专利名称：一种用于非球面面形测量的组合式干涉装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种集径向剪切、快速变频和同步相移为一体的组合式干涉仪， 主要用于非球面面形的三维测量。
技术背景采用非球面光学系统，可消除球差、慧差、像散、场曲，减少光能损失， 从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性，可广泛应用于各种现代光电子产品、图像处理产品如数码相机、VCD、 DVD、电脑、CCD摄像镜头、大屏幕投影电视机及军事、天文和医疗等行业。在非球面光学元件的加工和实验 中，对其表面面形的精确测量是至关重要的；从某种意义上说，没有与加工精 度相适应的高精度检测方法及仪器，非球面的精密和超精密加工就难以实现。 近些年来，人们提出了许多非球面测量技术和装置，但这些技术和装置都存在 着或实现条件苛刻、或速度慢、或精度低、或通用性差、或成本过高等缺点， 因此迫切需要开发新的简单实用而且操作方便的技术装置来克服以上所述的不 足。在先技术之~■(参见"Stylus profiling instrument for measuring statistical properties of smooth optical surfaces用于光滑光学曲面统计属性检测的探针轮 廓测量仪",J.M.Bennett, J.H.Dancy, Appl. Opt" 20(10), 1785-1802，簡和 "Stylus profiling at high resolution and low force高分辨率、低接触压力的探针轮 廓测量技术，，，J.F.Song and T. V, Vorburger, Appl. Opt., 30, 42-50， 1991)采用接 触式探针测量出非球面表面各点的三维坐标值，这种测量方法虽然原理简单，但测量效率低，无法实现动态测量，而且探针会对测量表面较软(如塑料)的 非球面镜片造成损伤。在先技术之二 (参见"Application of Moire topography measurement methods in industry莫尔轮廓测量方法在工业中的应用"，Suzuki M， Kanaya M. Opt &Laser Eng , 8 (3) :171 - 188， 1988禾卩Deep aspheric testing base on phase-shift electronic Moire pattems基于相移电子莫尔条纹的深度非球面检测，光学精密工 程，11(3) :250-255, 2003)采用轮廓投影法进行非球面测量，其对环境要求低， 但这种方法一般适用于精度要求不高的场合，如显微镜的聚光镜等，当被测非 球面精度要求较高时，这种方法无能为力，而且其测量速度慢，无法实现动态在先技术之三(参见《非球面干涉仪零检验的补偿器设计》，伍凡，应用光 学，18 (2)， 10-13.1997)采用零位检测法(Null Compensation)对非球面进行 测量，零位检测法根据被测非球面设计出补偿透镜，使得入射到补偿透镜上的 平面波或球面波变换成与被测非球面理论形状相同的波形，并与被测非球面的 实际波面干涉形成干涉条纹，实现测量，其中补偿器的设计对于补偿干涉法测 量非常重要，在测量中，往往根据实际情况设计出不同的补偿器和相应的测量 光学系统，通用性很差，相应的成本也非常高，而且测量过程受环境影响大， 在普通环境(无需专门隔振、隔噪声措施)下很难实现精确测量，无动态测量 的前景。