一種光學(xué)凸球面面形的檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種光學(xué)凸球面面形的檢測裝置及方法，該裝置中，光源發(fā)出波長可變的線偏振準(zhǔn)單色光，經(jīng)濾波孔、第一擴(kuò)束鏡、空間濾波器、第二擴(kuò)束鏡、λ/4波片和第一聚焦透鏡聚焦于小孔中心。一部分小孔衍射波經(jīng)第二聚焦透鏡照射到被測凸球面表面，經(jīng)過反射后形成檢測光束，經(jīng)第二聚焦透鏡聚焦于小孔附近，在小孔衍射板背面反射，再與另一部分作為參考光束的小孔衍射波發(fā)生干涉。將被測凸球面換為一隨機(jī)球，其球心與被測凸球面球心位置重合，通過多次測量標(biāo)定第二聚焦透鏡引入的聚焦系統(tǒng)誤差。本發(fā)明利用接近理想球面的小孔衍射波作為參考波，采用隨機(jī)球法多次測量標(biāo)定聚焦系統(tǒng)誤差，能夠?qū)崿F(xiàn)對光學(xué)凸球面面形的高精度測量。
【專利說明】—種光學(xué)凸球面面形的檢測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)測量領(lǐng)域，具體涉及一種光學(xué)凸球面面形的檢測裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代光學(xué)面形加工中，主要的檢測工具為干涉儀。但是一般商用干涉儀均采用菲索型和泰曼-格林型，利用參考面產(chǎn)生參考球面波。由于加工精度限制，參考面精度一般小于λ /50，使檢測精度遠(yuǎn)不能滿足超高精度面形檢測要求。
[0003]小孔或者單模光纖衍射，能夠產(chǎn)生與理想球面波非常接近的衍射波，將其作為參考波，能夠擺脫參考面精度限制，提高檢測精度。小孔或者光纖纖芯直徑?jīng)Q定了參考波像差大小，當(dāng)直徑在微米或小于微米量級時，參考波像差小于λ /104，可以認(rèn)為是一理想球面波。
[0004]2001年，日本高等電子技術(shù)協(xié)會(ASET)EUV實驗室研制了一種可見光波段(He-Ne, 632.8nm)的針孔點(diǎn)衍射干涉儀，針孔直徑為I μ m，對非球面進(jìn)行檢測，檢測精度達(dá)到0.2nm。美國Lawrence-Livermore國家實驗室的Sommargren團(tuán)隊于2002年研制了可見光波段的(532nm)點(diǎn)衍射干涉儀，利用小孔產(chǎn)生參考波，通過數(shù)值分析能夠達(dá)到RMS值
0.1nm精度的測量。
[0005]由于衍射波面的發(fā)散性，因此基于衍射產(chǎn)生參考波面的干涉儀，一般局限于對凹球面的測量。如果需要對凸球面進(jìn)行檢測，則要加入聚焦系統(tǒng)，將發(fā)散波轉(zhuǎn)化為會聚波。但是此時聚焦系統(tǒng)的像差將會降低檢測精度。在專利CN101672632中，北京理工大學(xué)的陳凌峰等人提出了一種光纖點(diǎn)衍射移相干涉測量方法，利用平面反射鏡標(biāo)定聚焦系統(tǒng)像差，實現(xiàn)凸球面的高精度測量。
[0006]光纖纖芯直徑一般只能達(dá)到2 μ m?3 μ m，纖芯端面制作成滿足要求的半反半透鏡也比較困難。一定入射角入射的光束，經(jīng)平面鏡反射后，并不沿原路徑返回，這與被測凸球面檢測時的光路有所不同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)凸球面面形的檢測裝置及方法，實現(xiàn)針孔衍射波作為參考波的凸球面高精度移相干涉測量。
[0008]本發(fā)明利用針孔衍射產(chǎn)生參考波，采用波長調(diào)制的方式實施移相，并通過隨機(jī)球取代被測凸球面，多次測量求平均，標(biāo)定聚焦系統(tǒng)像差的方法，保證了凸球面測量的檢測精度。
