CN116045835B - 一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学系统测量领域，公开了一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置，所述装置包括激光光源组件、扩束组件、超大口径平面干涉测试组件、球面干涉测试组件、成像组件、测试对准组件和光路切换组件。本发明的干涉测试装置能够实现Φ20mm～800mm口径范围的所有口径平面光学元件反射面形、透射面形、光材料折射率均匀性等参数干涉测试分析，同时兼顾实现Φ20mm～800mm口径球面元件面形检测、光学系统综合波前检测。本发明的干涉测试装置最大可测试口径达到Φ800mm，装置物方分辨率小于0.4mm，系统测试精度PV值小于53nm，RMS值小于6nm。

Description

一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置

技术领域

本发明涉及光学系统测量技术领域，具体涉及一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置。

背景技术

干涉测试装置在光学元件反射面形检测、透射面形检测、光学材料质量分析以及光学系统评价等领域均有广泛应用。随着精密光学元件加工工艺技术的迅速发展，采用干涉测试装置代替传统的对样板、看刀口等检测方法成为未来光学元件面形检测的必然发展趋势。随着大口径光学领域的发展，近年来对于大口径高精度面形干涉检测的研究与工程化正成为光学检测领域的重点课题之一。

采用干涉测试装置进行光学检测具有非接触、可分析、操作便捷等特点，但是由于光学元件的种类、大小等千差万别，干涉测试装置不可能通用于所有光学元件的检测。而对于平面光学元件的面形等参数的检测分析主要受到干涉测试口径的限制，国内外从上世纪80年代就开始开展Φ150mm口径以下的干涉检测研究，也形成了以下几种固定口径如Φ30mm、Φ60mm、Φ100mm、Φ150mm等干涉测试装置。但是对于再大口径的相关研究，一直到2000年以后才逐步出现Φ300mm口径干涉检测装置以及Φ600mm口径的大口径干涉仪检测装置。目前，对于达到Φ800mm超大口径的光学元件/系统干涉测试装置，尤其是高物方分辨率的超大口径干涉测试装置更是空白。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题和不足，本发明提供了一种针对超大口径光学元件面形的移相干涉测试装置，本装置能够实现Φ20mm～800mm口径范围的所有光学元件反射面形、透射面形、光材料折射率均匀性等参数干涉测试分析。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置，包括：激光光源组件、扩束组件、超大口径平面干涉测试组件、球面干涉测试组件、成像组件、测试对准组件和光路切换组件；其中，

所述激光光源组件包括波长调谐激光器，沿波长调谐激光器的输出光束方向依次设置有第一反射镜、聚焦透镜和第一分光棱镜，第一分光棱镜将输出的激光光束分为透射光和反射光，沿透射光方向为成像组件，沿反射光反向依次设置有第二反射镜和第二分光棱镜；

所述成像组件包括沿第一分光棱镜透射光方向依次设置的干涉成像镜头和CCD相机；

所述测试对准组件设置在第二分光棱镜的透射光方向上，包括沿光路方向依次设置的毛玻片、对准成像镜头和CMOS相机；

所述光路切换组件设置在第二分光棱镜的反射光方向上，包括切换反射镜，切换反射镜用于进行大口径平面干涉测试光路和球面干涉测试光路之间的光路切换；

所述扩束组件设置在大口径平面干涉测试光路上，包括沿光路方向依次设置的扩束镜和Φ800mm口径准直物镜，所述扩束镜和Φ800mm口径准直物镜之间的光路上还设置有第三反射镜和第四反射镜；

