米级光栅衍射波前拼接检测装置和检测方法
【专利摘要】一种米级光栅衍射波前拼接检测装置和检测方法，装置包括菲索型干涉仪和干涉仪标准镜，特点在于还有电控气浮平移台、二维调整载物台、控制系统和计算机，所述的二维调整载物台固定在所述的电控气浮平移台上，所述的控制系统的输出端与所述的电控气浮平移台的控制端通过电缆连接，所述的控制系统和所述的菲索型干涉仪都通过数据线连接到所述的计算机上，所述的待测米级光栅放置的角度等于待测米级光栅的衍射角，待测米级光栅固定在所述的二维调整载物台的中心高度与所述的干涉仪标准镜的中心高度相同。本发明为米级光栅提供了一种有效的检测手段，同时同时拓展了原有菲索型干涉仪的测试口径，本发明具有低成本、结构简单、高精度的特点，具有较大的工程应用价值。
【专利说明】
米级光栅衍射波前拼接检测装置和检测方法
技术领域
[0001]本发明光学测量，特别是一种米级光栅衍射波前拼接检测装置和检测方法。
【背景技术】
[0002]在天文物理学和高能脉冲激光等研究领域对大口径平面衍射光栅都出现迫切需求。前者需要配合10余米口径望远镜的光谱仪光栅，后者利用啁啾脉冲放大(CPA)原理产生拍瓦量级的激光脉冲，需要米量级的脉冲压缩光栅，最重要的应用领域是惯性约束核聚变(ICF)，可能辅助解决日益严重的能源危机。米量级的光栅口径最大超过了 1400mmX420mm，重量近250KG，从基板的光学冷加工到镀膜再到光栅的研制，其中每一步都要对其表面质量和衍射波前进行检测和评价，但是目前平面干涉仪最大测量口径为800_，无法实现对口径超过米级的光栅进行全口径衍射波前的检测。
[0003]20世纪80年代开始进行了子孔径拼接测量技术的研发。1981年美国Arizona大学光学中心的Kim和Wyant首先提出了子孔径测试概念，使用小口径平面反射镜阵列代替大口径平面反射镜，实现了抛物面镜的自准直检验。法国ClLAS的Michael Bray自1996年开始，报道子孔径拼接干涉仪研发，所研发的子孔径拼接系统应用于法国Laser Mggajoule、美国NIF和意大利VIRGO大口径平面光学元件检测。2003年，美国QED技术公司研制成功了 SSI自动拼接干涉仪，能够高精度检测口径200mm以内的平面、球面和非球面，然而至今都没有对米级光栅衍射波前拼接检测装置的文献报道。
[0004]中国专利申请号“CN201110344363.3”设计了一种检测大口径光学系统波前的装置，该装置是针对大口径光学系统波前的测量。中国专利申请号“CN200810113460.X”设计了一种大口径抛物面镜的检测系统，该系统是针对大口径抛物面镜的测量，都无法用来检测米级光栅的衍射波前。中国专利申请号“CN201310098554.5”设计了一种基于子孔径拼接的高精度平面光学元件面型检测方法，该方法是基于小口径干涉仪和二维平移台检测大口径平面光学元件的面形，也不能应用于米级光栅衍射波前的检测。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决米级光栅全口径衍射波前检测的难题，提出了一种米级光栅衍射波前拼接检测装置和检测方法，该装置为米级光栅的研制提供了一种有效的检测手段，同时拓展了原有菲索型干涉仪的测试口径，该装置具有低成本、结构简单、高精度的特点，具有较大的工程应用价值。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0007]—种米级光栅衍射波前拼接检测装置，包括菲索型干涉仪和干涉仪标准镜，特点在于还有电控气浮平移台、二维调整载物台、控制系统和计算机，所述的二维调整载物台固定在所述的电控气浮平移台上，所述的控制系统的输出端与所述的电控气浮平移台的控制端通过电缆连接，所述的控制系统和所述的菲索型干涉仪都通过数据线连接到所述的计算机上，所述的待测米级光栅放置的角度等于待测米级光栅的衍射角，待测米级光栅固定在所述的二维调整载物台的中心高度与所述的干涉仪标准镜的中心高度相同。
[0008]所述的干涉仪标准镜的直径不小于Φ400πιπι，干涉仪标准镜的面形精度峰谷PV值小于待测米级光栅的衍射波前峰谷值PV值的三分之一，所述的待测米级光栅的高度小于干涉仪标准镜直径的0.707倍。
[0009]所述的电控气浮平移台是具有一维方向上的直线的气浮型导轨，该电控气浮平移台在全行程内的偏摆角度精度小于8〃，定位精度小于0.1_。
[0010]利用上述米级光栅衍射波前拼接检测装置对米级光栅衍射波前进行拼接检测的方法，该方法包括如下步骤:
