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CN106840027B - 光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置与检测方法 - Google Patents

光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置与检测方法 Download PDF

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CN106840027B CN201710051247.XA CN201710051247A CN106840027B CN 106840027 B CN106840027 B CN 106840027B CN 201710051247 A CN201710051247 A CN 201710051247A CN 106840027 B CN106840027 B CN 106840027B
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Abstract

本发明公开了一种光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置与检测方法，所述装置包括He‑He激光器、扩束系统、1/2波片、偏振分光棱镜、第一～二1/4波片、标准平面反射镜、移相器、第一汇聚透镜、待测自由曲面、第二汇聚透镜、平面反射镜、偏振片、旋转毛玻璃屏、成像物镜、探测器、显示器、计算机。方法为：将待测自由曲面倾斜放置，使检测光束以特定的角度倾斜入射，以补偿待测自由曲面的主要面形误差成分像散，从而减小后续检测光束的发散程度，使探测器上的条纹被分辨；由探测器采集得到一系列移相干涉图，经波面复原算法处理得到待测自由曲面的面形。本发明采用了像散补偿的方法，可以检测一类以像散为主要面形误差成分的光学自由曲面，稳定性高、成本低。

Description

光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置与检测方法
技术领域
本发明涉及一种干涉检测装置与检测方法，特别是一种适用于以像散为主要面形误差成分的光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置。
背景技术
为了同时满足日益提高的高像质与小型化的要求，光学自由曲面出现在了成像光学系统，特别是离轴反射式系统中。自由曲面元件的应用提高了光学设计的自由度，能够更好的校正非共轴引起的轴外像差。相对于光学自由曲面的设计与加工技术，光学自由曲面的高精度检测问题是制约光学自由曲面在成像领域应用的技术瓶颈。
目前国内外对于光学自由曲面的检测方法可以概括为以下几类：逐点扫描法、相位偏折法、干涉法。工业界对光学自由曲面的检测主要采用逐点扫描法测量，其检测精度只能达到微米量级。商用仪器主要为三坐标机和轮廓仪。日本松下公司生产的UA3P系列轮廓仪是当前测试精度最高的接触式测量仪器，测量准确度可达0.1μm。G.Hausler,C.Faber,E.Olesch,and et al..Deflectometry vs.Interferometry.SPIE,8788:87881C(2013)中指出利用相位偏折术通过将条纹图案投射到待测自由曲面上，经其偏折后的畸变条纹被探测器采集，根据条纹畸变情况复原自由曲面面形。相位偏折术与逐点扫描式测量的准确度相当，均为微米量级。干涉测量是一种非接触式测量，测量准确度可达纳米量级(RMS值)。计算全息法(CGH)可作为干涉测量时的补偿器实现对自由曲面面形的零位测量，但是CGH的加工周期长、成本高检测时需要对成像畸变进行标定，测试结果易受CGH以及待测件对准误差的影响且只能实现一对一的测量。长春光机所在X.Zhang,D.Xue,M.Li and etal..Designing,fabricating and testing freeform surfaces for spaceoptics.SPIE,8838:88380N(2013)中定制了CGH实现了对其研制的空间相机中自由曲面元件的检测。子孔径拼接干涉测试技术(以美国QED公司生产的ASI为代表，将待测自由曲面分割成多个小区域，通过局部最佳拟合球面的匹配，使得局部干涉条纹能够被分辨。