所述超大口径平面干涉测试组件设置在Φ800mm口径准直物镜的后方，包括沿光路方向依次设置的Φ800mm口径透射标准镜和第一被测元件；

所述球面干涉测试组件设置在球面干涉测试光路上，包括沿光路方向依次设置的球面透射镜头和第二被测元件，第二被测元件的下方设置有光栅尺。

作为优选地，所述切换反射镜与旋转机构的转动轴连接，在竖直平面内转动进行大口径平面干涉测试光路和球面干涉测试光路之间的光路切换。

作为优选地，所述CCD相机设置在相机位移台上，CCD相机可沿光轴方向往复移动，同时采用分辨率大于2k×2k的CCD相机。

作为优选地，所述波长调谐激光器的中心波长为632.8nm。

作为优选地，所述Φ800mm口径透射标准镜的面形精度优于53nm。

作为优选地，所述光栅尺的精度为1微米。

本发明的有益效果：

（1）本发明的干涉测试装置，最大单次测量能够实现Φ800mm超大口径光学元件的平面面形干涉测试，相较于现有的拼接方式实现超大口径光学元件的干涉测试，能够提高超大口径光学元件平面面形检测的测试精度；并且通过切换光路的方式，装置还能够实现Φ800mm球面光学元件的面形测试，装置集成度更高，实现的功能更丰富；

（2）本发明中，干涉测试装置设置有测试对准组件，无论在进行超大口径平面光学元件或球面光学元件测试时，首先都会利用该测试对准组件对被测元件进行对准调试，只有被测元件的俯仰或倾斜等满足要求时，才会开始元件的面形干涉测试，保证了测试精度；

（3）本发明中，球面干涉测试组件中设置有光栅尺，在进行球面干涉测试时，能够帮助被测的球面光学元件快速找准摆放位置，实现球面光学元件的初步对准，提高测量效率；

（4）本发明中，切换反射镜通过绕转动轴的方式在平面内转动，实现干涉测试装置在超大口径平面干涉测试光路和球面干涉测试光路之间的切换，相较于平面移动切换测试光路的方式，能够节约空间，进而减小干涉测试装置的体积；

（5）本发明中，扩束正透镜和Φ800mm口径准直物镜组合在一起，构成开普勒扩束系统，整个测试装置的光路更容易对准，光路结构更加简单，并且能够实现平滑的连续变倍的效果。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1为本发明干涉测试装置整体结构示意图；

图2为本发明干涉测试装置球面光学元件干涉测试示意图。

附图中：

1、激光光源组件；2、扩束组件；3、球面干涉测试组件；4、成像组件；5、测试对准组件；6、光路切换组件；7、超大口径平面干涉测试组件；8、第一反射镜；9、聚焦透镜；10、第一分光棱镜；11、第二反射镜；12、第二分光棱镜；13、第三反射镜；14、第四反射镜；101、波长调谐激光器；201、扩束镜；202、Φ800mm口径准直物镜；301、球面透射镜头；302、第二被测元件；303、光栅尺；401、干涉成像镜头；402、CCD相机；501、毛玻片；502、对准成像镜头；503、CMOS相机；601、切换反射镜；701、Φ800mm口径透射标准镜；702、第一被测元件。

实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明发明目的的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

采用干涉测试装置进行光学检测具有非接触、可分析、操作便捷等特点，但是由于光学元件的种类、大小等千差万别，干涉测试装置不可能通用于所有光学元件的检测。而对于平面光学元件的面形等参数的检测分析主要受到干涉测试口径的限制，国内外从上世纪80年代就开始开展Φ150mm口径以下的干涉检测研究，也形成了以下几种固定口径如Φ30mm、Φ60mm、Φ100mm、Φ150mm等干涉测试装置。但是对于再大口径的相关研究一直到2000年以后才逐步出现Φ300mm口径干涉检测装置以及Φ600mm口径的大口径干涉仪检测装置。然而目前还未有专门针对800mm超大口径光学元件的干涉测试装置出现，当前为了实现超大口径光学元件的面形检测，通常是通过小尺寸干涉测试装置拼接多次测量的方式实现，由此会带来测试精度的问题

