基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统及方法与流程

本发明涉及一种用于测量非球面面形的干涉测量系统及方法，属于光电检测领域。

背景技术：

非球面是对偏离球面的曲面的总称。在光学系统中使用非球面光学元件，不仅能增加光学设计的自由度，有利于像差校正、改善像质、提高光学系统性能，而且能够减少光学元件的数量和重量，简化仪器结构，大大减少系统的尺寸和重量，降低成本。但由于非球面检测的困难，使得非球面的加工精度一直不能够得到保证，研究高精度、简单实用的非球面检测技术目前还是光学检测领域的一大难题。

当前，非球面一般主要采用轮廓测量法和干涉测量法进行检测。轮廓测量法大多采用接触式的测量方式，直接测量非球面的矢高；而后利用非球面的方程，减去非球面的轮廓线，从而得到非球面的面形轮廓线。但是，由于此种方法大部分采用接触测量，是逐点获得被测面上的数据，因此测量的效率较低，并且容易损伤被测面。干涉测量法是测量光学元件面形的重要方法。此方法因其灵敏度高、测量准确度高、可实现非接触测量等优点，得到了广泛的应用。

目前干涉测量法中最常用的是补偿法测量，即设计补偿器补偿非球面产生的像差，将非球面的检测转化为平面或者球面面形的检测。补偿法检测非球面的核心部件是补偿器,补偿器能否成功设计是补偿法能否实施的第一关键。常用的零补偿测量方法，检测精度很高，补偿器完全补偿被测面像差，但零补偿器设计加工难度大，而且每测量一种非球面，就要专门设计一种零补偿器，费时费力。部分补偿法可以实现一个补偿器对应多个非球面进行检测，补偿器仅部分补偿被测面像差，降低了补偿器设计制作的难度，但由于剩余像差的存在，检测精度远低于零补偿法，目前只限于检测低精度、低非球面度的非球面。

非球面干涉测量法存在以下难点：

首先在于补偿器的设计和加工，高精度的补偿器成本高制作困难，容易制作的补偿器检测精度又会降低，因此研究一种较为方便快捷、同时又具有较高检测精度的非球面面形检测方法是目前光学工作者的一项重要任务。

此外，常规的干涉测量系统还需要采用移相技术，采集多幅相位变化的干涉图，用移相算法解出被测波面的相位分布。在常规的干涉测量系统中，常使用机械移相的方式，而引入的机械结构的振动、重复性、非线形等移相误差会直接影响干涉测量的精度。

空间光调制器即spatiallightmodulator(slm)，是一种对光波空间分布进行调制的器件。空间光调制器由许多独立的调制单元(或者称“像素”)组成，以一维或二维阵列的形式排列在器件上，且每个像素都可以单独地接受光信号或电信号控制，按照信号的驱动对空间分布的光波信号进行调制作用。即在信号源信号的控制下，对光波的某种或某些特性(如相位、振幅或强度、频率、偏振态等)的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制，从而对照射在其表面上的入射光波进行调制。

技术实现要素：

针对现有干涉测量技术中存在下述技术问题：(1)高精度的补偿器成本高制作困难，容易制作的补偿器检测精度低；(2)由于使用机械移相装置而引入机械移相误差。本发明公开的基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统及方法要解决的技术问题为：产生与部分补偿后的非球面波前相等的非平面波前，实现零干涉测量，在继承部分补偿法对补偿器设计制造精度要求低的优点的同时，保留零补偿干涉测量法精度高的优点，此外还能够避免传统干涉测量系统中机械移相误差的引入。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统，包括激光器、准直物镜、分光镜、参考镜、补偿器、待测非球面、成像物镜、ccd探测器。使用slm作为非球面干涉测量系统的参考镜，定义为slm参考镜。