[0009]為達(dá)成所述目的，本發(fā)明提供一種檢測小孔衍射球面波光學(xué)面形的檢測裝置，該裝置包括:光源、第一濾波孔、第一擴(kuò)束鏡、第二濾波孔、第二擴(kuò)束鏡、λ/4波片、第一聚焦透鏡、小孔衍射板、第二聚焦透鏡、夾持架、成像透鏡、CCD探測器、和計算機(jī)；其中:第一濾波孔放置在光源的出光口，第一擴(kuò)束鏡放置在第一濾波孔和第二濾波孔中間，第一濾波孔放置的位置為第一擴(kuò)束鏡物面位置，第二濾波孔放置在第一擴(kuò)束鏡像面位置；第二擴(kuò)束鏡的前焦點(diǎn)與第二濾波孔的位置重合，λ/4波片放置在第二擴(kuò)束鏡與第一聚焦透鏡之間，小孔衍射板放置在第一聚焦透鏡焦點(diǎn)處，小孔衍射板的小孔中心與焦點(diǎn)重合；光源，用于發(fā)出波長可變的激光作為照明光源，并實現(xiàn)測量過程中的移相；第一濾波孔，利用衍射效應(yīng)將光源發(fā)出的光發(fā)散；第一擴(kuò)束鏡，用于收集通過第一濾波孔后的發(fā)射光；第二濾波孔，用于過濾經(jīng)第一擴(kuò)束鏡聚焦后光束中的雜散光；第二擴(kuò)束鏡，用于將第二濾波孔過濾后的發(fā)散光變?yōu)槠叫泄猓沪?4波片，用于將光源發(fā)出的線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光；第一聚焦透鏡，用于平行光束聚焦；小孔衍射板，用于產(chǎn)生衍射波，并反射聚焦后的檢測光束；第二聚焦透鏡位于小孔衍射板和夾持架之間；夾持架，用于放置被測凸球面或者隨機(jī)球；第一濾波孔、第一擴(kuò)束鏡、第二濾波孔、第二擴(kuò)束鏡、λ /4波片、第一聚焦透鏡各中心與小孔衍射板上的小孔中心都在同一光軸上；第二聚焦透鏡將一部分發(fā)散的小孔衍射波轉(zhuǎn)換為會聚波，經(jīng)夾持架上的被測凸球面或隨機(jī)球反射后，形成檢測光束，檢測光束被第二聚焦透鏡聚焦，再經(jīng)小孔衍射板背面反射，與另一部分未經(jīng)被測凸球面反射的小孔衍射波相遇而形成干涉，所述另一部分衍射波作為參考光束；成像透鏡位于小孔衍射板與CCD探測器之間；CCD探測器放在成像透鏡后面；成像透鏡，用于將所述檢測光束和所述參考光束相遇后的干涉圖案投射到CCD探測器上；計算機(jī)與光源、CCD探測器連接，計算機(jī)控制光源按照測量要求調(diào)制波長，并存儲處理CXD探測器記錄的干涉圖案，標(biāo)定系統(tǒng)誤差，計算被測凸球面面形。
[0010]進(jìn)一步的，所述光源發(fā)出波長可調(diào)制的照明光，光源是可調(diào)諧激光器，或是單縱模激光器結(jié)合波長調(diào)制器件。
[0011]進(jìn)一步的，所述第一濾波孔是尺寸經(jīng)過選擇的小孔，或是使光束發(fā)散的器件。
[0012]進(jìn)一步的，所述第一擴(kuò)束鏡、第二擴(kuò)束鏡、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡和成像透鏡分別采用透鏡或者透鏡組組合。
[0013]進(jìn)一步的，所述小孔衍射板上有直徑在微米或者亞微米量級的圓形小孔，背面為鍍有反射膜的平面。
[0014]為達(dá)成所述目的，本發(fā)明提供一種使用所述的檢測裝置的光學(xué)凸球面面形的檢測方法，該檢測方法利用小孔產(chǎn)生參考波，采用波長移相的方法，利用隨機(jī)球多次測量，將凸面檢測結(jié)果中的系統(tǒng)誤差去除，用于提高檢測精度，具體檢測步驟如下:
[0015]步驟Al:光源發(fā)出的線偏振準(zhǔn)單色光經(jīng)過第一濾波孔發(fā)散，經(jīng)第一擴(kuò)束鏡、第二濾波孔和第二擴(kuò)束鏡濾波準(zhǔn)直，垂直入射到λ/4波片上，轉(zhuǎn)換為圓偏振光；第一聚焦透鏡將準(zhǔn)直光束聚焦入射到小孔衍射板上的小孔中心，發(fā)生衍射；被測凸球面放置在夾持架上，第二聚焦透鏡將一部分衍射波聚焦在被測凸球面球心處；經(jīng)被測凸球面反射的衍射波形成檢測光束，微調(diào)整被測凸球面位置，使檢測光束聚焦到小孔衍射板上的小孔附近反射，并與另一部分衍射波作為參考光束的衍射波相遇，進(jìn)入成像透鏡，最終成像在CXD探測器上，由計算機(jī)記錄下干涉圖；通過計算機(jī)控制光源改變波長，形成移相，記錄下N幅干涉圖；通過數(shù)據(jù)處理得到檢測結(jié)果W，W為攜帶有第二聚焦透鏡引入像差的凸球面面形信息，表示如下:
[0016]W = Wfigure+fffocus
[0017]其中Wfi_為被測凸球面面形信息，Wf_s為第二聚焦透鏡引入像差；由于小孔直徑在微米和亞微米量級，參考波面像差小于λ/104，忽略不計；
[0018]步驟Α2:將被測凸球面換為隨機(jī)球，保證隨機(jī)球球心與凸球面球心重合，重復(fù)步驟Al，得到檢測結(jié)果G1, G1為攜帶有第二聚焦透鏡引入像差的隨機(jī)球表面局部面形信息，表示如下:
_9] G1 = S^fffocus
[0020]其中S1為隨機(jī)球表面引入誤差，隨機(jī)轉(zhuǎn)動隨機(jī)球，重復(fù)測量多次，得到N'個測量結(jié)果h、G2、…G/，每個測量結(jié)果Gn均攜帶有第二聚焦透鏡引入像差和隨機(jī)球表面局部面形信息；但是由于隨機(jī)球隨機(jī)轉(zhuǎn)動，每次測量在隨機(jī)球上的反射點(diǎn)不同，所攜帶的表面局部面形信息也不同，對這些結(jié)果求算術(shù)平均值G如下表示:
[0021 ]
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)凸球面面形的檢測裝置，其特征在于， 該裝置包括:光源、第一濾波孔、第一擴(kuò)束鏡、第二濾波孔、第二擴(kuò)束鏡、λ /4波片、第一聚焦透鏡、小孔衍射板、第二聚焦透鏡、夾持架、成像透鏡、CCD探測器和計算機(jī)；其中:第一濾波孔放置在光源的出光口，第一擴(kuò)束鏡放置在第一濾波孔和第二濾波孔中間，第一濾波孔放置的位置為第一擴(kuò)束鏡物面位置，第二濾波孔放置在第一擴(kuò)束鏡像面位置；第二擴(kuò)束鏡的前焦點(diǎn)與第二濾波孔的位置重合，λ /4波片放置在第二擴(kuò)束鏡與第一聚焦透鏡之間，小孔衍射板放置在第一聚焦透鏡焦點(diǎn)處，小孔衍射板的小孔中心與焦點(diǎn)重合； 光源，用于發(fā)出波長可變的激光作為照明光源，并實現(xiàn)測量過程中的移相； 第一濾波孔，利用衍射效應(yīng)將光源發(fā)出的光發(fā)散； 第一擴(kuò)束鏡，用于收集通過第一濾波孔后的發(fā)射光； 第二濾波孔，用于過濾經(jīng)第一擴(kuò)束鏡聚焦后光束中的雜散光； 第二擴(kuò)束鏡，用于將第二濾波孔過濾后的發(fā)散光變?yōu)槠叫泄猓? λ/4波片，用于將光源發(fā)出的線偏振光轉(zhuǎn)化為圓偏振光； 第一聚焦透鏡，用于平行光束聚焦； 小孔衍射板，用于產(chǎn)生衍射波，并反射聚焦后的檢測光束； 第二聚焦透鏡位于小孔衍射板和夾持架之間； 夾持架，用于放置凸球面或者隨機(jī)球； 第一濾波孔、第一擴(kuò)束鏡、第二濾波孔、第二擴(kuò)束鏡、λ /4波片、第一聚焦透鏡各中心與小孔衍射板上的小孔中心都在同一光軸上；第二聚焦透鏡將一部分發(fā)散的小孔衍射波轉(zhuǎn)換為會聚波，經(jīng)夾持架上的被測凸球面或隨機(jī)球反射后，形成檢測光束；檢測光束被第二聚焦透鏡聚焦，再經(jīng)小孔衍射板背面反射，與另一部分未經(jīng)被測凸球面反射的小孔衍射波相遇而形成干涉，所述另一部分衍射波作為參考光束； 成像透鏡位于小孔衍射板與CXD探測器之間，CXD探測器放在成像透鏡后面，成像透鏡，用于將所述檢測光束和所述參考光束相遇后的干涉圖案投射到CCD探測器上； 