基于此，本发明的实施例提供了一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置，能够实现Φ20mm～800mm口径范围的所有平面光学元件反射面形、透射面形、光材料折射率均匀性等参数干涉测试分析；进一步地，通过对装置的光路进行切换，装置同时还能兼顾实现Φ20mm～800mm口径球面元件的面形检测。

在本发明中，首先需要说明的是，超大口径是指口径达到800mm及以上的光学元件。

本发明的实施例公开了一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置，参照说明书附图1所示，所述干涉测试装置主要由激光光源组件1、扩束组件2、球面干涉测试组件3、成像组件4、测试对准组件5、光路切换组件6和超大口径平面干涉测试组件7构成；其中，

激光光源组件1作为干涉测试装置的光源结构，主要用于为干涉测试装置提供不同波长的辐射光；

扩束组件2，用于扩大激光光源组件1输出的辐射光束的半径；

球面干涉测试组件3，用于实现球面光学元件的干涉测试；

成像组件4，用于捕捉获取干涉测试条纹图像；

测试对准组件5，用于在干涉测试前将被测元件进行快速对准，从而提高测试精度，避免误差和错误；

光路切换组件6，用于切换干涉测试装置的测试光路，进而使得干涉测试装置在球面干涉测试和超大口径平面干涉测试之间进行切换，实现不同光学元件的干涉测试；

超大口径平面干涉测试组件7，用于实现超大口径平面光学元件的干涉测试。

在本实施例中，干涉测试装置一共有两个测试光路，其中一个是球面干涉测试光路，另一个则是大口径平面干涉测试光路，两个测试光路共享同一个激光光源组件1、成像组件4和测试对准组件5。在干涉测试时，两个干涉测试光路通过切换组件6获得成像组件4和测试对准组件5的使用权，当切换组件6切断球面干涉测试光路时，并放开大口径平面干涉测试光路时，大口径平面干涉测试光路获得成像组件4和测试对准组件5的使用权，此时可以干涉测试装置可以进行超大口径平面光学元件的干涉测试，反之则进行球面光学元件的干涉测试。

在本实施例中，需要说明的是，激光光源组件1、成像组件4、测试对准组件5以及光路切换组件6分别与集成控制器连接，集成控制器可以是PLC或者单片机等电子器件；更进一步地，集成控制器还与PC端连接，集成控制器控制整个干涉测试装置的工作，并且将成像组件4采集的图像传输给PC端，PC端内设置有软件分析模块，最终软件分析模块通过判读和分析干涉条纹图像，并通过相移解相算法获得被测光学元件的面形数据。

更为具体的，本发明的实施例对上述组件的具体结构进行了限定和介绍，具体如下。

所述激光光源组件1包括632.8nm的波长调谐激光器101，沿波长调谐激光器101的输出光束方向依次设置有第一反射镜8、聚焦透镜9和第一分光棱镜10，第一分光棱镜10将输出的激光光束分为透射光和反射光，沿透射光方向为成像组件4，沿反射光反向依次设置有第二反射镜11和第二分光棱镜12；波长调谐激光器101与集成控制器连接；

所述成像组件4包括沿第一分光棱镜10透射光方向依次设置的干涉成像镜头401和CCD相机402；所述CCD相机402与集成控制器连接；

所述测试对准组件5设置在第二分光棱镜12的透射光方向上，包括沿光路方向依次设置的毛玻片501、对准成像镜头502和CMOS相机503；所述CMOS相机与集成控制器连接；

所述光路切换组件6设置在第二分光棱镜12 的反射光方向上，包括切换反射镜601，切换反射镜601能够沿垂直于光轴方向往复移动，或在竖直平面内转动，进而对干涉测试装置的测试光路进行切换，实现不同光学元件的面形检测；

所述球面干涉测试组件3设置在干涉测试装置的球面干涉测试光路上，包括沿光路方向依次设置的球面透射镜头301和第二被测元件302，第二被测元件302的下方设置有光栅尺303；所述球面透射镜头301的参考面与第二被测元件302的前表面之间形成球面干涉测试腔；集成控制器与所述光栅尺303的直线运动平台连接，控制光栅尺303在直线运动平台上往复运动；