K.Medicus,S.DeFisher,M.Bauza,and et al..Round-Robin measurement of a toroidalwindow.SPIE,8884:88840Y(2013)中指出子孔径拼接干涉测试技术采样分辨率较高，能提供面形信息中的中高频成分，但拼接算法在检测自由曲面时仍不成熟，测试获取的面形信息中的低频成分不准确。德国斯图加特大学在E Garbusi,G Baer,W Osten.Advancedstudies on the measurement of aspheres and freeform surfaces with the tilted-wave interferometer(C).SPIE,8082:80821F(2011)中提出的倾斜波面干涉测试技术利用点源阵列产生多个测试球面波，与待测非球面局部匹配，需事先标定干涉系统，再根据系统模型复原待测件面形，并且将其应用到自由曲面检测方面还有待研究。韩国国家科学院在Y.S.Ghim,H.G.Rhee,A.Davies and et al..3D surface mapping of freeform opticsusing wavelength scanning lateral shearing interferometry.Optics Express,22(5):5098-5105(2014)中开展了横向剪切干涉检测非球面和自由曲面的相关技术研究，上述研究均存在光学自由曲面一对一检测的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合一类以像散为主要面形误差的光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置与检测方法，解决了部分光学自由曲面一对多的高精度检测问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置，包括He-He激光器、扩束系统、1/2波片、偏振分光棱镜、第一1/4波片、第二1/4波片、标准平面反射镜、移相器、第一汇聚透镜、待测自由曲面、第二汇聚透镜、平面反射镜、偏振片、旋转毛玻璃屏、成像物镜、探测器、显示器、计算机；
所述He-Ne激光器发出的线偏振光经扩束系统形成准直光束，然后经过1/2波片后形成P光与S光比例可调的检测光束，该检测光束经过偏振分光棱镜后分为振动方向相互垂直的两束光：S光作为参考光、P光作为测试光，其中P光经第一会聚透镜后形成发散光束投射到待测自由曲面上，产生的反射光经第二会聚透镜准直，然后入射至平面反射镜并沿原路返回；S光投射到标准平面反射镜上然后沿原路返回，移相器位于标准平面反射镜后，通过推动标准平面反射镜使参考光束产生光程差从而获得多幅移相干涉图；参考光路中放置了第一1/4波片、测试光路中放置了第二1/4波片，使得返回至偏振分光棱镜的两束光由出射时的P光变为S光、S光变为P光；偏振分光棱镜出射的参考光与测试光经过偏振片合束后满足干涉条件，并在旋转毛玻璃屏上形成干涉图，旋转毛玻璃屏上的干涉图通过成像物镜成像后，由探测器采集经移相器移相后的多幅干涉图，并且在显示器上显示，最后由计算机处理干涉图。
进一步地，所述扩束系统采用开普勒式望远镜结构，包括第一透镜、小孔光阑、第二透镜，第一透镜与第二透镜的焦点重合，小孔光阑放置在第一透镜与第二透镜的焦点上。
进一步地，所述待测自由曲面为镀制高反膜自由曲面元件时，1/2波片的快轴与偏振光的振动方向夹角呈2.29°；待测自由曲面为未镀膜自由曲面元件时，1/2波片的快轴与偏振光的振动方向夹角呈87.71°。
进一步地，所述第一1/4波片、第二1/4波片的快轴与经过它们的线偏振光振动方向夹角为45°。
进一步地，所述第一汇聚透镜、待测自由曲面、第二汇聚透镜、平面反射镜构成像散补偿装置，其中第一汇聚透镜用于将平面波转换为球面波投射到待测自由曲面上，第二汇聚透镜用于将经待测自由曲面反射后的光束准直，平面反射镜用于将第二汇聚透镜准直后的光束返回。
一种基于所述光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，首先根据待测自由曲面的理论面型参数，根据下式计算出像散补偿的最优化倾斜角度fts：
fts＝-R/2sin U tan U
其中，R为待测自由曲面的拟合球面半径，U为光束入射到待测自由曲面的入射角；
步骤2，根据像散补偿的最优化倾斜角度fts搭建像散补偿装置；
步骤3，调整待测自由曲面的x、y、z轴位置以及x、y轴方向的倾斜，直到显示器中y方向的干涉条纹最少；
