偏振衍射光作为第一光束和-1级右旋圆偏振衍射光作为第二光束，这两束光分别与入射光成大小相等方向相反的两个夹角，作为所述频率分别为fR1、fR2的不同空间载波入射被测镜表面，并被其反射回第一偏振光栅，经过第一偏振光栅后，第一光束变为右旋圆偏振光，第二光束变为左旋圆偏振光，两者均返回分光镜，经分光镜反射后分别与上述经参考镜反射后透过分光镜的单色线偏振光产生干涉，其中第一光束与线偏振光中的右旋圆偏振成分产生第一干涉光，第二光束与线偏振光中的左旋圆偏振成分产生第二干涉光，第一干涉光经过第二偏振光栅后出射至第一成像物镜，经第一成像物镜会聚后进入第一相机，得到第一干涉图，第二干涉光经过第二偏振光栅后出射至第二成像物镜，经第二成像物镜会聚后进入第二相机，得到第二干涉图。
本发明入射第一偏振光栅的单色线偏振光被第一偏振光栅的分光性能分为+1级左旋圆偏振衍射光作为第一光束和-1级右旋圆偏振衍射光作为第二光束，这两束光分别与入射光成大小相等方向相反的两个夹角，作为所述频率分别为fR1、fR2的不同空间载波入射被测镜表面，并被其反射回第一偏振光栅，经过第一偏振光栅后，第一光束变为右旋圆偏振光，第二光束变为左旋圆偏振光，两者均返回分光镜，经分光镜反射后分别与上述经参考镜反射后透过分光镜的单色线偏振光产生干涉，其中第一光束与线偏振光中的右旋圆偏振成分产生第一干涉光，第二光束与线偏振光中的左旋圆偏振成分产生第二干涉光，第一干涉光经过第二偏振光栅后出射至第一成像物镜，经第一成像物镜会聚后进入第一相机，得到第一干涉图，第二干涉光经过第二偏振光栅后出射至第二成像物镜，经第二成像物镜会聚后进入第二相机，得到第二干涉图，因此可以以同时向被测面加载两个不同的载波，从而缩短测量过程，节约测量时间，使测量具有瞬时抗振特性，在向被测面加载波时无需移动测量装置中任何元件，只需在构建测量装置时装调到位即可，从而避免了现有两步载波拼接法中，加载波时移动元件带来的调整误差，减少误差源，提高测量精度，从而解决了使用两步载波拼接法时需要牺牲瞬时抗振性换取测量范围的缺陷，扩展了传统的数字莫尔移相方法的测量范围，同时也保留了数字莫尔移相方法的瞬时抗振特性。
优选地，所述光源出射单色线偏振光，具体偏振方向及波长根据实际测量情况决定，光束口径不小于被测面上被测范围口径。
优选地，所述分光镜为非偏振分光镜，其工作波长范围根据光源进行选择，其通光口径不小于被测面上被测范围口径。
优选地，所述参考镜具体面形及表面平整度根据实际测量情况决定，其口径不小于被测面上被测范围口径。
优选地，所述第一偏振光栅空间周期较大，线偏振光入射后分光得到的两束衍射光间夹角较小，使其载波大小能保证剩余波前带宽在限制范围之内；其工作波长根据光源进行选择，其口径不小于被测面上被测范围口径。
优选地，所述被测镜可为平面、球面或非球面。
优选地，所述第二偏振光栅空间周期较小，以便将两束干涉光在允许距离范围内完全分离，其工作波长根据光源进行选择，其口径不小于被测面上被测范围口径。
优选地，所述第一成像物镜及第二成像物镜具有相同的参数及指标，其焦距根据允许距离范围选择，其成像质量综合测量精度要求及相机参数进行选择，其工作波长根据光源进行选择，其口径根据第二偏振光栅的出射光口径进行选择。
优选地，所述第一相机及第二相机具有相同参数及指标，其性能根据测量精度要求进行选择，其工作波长范围根据光源进行选择，其像面尺寸综合第二偏振光栅的出射光口径及成像物镜参数进行选择。
如图2所示，一种光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量方法，其包括以下步骤：
(1)构建虚拟干涉测量装置，在像面上得到理想系统剩余波前
Figure BDA0002381779010000071
(2)根据虚拟干涉测量装置构建实际干涉测量装置；
(3)通过偏振光栅的分光性能，使用空间周期较大的偏振光栅进行分光，将+1级衍射光作为第一光束和-1级衍射光作为第二光束，分别作为频率为fR1、fR2的不同空间载波，再使用空间周期较小的另一个偏振光栅将两束重叠的干涉光分离，一次性采集获得两幅干涉图；加载空间载波fR1获得的干涉图定义为第一干涉图，加载空间载波fR2获得的干涉图定义为第二干涉图；
(4)采用基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法，求解完整的无错误的被测面形，实现对被测面形的测量。
以下详细说明本发明的具体实施例。