所述大口径平面干涉测试组件7设置在Φ800mm口径准直物镜202的后方，包括沿光路方向依次设置的Φ800mm口径透射标准镜701和第一被测元件702；所述Φ800mm口径透射标准镜701的参考面与第一被测元件702的前表面之间形成超大口径平面干涉测试腔；

所述扩束组件2设置在大口径平面干涉测试光路上，包括沿光路方向依次设置的扩束镜201和Φ800mm口径准直物镜202，所述扩束镜201和Φ800mm口径准直物镜202之间的光路上还设置有第三反射镜13和第四反射镜14。

在本实施例中，需要说明的是，所述波长调谐激光器101包括相干光源和光纤耦合器，相干光源的输出端与光纤耦合器连接，光纤耦合器输出的光源进入第一反射镜8，由第一反射镜8、聚焦透镜9和第一分光棱镜10将光束入射至干涉装置不同的模块中去，最终实现干涉测试。

在本实施例中，扩束镜201为正透镜，其口径一般为Φ110mm，扩束镜201和Φ800mm口径准直物镜202之间的距离等于它们两个透镜的焦距之和。因此，扩束镜201和Φ800mm口径准直物镜202组成了一个开普勒扩束系统结构，整个测试装置的光路更容易对准，光路结构更加简单，并且能够实现平滑的连续变倍的效果。

在本实施例中，干涉测试装置在测试平面光学元件时，单次测量的最大口径为Φ800mm。

在本实施例中，第一被测元件702为平面反射镜，对应的Φ800mm口径透射标准镜701为标准平面楔镜，在光路前进方向前表面为楔角面，后表面为标准参考面；所述第二被测元件302为凹球面反射镜，球面透射镜头301在光路前进方向的后表面为参考面。

在本实施例中，Φ800mm口径透射标准镜701的面形精度优于53nm，即面形精度小于等于53nm。

在本实施例中，所述CCD相机402设置在相机位移台上，集成控制器与相机位移台连接，进而控制CCD相机沿光轴方向往复运动，从而使得干涉条纹更好的成像在相机的中心位置。相机位移台为本领域常规的平移驱动机构，采用现有的即可，不属于本发明的创新，在此不再赘述。

在本实施例中，需要说明的是，切换反射镜601切换干涉测试装置测试光路的运动方式可以是在水平面内的平移运动，运动方向为垂直于光轴方向，平移运动可以通过位移台等平移机构实现；进一步地，切换反射镜601也可以通过竖直平面内的旋转运动，实现测试光路的切换，具体的，旋转运动可以通过旋转电机等旋转机构实现，不管是位移台的平移运动还是旋转电机的旋转运动，都是比较常规的运动方式，采用现有的运动机构就可实现，在此不再赘述。当采用旋转的方式运动时，切换反射镜601的一端固定在旋转机构的旋转轴上，在旋转机构的驱动下，另一端绕旋转轴在竖直平面内转动，进而实现测试光路的切换。

作为优选地，切换反射镜601采用在竖直平面内转动的方式，实现干涉测试装置小端口测试和大端口测试的切换，相较于平面移动切换测试光路的方式，能够节约空间，进而减小干涉测试装置的体积。

本发明的干涉测试装置包括超大口径平面干涉测试组件7和球面干涉测试组件3，因此装置具有两个测试模式，其中一个为超大口径平面干涉测试模式，另一个为球面干涉测试模式；在超大口径平面干涉测试模式下，单次测量平面光学元件的最大口径为800mm，并且800mm口径被测元件的测试精度PV值小于53nm，RMS值小于6nm；在球面干涉测试模式下，单次测量凹球面光学元件的最大口径为800mm。