上述非球面干涉测量系统的光路为：

激光器发出的激光经准直物镜后形成的平行光投射到分光镜上，经分光镜后分成两支光束。一支光束经slm参考镜后返回到分光镜，该支光束定义为参考光束，在参考光束中，slm参考镜对准直物镜准直后形成的平行光进行相位调制，使得slm参考镜对参考光束波前的相位调制量与测试光束的波前像差相等。仅当slm参考镜调制量不足时，在测试光路中加入部分补偿器来对非球面产生的像差进行部分补偿。另一支光束经过部分补偿器到达待测非球面，经待测非球面反射后携带待测非球面面形误差信息经部分补偿器回到分光镜，定义为测试光束。参考光束和测试光束经分光镜汇合，在分光镜处发生干涉，形成干涉条纹，经成像物镜在ccd探测器处进行采集。使用slm参考镜调制参考光束的同时对参考光束引入多次相位调制完成移相，并采集多幅干涉图，通过移相算法解算得到被测非球面的面形误差。

如果待测非球面接近平面或曲率半径较大，则可省略部分补偿器，无需对测量光束进行部分补偿，直接使用slm参考镜，产生与测量光束波前相等的参考波前。如果待测非球面曲率半径较小且非球面度较大，产生的像差超出了slm参考镜的调制能力，则在待测非球面前插入部分补偿器；通过部分补偿器产生的像差来补偿非球面产生的低阶像差；slm参考镜对参考光束波前的调制量与部分补偿后的测试光束波前相等。

所述的部分补偿器产生的像差主要由球差、彗差、场曲等像差组成。

所述的部分补偿器优选单片式补偿透镜。

本发明公开的利用基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统实现的基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量方法，包括如下步骤：

步骤一：建立基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统，通过光线追迹计算出测试光束的波前像差。

步骤二：求解slm参考镜的目标调制量，使得slm参考镜的目标调制量与步骤一求解出的测试光束波前像差量值相等。

步骤三：根据步骤二求解出的目标调制量，计算出slm参考镜需加载的调制灰度图。

步骤三具体步骤为：对slm参考镜上每个像素点加载0～255的不同灰度值时产生的相位延迟量进行标定，生成slm参考镜相位调制量查找表；在步骤二中slm参考镜目标调制量求解模块已经求得slm参考镜初始面形调制到目标面形的调制量分布面形，对于调制量分布面形上的每一点，在slm参考镜相位调制量查找表中查找与该点目标调制量最接近的相位延迟量对应的灰度值，作为调制灰度图上对应位置的灰度值。对每点进行以上操作，能够计算出slm参考镜需加载的完整的灰度图。

步骤四、判断slm参考镜的目标调制量是否超出slm参考镜的调制能力。当slm参考镜的目标调制量未超出slm参考镜的调制能力时，即待测非球面接近平面或曲率半径较大时，按照步骤三所述方法计算slm参考镜需加载的调制灰度图。当slm参考镜能产生的最大像差小于参考光束的目标调制量时，在待测非球面前插入单片式补偿器，对测试光束进行部分补偿从而减小slm参考镜的目标调制量。计算测试光束部分补偿后的波前像差量值，若该量值仍大于slm参考镜的最大调制量，继续调整补偿器，直至slm参考镜的最大调制量能够满足调制目标为止。根据部分补偿后的剩余波前量值求解出slm参考镜的目标调制量，进而计算调制灰度图。

步骤五：在slm参考镜上加载计算出的调制灰度图，实现slm参考镜对参考光束的相位调制。

步骤六：控制slm参考镜对参考光束进行多次移相，并采集多幅移相干涉图。通过移相算法解算得到被测非球面的面形误差。使用slm参考镜对干涉测量系统进行移相，能够避免机械移相结构的使用，提高系统稳定性。

有益效果：

1.本发明公开的基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统及方法，slm对波前的调制有很高的自由度，将slm作为干涉系统的参考面，使用slm参考镜调制参考波前，使参考波前与测量波前一致；仅在待测非球面曲率半径较小或非球面度较大的情况下，即待测非球面产生的波前像差超出slm参考镜最大调制量时，使用部分补偿器对待测非球面的低阶像差进行补偿，以保证slm参考镜的最大调制量满足部分补偿后的调制要求。slm参考镜产生的非平面波的参考波前，与部分补偿后的待测非球面产生的非平面波前相等，实现零干涉测量，在继承部分补偿法对补偿器设计制造精度要求低的优点的同时，能够保留零补偿干涉测量法精度高的优点。

2.本发明公开的基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统及方法，使用slm参考镜调制参考波前的同时还能引入多次相位调制完成移相，能够省去移相装置的使用，精简系统结构，避免误差源的引入，提高干涉测量系统的稳定性。

