CN111947592B - 一种动态双波长移相干涉测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种动态双波长移相干涉测量装置，该装置中的包括：第一激光器、第二激光器、可调中性滤光片、光开关、反射镜、合束镜、扩束镜、二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、参考镜、第二四分之一波片、近零位补偿镜、被测面、第三四分之一波片、成像镜、分束镜、第二偏振分光棱镜、第一探测器、第二探测器、第三偏振分光棱镜、第三探测器、第四探测器和计算机；以及测量方法。本发明装置隔振要求低，能实现对最大面形误差斜率小于3.5μm/pixel的非球面/自由曲面元件的面形进行全口径动态干涉测量。

Description

一种动态双波长移相干涉测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及非球面/自由曲面光学元件检测技术领域，特别是一种动态双波长移相干涉测量装置和测量方法。

背景技术

非球面光学元件因其具有焦距短、像差小等特性是现代精密光学器件及光学系统的重要组成部分。高科技前沿领域对于光学非球面面形加工精度的要求不断在提高，而高精度检测技术是实现精密光学元件加工的重要支撑和保障，同时检测技术所能实现的精度也直接限制了光学加工的精度。目前，非球面/自由曲面元件的三维面形检测朝着高精度、大斜率/大陡度测量方向发展，传统的单波长移相干涉检测虽然能实现高精度测量，但其可测量的面形变化范围太小：当被测面面形误差相邻两像素单元间的高度差超过λ/4(即面形相位图中相邻像素单位的相位差超过π)时，会导致该部分区域不能被正确解包裹，从而不能准确得到元件此处的面形误差，研究人员称之为“2π歧义”(2πambiguities)。该问题致使市面上常用的平面、球面激光干涉仪采集不到准确的干涉条纹，从而无法对它们进行检测。一些面形复杂、局部区域梯度较大的非球面(或称“自由曲面”)甚至难以制作相应的计算全息(CGH)补偿器进行完全补偿干涉检测。

为了解决大斜率面形误差的非球面/自由曲面元件表面面形的高精度、低成本、无损检测的问题，1947年，Forrester等人利用双波长全息干涉术(TWHI)将斜率较大的元件面形误差通过计算处理表现在1个条纹周期以内(Physical Review 72,728-728(1947))，其结果相当于采用了一个比原单一波长大得多的等效波长λ_e对物体进行了干涉测量，λ_e的大小可达几十微米甚至毫米级，有效抑制可见光单波长下的“2π歧义”、使测量范围大大增加，但其采集的条纹受背景噪声影响且对环境隔振要求较高。在发明专利《斐索式双波长干涉测试装置及其合成波长相位提取方法》(CN106482839A)中，发明人公开了一种菲索式双波长干涉测试装置，并利用PZT(压电陶瓷传感器)对两种波长下待测元件面形误差的相位分布分别进行机械移相测量，虽然该方法提高了单波长下待测元件面形误差的测量精度，抑制了测量过程中的单幅条纹背景噪声对测量结果的影响，但该方法对环境振动要求较高、隔振成本较高，且该方法在两种波长下的测量受PZT移相速度所限制，存在测量时间差，从而影响测量精度。

发明内容

本发明为了解决市面上利用双波长全息干涉术(TWHI)测量大斜率面形误差非球面/自由曲面元件面形方法隔振成本高、在双波长下测量存在前后时间差从而影响测量精度等问题，提出一种动态双波长移相干涉测量装置和测量方法。本发明方法基于偏振移相干涉术，在两种短波长下分别对待测元件表面进行偏振移相干涉测量，采集待测元件表面面形误差的相位分布，然后利用相关算法对采集到的相位信息进行等效波长变换，最后对等效波长下的相位图进行解包，得到待测元件表面面形误差的测量结果。偏振移相是一种同步移相采集法，四个相机同时采集不同偏振态下的相移干涉条纹图，移相没有先后时间差，该方法对环境振动要求低；同时，本发明装置中两激光光源可以快速切换，其切换频率接近于相机的采集频率，即本发明方法在两种波长下的最快总采集时间约等于相机2帧画面的用时，因此本发明方法可看做为瞬时采集、不受采集时间差的影响。本发明方法能对面形误差斜率小于3.5μm/pixel的非球面/自由曲面元件的面形实现全口径动态干涉检测，对测量元件无损伤、检测成本较低、测量速度快。

