專利名稱：非球面光學元件面形檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學精密測量技術領域，特別涉及一種能夠檢測大非球面度 的非球面光學元件面形檢測裝置。
背景技術：
直到目前對非球面光學元件面形的定量檢測仍然是光學計量檢測領域中 的一項挑戰。主要原因是沒有相應的標準非球面樣板用于標準檢測，從而導 致在干涉檢測中干涉條紋過密，而不能滿足采樣定理。目前采用的解決方法 有子孔徑拼接法和補償法。子孔徑拼接法利用精密的機械運動對非球面光學 元件的不同子區域進行檢測，然后再將各個檢測結果拼接為整個非球面光學 元件的面形檢測結果。補償法利用補償鏡或者計算全息圖對檢測光路進行補 償，使得所記錄的干涉條紋能被正常采樣。在現有的非球面光學元件的計算 全息檢測方法中，都必須實際加工出計算全息圖，并在檢測光路中進行裝調。 這樣將增加非球面光學元件的檢測成本、加長檢測周期，同時由于計算全息 圖加工精度的限制不能對非球面度和面形陡度過大的非球面光學元件的面形 進行檢測。

發明內容
本發明的目的是，克服現有用計算全息技術檢測非球面光學元件面形中 計算全息圖加工、裝調困難的不足，提供一種基于兩步相移技術、計算全息 技術和數字全息干涉技術的非球面光學元件面形檢測裝置，以實現對大非球 面度和大面形陡度的非球面光學元件面形的高精度檢測。本發明采用以下技術方案來實現上述目的。
非球面光學元件面形檢測裝置包括氦氖激光器、顯微物鏡、針孔濾波器、 分光鏡、消球差透鏡、第一可控光闌、標準平面反射鏡、壓電陶瓷、第二可 控光闌、CCD探測器和計算機，標準平面反射鏡置于壓電陶瓷上，第一、第 二可控光闌和壓電陶瓷均受計算機的控制，顯微物鏡的像方焦點、消球差透 鏡的物方焦點和針孔濾波器均位于待檢非球面光學元件的最佳匹配球面的等 效球心處；檢測時，所述氦氖激光器發出的激光束經所述顯微物鏡會聚到所
述針孔濾波器的針孔處形成標準球面光波，該標準球面光波被所述分光鏡分
為兩束由分光鏡反射的光波經過所述第二可控光闌直接照射到所述待檢非 球面光學元件的待測面上并被反射即定義為檢測光波，由分光鏡折射的光波 照射到所述消球差透鏡上形成平面光波，然后經過第一可控光闌再照射到標 準平面反射鏡上并被反射即定義為參考光波，所述檢測光波和所述參考光波
分別經分光鏡透射和反射后照射到所述CCD探測器的耙面上并經光電轉換后 送入所述計算機中；當所述第一、第二可控光闌同時打開時，所述CCD探測 器探測到的是干涉條紋，當第一可控光闌或第二可控光闌打開時，CCD探測 器探測到的是所述參考光波或所述檢測光波的光強度。
計算機裝有A/D轉換器、存儲器和非球面面形測量軟件包，存儲器預先存 儲非球面面形測量軟件包運行過程中所需的已知參量，非球面面形測量軟件 包含有控制模塊、存儲模塊、數據采集模塊、數據輸入模塊、理想干涉條紋 參數計算模塊、相位差計算模塊、相位解包裹模塊和面形偏差計算模塊，控 制模塊的功能是控制壓電陶瓷8產生兀/2的相移，控制第一、第二可控光闌的打 開和關閉；存儲模塊存儲數據處理中的過程數據并在程序運行過程中調用過 程數據和存儲器中存儲的相關參數；數據采集模塊的功能是通過A/D轉換器采 集壓電陶瓷在零位時檢測光波和參考光波形成的原位干涉條紋以及該位置上 檢測光波的光強度和參考光波的光強度，通過A/D轉換器采集壓電陶瓷相移 Ti/2時檢測光波和參考光波形成的相移干涉條紋，并將采集數據送入存儲器中存儲；數據輸入模塊通過鍵盤接收人工輸入的待檢非球面光學元件的理想面 形方程及其口徑尺寸并送入存儲模塊中；理想干涉條紋參數計算模塊依據光 線追跡法和干涉原理模擬出理想原位干涉條紋和理想相移干涉條紋，計算理 想檢測光波的光強度和理想參考光波的光強度，并將模擬和計算數據送入存 儲器中存儲；相位差計算模塊依據測量待檢非球面光學元件的待測面形與標
