一种凸非球面镜面形检测系统及检测方法与流程

本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种凸非球面镜面形检测系统及检测方法。

背景技术：

点衍射干涉仪主要用于超高精度的光学波前检测，在光学波前测试计量、高精度光学成像系统研制等领域得到广泛的应用。点衍射干涉仪极高的光学波前测试精度，是光学加工与精度评估的重要手段，在国际上只有技术先进的公司与科研单位拥有。

如图1所示，点衍射干涉仪凹球面镜面形测试方法：由激光光源1发出的激光，经针孔照明聚光镜2汇聚后，聚焦照射在针孔板3的针孔上。经针孔衍射的出射光波被分为两部分；一部分进入干涉图像成像镜组4；另一部分照射到反射镜7上。通过被测试镜位置精密调整机构8使得经反射镜7的照射光返回并聚焦到针孔板3的针孔附近，并经针孔板反射进入干涉图像成像镜组4，与前一部分衍射光波干涉产生干涉图，经成像镜组4成像到干涉图像接收器5，由图像采集与系统控制计算机6计算分析获得被测试凹球面镜面形误差信息。

由于点衍射干涉仪的测试工作原理是基于微小点孔衍射获得完美的凹球面波作为干涉测量基准，因此可直接用于对凹球面波前的超高精度测试。而目前对凸非球面波前的超高精度测试无法直接获得干涉测试基准。因此，亟需一种点衍射干涉仪测试凸非球面镜面形的方法和装置。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有点衍射干涉仪无法对凸非球面镜面形进行检测的技术缺陷，提供一种凸非球面镜面形检测的装置，

包括点衍射干涉装置、基准凹球面镜、基准凹球面镜调整机构、被测凸非球面镜调整机构、控制装置及图像处理装置；

所述点衍射干涉装置，用于产生衍射光，所述衍射光包括第一衍射光 和第二衍射光，还用于将所述衍射光与第二反射光干涉，产生干涉图像；

所述基准凹球面镜，用于将所述点衍射干涉装置产生的衍射光反射至被测凸非球面镜，形成第一反射光，并将被测凸非球面镜的反射光反射至所述点衍射干涉装置，形成第二反射光；

所述基准凹球面镜调整机构，用于调整基准凹球面镜的位置；

所述被测凸非球面镜调整机构，用于调整所述被测凸非球面镜沿光轴方向以固定步距移动，以改变所述第二反射光的波前相位；

所述图像处理装置，用于接收所述点衍射干涉装置的干涉图像，并根据所述干涉图像及所述基准凹面镜的面形误差数据进行计算，从而获取所述被测凸非球面镜的面形信息；

所述控制装置，用于控制所述基准凹球面镜调整机构调整所述基准凹球面镜位置，还用于控制被测凸非球面镜调整机构调整所述被测凸非球面镜位置。

作为优选，所述基准凹面镜为反射镜。

作为优选，所述点衍射干涉装置包括光源、针孔照明聚光镜、针孔板、干涉图像成像组；沿所述光源的光线出射方向依次设置所述针孔照明聚光镜、所述针孔板、所述干涉图像成像组；所述光源出射的光经所述针孔照明聚光镜汇聚后，照射到所述针孔板上产生衍射光，所述第一衍射光照射到所述干涉图像成像组；所述第二衍射光及所述第二反射光照射到所述基准凹球面镜上。

作为优选，所述基准凹球面镜调整机构包括角度调整机构及位置调整机构；所述位置调整机构，用于调整所述基准凹面镜沿垂直于光轴的方向移动；所述角度调整机构，用于调整所述基准凹面镜的偏移角度，从而调整所述第一反射光的反射角。

作为优选，所述被测凸非球面镜调整机构包括被测凸非球面镜支撑调试机构及高精密直线微位移机构；所述被测凸非球面镜支撑调试机构，用于支撑所述被测凸非球面镜，还用于调整所述被测凸非球面镜沿垂直于光轴的方向移动；所述高精密直线微位移机构，用于调整所述被测凸非球面镜沿光轴方向移动。

作为优选，所述基准凹面镜的面形信息通过所述点衍射干涉装置检测 获得所述面形误差数据。

相应地，本发明还包括一种凸非球面镜面形的检测方法，包括以下步骤：S1、点衍射干涉装置产生衍射光，包括第一衍射光及第二衍射光，并将所述第二衍射光照射至基准凹面镜上；

