计算全息法测量长焦距透镜透射波前的检测装置的制作方法

本实用新型属于光学测量技术领域，涉及一种透镜透射波前的检测装置、检测方法，尤其涉及长焦距透镜的透射波前的检测装置、检测方法。

背景技术：

随着航空、航天、天文学和高功率激光等领域的发展，加大了对光学系统质量和精度的要求，为保证光学系统成像质量，精确测量光学透镜透射波前显得越来越重要。大口径长焦距透镜广泛应用于惯性约束聚变、天文探测系统等国家大型光学装置中。透射波前是该类元件的一项重要指标，透射波前与设计不匹配将直接影响光束质量和成像质量。

现有光学透镜透射波前测试方法主要有球面干涉法、朗奇光栅法、夏克-哈特曼法。球面干涉法是通过与一块标准球面镜做比较得到被测透镜的波前。干涉图直接显示被测面与参考面之间的偏差。参考球面镜的表面质量、干涉仪的误差组成整个测量装置的系统误差。对大口径长焦距透镜的波前检测，由于球面镜的加工误差及测量光路太长，该方法可操作性较差。朗奇光栅法通过计算莫尔条纹的偏移来得到透镜波前信息。两个周期相同的朗奇光栅间隔塔尔博特距离摆放，通过莫尔条纹的平移即可测量波前梯度，得到波前信息,但该方法空间分辨率较低。夏克-哈特曼法通过在透镜的后焦面放置的微透镜给出每个入射光的波前梯度，每个微透镜得到的波前通过计算其在艾利斑处的梯度信息并利用最小二乘法得到整个表面的波前。

此外，申请号为201510218238.6的实用新型专利申请就公开了一种弯月透镜的透射波前检测装置及检测方法，该检测装置包括沿光路依次设置的干涉仪、计算全息图、被测弯月透镜和球面反射镜；干涉仪的出光端设置有标准镜头，干涉仪固定在第1五维调整架上，计算全息图固定在第2五维调整架上，被测弯月透镜固定在第3五维调整架上，球面反射镜固定在第4五维调整架上。该检测方法包括获取球面反射镜总体误差、获取弯月透镜测量总体误差、处理数据三个大步骤。利用计算全息图，既能实现全息片与干涉仪的对准，又能补偿由弯月透镜和球面反射镜产生的球差，使整个检测系统实现零位检测。

采用上述的方法进行测量时，光路较复杂，测量时调校复杂；对长焦距透镜的波前检测而言，该方法测量光路较长，振动、气流等扰动会降低检测精度；对大口径透镜的检测，球面反射镜的尺寸也需要很大，高精度的球面反射镜的加工精度、装夹等因素会影响检测精度。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：提供一种全息法测量长焦距透镜透射波前的检测装置及检测方法，采用平面干涉仪、被测透镜和菲涅尔波带片组成的菲索干涉检测光路对长焦距透镜进行检测，实现对长焦距透镜的透射波前的高精度测量。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种计算全息法测量长焦距透镜透射波前的检测装置，包括干涉仪，干涉仪外侧沿远离干涉仪的方向依次设置有被测长焦距透镜、菲涅尔波带片；

干涉仪输出的准直平行光通过干涉仪端部的标准平面镜时，一部分准直平行光经标准平面镜反射形成标准参考光束，另一部分准直平行光依次透过标准平面镜、被测长焦距透镜后在菲涅尔波带片上产生反射并沿原路返回形成测试光束，测试光束与标准参考光束产生干涉条纹。

其中，涅尔波带片的第一级衍射曲率半径R与被测长焦距透镜的焦距f满足关系：f＝R+τ，其中τ为波带片与透镜之间的间距。

其中，菲涅尔波带片的各环带的半径参数为r_n：(2ρ_n-2R＝n(λ/2))，其中，ρ_n为第n环带到焦点F的光程，R为波带片的曲率半径，n为自然数，λ为准直平行光的波长。

其中，还包括五维调节架和二维调节架，被测长焦距透镜放置于五维调节架上，菲涅尔波带片放置于二维调节架上。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的检测装置中，平面干涉仪、被测长焦距透镜和菲涅尔波带片均置于同一块隔振平台，组成共光轴检测系统，菲涅尔波带片既能补偿被测长焦距透镜的像差，又能提供所需的参考波面，因而无需再检测装置中引入补偿镜等其它辅助元件，检测装置结构精简，易于调校，并为长焦距透镜透射波前的测量提供了一种简便精确的新方法，并且采用该检测装置对长焦距透镜进行透射波前检测的检测精度较高。

2、本实用新型的检测装置中，菲涅尔波带片等价于凸面反射镜，其曲率中心与被测长焦距透镜焦点重合，曲率半径R与焦距f满足关系f＝R+τ，使得无论被测长焦距透镜的焦距f多大，通过合理设计菲涅尔波带片可使得间距检测光路小于1米，最大程度降低气流、振动等环境扰动的影响，提高检测精度。