附图说明

图1是基于slm参考面的非球面干涉测量系统光路；

图2是基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量方法的流程图；

图3是被测非球面1的测量系统中，参考光束经slm调制之前干涉测量系统的像面干涉图；

图4是被测非球面1的测量系统中，参考光束经slm调制之后干涉测量系统的像面干涉图；

图5是被测非球面2的测量系统中，参考光束经slm调制之前干涉测量系统的像面干涉图；

图6是被测非球面2的测量系统中，参考光束经slm调制之前，测试光束部分补偿后干涉测量系统的像面干涉图；

图7是被测非球面2的测量系统中，参考光束经slm调制之后干涉测量系统的像面干涉图；

其中，1-ccd探测器，2-成像物镜，3-准直物镜，4-激光器，5-slm参考镜，6-分光镜，7-补偿器，8-待测非球面。

具体实施方式：

下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。

实例一：

本实例测量的非球面具体参数如下：直径50.8mm；非球面系数-1.01；面型的四次项系数1.27×10^-8。

本实例公开的基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统，包括激光器4、准直物镜3、分光镜6、slm参考镜5、待测非球面8、成像物镜2、ccd探测器1。

上述非球面干涉测量系统的光路为：

激光器4发出的激光经准直物镜3后形成的平行光投射到分光镜6上，经分光镜6后分成两支光束。一支光束经slm参考镜5后返回到分光镜6，该支光束定义为参考光束，在参考光束中，slm参考镜5对准直物镜3准直后形成的平行光进行相位调制，使得slm参考镜5对参考光束波前的相位调制量与测试光束的波前像差相等。另一支光束经待测非球面8反射后携带待测非球面8面形误差信息回到分光镜6，定义为测试光束。参考光束和测试光束经分光镜6汇合，在分光镜6处发生干涉，形成干涉条纹，经成像物镜2在ccd探测器1处进行采集。使用slm参考镜5调制参考光束的同时对参考光束引入多次相位调制完成移相，并采集多幅干涉图，通过移相算法解算得到被测非球面8的面形误差。

由于待测非球面8曲率半径较大，即待测非球面8产生的像差未超出slm参考镜5的调制范围，因此省略部分补偿器7，无需对测量光束进行部分补偿，直接使用slm参考镜5，产生与测量光束波前相等的参考波前。

本实例公开的利用基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统实现的基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量方法，包括如下步骤：

步骤一：建立基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统，通过光线追迹计算出测试光束的波前像差pv值为16.7321波长。

步骤二：求解slm参考镜5的目标调制量，使得slm参考镜5的目标调制量与步骤一求解出的测试光束波前像差量值相等。

步骤三：根据步骤二求解出的目标调制量，计算出slm参考镜5需加载的调制灰度图。

步骤三具体步骤为：对slm参考镜5上每个像素点加载0～255的不同灰度值时产生的相位延迟量进行标定，生成slm参考镜5相位调制量查找表；在步骤二中slm参考镜5目标调制量求解模块已经求得slm参考镜5初始面形调制到目标面形的调制量分布面形，对于调制量分布面形上的每一点，在slm参考镜5相位调制量查找表中查找与该点目标调制量最接近的相位延迟量对应的灰度值，作为调制灰度图上对应位置的灰度值。对每点进行以上操作，能够计算出slm参考镜5需加载的完整的灰度图。

步骤四、判断slm参考镜5的目标调制量是否超出slm参考镜5的调制能力。在本实例中，slm参考镜5的目标调制量未超出slm参考镜5的调制能力，即待测非球面8曲率半径较大，按照步骤三所述方法计算slm参考镜5需加载的调制灰度图。

步骤五：在slm参考镜5上加载计算出的调制灰度图，实现slm参考镜5对参考光束的相位调制，产生非平面波的参考波前。调制后的参考波前pv值为16.7124波长，与待测非球面8产生的非平面波前基本相等，已经接近零补偿测量法。

步骤六：控制slm参考镜5对参考光束进行多次移相，并采集多幅移相干涉图。通过移相算法解算得到被测非球面8的面形误差。使用slm参考镜5对干涉测量系统进行移相，能够避免机械移相结构的使用，提高系统稳定性。