[0011 ] I)根据根据干涉仪标准镜的口径和待测米级光栅的口径规划子孔径数目、布局和路径，将所述的待测米级光栅固定在所述的二维调整载物台上，通过电控气浮平移台移动所述的待测米级光栅，使所述的菲索型干涉仪的出射光束一部分由干涉仪标准镜的后表面反射沿原路返回，另一部分透过干涉仪标准镜入射到待测米级光栅上的入射光束对准第一个子孔径位置；
[0012]2)调节所述的二维调整载物台使所述的入射光束与待测米级光栅表面的夹角等于待测米级光栅的+ 1或-1级衍射角，经过光栅表面衍射后的光束沿原路返回干涉仪中，返回的光束与经过干涉仪标准镜返回的光束产生干涉，调节所述的二维调整载物台使菲索型干涉仪的干涉条纹数量最少，然后所述的菲索型干涉仪将干涉条纹信息输入所述的计算机，该计算机中的数据处理软件把干涉条纹对应的相位数据提取出来，把第一个子孔径衍射波前数据保存到计算机中；
[0013]3)通过电控气浮平移台移动所述的待测米级光栅到下一个子孔径位置，重复步骤
2)；
[0014]4)重复步骤3)，直到完成全部子孔径衍射波前的测量；
[0015]5)计算机利用误差均化的拼接算法对测量到的所有子孔径波前数据进行拼接计算，最后可得到待测米级光栅全口径内的衍射波前分布。
[0016]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0017]1、本发明装置与现有的子孔径拼接工作站相比，首次提出采用大口径干涉仪结合一维气浮平移台应用于米级光栅衍射波前的检测，该装置结构简单易于操作，同时减少了子孔径测量的数目和测量拼接时间，为米级光栅全口径衍射波前的高精度测量提供了一定的保证。
[0018]2、本发明装置保持干涉仪位置不动，通过移动待测元件实现了一维方向上的扫描测量，可以实现很高的测量重复性。
[0019]3、本发明装置不仅可以实现米级光栅± I级和O级衍射波前的测量，也可用于其他米量级矩形平面光学元件的面形检测。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的米级光栅衍射波前拼接检测装置的结构示意图。
[0021 ]图2是测量子孔径的位置的示意图。
[0022]图3是米级光栅全口径衍射波前分布图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0024]先请参阅图1，图1是本发明的米级光栅衍射波前拼接检测装置的结构示意图，由图可知，本发明米级光栅衍射波前拼接检测装置，包括菲索型干涉仪I和菲索型干涉仪标准镜2，还包括电控气浮平移台3、二维调整载物台5、控制系统6和计算机7，所述的二维调整载物台5固定在所述的电控气浮平移台3上，所述的控制系统6的输出端与所述的电控气浮平移台3的控制端通过电缆连接，所述的控制系统6和所述的菲索型干涉仪I都通过数据线连接到所述的计算机7，待测米级光栅4固定在所述的二维调整载物台5上，要求所述的待测米级光栅4放置的角度等于待测米级光栅4的衍射角，所述的待测米级光栅4的中心高度与所述的干涉仪标准镜2的中心高度相同。
[0025]下面是一个具体实施例的结构参数:
[0026]采用的菲索型干涉仪I是Zygo激光平面干涉仪，干涉仪标准镜2的直径为Φ600πιπι，面形峰谷值PV小于0.08λ(λ = 632.8nm)。待测米级光栅4的口径是1400mmX 420mm，厚度为100mm，± I级衍射角度都为32°，衍射波前的PV值约为0.7λ(λ = 632.8ηπι)。所述的电控气浮平移台5的行程为1000mm，位移台全行程内的偏摆精度可以达到5〃，定位精度为0.05_。
[0027]如图2所示，根据菲索型干涉仪标准镜2口径和待测米级光栅4的口径规划子孔径数目，布局和路径。子孔径口径为干涉仪标准镜2的直径，数目为4个，各个子孔径之间有40%的重叠区域，所有子孔径波前可以覆盖整个米级光栅的全口径衍射波前。
[0028]利用上述装置进行子孔径拼接检测的具体步骤如下:
[0029]1、根据根据菲索型干涉仪标准镜2 口径和待测米级光栅4的口径规划子孔径数目，布局和路径，将待测米级光栅4固定在所述的二维调整载物台5上，通过电控气浮平移台3移动所述的待测米级光栅4，使所述的待测米级光栅4处于第一个子孔径位置，所述的菲索型干涉仪I的出射光束一部分由干涉仪标准镜2的后表面反射沿原路返回，另一部分透过干涉仪标准镜2入射到待测米级光栅4上，调节二维调整载物台5使入射光束与光栅表面的夹角等于待测米级光栅4的+ 1或-1级衍射角32°，再经过光栅表面衍射后沿原路返回干涉仪中，返回的光束与经过干涉仪标准镜2返回的光束产生干涉，调节二维调整载物台使菲索型干涉仪I的干涉条纹数量到最少，所述的菲索型干涉仪I将干涉条纹信息输入所述的计算机7，通过计算机7中的数据处理软件把干涉条纹对应的相位数据提取出来，把第一个测量完成的子孔径衍射波前数据保存到计算机7中；