3、本实用新型的检测装置中，菲涅尔波带片的各环带的半径参数r_n满足关系：2ρ_n-2R＝n(λ/2)，其中，ρ_n为第n环带到焦点F的光程，R为波带片的曲率半径，n为自然数，λ为测试光波长；由此关系式确定的环带半径，使得菲涅尔波带片等价于曲率半径为R的凸面镜，从而可有效缩短检测光路，检测光路更加精简，减少检测过程中引入的检测误差，提高检测精度。

4、本实用新型的检测装置中，被测长焦距透镜装夹在五维调节架上，菲涅尔波带片装夹在二维调节架上，通过五维调节架、二维调节架可实现平移、倾斜、俯仰等高精度调节，调整被测长焦距透镜、菲涅尔波带片的姿态，使被测长焦距透镜、菲涅尔波带片的姿态能够更加适应检测的需求，降低调节误差，提高检测精度。

附图说明

图1为本实用新型中菲涅尔波带片的几何示意图；

图2为本实用新型中背景波前的检测光路示意图；

图3为本实用新型中组合波前的检测光路示意图；

图4为实施例一(PV＝0.309λ，RMS＝0.0719λ)的检测结果图；

图5为实施例二(PV＝0.2692λ，RMS＝0.0285λ)的检测结果图；

图6为实施例二(PV＝0.3376λ，RMS＝0.0393λ)的检测结果图；

图中标记：1-干涉仪、2-标准平面镜、3-被测长焦距透镜、4-菲涅尔波带片、5-焦点。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一种计算全息法测量长焦距透镜透射波前的检测装置，其包括有干涉仪，在干涉仪的一端设置有标准平面镜，标准平面镜与干涉仪为一体结构。在干涉仪的一侧还设置有被测长焦距透镜、菲涅尔波带片，干涉仪、标准平面镜、被测长焦距透镜和菲涅尔波带片依次设置，从而在干涉仪和菲涅尔波带片之间形成检测光路。

检测时，先将制作好的菲涅尔波带片装入检测光路中，开启干涉仪，干涉仪输出准直平行光，干涉仪输出的准直平行光首先透过标准平面镜，透过标准平面镜后的一部分准直平行光经标准平面镜后表面反射形成标准参考光束，另一部分准直平行光依次透过标准平面镜后在菲涅尔波带片上产生反射并沿原路返回形成测试光束，测试光束与标准参考光束产生干涉条纹，该干涉条纹即为背景波前；再将被测长焦距透镜装入检测光路中，被测长焦距透镜位于标准平面镜与菲涅尔波带片之间，干涉仪输出的准直平行光首先透过标准平面镜，透过标准平面镜后的一部分准直平行光经标准平面镜后表面反射形成标准参考光束，另一部分准直平行光依次透过标准平面镜、被测长焦距透镜后在菲涅尔波带片上产生反射并沿原路返回形成测试光束，测试光束与标准参考光束产生干涉条纹，该干涉条纹即为组合波前；然后，将测得的组合波前减去之前测得的背景波前得到被测长焦距透镜的透射波前。

在制作菲涅尔波带片之前，需确定菲涅尔波带片的第一集衍射曲率半径和各环带的半径参数这两个主要的参数。其中，菲涅尔波带片的第一级衍射曲率半径R与被测长焦距透镜的焦距f满足关系：f＝R+τ，其中τ为波带片与透镜之间的间距。菲涅尔波带片等价于凸面反射镜，其曲率中心与被测长焦距透镜焦点重合，曲率半径R与焦距f满足关系f＝R+τ，使得无论被测长焦距透镜的焦距f多大，通过合理设计菲涅尔波带片可使得间距检测光路小于1米，最大程度降低气流、振动等环境扰动的影响，提高检测精度。

其中，菲涅尔波带片的各环带的半径参数为r_n：2ρ_n-2R＝n(λ/2)，ρ_n为第n环带到焦点F的光程，R为波带片的曲率半径，n为自然数，λ为准直平行光的波长。由此关系式确定的环带半径，使得菲涅尔波带片等价于曲率半径为R的凸面镜，从而可有效缩短检测光路，检测光路更加精简，减少检测过程中引入的检测误差，提高检测精度。

制作菲涅尔波带片时，先采用激光直写的方法制作掩膜板，然后利用紫外曝光法将掩膜板上的图形转移到石英基板表面上形成光刻胶掩模，再利用离子束刻蚀法将光刻胶掩模上的图形转移到石英基板上，待刻蚀完成后清洗掉石英基板上的图形表面的光刻胶即可。采用该制备方法制备的菲涅尔波带片，菲涅尔波带片的加工精度高，可提供接近理想的参考光波；使用菲涅尔波带片即可补偿像差，不需额外引入补偿镜，且可使测量光路缩短至1米内，降低环境扰动，提高检测精度。