实例二：

本实例测量的非球面具体参数如下：直径50.8mm；顶点曲率半径-8000mm；非球面系数-1.01；面型的二次项系数4.50×10^-5；四次项系数1.55×10^-8；六次项系数1.1×10^-10。

本实例公开的基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统，包括激光器4、准直物镜3、分光镜6、slm参考镜5、补偿器7、待测非球面8、成像物镜2、ccd探测器1。

上述非球面干涉测量系统的光路为：

激光器4发出的激光经准直物镜3后形成的平行光投射到分光镜6上，经分光镜6后分成两支光束。一支光束经slm参考镜5后返回到分光镜6，该支光束定义为参考光束，在参考光束中，slm参考镜5对准直物镜3准直后形成的平行光进行相位调制，使得slm参考镜5对参考光束波前的相位调制量与部分补偿后的测试光束的波前像差相等。另一支光束经过部分补偿器7到达待测非球面8，经待测非球面8反射后携带待测非球面8面形误差信息经部分补偿器7回到分光镜6，定义为测试光束。参考光束和测试光束经分光镜6汇合，在分光镜6处发生干涉，形成干涉条纹，经成像物镜2在ccd探测器1处进行采集。使用slm参考镜5调制参考光束的同时对参考光束引入多次相位调制完成移相，并采集多幅干涉图，通过移相算法解算得到被测非球面8的面形误差。

由于本实例中待测非球面8非球面度较大，产生的像差超出了slm参考镜5的调制能力，则在待测非球面8前插入部分补偿器7；通过部分补偿器7产生的像差来补偿非球面8产生的低阶像差；slm参考镜5对参考光束波前的调制量与部分补偿后的测试光束波前相等。

所述的部分补偿器7产生的像差主要由球差、彗差、场曲等像差组成。

所述的部分补偿器7优选单片式补偿透镜。

本实例公开的利用基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统实现的基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量方法，包括如下步骤：

步骤一：建立基于空间光调制器参考面的非球面干涉测量系统，通过光线追迹计算出测试光束的波前像差pv值为99.1089波长。

步骤二：求解slm参考镜5的目标调制量，使得slm参考镜5的目标调制量与步骤一求解出的测试光束波前像差量值相等。

步骤三：根据步骤二求解出的目标调制量，计算出slm参考镜5需加载的调制灰度图。

步骤三具体步骤为：对slm参考镜5上每个像素点加载0～255的不同灰度值时产生的相位延迟量进行标定，生成slm参考镜5相位调制量查找表；在步骤二中slm参考镜5目标调制量求解模块已经求得slm参考镜5初始面形调制到目标面形的调制量分布面形，对于调制量分布面形上的每一点，在slm参考镜5相位调制量查找表中查找与该点目标调制量最接近的相位延迟量对应的灰度值，作为调制灰度图上对应位置的灰度值。对每点进行以上操作，能够计算出slm参考镜5需加载的完整的灰度图。

步骤四、判断slm参考镜5的目标调制量是否超出slm参考镜5的调制能力。由于求解出的测量光束波前像差较大，即slm参考镜5能产生的最大像差小于参考光束的目标调制量，因此在待测非球面8前插入部分补偿器7，对测试光束进行部分补偿从而减小slm参考镜5的目标调制量。本实例选用单片式透镜作为部分补偿器7。单片式补偿器的结构参数如下：

r1＝-170mm,r2＝-187.45mm，厚度d＝10.46mm，材料为常用bak7玻璃。计算可得，测试光束部分补偿后的剩余波前像差pv值为40.1375波长。该波前像差量值与slm参考镜5对参考光束波前的目标调制量相等。根据求解出的目标调制量，计算出slm参考镜5需加载的调制灰度图。

步骤五：在slm参考镜5上加载计算出的调制灰度图，实现slm参考镜5对参考光束的相位调制。调制后的参考波前pv值为40.005波长，与待测非球面8经部分补偿后产生的非平面波前基本相等，已经接近零补偿测量法。

步骤六：控制slm参考镜5对参考光束进行多次移相，并采集多幅移相干涉图。通过移相算法解算得到被测非球面8的面形误差。使用slm参考镜5对干涉测量系统进行移相，能够避免机械移相结构的使用，提高系统稳定性。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。