一種光學凸球面面形的檢測裝置及方法
2023-04-24 12:56:56 2
一種光學凸球面面形的檢測裝置及方法
【專利摘要】本發明提供一種光學凸球面面形的檢測裝置及方法，該裝置中，光源發出波長可變的線偏振準單色光，經濾波孔、第一擴束鏡、空間濾波器、第二擴束鏡、λ/4波片和第一聚焦透鏡聚焦於小孔中心。一部分小孔衍射波經第二聚焦透鏡照射到被測凸球面表面，經過反射後形成檢測光束，經第二聚焦透鏡聚焦於小孔附近，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生幹涉。將被測凸球面換為一隨機球，其球心與被測凸球面球心位置重合，通過多次測量標定第二聚焦透鏡引入的聚焦系統誤差。本發明利用接近理想球面的小孔衍射波作為參考波，採用隨機球法多次測量標定聚焦系統誤差，能夠實現對光學凸球面面形的高精度測量。
【專利說明】—種光學凸球面面形的檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於光學測量領域，具體涉及一種光學凸球面面形的檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]現代光學面形加工中，主要的檢測工具為幹涉儀。但是一般商用幹涉儀均採用菲索型和泰曼-格林型，利用參考面產生參考球面波。由於加工精度限制，參考面精度一般小於λ /50，使檢測精度遠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決定了參考波像差大小，當直徑在微米或小於微米量級時，參考波像差小於λ /104，可以認為是一理想球面波。
[0004]2001年，日本高等電子技術協會(ASET)EUV實驗室研製了一種可見光波段(He-Ne, 632.8nm)的針孔點衍射幹涉儀，針孔直徑為I μ m，對非球面進行檢測，檢測精度達到0.2nm。美國Lawrence-Livermore國家實驗室的Sommargren團隊於2002年研製了可見光波段的(532nm)點衍射幹涉儀，利用小孔產生參考波，通過數值分析能夠達到RMS值
0.1nm精度的測量。
[0005]由於衍射波面的發散性，因此基於衍射產生參考波面的幹涉儀，一般局限於對凹球面的測量。如果需要對凸球面進行檢測，則要加入聚焦系統，將發散波轉化為會聚波。但是此時聚焦系統的像差將會降低檢測精度。在專利CN101672632中，北京理工大學的陳凌峰等人提出了一種光纖點衍射移相干涉測量方法，利用平面反射鏡標定聚焦系統像差，實現凸球面的高精度測量。
[0006]光纖纖芯直徑一般只能達到2 μ m?3 μ m，纖芯端面製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，經平面鏡反射後，並不沿原路徑返回，這與被測凸球面檢測時的光路有所不同。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種光學凸球面面形的檢測裝置及方法，實現針孔衍射波作為參考波的凸球面高精度移相干涉測量。
[0008]本發明利用針孔衍射產生參考波，採用波長調製的方式實施移相，並通過隨機球取代被測凸球面，多次測量求平均，標定聚焦系統像差的方法，保證了凸球面測量的檢測精度。
[0009]為達成所述目的，本發明提供一種檢測小孔衍射球面波光學面形的檢測裝置，該裝置包括:光源、第一濾波孔、第一擴束鏡、第二濾波孔、第二擴束鏡、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；其中:第一濾波孔放置在光源的出光口，第一擴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束鏡物面位置，第二濾波孔放置在第一擴束鏡像面位置；第二擴束鏡的前焦點與第二濾波孔的位置重合，λ/4波片放置在第二擴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處，小孔衍射板的小孔中心與焦點重合；光源，用於發出波長可變的雷射作為照明光源，並實現測量過程中的移相；第一濾波孔，利用衍射效應將光源發出的光發散；第一擴束鏡，用於收集通過第一濾波孔後的發射光；第二濾波孔，用於過濾經第一擴束鏡聚焦後光束中的雜散光；第二擴