本发明的技术解决方案如下：

一种动态双波长移相干涉测量装置，其特点在于该装置包括：第一激光器、第二激光器、可调中性滤光片、光开关、反射镜、合束镜、扩束镜、二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、参考镜、第二四分之一波片、近零位补偿镜、被测面、第三四分之一波片、成像镜、分束镜、第二偏振分光棱镜、第一探测器、第二探测器、第三偏振分光棱镜、第三探测器、第四探测器和计算机；沿所述的激光器的激光输出方向依次是所述的光开关、反射镜和合束镜，激光经所述的合束镜后被反射，形成光束一；沿所述的激光器的激光输出方向依次是所述的可调中性滤光片、光开关和合束镜，激光透过所述的合束镜后，形成光束二；沿所述的光束一和光束二激光输出方向依次是所述的扩束镜、二分之一波片、第一偏振分光棱镜；所述的第一偏振分光棱镜将入射激光光束分为了反射光一和透射光一，在所述的反射光一方向上，依次是所述的第一四分之一波片和参考镜，激光在所述的参考镜表面发生反射，经所述的第一四分之一波片后，透过所述的第一偏振分光棱镜，形成参考光；在所述的透射光一方向上，依次是所述的第二四分之一波片、近零位补偿镜和被测面，激光在所述的被测面发生反射，经所述的近零位补偿镜和第二四分之一波片后，被所述的第一偏振分光棱镜反射，形成测量光；在所述的参考光和测量光方向上，依次是所述的第三四分之一波片、成像镜和分束镜；所述的分束镜将入射激光光束分为了反射光二和透射光二，在所述的反射光二方向上是所述的第二偏振分光棱镜，所述的第二偏振分光棱镜将入射激光分为了反射光三和透射光三，在反射光三方向上是所述的第一探测器，在透射光三方向上是所述的第二探测器；在所述的透射光二方向上是所述的第三偏振分光棱镜，所述的第三偏振分光棱镜将入射激光分为了反射光四和透射光四，在反射光四方向上是所述的第三探测器，在透射光四方向上是第四探测器；所述的第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器的输出端均与所述的计算机的输入端相连，通过所述的计算机实时记录探测到的干涉条纹图像；.根据权利要求所述的一种动态双波长移相干涉测量装置，其特征在于，所述的第一激光器和第二激光器的工作波长在可见光波段；所述的光开关仅能让所述的第一激光器和第二激光器输出的某一路激光通过，另一路激光被遮拦；所述的光束一和光束二共轴；所述的扩束镜、近零位补偿镜和成像镜在所述的第一激光器和第二激光器的输出波长下消色差。

采用上述测量装置测量大斜率面形误差的非球面/自由曲面元件表面面形，包括以下步骤：

1)打开所述的第一激光器和第二激光器，将所述的第一激光器和第二激光器的出射激光波长分别记为λ_A和λ_B；打开所述的光开关；通过调整所述的被测面的姿态，使所述的第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器探测到干涉条纹；

2)通过旋转所述的可调中性滤光片，使在波长λ_A和波长λ_B下，四个探测器上的干涉条纹对比图一致；

3)当所述的光开关仅使所述的第一激光器的出射光束通过时，使用所述的计算机控制所述的第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器同时采集图像，图像的光强信息分别记录为I₁、I₂、I₃和I₄；当所述的光开关仅使所述的第二激光器的出射光束通过时，使用所述的计算机控制所述的第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器同时采集图像，图像的光强信息分别记录为I₅、I₆、I₇和I₈；

