基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)，包括泰曼格林干涉系統(tǒng)、梯度補(bǔ)償模塊、待測自由曲面、準(zhǔn)直透鏡、光闌、成像透鏡和CCD；根據(jù)待測自由曲面參數(shù)確定點(diǎn)源陣列的光學(xué)參數(shù)；根據(jù)得到的點(diǎn)源陣列各參數(shù)，確定透鏡陣列、準(zhǔn)直透鏡組以及球面補(bǔ)償透鏡組三者光學(xué)及結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；提出三個最優(yōu)解評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合上述參數(shù)確定梯度補(bǔ)償模塊的最佳光學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。本發(fā)明不需要針對不同的測試面設(shè)計(jì)制作不同的零位補(bǔ)償器，是一種在實(shí)現(xiàn)高精度測量的同時，保證高效快速的通用化自由曲面面形測量系統(tǒng)；同時不需要滿足零位補(bǔ)償?shù)淖詼?zhǔn)直光路，針對大梯度變化的面形測量優(yōu)勢更為明顯。
【專利說明】基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)精密測試領(lǐng)域，具體涉及一種基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)，可測試最大表面梯度偏差±10°以內(nèi)、相對孔徑小于0.4 (F數(shù)大于2.5)的系列自由曲面元件。
【背景技術(shù)】
[0002]自由曲面光學(xué)元件相比傳統(tǒng)的光學(xué)元件可以為光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際提供更大的自由度。光學(xué)自由曲面不僅可以獲得較之傳統(tǒng)光學(xué)面型更好的光學(xué)質(zhì)量，同時具有減小光學(xué)元件以及系統(tǒng)整體的外形尺寸，減輕系統(tǒng)重量等優(yōu)點(diǎn)。所以光學(xué)自由曲面元件已經(jīng)大量用于天文觀測、國防武器等軍用、民用領(lǐng)域。然而，由于光學(xué)自由曲面元件的面型自由度較高，局部梯度變化較大，采用傳統(tǒng)的測量方法無法滿足快捷簡便、高精度的面形測量，從而限制了光學(xué)自由曲面元件的推廣使用。
[0003]自由曲面光學(xué)元件較成熟的檢測手段主要是三坐標(biāo)測量機(jī)CMM法(CoordinateMeasurement Machine)和輪廓儀法。CMM法的檢測精度在微米量級,它可以作為檢測元件輪廓外形的有效手段，但不能滿足面形測量精度的要求(幾十納米量級)。輪廓儀法的檢測精度在幾十納米至幾百納米量級，是目前能在亞微米量級檢測自由曲面光學(xué)元件唯一的成熟手段，但其只能檢測元件表面某一條線的形狀誤差，不屬于真正的面形測量。干涉法是目前公認(rèn)的檢測光學(xué)元件面形最準(zhǔn)確、最有效的手段，現(xiàn)今國內(nèi)外對自由曲面光學(xué)元件面形測量的研究主要是通過把在非球面檢測中成功應(yīng)用的干涉測量方法根據(jù)自由曲面的新特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，它們絕大多數(shù)都是基于零位干涉測試原理的方法，如子孔徑拼接法(SAT)、計(jì)算全息法(CGH)，也有一些基于其他原理的方法如反射光柵攝影法、擺臂式輪廓掃描法、條紋投影三維測量法。2007年德國斯圖加特大學(xué)Osten教授團(tuán)隊(duì)針對大梯度非球面元件面形檢測提出了一種給測試波前預(yù)載傾斜量的非零位干涉檢測方法。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于表面梯度變化達(dá)到±14°的非球面面形測量，測量精度優(yōu)于λ/30 (RMS值)。該方法的提出為自由曲面元件檢測提供了新的思路。目前，國內(nèi)還沒有設(shè)計(jì)出基于點(diǎn)源陣列的光學(xué)自由曲面元件的面形測量光學(xué)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在實(shí)現(xiàn)高精度測量的同時，保證高效快速的通用化檢測。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)，包括泰曼格林干涉系統(tǒng)、梯度補(bǔ)償模塊、待測自由曲面、準(zhǔn)直透鏡、光闌、成像透鏡和CCD ;泰曼格林干涉系統(tǒng)包括光源、第一分光棱鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第二分光棱鏡；梯度補(bǔ)償模塊包括透鏡陣列、準(zhǔn)直透鏡組、球面補(bǔ)償透鏡組；光源、第一分光棱鏡、透鏡陣列、第二分光棱鏡、準(zhǔn)直透鏡組、球面補(bǔ)償透鏡組和待測自由曲面依次共光軸設(shè)置；第二反射鏡、準(zhǔn)直透鏡、第二分光棱鏡、光闌、成像透鏡和CCD依次共光軸設(shè)置,且與光源和第一分光棱鏡所處的光軸垂直；由光源發(fā)出的平行光垂直入射到第一分光棱鏡后，分為相互垂直反射光和透射光；透射光經(jīng)透鏡陣列后形成多束發(fā)散光，經(jīng)第二分光棱鏡透射后，再通過準(zhǔn)直透鏡組形成多束具有不同傾斜角度的平行光，最后經(jīng)球面補(bǔ)償透鏡組后形成多束測試光照射到待測自由曲面，由待測自由曲面反射后，攜帶待測自由曲面局部面形偏差的多束測試光返回經(jīng)球面補(bǔ)償透鏡組形成多束攜帶待測自由曲面局部面形偏差的平行光，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組后形成多束攜帶待測自由曲面局部面形偏差的會聚光，再由第二分光棱鏡折轉(zhuǎn)90度進(jìn)入光闌，經(jīng)光闌濾除雜散光，最后由成像透鏡成像在CCD上，形成測試光路；反射光射入第一反射鏡，經(jīng)第一反射鏡反射進(jìn)入第二反射鏡，然后由第二反射鏡反射進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡形成一束會聚光，會聚光經(jīng)第二分光棱鏡透射后再經(jīng)光闌濾除雜散光，最后由成像透鏡成像在CXD上，形成參考光路。CXD上將測試光與參考光疊加形成干涉圖。