準球面之間的相位偏差以及模擬計算待檢非球面光學元件的模擬理想面形與 標準球面之間的相位偏差解算出待檢非球面光學元件的待測面形與模擬理想
面形包裹在0到2;r之間的相位偏差；相位解包裹模塊依據相位偏差值解算出一 組連續變化的相位差值；面形偏差計算模塊利用相位解包裹模塊的計算結果 求解出待測面形與模擬理想面形之間的偏差并予以輸出。 本發明的有益效果體現在以下幾個方面。
(一) 本發明建立在現有干涉法面形檢測裝置的基礎上，通過增設兩個 可控光闌實現了對檢測光波和參考光波的光強測量，通過增設壓電陶瓷實現 了對相移干涉條紋的采集；非球面面形測量軟件包通過計算待檢光學元件的 待測面形與標準球面之間的相位偏差以及待檢非球面光學元件的理想面形與 標準球面之間的相位偏差，可方便地獲得待檢非球面光學元件的面形與其理 想面形間的相位偏差。與傳統的計算全息檢測方法相比，本發明不需要計算 全息圖的實際加工和后續的光路裝調，從而降低了檢測成本、縮短了檢測周 期并提高了檢測精度。
(二) 本發明將兩步相移技術、計算全息技術和數字全息干涉技術結合 起來，使待檢非球面光學元件的面形與其理想面形之間進行比對，從而減小 了檢測過程中的偏差量，進而可以對大非球面度和大面形陡度的非球面光學 元件的面形進行檢測。
(三) 采用本發明非球面光學元件面形檢測方法建立的非球面光學元件 面形檢測裝置能夠對大非球面度和大面形陡度的非球面光學元件的面形進行 檢測，無需實際加工計算全息圖，可降低檢測成本、縮短檢測周期，并提高了檢測精度。


圖1是本發明非球面光學元件面形檢測裝置的原理示意圖。
圖2是圖1所示裝置中非球面面形測量軟件包的工作流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及優選實施例對本發明作進一步的詳述。 根據圖1所示，本發明非球面光學元件面形檢測裝置包括氦氖激光器1、 顯微物鏡2、針孔濾波器3、分光鏡4、消球差透鏡5、第一可控光闌6、標準 平面反射鏡7、壓電陶瓷8、第二可控光闌9、 CCD探測器ll、計算機12。 氦氖激光器1的工作波長為632.8nm，顯微物鏡2的放大率為100，針孔濾波 器3的直徑為5pm，分光鏡4為半透半反45。直角棱鏡，其分光面的分光比為 1:1，標準平面反射鏡7的面形精度優于義/20且置于壓電陶瓷8上，壓電陶瓷 8受計算機12的控制而帶著標準平面反射鏡7作相對于參考光束中心的平移， 其定位精度優于10nm。 CCD探測器11選用面陣CCD。針孔濾波器3處在待 檢非球面光學元件10的最佳匹配球面的等效球心處，同時顯微物鏡2的像方 焦點和消球差透鏡5的物方焦點也處在該位置上。測試時，氦氖激光器1發 出的激光束經顯微物鏡2會聚到針孔濾波器3的針孔處，形成標準球面光波， 該標準球面光波被分光鏡4分為兩束其反射光波經過第二可控光闌9直接 照射到待檢非球面光學元件10的待測面上并被反射，其折射光波照射到消球 差透鏡5上形成平面光波，然后經過第一可控光闌6再照射到標準平面反射 鏡7上并被反射，由于待檢非球面光學元件10反射的光波中包含有待檢非球 面的面形信息，因而可將其作為測試中的檢測光波，而由標準平面反射鏡7 反射后的光波則作為測試中的參考光波，檢測光波和參考光波分別經分光鏡4 透射和反射后照射到CCD探測器11的靶面上并經光電轉換后送入計算機12
76、 9分別且對應作為參考光波和檢測光波的開關，
兩者的打開和關閉均受計算機12控制。當第一、第二可控光闌6、 9同時打 開時，CCD探測器11探測的是干涉條紋，當第一可控光闌6 (或第二可控光 闌9)打開時，CCD探測器11探測的是參考光波(或檢測光波)的光強度。