在先技术之四(参见Interferometric Testing of Aspheric Surfaces非球面曲面 的干涉检领U， SPIE， 816, J. C. Wyant, 1987; Design of a novel hologram for full measurement oflarge and deep convex aspheric surfaces用于大型深度凸非球丽则 量的全息干涉法，Hua Liu, Zhen稱Lu， Fengyou Li， and Qiang Sun， OpticsExpress, 15 ( 6 ) ， 3120-3126 ， 2007; New design techniques and calibration methods for CGH null testing of aspheric surfaces用于非球面检测的新型计算全息零位方 法的设计和标定，Reichelt S， Pmb C， Tizian Ih J. Proc SP正，4778: 158 168， 2002 禾口Testing large convex aspherical surface with computer generated holography采用 技术全息技术实现大型凸非球面曲面的检测，Chang J，L I F Y，Weng Zh Ch et al. ActaOpticaSinica, 23 (10) : 1266 1268， 2003)介绍了计算全息(CGH)法测 量非球面的方法，它是采用非球面镜片的计算全息图代替零位检测法中的补偿 器来实现零位干涉测量。采用计算全息法测量非球面的精度一般可达入/10，但 同样存在与补偿干涉法一样的缺点，通用性差，需根据不同的测量对象设计制作不同的全息图，成本很高，而且测量过程受环境影响大，测量时需要专门的 隔振、隔噪声措施。在先技术之五(参见Aspherical surface testing with shearing interferometer using fringe scanning detection method采用剪切干涉仪结合条纹扫描技术实现非 球面曲面的测量，T. Yatagai， SPIE， 429， 1983，《剪切干涉技术在非球面测量 中的应用》，高宏，黄开祥，高云，辛企明，云光技术，2， 1-5， 1993和《用 偏振相移共路剪切干涉仪测量光学非球面》，董文勇，王平，北京工商大学学报， 21 (3)， 2003)介绍了横向剪切条纹扫描干涉技术实现非球面的测量，它是横 向剪切干涉技术与相移技术的结合。剪切干涉法不需要借助参考镜或其他补偿 器，可以直接获得被测非球面的干涉条纹实现测量，不受被测面形类型的限制， 通用性强，而相移技术可使得测量精度达到入/100。但在横向剪切干涉中原始波 面与剪切波面的干涉区并不覆盖整个瞳面，无法对被测非球面进行完整的测量， 而且需要两个正交方向的横向剪切干涉测量结果才能恢复原始波面，图像处理 非常麻烦。同时，在这种技术中，相移是采用压电陶瓷(PZT)驱动，测量过程需要严格的隔振，因此无法实现普通环境下的测量，同时也很难实现实时动 态测量。在先技术之六(参见P. Hariharan et al. ， Measurement of aspheric surface using a micro-computer-controlled radial-shear interferometer采用微计算机控制 的径向剪切干涉仪实现非球面曲面测量,Optica Acta. 31(9), 1984)采用径向剪 切干涉技术结合相移技术实现非球面面形测量，其相移同样也是采用压电陶瓷 (PZT)实现，测量过程需要严格的隔振，因此无法实现普通环境下的测量， 同时也很难实现实时动态测量，而且测量过程中很难改变条纹频率以适应不同 的被测面形，对带有不连续区域的非球面(如拼接非球面)的测量有没有具体 的应对方案。 