S2、基准凹面镜调整机构调整所述基准凹面镜位置，使所述基准凹面镜反射所述第二衍射光至所述被测凸非球面镜上，形成第一反射光；

S3、所述第一反射光经被测凸非球面镜及所述基准凹面镜，反射至所述点衍射干涉装置上，形成第二反射光；

S4、被测凸非球面镜调整机构调节所述被测凸非球面镜沿其光轴以步距移动，所述第二反射光根据所述被测凸非球面镜位置变化而变化；

S5、所述点衍射干涉装置将所述第二反射光与所述第一衍射光进行干涉，形成干涉图像；

S6、图像处理装置接收所述干涉图，并根据所述干涉图像及所述基准凹面镜的面形误差数据进行数据处理，从而获取所述被测凸非球面镜的面形误差数据。

作为优选，在执行所述步骤S1之前，还包括采用点衍射干涉装置对基准凹面镜进行面形检测，获取所述基准凹面镜的面形误差数据。

作为优选，所述点衍射干涉装置包括光源、针孔照明聚光镜、针孔板、干涉图像成像镜组，由所述光源和所述针孔照明聚光镜发出的汇聚光聚焦照射在针孔板的针孔上，形成衍射光。

作为优选，基准凹面镜调整机构包括角度调整机构和位置调整机构，角度调整机构和位置调整机构调整所述基准凹面镜位置，使得经所述基准凹面镜的反射的光对准被测凸非球面镜，形成第一反射光，并使所述第一反射光再次经被测凸非球面镜和基准凹面镜反射，形成所述第二反射光，返回聚焦到所述针孔板上，经针孔板反射进入所述干涉图像成像镜组。

本发明的有益效果在于：本发明通过设置点衍射干涉仪、基准凹面镜及调整机构，达到了准确测试凸非球面镜面形的有益效果。

附图说明

图1为点衍射干涉仪凹球面镜面面形测试结构图；

图2为本发明点衍射干涉仪凸非球面镜检测系统一具体实施例的结构 图；

图3为本发明点衍射干涉仪凸非球面镜面形检测方法流程图。

图标说明：

1、激光光源 2、针孔照明聚光镜

3、针孔板 4、干涉图像成像镜组

5、干涉图像接收器 6、控制装置

7、被测凹面镜 8、被测凹面镜调整机构

9、角度调整机构 10、位置调整机构

11、基准凹面镜 12、被测凸非球面镜

13、被测凸非球面镜支撑调试机构

14、高精密直线微位移机构

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明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发明，而不构成对本发明的限制。

本发明所要解决的技术问题是如何实现一种结构简单、检测精度高的凸非球面镜面形的检测装置及方法。

本发明的凸非球面镜面形的检测装置中，在点衍射干涉仪检测凹球面镜面形的基础上进行改进，将凹球面镜作为基准镜，通过调整机构调整凹球面镜、凸非球面镜的位置，使得一部分衍射光波经过凹球面镜反射到凸非球面镜，再经凸非球面镜及凹球面镜的反射，最后进入点衍射干涉仪的干涉图像成像镜组，成像到干涉图像接收器，从而实现凸非球面镜面形的检测。

请参阅图1，为现有技术中点衍射干涉仪检测凹球面镜面形的结构图。具体包括：激光光源1、针孔照明聚光镜2、针孔板3、干涉图像成像镜组4、干涉图像接收器5、图像采集与系统控制计算机6、被测凹面镜7及被测凹面镜调整机构8。激光光源1在其光路上依次设置针孔照明聚光镜2及针孔板3，沿针孔板的光路上对称设置两部分装置，一部分为干涉图像成像镜组4、干涉图像接收器5，另一部分为被测凹球面镜7，被测凹球面镜7的底部设置有被测凹球面镜调整机构，用于调整被测凹球面镜7的位置。

具体地，由激光光源1发出的激光，经针孔照明聚光镜2汇聚后，聚焦照射在针孔板3的针孔上产生针孔衍射出射光波。针孔衍射出射光波被分为两部分：一部分进入干涉图像成像镜组4，另一部分照射到被测凹球面镜7上，通过被测试镜位置精密调整机构8使得经反射镜7的照射光返回并聚焦到针孔板3的针孔附近，并经针孔板反射进入干涉图像成像镜组4，与前一部分衍射光波干涉产生干涉图，经成像镜组4成像到干涉图像接收器5，图像采集与系统控制计算机6计算分析获得被测试凹球面镜面形误差信息。