束鏡，用於將第二濾波孔過濾後的發散光變為平行光；λ/4波片，用於將光源發出的線偏振光轉化為圓偏振光；第一聚焦透鏡，用於平行光束聚焦；小孔衍射板，用於產生衍射波，並反射聚焦後的檢測光束；第二聚焦透鏡位於小孔衍射板和夾持架之間；夾持架，用於放置被測凸球面或者隨機球；第一濾波孔、第一擴束鏡、第二濾波孔、第二擴束鏡、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散的小孔衍射波轉換為會聚波，經夾持架上的被測凸球面或隨機球反射後，形成檢測光束，檢測光束被第二聚焦透鏡聚焦，再經小孔衍射板背面反射，與另一部分未經被測凸球面反射的小孔衍射波相遇而形成幹涉，所述另一部分衍射波作為參考光束；成像透鏡位於小孔衍射板與CCD探測器之間；CCD探測器放在成像透鏡後面；成像透鏡，用於將所述檢測光束和所述參考光束相遇後的幹涉圖案投射到CCD探測器上；計算機與光源、CCD探測器連接，計算機控制光源按照測量要求調製波長，並存儲處理CXD探測器記錄的幹涉圖案，標定系統誤差，計算被測凸球面面形。
[0010]進一步的，所述光源發出波長可調製的照明光，光源是可調諧雷射器，或是單縱模雷射器結合波長調製器件。
[0011]進一步的，所述第一濾波孔是尺寸經過選擇的小孔，或是使光束髮散的器件。
[0012]進一步的，所述第一擴束鏡、第二擴束鏡、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡和成像透鏡分別採用透鏡或者透鏡組組合。
[0013]進一步的，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]為達成所述目的，本發明提供一種使用所述的檢測裝置的光學凸球面面形的檢測方法，該檢測方法利用小孔產生參考波，採用波長移相的方法，利用隨機球多次測量，將凸面檢測結果中的系統誤差去除，用於提高檢測精度，具體檢測步驟如下:
[0015]步驟Al:光源發出的線偏振準單色光經過第一濾波孔發散，經第一擴束鏡、第二濾波孔和第二擴束鏡濾波準直，垂直入射到λ/4波片上，轉換為圓偏振光；第一聚焦透鏡將準直光束聚焦入射到小孔衍射板上的小孔中心，發生衍射；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；經被測凸球面反射的衍射波形成檢測光束，微調整被測凸球面位置，使檢測光束聚焦到小孔衍射板上的小孔附近反射，並與另一部分衍射波作為參考光束的衍射波相遇，進入成像透鏡，最終成像在CXD探測器上，由計算機記錄下幹涉圖；通過計算機控制光源改變波長，形成移相，記錄下N幅幹涉圖；通過數據處理得到檢測結果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；由於小孔直徑在微米和亞微米量級，參考波面像差小於λ/104，忽略不計；
[0018]步驟Α2:將被測凸球面換為隨機球，保證隨機球球心與凸球面球心重合，重複步驟Al，得到檢測結果G1, G1為攜帶有第二聚焦透鏡引入像差的隨機球表面局部面形信息，表示如下:
_9] G1 = S^fffocus
[0020]其中S1為隨機球表面引入誤差，隨機轉動隨機球，重複測量多次，得到N'個測量結果h、G2、…G/，每個測量結果Gn均攜帶有第二聚焦透鏡引入像差和隨機球表面局部面形信息；但是由於隨機球隨機轉動，每次測量在隨機球上的反射點不同，所攜帶的表面局部面形信息也不同，對這些結果求算術平均值G如下表示:
[0021 ]
【權利要求】
1.一種光學凸球面面形的檢測裝置，其特徵在於， 該裝置包括:光源、第一濾波孔、第一擴束鏡、第二濾波孔、第二擴束鏡、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；其中:第一濾波孔放置在光源的出光口，第一擴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束鏡物面位置，第二濾波孔放置在第一擴束鏡像面位置；第二擴束鏡的前焦點與第二濾波孔的位置重合，λ /4波片放置在第二擴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處，小孔衍射板的小孔中心與焦點重合； 光源，用於發出波長可變的雷射作為照明光源，並實現測量過程中的移相； 