发明内容本发明要解决的技术问题在于，为克服上述现有技术的缺点，提出一种用于 非球面面形测量的组合式干涉装置，它能在无需专门的隔振、隔噪声装置的普 通环境下进行非球面面形纳米级精度测量，并可在选择合适的条纹频率后进行 实时动态测量；而对于存在不连续区域的非球面镜(如大口径拼接非球面镜)， 可按一定要求快速采集多组不同频率的相移条纹，以时间相位法获得此类非球 面镜的三维形貌；该装置采用等光程同步相移结构，抗振动、噪声能力强，具 有成本低廉，操作简便的特点，而且适合不同口径的各种面形(包括非球面、 球面和平面等)的测量，是一种多功能组合式干涉测量装置。本发明的技术解决方案是，所述测量非球面面形的径向剪切干涉装置有激 光器，其结构特点是，沿激光器产生激光的水平前进方向依序设置空间滤波器、 扩束系统、分光镜、转换透镜、被测非球面镜；所述激光再次经过分光镜反射 后形成第一垂直光路，在该垂直光路先后放置45。偏振片和第一光学平板，激光通过第一光学平板后形成两条水平光路，在下面较小口径光路中沿激光前进 方向依序设置垂直偏振片、縮束系统、第一光楔、第二光楔；在上面较大口径 光路中沿激光前进方向先后放置水平偏振片、扩束系统、第三光楔、第四光楔， 在第二光楔和第四光楔之后放置第二光学平板；两路光通过第二光学平板后形 成第二垂直光路，在该第二垂直光路沿激光前进方向依序设置分束光栅、1/4 波片、偏振片组和CCD。以下对本发明做出进一步说明。参见图l，本发明所述测量非球面面形的径向剪切组合干涉装置有激光器1， 其结构特点是，沿激光器1产生激光的水平前进方向依序设置空间滤波器2、 扩束系统3、分光镜4、转换透镜5 、被测非球面镜21;所述激光再次经过分 光镜4反射后形成第一垂直光路，在该垂直光路先后放置45°偏振片6和第一 光学平板7，激光通过第一光学平板7后形成两条水平光路，在下面较小口径 光路中沿激光前进方向依序设置垂直偏振片8、縮束系统IO、第一光楔12、第 二光楔13;在上面较大口径光路中沿激光前进方向先后放置水平偏振片9、扩 束系统ll、第三光楔14、第四光楔15,在第二光楔13和第四光楔15之后放 置第二光学平板16;两路光通过第二光学平板16后形成第二垂直光路，在该 第二垂直光路沿激光前进方向依序设置分束光栅17、 1/4波片18、偏振片组19 和CCD 20。所述的激光器1可采用不同的波长，即它可选用任意波长。 所述的转换透镜5为聚焦透镜，它可以是透镜组合，其放置位置为焦点与被测非球面顶点曲面的焦点重合。该转换透镜5可针对不同口径的被测非球面镜而进行更换。所述的偏振片6、垂直偏振片8和水平偏振片9的偏振方向分别为45°、 90°和180°。所述縮束系统IO和扩束系统11可采用相同的透镜组合，只是大小透镜的位置互换。由激光器1出射的激光通过滤波器2进行空间滤波，然后经过扩束系统3 放大，通过分光镜4和转换透镜5到达被测非球面21，并被该被测非球面21 反射回来，此时的光束携带非球面面形的信息，其再次通过转换透镜5入射到 分光镜4上，并被4反射，经过45。偏振片6，变成偏振方向为45。的偏振光， 此偏振光入射到第一光学平板7的前表面，并分成两束， 一束被前表面反射并 通过垂直偏振片8、缩束系统10和第一光楔12、第二光楔13入射到第二光学 平板16的前表面，经折射一后表面反射一折射出第二光学平板16，这束光成 为较小口径光束;另一束光经第一光学平板7的折射一后表面反射一折射出来， 通过水平偏振片9、扩束系统ll以及第三光楔14、第四光楔15，入射到第二 光学平板16的前表面并被反射出来，这束光成为较大口径光束。较小口径光束 与较大口径光束从第二光学平板16出来时相遇，但由于偏振态相互垂直，此时 并不能产生干涉，而两束光口径不同从而形成径向剪切，口径的差值为剪切量 大小，当这两束光通过分束光栅17后分成四束，每束光都包含两口径不等的具 有正交偏振态的光束，这四束光通过1/4波片后均变成圆偏振光，再通过偏振 片组19后各自形成千涉，并产生四幅干涉条纹，这四幅干涉条纹依次具有:t/2 的相位差，形成四步相移剪切干涉条纹，最后在CCD 20上记录下来，进一步 输入到计算机中进行处理。