計算機12中裝有A/D轉換器、存儲器和非球面面形測量軟件包。存儲器 預先存儲非球面面形測量軟件包運行過程中所需的已知參量，這些己知參量 包括所用激光的波長X、針孔濾波器3與分光鏡4之間的距離d，面陣CCD探 測器11的像素數MxN和像素尺寸AxxAy。非球面面形測量軟件包含有控制模 塊、存儲模塊、數據采集模塊、數據輸入模塊、理想干涉條紋參數計算模塊、 相位差計算模塊、相位解包裹模塊和面形偏差計算模塊，其工作流程見圖2。
控制模塊的功能是控制壓電陶瓷8產生7c/2的相移，控制第一、第二可控 光闌6、 9的打開和關閉。存儲模塊的功能是存儲數據處理中的過程數據并在 程序運行過程中調用這些過程數據和存儲器中的相關參數。數據采集模塊的 功能是通過A/D轉換器采集壓電陶瓷在零位時檢測光波和參考光波形成的原 位干涉條紋以及該位置上檢測光波的光強度I G 12和參考光波的光強度12; 通過A/D轉換器采集壓電陶瓷相移Ti/2時檢測光波和參考光波形成的相移干 涉條紋，并將采集的四個數據送入存儲器中存儲。數據輸入模塊的功能是通 過鍵盤接收人工輸入的待檢非球面光學元件的理想面形方程及其口徑尺寸D， 并送入存儲模塊中；理想干涉條紋參數計算模塊的功能是利用輸入的待檢非 球面光學元件的理想面形方程、口徑尺寸D及針孔濾波器3與分光鏡4之間 的距離d，采用光線追跡的方法和干涉原理模擬理想原位干涉條紋和理想相移 干涉條紋，計算理想檢測光波的光強度1<92|2和理想參考光波的光強度|7 2|2， 并將模擬和計算數據送入存儲器中存儲。相位差計算模塊依據測量待檢非球 面光學元件的待測面形與標準球面之間的相位偏差以及模擬計算待檢非球面 光學元件的理想面形與標準球面之間的相位偏差解算出待檢非球面光學元件
的待測面形與其模擬理想面形包裹在0到2TT之間的相位偏差A^:,|2 +21^1(9,1 cos(w
2
/2 =《+ C\ +2i 1(91sin(p。—
2
,/2 —i 」-A 、 % _ <^ = arctan(- 2 2)
/3 = |i 2|2 +102|2 + 2|i 2|02|CoS"2 - &)
/4豐21 +1(921 + 2|7 2|021sin(w
/4一1凡1 一IO,
o2
2
P。2 -氣=arctan(^~~ 2 2)
/3 —i 2 — (92
={ A" P。2 _ &2 ^ P。, _
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
在(1) (3)式中，A為原位干涉條紋的光強度，/2為相移干涉條紋的光強 度，^為檢測光波在CCD探測器11靶面處的復振幅，&為參考光波在CCD 探測器ll靶面處的復振幅，^為復振幅^的相位，^為復振幅^的相位， 上述參數均可從測量參數中得到；在(4) (6)式中，/3為理想原位干涉條 紋的光強度，/4為理想相移干涉條紋的光強度，02為待檢非球面光學元件的 模擬理想面形反射光在記錄平面處的復振幅，i 2為模擬參考光波在記錄平面 處的復 振巾雖，p。 為復振幅02的相位，^2為復振幅&的相位，上述參數均由 理想干涉條紋參數計算模塊獲得；(7)式中Ap為反映待檢非球面光學元件待 測面形與其模擬理想面形的偏差相位，A外為實際采集與模擬計算之間的常相 位差，它不影響對待檢非球面光學元件面形的檢測，可以通過將所有A^與選 定的基準點(如A6。相減進行消除。相位解包裹模塊的功能是將包裹在0 到27i之間的相位偏差值A^解算為一組連續變化的相位差值AA面形偏差計 算模塊的功能是利用式(8)計算出待檢非球面光學元件的待測面形與其模擬 理想面形之間的面形偏差并將計算結果輸出
z =仏 (8)
(8)式中z為待檢非球面光學元件待測面的面形偏差。
權利要求