基于点衍射干涉装置检测镜面面形，进一步改进，形成了本发明点衍射干涉仪凸非球面镜检测系统。包括点衍射干涉装置、基准凹球面镜、基准凹球面镜调整机构、被测凸非球面镜调整机构、控制装置及图像处理装置。

点衍射干涉装置，用于产生衍射光，所述衍射光包括第一衍射光和第二衍射光，还用于将所述衍射光与第二反射光干涉，产生干涉图像。

基准凹球面镜，用于将所述点衍射干涉装置产生的衍射光反射至被测凸非球面镜，形成第一反射光，并将被测凸非球面镜的反射光反射至所述点衍射干涉装置，形成第二反射光。

基准凹球面镜调整机构，用于调整基准凹球面镜的位置。

被测凸非球面镜调整机构，用于调整所述被测凸非球面镜沿光轴方向以固定步距移动，以改变所述第二反射光的波前相位。优选的，该固定步距根据被测凸非球面镜的非球面度、非球面梯度及移相干涉算法来选取。

图像处理装置，用于接收所述点衍射干涉装置的干涉图像，并根据所述干涉图像及所述基准凹面镜的面形误差数据进行计算，从而获取所述被测凸非球面镜的面形信息。

控制装置，用于控制所述基准凹球面镜调整机构调整所述基准凹球面镜位置，还用于控制被测凸非球面镜调整机构调整所述被测凸非球面镜位置。

具体地，点衍射干涉装置产生衍射光，衍射光一部分直接进入点衍射干涉仪的干涉镜组中(称为第一衍射光)，第二部分照射到基准凹面镜上，基准凹面镜将衍射光反射到被测凸非球面镜上，衍射光在被测凸非球面镜 镜面上发生反射，并将其原路反射回至基准凹面镜上，基准凹面镜接收到被测凸非球面镜反射过来的衍射光，并将其反射至点衍射干涉装置上，反射回来的光及第一衍射光在点衍射干涉装置上发生干涉，并形成干涉图，图像处理装置接收干涉图，并根据所述干涉图及所述基准凹球面镜面形误差进行数据处理，从而获取被测凸非球面镜的面形误差测试数据。基准凹面镜的面形误差已知，或者根据图1所述的方式通过点衍射干涉仪进行检测获取得到的。

请参阅图2，为本发明凸非球面镜检测系统一具体实施例。包括激光光源1、针孔照明聚光镜2、针孔板3、干涉图像成像镜组4、干涉图像接收器5、图像采集与系统控制计算机6、基准凹面镜角度调整机构9、位置调整机构10、基准凹面镜11、被测凸非球面镜12、被测凸非球面镜支撑调试机构13、高精密直线微位移机构14。基准凹面镜11为反射镜。

激光光源1、针孔照明聚光镜2、针孔板3、干涉图像成像镜组4构成点衍射干涉装置。干涉图像接收器5、图像采集与系统控制计算机6构成图像处理装置及控制装置。位置调整机构10与基准凹面镜角度调整机构9构成基准凹面镜调整机构，基准凹面镜底部设置有位置调整机构10，位置调整机构10的底部设置有基准凹面镜角度调整机构9。优选的，角度调整机构9为三角体结构，用于调整基准凹面镜11的角度，以使得经基准凹面镜的反射的光对准被测凸非球面镜，形成第一反射光，并使所述第一反射光再次经被测凸非球面镜和基准凹面镜反射，形成所述第二反射光，返回聚焦到所述针孔板上，经针孔板反射进入所述干涉图像成像镜组。

被测凸非球面镜支撑调试机构13、高精密直线微位移机构14构成被测凸非球面镜调整机构。被测凸非球面镜支撑调试机构13用于调节凸非球面镜垂直于照光轴方向移动。高精密直线微位移机构14用于调节凸非球面镜沿光轴方向移动。

具体地，点衍射干涉仪凸非球面镜面形测试方法：由激光光源1和针孔照明聚光镜2发出的汇聚光聚焦照射在针孔板3的针孔上。经针孔衍射的出射光波被分为两部分，称为第一衍射光和第二衍射光；第一衍射光进入干涉图像成像镜组4；第二衍射光照射到凸非球面镜检测用的基准凹面镜11。通过角度调整机构9和位置调整机构10使得经基准凹面镜11的照射 光对准被测凸非球面镜12，形成第一反射光，并再次经被测凸非球面镜12和基准凹面镜11两个反射镜反射，形成第二反射光，返回聚焦到针孔板3的针孔附近，第二反射光经针孔板3反射进入干涉图像成像镜组4。该进入干涉图像成像镜组4的光与第一衍射光波干涉产生干涉图，并成像到干涉图像接收器5。