[0006]透鏡陣列、準(zhǔn)直透鏡組和球面補(bǔ)償透鏡組的最佳光學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定步驟如下:
[0007]步驟一根據(jù)待測自由曲面參數(shù)和幾何光學(xué)成像原理，確定點(diǎn)源陣列的光學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù):
[0008]
【權(quán)利要求】
1.一種基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)，其特征在于:包括泰曼格林干涉系統(tǒng)、梯度補(bǔ)償模塊、待測自由曲面(5)、準(zhǔn)直透鏡(6)、光闌(7)、成像透鏡(8)和CXD (9);泰曼格林干涉系統(tǒng)包括光源(I)、第一分光棱鏡(2)、第一反射鏡(3)、第二反射鏡(4)、第二分光棱鏡(11);梯度補(bǔ)償模塊包括透鏡陣列(10)、準(zhǔn)直透鏡組(12)、球面補(bǔ)償透鏡組(13);光源(I)、第一分光棱鏡(2)、透鏡陣列(10)、第二分光棱鏡(11)、準(zhǔn)直透鏡組(12)、球面補(bǔ)償透鏡組(13)和待測自由曲面(5)依次共光軸設(shè)置；第二反射鏡(4)、準(zhǔn)直透鏡(6)、第二分光棱鏡(11)、光闌(7)、成像透鏡(8)和CXD (9)依次共光軸設(shè)置，且與光源(I)和第一分光棱鏡(2)所處的光軸垂直；由光源(I)發(fā)出的平行光垂直入射到第一分光棱鏡(2)后,分為相互垂直反射光和透射光；透射光經(jīng)透鏡陣列(10)后形成多束發(fā)散光，經(jīng)第二分光棱鏡(11)透射后，再通過準(zhǔn)直透鏡組(12)形成多束具有不同傾斜角度的平行光，最后經(jīng)球面補(bǔ)償透鏡組(13)后形成多束測試光照射到待測自由曲面(5)，由待測自由曲面(5)反射后，攜帶待測自由曲面(5)局部面形偏差的多束測試光返回經(jīng)球面補(bǔ)償透鏡組(13)形成多束攜帶待測自由曲面(5)局部面形偏差的具有不同傾斜角度的平行光，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組(12)后形成多束會聚光，再由第二分光棱鏡(11)折轉(zhuǎn)90度進(jìn)入光闌(7 )，經(jīng)光闌(7 )濾除雜散光，最后由成像透鏡(8)成像在CXD (9)上，形成測試光路；反射光射入第一反射鏡(3)，經(jīng)第一反射鏡 (3)反射進(jìn)入第二反射鏡(4)，然后由第二反射鏡(4)反射進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡(6)，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(6 )形成一束會聚光，會聚光經(jīng)第二分光棱鏡(11)透射后再經(jīng)光闌(7 )濾除雜散光，最后由成像透鏡(8)成像在CXD (9)上，形成參考光路。CXD (9)上測試光與參考光疊加形成干涉圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)，其特征在于:透鏡陣列(10)、準(zhǔn)直透鏡組(12)和球面補(bǔ)償透鏡組(13)的最佳光學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，步驟如下: 步驟一根據(jù)待測自由曲面(5)參數(shù)和幾何光學(xué)成像原理，確定點(diǎn)源陣列的光學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù):
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)，其特征在于:由待測自由曲面(5)反射后攜帶待測自由曲面(5)局部面形偏差的多束測試光并不需完全原路返回，只要滿足測試光與參考光的夾角在一定范圍，使得干涉圖樣條紋密度不超出CCD (9)分辨率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)，其特征在于:透鏡陣列(10)各個子透鏡出射的測試光都能覆蓋待測自由曲面(5)整個面形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)，其特征在于:位于透鏡陣列(10)的同一直徑上的兩個最邊緣子透鏡出射光束照射到待測自由曲面(5)上的重疊區(qū)域要大于待測自由曲面(5)的口徑D。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于點(diǎn)源陣列的非零位干涉系統(tǒng)， 其特征在于:最優(yōu)算法中取透鏡陣列(10)子透鏡的數(shù)值孔徑最大值為0.17。
【文檔編號】G01B11/24GK103528539SQ201310446103
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】沈華, 朱日宏, 李嘉, 王念, 陳磊, 何勇, 高志山 申請人:南京理工大學(xué)