第一濾波孔，利用衍射效應將光源發出的光發散； 第一擴束鏡，用於收集通過第一濾波孔後的發射光； 第二濾波孔，用於過濾經第一擴束鏡聚焦後光束中的雜散光； 第二擴束鏡，用於將第二濾波孔過濾後的發散光變為平行光； λ/4波片，用於將光源發出的線偏振光轉化為圓偏振光； 第一聚焦透鏡，用於平行光束聚焦； 小孔衍射板，用於產生衍射波，並反射聚焦後的檢測光束； 第二聚焦透鏡位於小孔衍射板和夾持架之間； 夾持架，用於放置凸球面或者隨機球； 第一濾波孔、第一擴束鏡、第二濾波孔、第二擴束鏡、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散的小孔衍射波轉換為會聚波，經夾持架上的被測凸球面或隨機球反射後，形成檢測光束；檢測光束被第二聚焦透鏡聚焦，再經小孔衍射板背面反射，與另一部分未經被測凸球面反射的小孔衍射波相遇而形成幹涉，所述另一部分衍射波作為參考光束； 成像透鏡位於小孔衍射板與CXD探測器之間，CXD探測器放在成像透鏡後面，成像透鏡，用於將所述檢測光束和所述參考光束相遇後的幹涉圖案投射到CCD探測器上； 計算機與光源、CCD探測器連接，計算機控制光源按照測量要求調製波長，並存儲處理CCD探測器記錄的幹涉圖案，標定系統誤差，計算被測凸球面面形。
2.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於:所述光源發出波長可調製的照明光，光源是可調諧雷射器，或是單縱模雷射器結合波長調製器件。
3.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於:所述第一濾波孔是尺寸經過選擇的小孔，或是使光束髮散的器件。
4.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於:所述第一擴束鏡、第二擴束鏡、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡和成像透鏡分別採用透鏡，或者是透鏡組組合。
5.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於: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。
6.一種光學凸球面面形的檢測方法，其特徵在於:該檢測方法利用小孔產生參考波，採用波長移相的方法，利用隨機球多次測量，將凸面檢測結果中的系統誤差去除，用於提高檢測精度，具體檢測步驟如下: 步驟Al:光源發出的線偏振準單色光經過第一濾波孔發散，經第一擴束鏡、第二濾波孔和第二擴束鏡濾波準直，垂直入射到λ/4波片上，並轉換為圓偏振光；第一聚焦透鏡將準直光束聚焦入射到小孔衍射板上的小孔中心，發生衍射；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；經被測凸球面反射的衍射波形成檢測光束，微調整被測凸球面位置，使檢測光束聚焦到小孔衍射板上的小孔附近反射，並與另一部分衍射波作為參考光束的衍射波相遇，進入成像透鏡，最終成像在CXD探測器上，由計算機記錄下幹涉圖，通過計算機控制光源改變波長，形成移相，記錄下N幅幹涉圖；通過數據處理得到檢測結果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；由於小孔直徑在微米和亞微米量級，參考波面像差小於λ/104，忽略不計； 步驟Α2:將被測凸球面換為隨機球，保證隨機球球心與凸球面球心重合，重複步驟Al，得到檢測結果G1, G1為攜帶有第二聚焦透鏡引入像差的隨機球表面局部面形信息，表示如下:
G1 = S^fffocus 其中S1為隨機球表面引入誤差，隨機轉動隨機球，重複測量多次，得到N'個測量結果G1X2,…G/，每個測量結果Gn均攜帶有第二聚焦透鏡引入像差和隨機球表面局部面形信息；但是由於隨機球隨機轉動，每次測量在隨機球上的反射點不同，所攜帶的表面局部面形信息也不同，對這些結果求算術平均值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 優先權日:2014年5月12日
【發明者】許嘉俊, 賈辛, 徐富超, 邢廷文 申請人:中國科學院光電技術研究所