一种波前干涉测量系统及方法与流程

本技术涉及光学测量，特别涉及一种波前干涉测量系统及方法。

背景技术：

1、为了提高光学系统的性能，普遍使用具有更显著设计灵活性的非球面和自由曲面用于校正光学系统像差。这些复杂形状表面的加工制造需要精密测量并准确标称待测光学表面的面形误差。目前广泛使用的测量方法主要有轮廓测量法、子孔径拼接、干涉测量法、分区扫描法等。但是测量精度和效率最高的是干涉测量法。使用干涉测量法可以实现更为直接的高精度、快速测量，该方法使用一个参考波前和一个测量波前，这两个波前的干涉会引起相机探测器芯片上采集到的图像条纹的变化。由两个波前之间的相位差可以计算待测表面面形数据。由于不同的光束路径、振动、时间、温度等环境效应(如温度梯度的变化和环境气流扰动)对测量的不确定性有很大的影响，传统的非共光路测量方法(如泰曼-格林干涉测量法等)由于测量光与参考光不共光路，难以避免受到这种非共光路测量误差的影响，导致测量精度和稳定性的降低，而共光路干涉测量系统(如fizeau干涉测量方法)，可以有效抑制非共光路误差对系统测量精度造成的不利影响。

2、但是，环境扰动难以避免和彻底消除，只有动态干涉测量法能够最大限度地减小环境扰动对干涉测量精度的影响，故动态干涉仪可以通过测量瞬时波前并通过大量的数据进行统计学处理进一步提高其测量的精度并减小随机误差对测量误差的影响。而对于大口径干涉测量系统来说，受到玻璃材料制造和机械支撑结构的影响，由于应力双折射引起的光学均匀性像差不能被完全消除。这会造成对比模糊和引入波前测量误差，这将限制了大口径干涉仪的口径的进一步扩大。

3、在现代光学测量技术中，补偿光学器件如计算机生成全息图(cgh)是测量非球面光学器件的最新技术，但是需要针对每种不同的被测表面定制不同的补偿元件。当测量与参考形状有较大偏差的表面时，会出现高条纹密度的干涉条纹，会引入误差。如果偏差太大，测量光的渐晕会造成被测表面上的部分区域无法测量。当测试复杂形状的表面时，所有的这些影响都将限制传统fizeau干涉仪的应用。

技术实现思路

1、鉴于此，有必要针对现有技术中存在的渐晕和高条纹密度缺陷提供一种对大梯度差波前进行大范围及高精度测量的波前干涉测量系统及方法。

2、为解决上述问题，本技术采用下述技术方案：

3、本技术目的之一，提供了一种波前干涉测量系统，包括：可调谐激光器(1)、he-ne激光器(2)、第一二向色镜(3)、偏振片(4)、第一准直透镜(5)、滤波器(6)、第二准直透镜(7)、第一分束镜(8)、第二分束镜(9)、第三准直透镜(10)、空间光调制器(11)、光圈(12)、第一相机物镜(13)、像素移位偏振测量装置(14)、离轴反射镜(15)、标准参考面(16)、半透半反镜(18)、毛玻璃屏(19)、第二相机物镜(20)、相机(21)及计算机单元(22)，所述计算机单元(22)与所述可调谐激光器(1)、所述he-ne激光器(2)、所述空间光调制器(11)、所述相机(21)、所述像素移位偏振测量装置(14)均电性连接，其中：

4、所述可调谐激光器(1)发出的测试光和所述he-ne激光器(2)发出的指示光经所述第一二向色镜(3)合束后再通过所述偏振片(4)变成线偏振光，所述线偏振光经过由所述第一准直透镜(5)和所述第二准直透镜(7)组成的扩束系统扩束形成的扩束光入射进入所述空间光调制器(11)，经所述空间光调制器(11)相位调制后的扩束光再依次经过所述第二分束镜(9)和所述第三准直透镜(10)的共轭聚焦后入射至所述半透半反镜(18)，经所述半透半反镜(18)反射入射到所述离轴反射镜(15)上，并经过所述离轴反射镜(15)准直形成准直光；