4)对I₁、I₂、I₃和I₄使用传统四步相移算法进行相位解算，得到所述的被测面面形误差相位信息

对I₅、I₆、I₇和I₈使用传统四步相移算法进行相位解算，得到

5)利用双波长全息干涉术，计算等效波长λ_e：

6)计算所述的被测面的面形误差在等效波长λ_e下的相位分布

7)对

进行相位解包裹，并计算所述的待测面的面形误差分布Δz(x,y)：

本发明的技术效果如下：

1)本发明解决了目前大斜率面形误差的非球面元件的面形难以实现高精度、低成本和动态测量的问题，本发明能对面形误差斜率小于3.5μm/pixel的非球面/自由曲面元件的面形实现全口径动态干涉检测，测量精度高、测量成本低、对隔振要求低；

2)本发明解决传统双波长全息干涉术(TWHI)不能实现大斜率非球面面形误差动态移相测量的问题，大大降低了TWHI在移相采集方面的隔振要求，增强了测量环境适应性，扩大了应用范围，填补了该方向上的研究空白；

3)本方面为非球面粗抛光过程面形变化情况监测、定向去误差和加工原位检提供了新的解决办法，解决我国在大斜率面形误差非球面制造工艺上面临的检测技术瓶颈问题，促进我国在极端元件制造方面的能力。

附图说明

图1是本发明一种动态双波长移相干涉测量装置和测量方法示意图

图2是基于本发明一种动态双波长移相干涉测量装置和测量方法的实施例1中光开关的结构原理示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

图1为本发明一种动态双波长移相干涉测量装置示意图。由图可见，包括：第一激光器1、第二激光器2、可调中性滤光片3、光开关4、反射镜5、合束镜6、扩束镜7、二分之一波片8、第一偏振分光棱镜9、第一四分之一波片10、参考镜11、第二四分之一波片12、近零位补偿镜13、被测面14、第三四分之一波片15、成像镜16、分束镜17、第二偏振分光棱镜18、第一探测器19、第二探测器20、第三偏振分光棱镜21、第三探测器22、第四探测器23和计算机24；沿所述的激光器1的激光输出方向依次是所述的光开关4、反射镜5和合束镜6，激光经所述的合束镜6后被反射，形成光束一；沿所述的激光器2的激光输出方向依次是所述的可调中性滤光片3、光开关4和合束镜6，激光透过所述的合束镜6后，形成光束二；沿所述的光束一和光束二激光输出方向依次是所述的扩束镜7、二分之一波片8、第一偏振分光棱镜9；所述的第一偏振分光棱镜9将入射激光光束分为了反射光一和透射光一，在所述的反射光一方向上，依次是所述的第一四分之一波片10和参考镜11，激光在所述的参考镜11表面发生反射，经所述的第一四分之一波片10后，透过所述的第一偏振分光棱镜9，形成参考光；在所述的透射光一方向上，依次是所述的第二四分之一波片12、近零位补偿镜13和被测面14，激光在所述的被测面14发生反射，经所述的近零位补偿镜13和第二四分之一波片12后，被所述的第一偏振分光棱镜9反射，形成测量光；在所述的参考光和测量光方向上，依次是所述的第三四分之一波片15、成像镜16和分束镜17；所述的分束镜17将入射激光光束分为了反射光二和透射光二，在所述的反射光二方向上是所述的第二偏振分光棱镜18，所述的第二偏振分光棱镜18将入射激光分为了反射光三和透射光三，在反射光三方向上是所述的第一探测器19，在透射光三方向上是所述的第二探测器20；在所述的透射光二方向上是所述的第三偏振分光棱镜21，所述的第三偏振分光棱镜21将入射激光分为了反射光四和透射光四，在反射光四方向上是所述的第三探测器22，在透射光四方向上是第四探测器23；所述的第一探测器19、第二探测器20、第三探测器22和第四探测器23的输出端均与所述的计算机24的输入端相连，通过所述的计算机24实时记录探测到的干涉条纹图像；2.根据权利要求1所述的一种动态双波长移相干涉测量装置，其特征在于，所述的第一激光器1和第二激光器2的工作波长在可见光波段；所述的光开关4仅能让所述的第一激光器1和第二激光器2输出的某一路激光通过，另一路激光被遮拦；所述的光束一和光束二共轴；所述的扩束镜7、近零位补偿镜13和成像镜16在所述的第一激光器1和第二激光器2的输出波长下消色差。