步骤4，由探测器采集多幅移相干涉图，在计算机中经移相算法及相位解包后恢复出待测自由曲面的面形。
进一步地，步骤3所述x、y、z轴坐标系建立如下：光轴方向为z轴，垂直于纸面的方向为x轴并且符合右手坐标系，对应到干涉检测装置中，光轴方向为z轴，垂直于实验台的方向为x轴且符合右手坐标系，对应到显示器中水平方向为x轴，垂直方向为y轴。
本发明与现有的技术相比，其显著的优点是：(1)在干涉光路中加入了像散补偿装置，可以检测一类以像散为主要面形误差的光学自由曲面；(2)通过在干涉光路中引入1/2波片、1/4波片和偏振片使得检测光路与参考光路光强可调，无论是未镀膜光学自由曲面还是镀制高反膜的光学自由曲面都可以得到最佳对比度的干涉图，便于后续干涉图的处理，同时可以有效的抑制杂光提高干涉系统的稳定性。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置原理示意图。
图2是本发明实施例中对示例自由曲面检测时探测器处采集到的干涉图。
具体实施方式
结合图1，本发明光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置，包括He-He激光器1、扩束系统2、1/2波片3、偏振分光棱镜4、第一1/4波片5、第二1/4波片8、标准平面反射镜6、移相器7、第一汇聚透镜9、待测自由曲面10、第二汇聚透镜11、平面反射镜12、偏振片13、旋转毛玻璃屏14、成像物镜15、探测器16、显示器17、计算机18；
所述He-Ne激光器1发出的线偏振光经扩束系统2形成准直光束，然后经过1/2波片3后形成P光与S光比例可调的检测光束，该检测光束经过偏振分光棱镜4后分为振动方向相互垂直的两束光：S光作为参考光、P光作为测试光，其中P光经第一会聚透镜9后形成发散光束投射到待测自由曲面10上，产生的反射光经第二会聚透镜11准直，然后入射至平面反射镜12并沿原路返回；S光投射到标准平面反射镜6上然后沿原路返回，移相器7位于标准平面反射镜6后，通过推动标准平面反射镜6使参考光束产生光程差从而获得多幅移相干涉图；参考光路中放置了第一1/4波片5、测试光路中放置了第二1/4波片8，使得返回至偏振分光棱镜4的两束光由出射时的P光变为S光、S光变为P光；偏振分光棱镜4出射的参考光与测试光经过偏振片13合束后满足干涉条件，并在旋转毛玻璃屏14上形成干涉图，旋转毛玻璃屏14上的干涉图通过成像物镜15成像后，由探测器16采集经移相器7移相后的多幅干涉图，并且在显示器17上显示，最后由计算机18处理干涉图。
进一步地，所述扩束系统2采用开普勒式望远镜结构，包括第一透镜2-1、小孔光阑2-2、第二透镜2-3，第一透镜2-1与第二透镜2-3的焦点重合，小孔光阑2-2放置在第一透镜2-1与第二透镜2-3的焦点上。
进一步地，所述待测自由曲面10为镀制高反膜自由曲面元件时，1/2波片3的快轴与偏振光的振动方向夹角呈2.29°；待测自由曲面10为未镀膜自由曲面元件时，1/2波片3的快轴与偏振光的振动方向夹角呈87.71°。
进一步地，所述第一1/4波片5、第二1/4波片8的快轴与经过它们的线偏振光振动方向夹角为45°。
进一步地，所述第一汇聚透镜9、待测自由曲面10、第二汇聚透镜11、平面反射镜12构成像散补偿装置，其中第一汇聚透镜9用于将平面波转换为球面波投射到待测自由曲面10上，第二汇聚透镜11用于将经待测自由曲面10反射后的光束准直，平面反射镜12用于将第二汇聚透镜11准直后的光束返回。
一种基于权利要求1所述光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤1，首先根据待测自由曲面的理论面型参数，根据下式计算出像散补偿的最优化倾斜角度fts：
fts＝-R/2sin U tan U
其中，R为待测自由曲面10的拟合球面半径，U为光束入射到待测自由曲面10的入射角；
步骤2，根据像散补偿的最优化倾斜角度fts搭建像散补偿装置；
步骤3，调整待测自由曲面10的x、y、z轴位置以及x、y轴方向的倾斜，直到显示器17中y方向的干涉条纹最少；
步骤4，由探测器16采集多幅移相干涉图，在计算机18中经移相算法及相位解包后恢复出待测自由曲面的面形。
进一步地，步骤3所述x、y、z轴坐标系建立如下：光轴方向为z轴，垂直于纸面的方向为x轴并且符合右手坐标系，对应到干涉检测装置中，光轴方向为z轴，垂直于实验台的方向为x轴且符合右手坐标系，对应到显示器17中水平方向为x轴，垂直方向为y轴。
实施例1