如果对于不同的被测面形需要改变条纹周期的，可以同步调节两路光中的 两个光楔对(即第一光楔12与第一光楔13组成的光楔对以及第三光楔14与第 四光楔15组成的光楔对)，如果要改变条纹倾斜量，可单独旋转其中一路光中的光楔对。所述第一光学平板7和第一光学平板16大小相等，材料相同，相互平行的 放置在同一水平面上，两平板之间的距离为平板厚度的4 6倍，光线入射到第 一光学平板7的最佳角度是与平板的前表面法线成45°角。45。偏振光入射到第 一光学平板7的前表面经过反射，并通过垂直偏振片8，再经过縮束系统10形 成较小口径光路；同时45。偏振光也折射进入第一光学平板7的内部，再经该 第一光学平板7的后表面反射，折射出前表面，并通过水平偏振片9，再经扩 朿系统11形成较大口径光路，两光路中心距离AD与第一光学平板7的厚度d 和入射光线与第一光学平板7前表面法线夹角e有关，即AiW ，V"2 - sin2 (9夹角e—般取值45。， n为平板折射率。所述的第-.光楔12、第二光楔13，第三光楔14和第四光楔15可釆用直径、厚度、大小和楔角完全相同的圆形光楔，楔角均为a(如a《r),第一光楔光楔12、第二光楔13同轴放置在较小口径光路中，无楔角面靠在一起，留有很小的缝隙，可采用机械装置使它们同步反向的绕轴Or02转动，转角cp沿光线传播方向逆时针为正，顺时针为负；以同样方式把第三光楔14、第四光楔15放置在较大口径光路中，操作时同步反向绕轴03-04转动；第一光楔12与第二光楔13形成一个光楔对，第三光楔14与第四光楔15也形成一个光楔对，可将该两个光楔对接到同一个高分辨率步进马达，两光楔对可同步或异步旋转。同步旋转这两对光楔可改变千涉条纹的周期r，即<formula>formula see original document page 10</formula>O,为一对光楔中两光楔相对转动角度，其值为cpi+cp2， ^是第一光楔12逆时针转动的角度，(P2是第二光楔13顺时针转动的角度，同理，①2为另一对光楔中 两光楔相对转动角度，其值为93+CP4， CP3是第三光楔14逆时针转动的角度，Cp4 是第四光楔15顺时针转动的角度，同步旋转时(P产(P2，3，4，①尸CD2-①。W为 光楔折射率，人为激光的波长。异步时，单独旋转一光路中的光楔时，条纹疏密程度改变的同时条纹的倾斜方向也随之改变，如旋转小口径光路中光楔12、 13时，条纹倾斜角度Y与旋转角度炉,、化的关系为<formula>formula see original document page 11</formula>釣、巧是两光楔各自转动的绝对角度值，在p产仍时，也即两光楔同步反向等 角度旋转时条纹并不产生倾斜。所述的分束光栅17可采用2x2矩形光栅，对偏振光无影响，也可替换为 全息分束单元。所述的偏振片组19可由一块透光玻璃板和三块偏振片拼接在一起，玻璃板 不改变偏振态，透振方向可以看作0，而偏振片的透振方向分别为45°、 90°和 135°，通过偏振片后的干涉光的光强/(x，力可表示为<formula>formula see original document page 11</formula>稀， 其中/。(x,力为干涉条纹的背景光光强，y(x,力为条纹对比度，p(x,力为含有被测 非球面面形信息的相位，5为偏振片的透振角度，对四束光束来说分别是0，兀/2， ti和3W2，这样形成了四幅相移量为Ti/2的干涉图。所述的CCD探测器同时接收四幅相移干涉图，并与计算机处理系统相连。 在该装置中，测量的实时性是通过同步移相法实现；而变频功能是通过转 动两对双光楔来实现。本实验装置采用普通光学元件，成本低，不仅可测量多种口径的非球面，对平面和球面同样适用，可实现普通环境下的实时高精度测 量，而且具有变频功能，对处理存在不连续区域的镜面(如拼接非球面)非常有效。由以上可知，本发明为一种测量非球面面形的径向剪切干涉装置，兼有条 纹变频的功能，根据所需条纹的周期选择光楔的相对位置，可在瞬间同步采集 四幅相移干涉图，实现动态测量，对环境并无苛刻的要求(无需专门的隔振、 隔噪声设备)，而且适合不同口径的非球面测量；当采用步进电机同步控制两路 光楔、变换条纹频率，可采集多组(每组四幅图)不同频率的相移条纹，利用 时间相位法实现非球面的高精度测量，并非常容易的实现拼接非球面镜的准确 测量。该装置采用等光程结构，选择合适的条纹频率并且固定，由于是径向剪 切，条纹图是规则的圆形，其后期处理十分方便。