[0030]2、通过电控气浮平移台3移动所述的待测米级光栅4到第二个子孔径位置，重复前述测量步骤，直到完成全部四个子孔径衍射波前的测量；
[0031]3、最后利用误差均化的拼接算法对测量到的所有子孔径波前数据进行拼接计算(更详细的计算过程可参考文献“ Masashi Otsubo ,Katsuyuk1kadajumpelTsujiuch1.Measurement of large plane surface shapes byconnecting small-aperture interferograms.0ptical Engineering.1994(33):608-613)，最后可得到待测米级光栅4全口径内的衍射波前分布。通过计算，待测米级光栅的衍射波前PV值为0.831λ(峰谷值)和RMS值为0.083λ(均方差值)，如图3所示。
[0032]以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或者替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
【主权项】
1.一种米级光栅衍射波前拼接检测装置，包括菲索型干涉仪(I)和干涉仪标准镜(2)，特征在于还包括电控气浮平移台(3)、二维调整载物台(5)、控制系统(6)和计算机(7)，所述的二维调整载物台(5)固定在所述的电控气浮平移台(3)上，所述的控制系统(6)的输出端与所述的电控气浮平移台(3)的控制端通过电缆连接，所述的控制系统(6)和所述的菲索型干涉仪(I)都通过数据线连接到所述的计算机(7)，上，所述的待测米级光栅(4)放置的角度等于待测米级光栅(4)的衍射角，待测米级光栅(4)固定在所述的二维调整载物台(5)的中心高度与所述的干涉仪标准镜(2)的中心高度相同。2.根据权利要求1所述的米级光栅衍射波前拼接检测装置，其特征在于:所述的干涉仪标准镜(2)的直径不小于Φ400_，干涉仪标准镜的面形精度峰谷PV值小于待测米级光栅的衍射波前峰谷值PV值的三分之一，所述的待测米级光栅的高度小于干涉仪标准镜直径的0.707倍。3.根据权利要求1所述的米级光栅衍射波前拼接检测装置，其特征在于:所述的电控气浮平移台是具有一维方向上的直线的气浮型导轨，该电控气浮平移台在全行程内的偏摆角度精度小于8〃，定位精度小于0.1mm。4.利用权利要求1所述的米级光栅衍射波前拼接检测装置进行对米级光栅衍射波前拼接检测的方法，其特征在于该方法包括如下步骤: 1)根据根据干涉仪标准镜(2)的口径和待测米级光栅(4)的口径规划子孔径数目、布局和路径，将所述的待测米级光栅(4)固定在所述的二维调整载物台(5)上，通过电控气浮平移台(3)移动所述的待测米级光栅(4)，使所述的菲索型干涉仪(I)的出射光束一部分由干涉仪标准镜(2)的后表面反射沿原路返回，另一部分透过干涉仪标准镜(2)入射到待测米级光栅(4)上的入射光束对准第一个子孔径位置； 2)调节所述的二维调整载物台(5)使所述的入射光束与光栅表面的夹角等于待测米级光栅(4)的+ 1或-1级衍射角，经过光栅表面衍射后的光束沿原路返回干涉仪中，返回的光束与经过干涉仪标准镜(2)返回的光束产生干涉，调节所述的二维调整载物台(5)使菲索型干涉仪(I)的干涉条纹数量最少，然后所述的菲索型干涉仪(I)将干涉条纹信息输入所述的计算机(7)，该计算机(7)中的数据处理软件把干涉条纹对应的相位数据提取出来，把第一个子孔径衍射波前数据保存到计算机(7)中； 3)通过电控气浮平移台(3)移动所述的待测米级光栅(4)到下一个子孔径位置，重复步骤2); 4)重复步骤3)，直到完成全部子孔径衍射波前的测量； 5)计算机(7)利用误差均化的拼接算法对测量到的所有子孔径波前数据进行拼接计算，最后可得到待测米级光栅(4)全口径内的衍射波前分布。
【文档编号】G01B11/24GK105973163SQ201610260395
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月25日
【发明人】刘世杰, 周游, 吴福林, 白云波, 张志刚, 王微微, 张亮
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所