结合图1，本发明一种光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置与检测方法，包括He-He激光器1、扩束系统2、1/2波片3、偏振分光棱镜4、第一1/4波片5和第二1/4波片8、标准平面反射镜6、移相器7、第一汇聚透镜9、待测自由曲面10、第二汇聚透镜11、平面反射镜12、偏振片13、旋转毛玻璃屏14、成像物镜15、探测器16、显示器17、计算机18。其中扩束系统2为开普勒式望远镜结构，由第一透镜2-1、小孔光阑2-2、第二透镜2-3组成，第一透镜2-1与第二透镜2-3的焦点重合，小孔光阑2-2放置在第一透镜2-1与第二透镜2-3的焦点上。He-Ne激光器1发出的线偏振光经扩束系统2形成准直光束，然后经过1/2波片3后形成P光与S光比例可调的检测光束，经过偏振分光棱镜4后分为振动方向相互垂直的两束光：S光作为参考光、P光作为测试光。P光经第一会聚透镜9后形成发散光束投射到倾斜放置的待测自由曲面10上，经其反射后经第二会聚透镜11准直被平面反射镜12返回。S光作为参考光投射到标准平面反射镜6上然后返回。测试光路和标定光路中均放置了第一1/4波片5和第一1/4波片8，波片快轴与经过它们的线偏振光振动方向成45°，使得返回至偏振分光棱镜4的两束光由出射时的P光和S光分别变为S光和P光。最终参考光与测试光经过偏振片13合束后满足干涉条件，最终干涉截止在旋转毛玻璃屏14处，旋转毛玻璃屏14上的干涉图通过成像物镜15成像后由探测器16采集经移相器7移相后的多幅干涉图并且在显示器中显示。由采集到的干涉图在计算机中利用移相算法求解出探测器处测得的波面。进行检测时首先要进行的是像散补偿光路中自由曲面最优化倾斜角度的求解。光学自由曲面在离轴反射式相机中的工作状态为光束离轴入射，单片自由曲面承担的一个重要角色是像散校正，因而面形偏差中的最主要成分为像散。在干涉检测系统中采用斜入射式光路检测自由曲面时，并非与其在相机中的工作状态相同，因而自由曲面的倾斜角并非与工作状态倾斜角相同，而是需要最优化求解，使其能够校正面形偏差中的像散成分。自由曲面的表面形貌一般是球面基底叠加上面形偏差成分，同时考虑到设计，加工和检测之间相互转换时的面形数据匹配，一般用Zernike多项式表示面形偏差成分。由像差理论，轴外视场y，相对孔径D/f的球面镜引入的球差、像散、彗差分别可以表示为：
ΔWcoma～(D/f)3 (1)
ΔWast～y2D/f (2)
ΔWcoma～y(D/f)2 (3)
因此,在球面的相对孔径不大时，光束倾斜入射球面镜时主要引入的像差是像散。球面镜半径为R，倾斜角为α，子午焦距和弧矢焦距可以分别表示为：
ft＝R/2cos U (4)
fS＝R/2sec U (5)
像散可以用子午焦距和弧矢焦距之差表示
fts＝-R/2sin U tan U (6)
因此根据待测自由曲面的理论参数，即最佳拟合球面半径，面形成分中像散项大小，可计算出最优化倾斜角度α，使得经自由曲面反射后的光束中不再具有像散成分或像散成分较小，从而有效地控制光束发散性，减小后续光学元件的口径。
以一块离轴椭球面为例详细论述待测自由曲面最优化倾斜角度的具体求解过程，该离轴椭球面的具体参数如表1所示：
表1待测自由曲面参数
将科丁顿方程应用到反射镜我们可以得到。
子午面：
弧矢面：
选择合适的入射角U，反射镜面形误差中的像散成分将会被抵消。此时，子午焦点与弧矢焦点重合，即lt'＝ls'。联立公式(1)(2)可以得到
如果|Rs|＞|Rt|，此时倾斜角度U将重新定义到X-Z平面内，公式(3)变为
参考Schwiegerling等人在1995年发表的论文中提出的方法，矢高可以表示为含条纹泽尼克多项式系数的形式。
沿X方向的矢高可以写为：
沿Y方向的矢高可以写为：
其中，RB为待测自由曲面的最佳拟合球面半径，ρ为径向坐标，RN为条纹泽尼克多项式所覆盖区域的正规化半径，Z4,5,8,12是条纹泽尼克多项式所对应的离焦、球差、像散和倾斜球差系数。联立公式(5)(6)并做简化运算，可以计算得到Rx，Ry。
对待测自由曲面去除最佳拟合球面后的矢高进行37项泽尼克条纹多项式拟合。其中项Z4,5,8,12拟合系数如表2所示。
表2待测自由曲面与最佳拟合球面偏差的部分条纹泽尼克多项式拟合系数
项数 Z<sub>4</sub> Z<sub>5</sub> Z<sub>8</sub> Z<sub>12</sub>
系数 9.1116x10<sup>-5</sup> 0.0033 8.9272x10<sup>-4</sup> 5.6430x10<sup>-6</sup>