在本发明中，PV值也叫峰谷值，为光学表面面形质量的常见指标，指在取样范围内，去除基准面之后，高点和低点之间的高度差。

在本发明中，RMS值也叫均方根值，指在取样范围内，去除基准面之后，所有像素点的标准差。

参照说明书附图1所示，在进行超大口径光学平面元件的面形检测时，首先将第一被测元件702安装在对应的夹持工装上，安装完成后将其置于Φ800mm口径透射标准镜701之后，然后集成控制器控制切换反射镜601转动，切换反射镜601在竖直平面内转动至将球面干涉测试光路挡住，从而将超大口径干涉测试光路放开，此时超大口径干涉测试组件7享有激光光源组件1、成像组件4和测试对准组件5的使用权，干涉测试装置可以对平面光学元件进行干涉测试。在测试前，还需要对被测元件进行快速对准调试，具体的，打开激光器，激光器输出的激光光束依次经第一反射镜8、聚焦透镜9、第一分光棱镜10、第二反射镜11、第二分光棱镜12、切换反射镜601、扩束镜201、第三反射镜13、第四反射镜14、Φ800mm口径准直物镜202和Φ800mm口径透射标准镜701后，进入所述第一被测元件702，经所述Φ800mm口径透射标准镜701的后表面反射输出的标准光束和光束经所述第一被测元件702反射形成的测试光束最终形成干涉条纹，该干涉条纹沿原路返回，经过第二分光棱镜12后，依次经过毛玻璃片501和对准成像镜头502，进入CMOS相机503中，通过观察CMOS相机503中的图像，判断测试被测平面光学元件的偏移量（即俯仰、倾斜等）是否满足条件，若不满足条件则需要进行调试。

对准完成后，开始干涉测试，同理激光器输出的激光光束依次经第一反射镜8、聚焦透镜9、第一分光棱镜10、第二反射镜11、第二分光棱镜12、切换反射镜601、扩束镜201、第三反射镜13、第四反射镜14、Φ800mm口径准直物镜202和Φ800mm口径透射标准镜701后，进入所述第一被测元件702，经所述Φ800mm口径透射标准镜701的后表面反射输出的标准光束和光束经所述第一被测元件702反射形成的测试光束最终形成干涉条纹，该干涉条纹沿原路返回，经过第一分光棱镜10后，进入成像镜头401中，并最终成像在CCD相机402的中心位置处，CCD相机402光电转换输出干涉测试图像至与其连接的PC端，PC端内设置有软件分析模块，最终软件分析模块通过判读和分析CCD相机402输出的干涉图像，并通过相移解相算法获得被测平面光学元件的面形数据。

参照说明书附图1和附图2所示，在进行球面光学元件干涉测试时，首先将第二被测元件302安装在对应的夹持工装上，安装完成后将其置于球面透射镜301之后，然后集成控制器控制切换反射镜601转动，切换反射镜601在竖直平面内转动至与光轴平行，将超大口径干涉测试光路挡住，球面干涉测试光路被放开，此时球面干涉测试组件3享有激光光源组件1、成像组件4和测试对准组件5的使用权，干涉测试装置可以对球面光学元件进行干涉测试。同理，在干涉测试前，也需要对第二被测元件302进行对准调试，和平面元件不太一样的是，在对球面被测元件302进行调试时，首先将球面被测元件302摆放在球面透射镜301的焦点位置处，被测元件的下方设置有光栅尺303，此时光栅尺303根据被测元件的半径，在直线运动平台上向后运动与其半径相同的距离，然后集成控制器控制被测元件的夹持工装运动至光栅尺传感器的位置处，然后采用与被测平面光学元件相同的方式来调节元件的俯仰和倾斜等，使其偏移量满足要求。