計算機(jī)與光源、CCD探測器連接，計算機(jī)控制光源按照測量要求調(diào)制波長，并存儲處理CCD探測器記錄的干涉圖案，標(biāo)定系統(tǒng)誤差，計算被測凸球面面形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于:所述光源發(fā)出波長可調(diào)制的照明光，光源是可調(diào)諧激光器，或是單縱模激光器結(jié)合波長調(diào)制器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于:所述第一濾波孔是尺寸經(jīng)過選擇的小孔，或是使光束發(fā)散的器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于:所述第一擴(kuò)束鏡、第二擴(kuò)束鏡、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡和成像透鏡分別采用透鏡，或者是透鏡組組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于:所述小孔衍射板上有直徑在微米或者亞微米量級的圓形小孔，背面為鍍有反射膜的平面。
6.一種光學(xué)凸球面面形的檢測方法，其特征在于:該檢測方法利用小孔產(chǎn)生參考波，采用波長移相的方法，利用隨機(jī)球多次測量，將凸面檢測結(jié)果中的系統(tǒng)誤差去除，用于提高檢測精度，具體檢測步驟如下: 步驟Al:光源發(fā)出的線偏振準(zhǔn)單色光經(jīng)過第一濾波孔發(fā)散，經(jīng)第一擴(kuò)束鏡、第二濾波孔和第二擴(kuò)束鏡濾波準(zhǔn)直，垂直入射到λ/4波片上，并轉(zhuǎn)換為圓偏振光；第一聚焦透鏡將準(zhǔn)直光束聚焦入射到小孔衍射板上的小孔中心，發(fā)生衍射；被測凸球面放置在夾持架上，第二聚焦透鏡將一部分衍射波聚焦在被測凸球面球心處；經(jīng)被測凸球面反射的衍射波形成檢測光束，微調(diào)整被測凸球面位置，使檢測光束聚焦到小孔衍射板上的小孔附近反射，并與另一部分衍射波作為參考光束的衍射波相遇，進(jìn)入成像透鏡，最終成像在CXD探測器上，由計算機(jī)記錄下干涉圖，通過計算機(jī)控制光源改變波長，形成移相，記錄下N幅干涉圖；通過數(shù)據(jù)處理得到檢測結(jié)果W，W為攜帶有第二聚焦透鏡引入像差的凸球面面形信息，表示如下:
W = Wfigure+Wfocus 其中Wfig為被測凸球面面形信息，wf_s為第二聚焦透鏡引入像差；由于小孔直徑在微米和亞微米量級，參考波面像差小于λ/104，忽略不計； 步驟Α2:將被測凸球面換為隨機(jī)球，保證隨機(jī)球球心與凸球面球心重合，重復(fù)步驟Al，得到檢測結(jié)果G1, G1為攜帶有第二聚焦透鏡引入像差的隨機(jī)球表面局部面形信息，表示如下:
G1 = S^fffocus 其中S1為隨機(jī)球表面引入誤差，隨機(jī)轉(zhuǎn)動隨機(jī)球，重復(fù)測量多次，得到N'個測量結(jié)果G1X2,…G/，每個測量結(jié)果Gn均攜帶有第二聚焦透鏡引入像差和隨機(jī)球表面局部面形信息；但是由于隨機(jī)球隨機(jī)轉(zhuǎn)動，每次測量在隨機(jī)球上的反射點(diǎn)不同，所攜帶的表面局部面形信息也不同，對這些結(jié)果求算術(shù)平均值G如下表示:
【文檔編號】G01B11/24GK103954235SQ201410199400
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】許嘉俊, 賈辛, 徐富超, 邢廷文 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所