采用基于两步载波拼接法的瞬时数字莫尔移相干涉测量方法测量平面镜的面型误差，测量装置为基于两步载波拼接法的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，如图2所述，包括1-光源，2-分光镜，3-参考镜，4-第一偏振光栅，5-被测镜，6-第二偏振光栅，7-第一成像物镜，8-第一相机，9-第二成像物镜，10-第二相机。其中偏振光栅是一种基于入射光的偏振态实现选择性分光的衍射光学元件，衍射角度取决于光栅线数。通过控制入射光的偏振态，偏振光栅能够调控正一阶和负一阶之间的能量分布。偏振光栅相对传统光栅有超高的衍射效率，可用于光谱相关、光束选择和波长选择等多种应用场合，还可用于实现非机械式的大角度光束偏转，与传统的机械式偏转器件相比，所需空间小，且增加的系统重量可以忽略不计。偏振光栅的应用包括增强现实(AR)系统(如：AR头戴式装置)、电信设备和光学系统中的光束偏转等。某些主流生产商提供周期5μm，工作波长为520nm、650nm、780nm、850nm、940nm的标准偏振光栅，除了标准的偏振光栅，有的生产商还提供多种定制服务，包括定制特殊尺寸、设计波长、光栅周期、衍射角度等指标。
本实施例所述被测镜平面镜，被测范围为直径23mm的圆域。测量过程中，光源出射中心波长为632.8nm的单色线偏振光，光束口径为30mm。分光镜通光口径为25.4mm。参考镜为标准平面镜，表面平整度为λ/10，口径为25.4mm。第一偏振光栅空间周期为363μm，工作波长为633nm，1级衍射角约为0.1°，口径为25.4mm。第二偏振光栅空间周期为5μm，工作波长为633nm，口径为25.4mm，可在约10cm后将两束干涉光完全分离。第一成像物镜及第二成像物镜焦距为50mm，工作波长为350nm-700nm，口径为25mm。第一相机及第二相机分辨率为1024×1024，像元尺寸为5μm。
测量步骤如下：
(1)构建虚拟干涉测量装置，在像面上得到理想系统剩余波前
Figure BDA0002381779010000091
(2)根据虚拟干涉测量装置构建实际干涉测量装置。
(3)通过偏振光栅的分光性能，使用空间周期为363μm的第一偏振光栅进行分光，将+1级衍射光和-1级衍射光分别作为频率为fR1＝70/1024λ/pixel、fR2＝-70/1024λ/pixel的不同空间载波，再使用空间周期为5μm的第二偏振光栅将两束干涉光分离，一次性采集获得两幅干涉图。加载空间载波fR1获得的干涉图定义为干涉图I，加载空间载波fR2获得的干涉图定义为干涉图II。
(4)根据专利201810067710.4中提出方法的步骤三至步骤七进行采用两步载波拼接，求解完整的无错误的被测面形，实现对被测面形的测量。
专利201810067710.4中提出方法的步骤三至步骤七如下：
步骤三：采用数字莫尔移相干涉方法分别对干涉图I、干涉图II进行求解：采用数字莫尔移相干涉方法求解加载载波fR1时的被测面形SFE1；采用数字莫尔移相干涉方法求解加载载波fR2时的被测面形SFE2；
步骤四：预标记错误区域，并比较错误区域是否重叠；
步骤4.1：以步骤三中求解出的被测面形SFE1为基底，利用空间载波fR1预标记求解出的被测面形SFE1的求解错误区域ω1，ω1∈SFE1；
步骤4.2：以步骤三中求解出的被测面形SFE2为基底利用空间载波fR2预标记求解出的被测面形SFE2的求解错误区域ω2，ω2∈SFE2；
步骤4.3：检查错误区域ω1和错误区域ω2是否完全分开没有重叠，如果有重叠区域则需要更改步骤二中加载的载波；
步骤五：根据步骤4.1中求解出的被测面形SFE1的求解错误区域ω1，提取求解出的被测面形SFE2在ω1处无错误的区域SFE2'；
Figure BDA0002381779010000101
步骤六：根据步骤三中求解出的被测面形SFE1、求解出的被测面形SFE2计算求解拼接向量τ＝[Δa,Δb,Δc]T；
Figure BDA0002381779010000102
式中
Figure BDA0002381779010000103
为求解出的被测面形SFE1的相位，
Figure BDA0002381779010000104
为求解出的被测面形SFE2的相位；
步骤七：利用拼接向量τ调整步骤五中求解出的无错误的面形SFE2'的相对位置和倾斜量；并用求解出的无错误的区域SFE2'替换求解出的被测面形SFE1中的求解错误区域ω1，得到最终完整的无错误的被测面形SFE，定义求解出的无错误的被测面形SFE的相位为