图1为本发明所述装置的结构示意图。在图中 l一激光器， 2—滤波器， 3—扩束系统，4一分光镜， 5—转换透镜， 6—45。偏振片，7—第一光学平板，8—垂直偏振片， 10—缩束系统，1 l一扩束系统， 13—第二光楔， 14一第三光楔， 16—第二光学平板，17—分束光栅， 19一偏振片组， 20~CCD，具体实施方式
如图1所示，本发明所述测量非球面面形的组合千涉装置有激光器l，沿 激光器1产生激光的水平前进方向依序设置空间滤波器2、扩束系统3、分光镜9一水平偏振片， 12—第一光楔， 15—第四光楔， 18—1/4波片， 21—被测非球面镜。4、转换透镜5 、被测非球面镜21;激光到达被测非球面21并被该被测非球面21反射回来而再次通过转换透镜5入射到分光镜4上且被分光镜4反射，由所 述分光镜4反射后形成第一垂直光路，在该垂直光路先后放置45°偏振片6和 第一光学平板7，激光通过第一光学平板7后形成两条水平光路，在下面较小 口径光路中沿激光前进方向依序设置垂直偏振片8、縮束系统10、第一光楔12、 第二光楔13;在上面较大口径光路中沿激光前进方向先后放置水平偏振片9、 扩束系统ll、第三光楔14、第四光楔15，在光楔第二 13和第四15之后放置 第二光学平板16;两路光通过第二光学平板16后形成第二垂直光路，在该第 二垂直光路沿激光前进方向依序设置分束光栅17、 1/4波片18、偏振片组19 和CCD 20。所述的转换透镜5为聚焦透镜，它放置的位置为其焦点与被测非球面顶点曲面的焦点重合。所述的偏振片6、垂直偏振片8和水平偏振片9的偏振方向分别为45°、 90° 和180。。所述縮束系统10和扩束系统11可采用相同的透镜组合，只是大小透镜的位置互换。所述第一光学平板7和第一光学平板16为大小相等的长方体，且材料相 同，长边相互平行放在同一水平面上，而两平板中心在同一水平线上，长边均 与水平线成45。角，两中心距离为平板厚度的4 6倍；光线入射到第一光学平 板7的最佳角度是与平板的前表面法线成45°角。所述縮束系统10和扩束系统11均由一大一小两个对应相同的透镜组成， 仅大小透镜的放置位置正好相反。.所述的第一光楔12、第二光楔13，第三光楔14和第四光楔15可采用直径、厚度、大小和楔角完全相同的圆形光楔，楔角Ot均为"《r，第一光楔光楔12、第二光楔13同轴放置在较小口径光路中，无楔角面靠在一起，留有的缝隙，可 采用机械装置使它们同步反向的绕轴01-02转动，转角cp沿光线传播方向逆时针 为正，顺时针为负；以同样方式把第三光楔14、第四光楔15放置在较大口径 光路中，操作时同步反向绕轴03-04转动；第一光楔12与第二光楔13形成一个 光楔对，第三光楔14与第四光楔15也形成一个光楔对，将该两个光楔对接到 同一个高分辨率步进马达，两光楔对可同歩或异步旋转。所述分束光栅17是2x2 (—分四)的高效率衍射光栅，偏振片组19由一 块透光玻璃板和三块偏振片(偏振方向分别为45。， 90°和135°)粘在一起放置 在同一平面上组成。所述偏振片组19由一块透光玻璃板和三块偏振片拼接在一起，玻璃板不改 变偏振态，透振方向可以看作0，而偏振片的透振方向分别为45。、 90°和135°。所述垂直偏振片8和縮束系统10放在光楔12、 13的前面，垂直偏振片8 和縮束系统10的位置可互换；水平偏振片9和扩束系统11放在光楔14、 15 的前面，9和11的位置可互换。所述激光光束是等光程径向剪切干涉，四幅相移干涉图是同步采集的，光楔 的作用是调节干涉图的条纹频率和条纹倾斜角度。所述CCD 20可更换为CMOS 图像采集系统，并与高性能计算机连接。