优选的，针孔衍射出的第一衍射光及第二衍射光分别为针孔衍射光的一半。具体地，针孔衍射光的出射角度较大，干涉成像镜组4放置在一半衍射光的角度覆盖范围内，被测凹球面镜放置在另一半衍射光的角度覆盖范围内。两部分基本各占衍射光一半的角度范围。两部分衍射光角度范围差别较大会影响干涉图的成像对比度。

由于被测试镜为凸非球面镜，干涉图在一环形区域内可接近为零条纹，因此条纹过密将导致无法测试或测试精度下降。因此，控制机构6控制高精密直线微位移机构14调整凸非球面镜，使得凸非球面镜沿其光轴方向以固定步距移动，第二反射光根据所述被测凸非球面镜位置变化而变化，从而使得干涉图像中环形区域逐环变化，图像采集与系统控制计算机6获取逐环干涉图像，进行逐环条带检测，从而获得全口径测试信息。图像采集与系统控制计算机6计算分析测试数据，并结合基准凹面镜11的面形信息对检测数据进行面形修正，即可获得凸非球面镜面形误差测试结果。基准凹面镜11的面形信息可以是经用图1方法获得面形误差信息。

基于此，请参阅图3，为本发明点衍射干涉仪凸非球面镜面形检测方法流程图。通过以下方式实现对凸非球面镜面形的检测：

执行步骤S1，点衍射干涉装置产生衍射光，包括第一衍射光及第二衍射光，并将第一衍射光照射至所述基准凹面镜上。

优选的，点衍射干涉装置包括激光光源、针孔照明聚光镜、针孔板、干涉图像成像镜组。由激光光源和针孔照明聚光镜发出的汇聚光聚焦照射在针孔板的针孔上。经针孔衍射的出射光波被分为两部分；一部分进入干涉图像成像镜组(称为第一衍射光)；另一部分照射到凸非球面镜检测用的基准凹面镜(称为第二衍射光)。

执行步骤S2，所述基准凹面镜调整机构调整所述基准凹面镜位置，使基准凹面镜反射所述第一衍射光至所述被测凸非球面镜上，形成第一反射 光。优选的，基准凹面镜为反射镜。

执行步骤S3，所述第一反射光经所述被测凸非球面镜及所述基准凹面镜，反射至所述点衍射干涉装置上，形成第二反射光。

优选的，通过角度调整机构和位置调整机构使得经基准凹面镜的照射光对准被测凸非球面镜，并再次经被测凸非球面镜和基准凹面镜两个反射镜返回聚焦到针孔板的针孔附近，经针孔板反射进入干涉图像成像镜组。该进入干涉图像成像镜组的光与前一部分衍射光波干涉产生干涉图，并经干涉图像成像镜组成像到干涉图像接收器。

执行步骤S4，所述被测凸非球面镜调整机构调节所述被测凸非球面镜沿其光轴以步距移动，所述第二反射光的波前相位根据所述被测凸非球面镜位置变化而变化。由于被测试镜为凸非球面镜，干涉图在一环形区域内可接近为零条纹(条纹过密将导致无法测试或测试精度下降)；经高精密直线微位移机构14使得凸非球面镜沿其光轴方向移动，从而使得反射回点衍射干涉装置上的反射光(第二反射光)发生变化，经逐环形条带测试可获得全口径测试信息。

执行步骤S5，所述点衍射干涉装置将所述第二反射光与所述第二衍射光进行干涉，形成干涉图。所述干涉图随所述第二反射光的变化而变化，并且每一个干涉图的环形区域代表所述凸非球面镜在面形上的一个位置。通过调整凸非球面镜沿光轴的位置，从而获取每一个凸非球面镜每一个位置对应的干涉图。

执行步骤S6，所述图像处理装置接收所述干涉图，并根据所述干涉图及所述基准凹面镜的面形误差进行数据处理，从而获取所述被测凸非球面镜的面形误差数据。

优选的，在执行步骤S1之前，还包括采用点衍射干涉装置对基准凹面镜进行面经检测。

本发明通过设置基准凹面镜及调整机构，实现了对凸非球面镜检测的有益效果。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。