1.一種非球面光學元件面形檢測裝置，包括氦氖激光器[1]、顯微物鏡[2]、針孔濾波器[3]、分光鏡[4]、消球差透鏡[5]、標準平面反射鏡[7]、CCD探測器[11]和計算機[12]，其特征在于還包括第一可控光闌[6]、第二可控光闌[9]和壓電陶瓷[8]，所述標準平面反射鏡[7]置于所述壓電陶瓷[8]上，所述第一、第二可控光闌[6、9]和壓電陶瓷[8]均受所述計算機[12]的控制，所述顯微物鏡[2]的像方焦點、所述消球差透鏡[5]的物方焦點和所述針孔濾波器[3]均位于待檢非球面光學元件[10]的最佳匹配球面的等效球心處；檢測時，所述氦氖激光器[1]發出的激光束經所述顯微物鏡[2]會聚到所述針孔濾波器[3]的針孔處形成標準球面光波，該標準球面光波被所述分光鏡[4]分為兩束由分光鏡[4]反射的光波經過所述第二可控光闌[9]直接照射到所述非球面光學元件[10]的待檢非球面上并被反射即定義為檢測光波，由分光鏡[4]折射的光波照射到所述消球差透鏡[5]上形成平面光波，然后經過第一可控光闌[6]再照射到標準平面反射鏡[7]上并被反射即定義為參考光波，所述檢測光波和所述參考光波分別經分光鏡[4]透射和反射后照射到所述CCD探測器[11]的靶面上并經光電轉換后送入所述計算機[12]中；當所述第一、第二可控光闌[6、9]同時打開時，所述CCD探測器[11]探測到的是干涉條紋，當第一可控光闌[6]或第二可控光闌[9]打開時，CCD探測器[11]探測到的是所述參考光波或所述檢測光波的光強度；計算機裝有A/D轉換器、存儲器和非球面面形測量軟件包，存儲器預先存儲非球面面形測量軟件包運行過程中所需的已知參量，非球面面形測量軟件包含有控制模塊、存儲模塊、數據采集模塊、數據輸入模塊、理想干涉條紋參數計算模塊、相位差計算模塊、相位解包裹模塊和面形偏差計算模塊，控制模塊的功能是控制壓電陶瓷8產生π/2的相移，控制第一、第二可控光闌的打開和關閉；存儲模塊存儲數據處理中的過程數據并在程序運行過程中調用過程數據和存儲器中存儲的相關參數；數據采集模塊的功能是通過A/D轉換器采集壓電陶瓷在零位時檢測光波和參考光波形成的原位干涉條紋以及該位置上檢測光波的光強度和參考光波的光強度，通過A/D轉換器采集壓電陶瓷相移π/2時檢測光波和參考光波形成的相移干涉條紋，并將采集數據送入存儲器中存儲；數據輸入模塊通過鍵盤接收人工輸入的待檢非球面光學元件的理想面形方程及其口徑尺寸并送入存儲模塊中；理想干涉條紋參數計算模塊依據光線追跡法和干涉原理模擬出理想原位干涉條紋和理想相移干涉條紋，計算理想檢測光波的光強度和理想參考光波的光強度，并將模擬和計算數據送入存儲器中存儲；相位差計算模塊依據測量待檢非球面光學元件的待測面形與標準球面之間的相位偏差以及模擬計算待檢非球面光學元件的模擬理想面形與標準球面之間的相位偏差解算出待檢非球面光學元件的待測面形與模擬理想面形包裹在0到2π之間的相位偏差；相位解包裹模塊依據相位偏差值解算出一組連續變化的相位差值；面形偏差計算模塊利用相位解包裹模塊的計算結果求解出待測面形與模擬理想面形之間的偏差并予以輸出。
全文摘要
本發明公開了一種非球面光學元件面形檢測裝置。該裝置在現有干涉法面形檢測裝置的基礎上，通過增設兩個可控光闌實現了對檢測光波和參考光波的光強測量，通過增設壓電陶瓷實現了對相移干涉條紋的采集；非球面面形測量軟件包通過計算待檢非球面光學元件的待測面形與標準球面之間的相位偏差以及待檢非球面光學元件的理想面形與標準球面之間的相位偏差，可方便地獲得待檢非球面光學元件的面形與其理想面形間的相位偏差。因此，本發明可以有效地解決大偏離量非球面光學元件面形的檢測問題，不需要實際加工計算全息圖，可降低檢測成本、縮短檢測周期，并提高了檢測精度。
文檔編號G01B11/24GK101672628SQ20091002427
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月12日 優先權日2009年10月12日
發明者楊鴻儒, 琦 范, 黎高平 申請人:中國兵器工業第二〇五研究所