图2为本实施例中所述的光开关4的结构原理示意图。第一激光器1和第二激光器2的输出波长分别为632.8nm和660nm；第一探测器19、第二探测器20、第三探测器22和第四探测器23的像素数量为2048×2048，像素尺寸为5.5×5.5μm，最快帧速为20ms。

采用上述测量装置测量非球面/自由曲面元件表面面形的方法，包括以下步骤：

1)参见图1，打开所述的第一激光器1和第二激光器2，将所述的第一激光器1和第二激光器2的出射激光波长分别记为λ_A和λ_B；打开所述的光开关4；通过调整所述的被测面14的姿态，使所述的第一探测器19、第二探测器20、第三探测器22和第四探测器23探测到干涉条纹；

2)通过旋转所述的可调中性滤光片3，使在波长λ_A和波长λ_B下，四个探测器上的干涉条纹对比图一致；

3)当所述的光开关4仅使所述的第一激光器1的出射光束通过时，使用所述的计算机24控制所述的第一探测器19、第二探测器20、第三探测器22和第四探测器23同时采集图像，图像的光强信息分别记录为I₁、I₂、I₃和I₄；当所述的光开关4仅使所述的第二激光器2的出射光束通过时，使用所述的计算机24控制所述的第一探测器19、第二探测器20、第三探测器22和第四探测器23同时采集图像，图像的光强信息分别记录为I₅、I₆、I₇和I₈；

4)对I₁、I₂、I₃和I₄使用传统四步相移算法进行相位解算，得到所述的被测面14面形误差相位信息

对I₅、I₆、I₇和I₈使用传统四步相移算法进行相位解算，得到

5)利用双波长全息技术，计算等效波长λ_e：

6)计算所述的待测面14的面形误差在等效波长λ_e下的相位分布

7)对

进行相位解包裹，并计算所述的待测面14的面形误差分布Δz(x,y)：

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或者替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (7)

1.一种动态双波长移相干涉测量装置，其特征在于该装置包括：第一激光器（1）、第二激光器（2）、可调中性滤光片（3）、光开关（4）、反射镜（5）、合束镜（6）、扩束镜（7）、二分之一波片（8）、第一偏振分光棱镜（9）、第一四分之一波片（10）、参考镜（11）、第二四分之一波片（12）、近零位补偿镜（13）、第三四分之一波片（15）、成像镜（16）、分束镜（17）、第二偏振分光棱镜（18）、第一探测器（19）、第二探测器（20）、第三偏振分光棱镜（21）、第三探测器（22）、第四探测器（23）和计算机（24）；