将已知的参数代入公式(7)、(8)可以计算得到Rx，Ry的值分别为497.90mm、514.39mm。再将Rx，Ry的值代入公式(3)可以计算得到待测自由曲面的倾斜角度为绕X轴旋转10.32°。因此在像散补偿装置中将待测自由曲面绕X轴旋转10.32°后，待测自由曲面面形中的像散成分将被补偿掉。此时探测器处采集到的干涉图如图2所示，然后通过移相算法及相位解包后便可以恢复处待测自由曲面的面形。

Claims (2)

1.一种光学自由曲面的像散补偿型干涉检测方法，其特征在于，采用的光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置包括He-He激光器(1)、扩束系统(2)、1/2波片(3)、偏振分光棱镜(4)、第一1/4波片(5)、第二1/4波片(8)、标准平面反射镜(6)、移相器(7)、第一汇聚透镜(9)、待测自由曲面(10)、第二汇聚透镜(11)、平面反射镜(12)、偏振片(13)、旋转毛玻璃屏(14)、成像物镜(15)、探测器(16)、显示器(17)、计算机(18)；
所述He-Ne激光器(1)发出的线偏振光经扩束系统(2)形成准直光束，然后经过1/2波片(3)后形成P光与S光比例可调的检测光束，该检测光束经过偏振分光棱镜(4)后分为振动方向相互垂直的两束光：S光作为参考光、P光作为测试光，其中P光经第一会聚透镜(9)后形成发散光束投射到待测自由曲面(10)上，产生的反射光经第二会聚透镜(11)准直，然后入射至平面反射镜(12)并沿原路返回；S光投射到标准平面反射镜(6)上然后沿原路返回，移相器(7)位于标准平面反射镜(6)后，通过推动标准平面反射镜(6)使参考光束产生光程差从而获得多幅移相干涉图；参考光路中放置了第一1/4波片(5)、测试光路中放置了第二1/4波片(8)，使得返回至偏振分光棱镜(4)的两束光由出射时的P光变为S光、S光变为P光；偏振分光棱镜(4)出射的参考光与测试光经过偏振片(13)合束后满足干涉条件，并在旋转毛玻璃屏(14)上形成干涉图，旋转毛玻璃屏(14)上的干涉图通过成像物镜(15)成像后，由探测器(16)采集经移相器(7)移相后的多幅干涉图，并且在显示器(17)上显示，最后由计算机(18)处理干涉图；
检测方法包括以下步骤：
步骤1，首先根据待测自由曲面的理论面型参数，根据下式计算出像散补偿的最优化倾斜角度U：
fts＝-R/2sinUtanU
其中，fts为自由曲面面形中的像散成分，R为待测自由曲面(10)的拟合球面半径；
待测自由曲面最优化倾斜角度的具体求解过程，如下：
离轴椭球面的具体参数包括顶点曲率半径r、最佳拟合球面半径RB、离轴量b、圆锥系数K、口径D，将科丁顿方程应用到反射镜得到，
子午面：
弧矢面：
选择入射角U，反射镜面形误差中的像散成分将会被抵消；此时，子午焦点与弧矢焦点重合，即l′t＝l′s；联立公式(1)(2)得到
如果|Rx|＞|Ry|，此时倾斜角度U将重新定义到X-Z平面内，公式(3)变为
矢高表示为含条纹泽尼克多项式系数的形式，沿X方向的矢高写为：
沿Y方向的矢高写为：
其中，RB为待测自由曲面的最佳拟合球面半径，ρ为径向坐标，RN为条纹泽尼克多项式所覆盖区域的正规化半径，Z4,5,8,12是条纹泽尼克多项式所对应的离焦、球差、像散和倾斜球差系数；
联立公式(5)(6)并做简化运算，计算得到Rx，Ry：
对待测自由曲面去除最佳拟合球面后的矢高进行37项泽尼克条纹多项式拟合，其中项Z4,5,8,12拟合系数已知，将已知的参数代入公式(7)、(8)计算得到Rx，Ry的值，再将Rx，Ry的值代入公式(3)计算得到待测自由曲面的倾斜角度；
步骤2，根据像散补偿的最优化倾斜角度U搭建像散补偿装置；
步骤3，调整待测自由曲面(10)的x、y、z轴位置以及x、y轴方向的倾斜，直到显示器(17)中y方向的干涉条纹最少；
步骤4，由探测器(16)采集多幅移相干涉图，在计算机(18)中经移相算法及相位解包后恢复出待测自由曲面的面形。
2.根据权利要求1所述的光学自由曲面的像散补偿型干涉检测方法，其特征在于，步骤3所述x、y、z轴坐标系建立如下：光轴方向为z轴，垂直于纸面的方向为x轴并且符合右手坐标系，对应到干涉检测装置中，光轴方向为z轴，垂直于实验台的方向为x轴且符合右手坐标系，对应到显示器(17)中水平方向为x轴，垂直方向为y轴。
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