进一步地，快速对准调试完成后，采用与被测平面光学元件相同的方式来对凹球面光学元件进行面形检测，具体的，激光器输出的激光光束依次经第一反射镜8、聚焦透镜9、第一分光棱镜10、第二反射镜11、第二分光棱镜12、球面透射镜头301后，进入被测的凹球面光学元件，经所述球面透射镜头301的参考面反射输出的标准光束和光束经所述被测凹球面光学元件反射形成的测试光束，最终形成干涉条纹，该干涉条纹沿原光路返回，并最终经过第一分光棱镜10透射进入成像镜头401中，然后成像在CCD相机402的中心位置处，CCD相机402光电转换输出干涉测试图像至与其连接的PC端，PC端内设置有软件分析模块，最终软件分析模块通过判读和分析CCD相机402输出的干涉图像，并通过相移解相算法获得被测凹球面光学元件的面形数据。

本发明的干涉测试装置能够实现Φ20mm～800mm口径范围的所有口径平面光学元件反射面形、透射面形、光材料折射率均匀性等参数干涉测试分析，同时兼顾实现Φ20mm～800mm口径球面元件面形检测、光学系统综合波前检测。本发明的干涉测试装置最大可测试口径达到Φ800mm，装置物方分辨率小于0.4mm，系统测试精度PV值小于53nm，RMS值小于6nm。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，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，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置，其特征在于，包括：激光光源组件（1）、扩束组件（2）、超大口径平面干涉测试组件（7）、球面干涉测试组件（3）、成像组件（4）、测试对准组件（5）和光路切换组件（6）；其中，

所述激光光源组件（1）包括波长调谐激光器（101），沿波长调谐激光器（101）的输出光束方向依次设置有第一反射镜（8）、聚焦透镜（9）和第一分光棱镜（10），第一分光棱镜（10）将输出的激光光束分为透射光和反射光，沿透射光方向为成像组件（4），沿反射光反向依次设置有第二反射镜（11）和第二分光棱镜（12）；

所述成像组件（4）包括沿第一分光棱镜（10）透射光方向依次设置的干涉成像镜头（401）和CCD相机（402）；

所述测试对准组件（5）设置在第二分光棱镜（12）的透射光方向上，包括沿光路方向依次设置的毛玻片（501）、对准成像镜头（502）和CMOS相机（503）；

所述光路切换组件（6）设置在第二分光棱镜（12）的反射光方向上，包括切换反射镜（601），切换反射镜（601）用于进行大口径平面干涉测试光路和球面干涉测试光路之间的光路切换；

所述扩束组件（2）设置在大口径平面干涉测试光路上，包括沿光路方向依次设置的扩束镜（201）和Φ800mm口径准直物镜（202），所述扩束镜（201）和Φ800mm口径准直物镜（202）之间的光路上还设置有第三反射镜（13）和第四反射镜（14）；

所述超大口径平面干涉测试组件（7）设置在Φ800mm口径准直物镜（202）的后方，包括沿光路方向依次设置的Φ800mm口径透射标准镜（701）和第一被测元件（702）；

所述球面干涉测试组件（3）设置在球面干涉测试光路上，包括沿光路方向依次设置的球面透射镜头（301）和第二被测元件（302），第二被测元件（302）的下方设置有光栅尺（303）。

2.根据权利要求1所述的一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置，其特征在于，所述切换反射镜（601）与旋转机构的转动轴连接，在竖直平面内转动，实现装置大口径平面干涉测试光路和球面干涉测试光路之间的光路切换。

3.根据权利要求1所述的一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置，其特征在于，所述CCD相机（402）设置在相机位移台上，CCD相机（402）可沿光轴方向往复移动。

4.根据权利要求1所述的一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置，其特征在于，所述波长调谐激光器（101）的中心波长为632.8nm。

5.根据权利要求1所述的一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置，其特征在于，所述Φ800mm口径透射标准镜（701）的面形精度优于53nm。

6.根据权利要求1所述的一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置，其特征在于，所述光栅尺（303）的精度为1微米。

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