Figure BDA0002381779010000105
则有
Figure BDA0002381779010000106
得到最终完整的无错误的被测面形SFE即解决采用数字莫尔移相干涉方法在大剩余波前时求解错误的问题，进而扩展传统的数字莫尔移相方法的测量范围，消除传统的数字莫尔移相方法的剩余波前带宽限制，使得数字莫尔移相干涉测量方法的剩余波前带宽与传统的移相干涉方法相当；即实现对被测面形的测量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其特征在于：其包括：光源(1)、分光镜(2)、参考镜(3)、第一偏振光栅(4)、被测镜(5)、第二偏振光栅(6)、第一成像物镜(7)、第一相机(8)、第二成像物镜(9)和第二相机(10)；
光源出射单色线偏振光，经过分光镜分光后，一部分被反射至参考镜表面，一部分透射至第一偏振光栅，入射参考镜表面的单色线偏振光经参考镜反射后透过分光镜，入射第一偏振光栅的单色线偏振光被第一偏振光栅的分光性能分为+1级左旋圆偏振衍射光作为第一光束和-1级右旋圆偏振衍射光作为第二光束，这两束光分别与入射光成大小相等方向相反的两个夹角，作为频率分别为fR1、fR2的不同空间载波入射被测镜表面，并被其反射回第一偏振光栅，经过第一偏振光栅后，第一光束变为右旋圆偏振光，第二光束变为左旋圆偏振光，两者均返回分光镜，经分光镜反射后分别与上述经参考镜反射后透过分光镜的单色线偏振光产生干涉，其中第一光束与线偏振光中的右旋圆偏振成分产生第一干涉光，第二光束与线偏振光中的左旋圆偏振成分产生第二干涉光，第一干涉光经过第二偏振光栅后出射至第一成像物镜，经第一成像物镜会聚后进入第一相机，得到第一干涉图，第二干涉光经过第二偏振光栅后出射至第二成像物镜，经第二成像物镜会聚后进入第二相机，得到第二干涉图。
2.根据权利要求1所述的光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其特征在于：所述光源出射单色线偏振光，具体偏振方向及波长根据实际测量情况决定，光束口径不小于被测面上被测范围口径。
3.根据权利要求2所述的光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其特征在于：所述分光镜为非偏振分光镜，其工作波长范围根据光源进行选择，其通光口径不小于被测面上被测范围口径。
4.根据权利要求3所述的光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其特征在于：所述参考镜具体面形及表面平整度根据实际测量情况决定，其口径不小于被测面上被测范围口径。
5.根据权利要求4所述的光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其特征在于：所述第一偏振光栅空间周期较大，线偏振光入射后分光得到的两束衍射光间夹角较小，使其载波大小能保证剩余波前带宽在限制范围之内；其工作波长根据光源进行选择，其口径不小于被测面上被测范围口径。
6.根据权利要求5所述的光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其特征在于：所述被测镜可为平面、球面或非球面。
7.根据权利要求6所述的光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其特征在于：所述第二偏振光栅空间周期较小，以便将两束干涉光在允许距离范围内完全分离，其工作波长根据光源进行选择，其口径不小于被测面上被测范围口径。
8.根据权利要求7所述的光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其特征在于：所述第一成像物镜及第二成像物镜具有相同的参数及指标，其焦距根据允许距离范围选择，其成像质量综合测量精度要求及相机参数进行选择，其工作波长根据光源进行选择，其口径根据第二偏振光栅的出射光口径进行选择。
9.根据权利要求8所述的光学元件面形的瞬态数字莫尔移相干涉测量装置，其特征在于：所述第一相机及第二相机具有相同参数及指标，其性能根据测量精度要求进行选择，其工作波长范围根据光源进行选择，其像面尺寸综合第二偏振光栅的出射光口径及成像物镜参数进行选择。
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