此外，为了更好地调整被测长焦距透镜与菲涅尔波带片的位置，提高该检测装置的测量精度，因而在该检测装置中还设置有五维调节架和二维调节架，并将被测长焦距透镜放置于五维调节架上，将菲涅尔波带片放置于二维调节架上。通过五维调节架、二维调节架可实现平移、倾斜、俯仰等高精度调节，调整被测长焦距透镜、菲涅尔波带片的姿态，使被测长焦距透镜、菲涅尔波带片的姿态能够更加适应检测的需求，降低调节误差，提高检测精度。

一种计算全息法测量长焦距透镜透射波前的检测方法，包括如下步骤：

步骤一、制作菲涅尔波带片

根据菲涅尔波带片的各环带的半径参数r_n制作菲涅尔波带片；

其中，在制作菲涅尔波带片之前，需确定菲涅尔波带片的第一集衍射曲率半径和各环带的半径参数这两个主要的参数。其中，菲涅尔波带片的第一级衍射曲率半径R与被测长焦距透镜的焦距f满足关系：f＝R+τ，其中τ为波带片与透镜之间的间距。其中，菲涅尔波带片的各环带的半径参数为r_n：2ρ_n-2R＝n(λ/2)，ρ_n为第n环带到焦点F的光程，R为波带片的曲率半径，n为自然数，λ为测试光波长。

其中，在制作菲涅尔波带片时，先采用激光直写的方法制作掩膜板，然后利用紫外曝光法将掩膜板上的图形转移到石英基板表面上形成光刻胶掩模，再利用离子束刻蚀法将光刻胶掩模上的图形转移到石英基板上，待刻蚀完成后清洗掉石英基板上的图形表面的光刻胶即可。

步骤二、测得背景波前

搭建菲索干涉检测光路，测量步骤一中制作的菲涅尔波带片的0级反射波前，并将菲涅尔波带片的0级反射波前作为背景波前。

步骤三、测得组合波前

将被测长焦距透镜放置入步骤二搭建的检测光路中，被测长焦距透镜位于标准平面镜与菲涅尔波带片之间；调节菲涅尔波带片与被测长焦距透镜之间的间距τ，τ的取值范围为200mm～600mm，调节被测长焦距透镜的姿态，并测得组合波前。

将τ的取值范围建议为200mm～600mm，兼顾操作的安全性和检测精度，间距越短，气流扰动、振动等环境影响越小，检测精度越高。

步骤四、数据处理

将步骤三中测得的组合波前减去步骤二中测得的背景波前，得到被测长焦距透镜的透射波前。

该搭建的检测光路包括干涉仪，干涉仪外侧沿远离干涉仪的方向依次设置有被测长焦距透镜、菲涅尔波带片；

干涉仪输出的准直平行光通过干涉仪端部的标准平面镜时，一部分准直平行光经标准平面镜反射形成标准参考光束，另一部分准直平行光依次透过标准平面镜、被测长焦距透镜后在菲涅尔波带片上产生反射并沿原路返回形成测试光束，测试光束与标准参考光束产生干涉条纹。

检测时，在步骤二中取出了被测长焦距透镜进行检测并获得背景波前，在步骤三中放入被测长焦距透镜进行检测并获得组合波前。

此外，为了更好地调整被测长焦距透镜与菲涅尔波带片的位置，提高该检测装置的测量精度，因而在该检测装置中还设置有五维调节架和二维调节架，并将被测长焦距透镜放置于五维调节架上，将菲涅尔波带片放置于二维调节架上。

实施例1

干涉仪输出准直平行光的波长λ＝632.8nm，被测长焦距透镜的尺寸为Φ80mm，被测长焦距透镜的焦距f＝1.5m，通光口径为Φ70mm，菲涅尔波带片的第一级衍射曲率半径R＝1.2m，尺寸为Φ80mm，菲涅尔波带片与被测长焦距透镜的间距τ＝0.3m，被测长焦距透镜与干涉仪的标准平面镜的间距约0.3m，总检测光路长约0.6m。检测结果如附图4所示。

实施例2

干涉仪输出准直平行光的波长λ＝632.8nm，被测长焦距透镜的尺寸为Φ430mm，被测长焦距透镜的焦距f＝31.25m，通光口径为Φ420mm，菲涅尔波带片的第一级衍射曲率半径R＝30.75m，尺寸为Φ430mm，菲涅尔波带片与被测长焦距透镜的间距τ＝0.5m，被测长焦距透镜与干涉仪的标准平面镜的间距约0.4m，总检测光路长约0.9m。检测结果如附图5所示。

实施例3

干涉仪输出准直平行光的波长λ＝632.8nm，被测长焦距透镜的尺寸为Φ430mm，被测长焦距透镜的焦距f＝13.5m，通光口径为Φ420mm，菲涅尔波带片的第一级衍射曲率半径R＝13mm，尺寸为Φ430mm，菲涅尔波带片与被测长焦距透镜之间的间距τ＝0.5m，被测长焦距透镜与干涉仪的标准平面镜的间距约0.4m，总检测光路长约0.9m。检测结果如附图6所示。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。