5、所述准直光的一部分光束经所述标准参考面(16)反射，将标准平面波前转换为标准平面参考波前或者球面参考波前用于干涉测量；

6、所述准直光的另一部分光束经所述标准参考面(16)透射后入射到被测样品表面(17)并发生反射，反射回的光携带所述被测样品表面(17)的面形信息，所述反射回的光依次经过所述标准参考面(16)及所述离轴反射镜(15)进入所述半透半反镜(18)，并在所述半透半反镜(18)处分光；其中：

7、反射回的指示光中携带所述被测样品表面的面形信息的混合光的50％透射所述半透半反镜(18)并聚焦在所述毛玻璃屏(19)上，所述第二相机物镜(20)将焦点的位置信息成像于所述相机(21)上，并由所述相机(21)将图像信息上传至所述计算机单元(22)，所述计算机单元(22)显示所述指示光的聚焦光斑位置信息，以显示所述空间光调制器(11)所产生的虚拟点光源的位置；

8、反射回的测试光的50％经所述半透半反镜(18)反射后再依次经所述第三准直透镜(10)、所述第二分束镜(9)、所述光圈(12)及所述第一相机物镜(13)进入所述像素移位偏振测量装置(14)，并与由所述标准参考面(16)反射回的参考波前叠加在所述像素移位偏振测量装置(14)上成像，以获取干涉条纹信息，所述计算机单元(22)获取所述干涉条纹信息并根据所述干涉条纹信息显示所述被测样品表面的面形图样及数据信息。

9、本技术目的之二，提供了一种如权利要求1所述的波前干涉测量系统的测量方法，包括下述步骤：

10、所述可调谐激光器(1)发出的测试光和所述he-ne激光器(2)发出的指示光经所述第一二向色镜(3)合束后再通过所述偏振片(4)变成线偏振光，所述线偏振光经过由所述第一准直透镜(5)和所述第二准直透镜(7)组成的扩束系统扩束形成的扩束光入射进入所述空间光调制器(11)，经所述空间光调制器(11)相位调制后的扩束光再依次经过所述第二分束镜(9)和所述第三准直透镜(10)的共轭聚焦后入射至所述半透半反镜(18)，经所述半透半反镜(18)反射入射到所述离轴反射镜(15)上，并经过所述离轴反射镜(15)准直形成准直光；

11、所述准直光的一部分光束经所述标准参考面(16)反射，将标准平面波前转换为标准平面参考波前或者球面参考波前用于干涉测量；

12、所述准直光的另一部分光束经所述标准参考面(16)透射后入射到被测样品表面(17)并发生反射，反射回的光携带所述被测样品表面(17)的面形信息，所述反射回的光依次经过所述标准参考面(16)及所述离轴反射镜(15)进入所述半透半反镜(18)，并在所述半透半反镜(18)处分光；其中：

13、反射回的指示光中携带所述被测样品表面的面形信息的混合光的50％透射所述半透半反镜(18)并聚焦在所述毛玻璃屏(19)上，所述第二相机物镜(20)将焦点的位置信息成像于所述相机(21)上，并由所述相机(21)将图像信息上传至所述计算机单元(22)，所述计算机单元(22)显示所述指示光的聚焦光斑位置信息，以显示所述空间光调制器(11)所产生的虚拟点光源的位置；

14、反射回的测试光的50％经所述半透半反镜(18)反射后再依次经所述第三准直透镜(10)、所述第二分束镜(9)、所述光圈(12)及所述第一相机物镜(13)进入所述像素移位偏振测量装置(14)，并与由所述标准参考面(16)反射回的参考波前叠加在所述像素移位偏振测量装置(14)上成像，以获取干涉条纹信息，所述计算机单元(22)获取所述干涉条纹信息并根据所述干涉条纹信息显示所述被测样品表面的面形图样及数据信息。

15、本技术采用上述技术方案，其有益效果如下：

16、本技术提供的波前干涉测量系统及方法，基于菲索干涉测量原理，实现共光路测量，避免了传统测量方法非共光路测量中由于样品光路与参考光路中由于光程及介质不一致所引入的非共光路误差，大大提高了系统的检测精度和抗干扰能力；利用可调谐激光器可实现多波长测量，有效解决了单色光测量技术中无法避免的2π相位不确定性的技术缺陷，可实现更大范围的干涉测量；利用空间光调制器实现多视场的干涉测量，解决了传统干涉测量方法无法实现大梯度差波前(如非球面和自由曲面)的高精度干涉测量的技术难题。