沿所述的第一激光器（1）的激光输出方向依次是所述的光开关（4）、反射镜（5）和合束镜（6），激光经所述的合束镜（6）后被反射，形成光束一；

沿所述的第二激光器（2）的激光输出方向依次是所述的可调中性滤光片（3）、光开关（4）和合束镜（6），激光透过所述的合束镜（6）后，形成光束二；

沿所述的光束一和光束二传输方向依次是所述的扩束镜（7）、二分之一波片（8）、第一偏振分光棱镜（9）；所述的第一偏振分光棱镜（9）将入射激光光束分为反射光一和透射光一，在所述的反射光一方向上，依次是所述的第一四分之一波片（10）和参考镜（11），激光在所述的参考镜（11）表面发生反射，原路返回经所述的第一四分之一波片（10）后，透过所述的第一偏振分光棱镜（9），形成参考光；在所述的透射光一方向上，依次是所述的第二四分之一波片（12）、近零位补偿镜（13）和被测面（14），激光在所述的被测面（14）发生反射，沿原路返回依次经所述的近零位补偿镜（13）和第二四分之一波片（12）后，被所述的第一偏振分光棱镜（9）反射，形成测量光；在所述的参考光和测量光方向上，依次是所述的第三四分之一波片（15）、成像镜（16）和分束镜（17）；所述的分束镜（17）将入射激光光束分为了反射光二和透射光二，在所述的反射光二方向上是所述的第二偏振分光棱镜（18），所述的第二偏振分光棱镜（18）将入射激光分为了反射光三和透射光三，在反射光三方向上是所述的第一探测器（19），在透射光三方向上是所述的第二探测器（20）；在所述的透射光二方向上是所述的第三偏振分光棱镜（21），所述的第三偏振分光棱镜（21）将入射激光分为了反射光四和透射光四，在反射光四方向上是所述的第三探测器（22），在透射光四方向上是第四探测器（23）；所述的第一探测器（19）、第二探测器（20）、第三探测器（22）和第四探测器（23）的输出端均与所述的计算机（24）的输入端相连，通过所述的计算机（24）实时记录探测到的干涉条纹图像。

2.根据权利要求1所述的一种动态双波长移相干涉测量装置，其特征在于，所述的第一激光器（1）和第二激光器（2）的出射激光为线偏振光、工作波长在可见光波段。

3.根据权利要求1所述的一种动态双波长移相干涉测量装置，其特征在于，在同一时刻，所述的光开关（4）仅能让所述的第一激光器（1）和第二激光器（2）中的某一路激光通过，另一路激光被遮拦。

4.根据权利要求1所述的一种动态双波长移相干涉测量装置，其特征在于，所述的光束一和光束二共轴。

5.根据权利要求1所述的一种动态双波长移相干涉测量装置，其特征在于，所述的扩束镜（7）、近零位补偿镜（13）和成像镜（16）在所述的第一激光器（1）和第二激光器（2）的输出波长下消色差。

6.根据权利要求1所述的一种动态双波长移相干涉测量装置，其特征在于，所述的近零位补偿镜（13）能生成与所述的被测面（14）理想面形匹配的测量波前。

7.根据权利要求1-6任一所述的动态双波长移相干涉测量装置测量大斜率面形误差的非球面/自由曲面元件表面面形的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1）打开第一激光器和第二激光器，将所述的第一激光器和第二激光器的出射激光波长分别记为

和

；

打开光开关，调整被测面的姿态，使所述的第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器探测到干涉条纹；

步骤2）旋转可调中性滤光片，使在波长

和波长

下，四个探测器上的干涉条纹对比图一致；

步骤3）当所述的光开关仅使第一激光器的出射光束通过时，通过计算机控制所述的第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器同时采集图像，图像的光强信息分别记录为I₁、I₂、I₃和I₄；

当所述的光开关仅使第二激光器的出射光束通过时，通过计算机控制所述的第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器同时采集图像，图像的光强信息分别记录为I₅、I₆、I₇和I₈；

步骤4）对I₁、I₂、I₃和I₄使用传统四步相移算法进行相位解算，得到所述的被测面面形误差相位信息

，对I₅、I₆、I₇和I₈使用传统四步相移算法进行相位解算，得到

，公式如下：

步骤5）利用双波长全息干涉术，计算等效波长

，公式如下：

步骤6）计算被测面的面形误差在等效波长

下的相位分布

：

步骤7）对

进行相位解包裹，并计算待测面的面形误差分布

：

。

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