权利要求
1.一种用于非球面面形测量的组合式干涉装置，有激光器(1)，其特征在于，沿激光器(1)产生激光的水平前进方向依序设置空间滤波器(2)、扩束系统(3)、分光镜(4)、转换透镜(5)、被测非球面镜(21)；所述激光再次经过分光镜(4)反射后形成第一垂直光路，在该垂直光路先后放置45°偏振片(6)和第一光学平板(7)，激光通过第一光学平板(7)后形成两条水平光路，在下面较小口径光路中沿激光前进方向依序设置垂直偏振片(8)、缩束系统(10)、第一光楔(12)、第二光楔(13)；在上面较大口径光路中沿激光前进方向先后放置水平偏振片(9)、扩束系统(11)、第三光楔(14)、第四光楔(15)，在第二光楔(13)和第四光楔(15)之后放置第二光学平板(16)；两路光通过第二光学平板(16)后形成第二垂直光路，在该第二垂直光路沿激光前进方向依序设置分束光栅(17)、1/4波片(18)、偏振片组(19)和CCD(20)。
2. 根据权利要求1所述的非球面测量装置，其特征在于，所述的偏振片(6)、 垂直偏振片(8)和水平偏振片(9)的偏振方向分别为45。、 90°和180°。
3. 根据权利要求1所述的非球面测量装置，其特征在于，所述第一光学平 板(7)和第一光学平板(16)为大小相等的长方体，且材料相同，长边相互平 行放在同一水平面上，而两平板中心在同一水平线上，长边均与水平线成45° 角，两中心距离为平板厚度的4 6倍。
4. 根据权利要求1所述的非球面测量装置，其特征在于，所述縮束系统(IO) 和扩束系统(11)均由一大一小两个对应相同的透镜组成，仅大小透镜的放置 位置正好相反。
5. 根据权利要求1所述的非球面测量装置，其特征在于，所述第一光楔(12)、第二光楔(13)，第三光楔(14)和第四光楔(15)为直径、厚度、大 小和楔角完全相同的圆形光楔，第一光楔光楔(12)、第二光楔(13)同轴放置 在较小口径光路中，无楔角面靠在一起并留有的缝隙，采用机械装置使它们同 歩反向的绕轴0,-02转动；以同样方式把第三光楔(14)、第四光楔(15)放置 在较大口径光路中，操作时同步反向绕轴03-04转动；第一光楔(12)与第二 光楔(13)形成一个光楔对，第三光楔(14)与第四光楔(15)也形成一个光 楔对，将该两个光楔对接到同一个高分辨率步进马达，两光楔对可同步或异步 旋转。
6、根据权利要求1所述的非球面测量装置，其特征在于，所述分束光栅(17) 是2x2的高效率衍射光栅，所述偏振片组(19)由一块透光玻璃板和三块偏振 片粘在一起放置在同一平面上组成，且所述三块偏振片的偏振方向分别为45°， 90。和135。。
7、根据权利要求1所述的非球面测量装置，其特征在于，垂直偏振片(8) 和縮束系统(10)的位置互换，水平偏振片(9)和扩束系统(11)的位置互换。
全文摘要
一种用于非球面面形测量的组合式干涉装置，其构成包括一个激光器、一个空间滤波器、两个扩束系统、一个缩束系统、一个分光镜、一个转换透镜、三块偏振片、两块光学平板、四个楔角很小的圆形光楔、一个分束光栅、一块1/4波片、一个偏振片组和一个CCD。在该装置中，测量的实时性是通过同步移相法实现；而变频功能是通过转动两对双光楔来实现。本实验装置采用普通光学元件成本低，不仅可测量多种口径的非球面，对平面和球面同样适用，可实现普通环境下的实时高精度测量，而且具有变频功能，对处理存在不连续区域的镜面非常有效。
文档编号G01B11/24GK101270975SQ200810031320
公开日2008年9月24日 申请日期2008年5月16日 优先权日2008年5月16日
发明者吕冰海, 尹韶辉, 朱勇建, 范玉峰 申请人:湖南大学