一种基于牛顿环的非球面实时干涉测量装置及方法
【专利说明】
[0001]技术领域:
本发明涉及一种非球面的高精度干涉测量技术，尤其涉及一种基于牛顿环的非球面实时干涉测量装置及方法。
[0002]【背景技术】:
在光学系统中采用非球面光学元件，不仅可以消除多种像差，减少光能损失，从而提高光学系统的成像质量，而且减少了光学元件的数量，简化了系统的结构。近年来，非球面元件在光学系统中的应用日益普及。而非球面的加工质量直接影响到光学系统的成像质量，非球面检测技术一直是影响非球面加工精度进一步提高的“瓶颈”。从某种意义上讲，没有与加工精度相适应的高精度检测方法及仪器，非球面的精密加工和超精密加工就难以实现。
[0003]在非球面测量领域，现有的检测方法有接触式轮廓检测方法、无像差点检测方法和非接触干涉检测方法。其中接触式轮廓检测方法使用接触式轮廓仪或三坐标测量机进行测量，不仅适用于铣磨表面同样可用于抛光表面，但由于采用逐点测量的方法，其测量较耗费时间，且存在损伤被测表面的风险。无像差点检测是指根据费马原理，光线从一点传到另外一点，经过任意多次折射或反射，其光程为极大值或极小值，也就是说光程是定值，光学上把这样的点称为无像差点，利用无像差点来检测非球面。这种方法主要用于检测旋转轴对称二次曲面，不能检测旋转轴对称高次曲面，且光路调整复杂、耗时。非接触干涉检测方法使用干涉仪与补偿器，生成理想的非球面波前，利用干涉原理测量抛光表面面形误差。这种方法针对不同面形的非球面元件，需要设计不同的补偿器，补偿器的精度不但受设计结果的影响，还会受装调的影响，补偿器自身精度的检测也是个难题，而且补偿检测光路调整复杂、耗时。上述测量方法和相应的仪器价格昂贵，对使用环境也提出了极高的要求，在测量时间、测量精度、通用性和造价等方面也存在不足，相较于当今非球面测量的高精度和灵活性要求等方面，这些方法在测量能力和测量精度上也存在着一些问题。
[0004]
【发明内容】
:
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于牛顿环的非球面元件实时干涉测量装置及方法，通过将经典的迈克尔逊干涉仪进行改进，利用参考球面在分光镜中的像与待测非球面所形成的牛顿环装置实时干涉检测非球面的方法，达到无需零位补偿就能够实现非球面的精确测量的目的。本发明不仅克服了无像差点不能检测旋转轴对称高次非球面，也克服了传统零位补偿检验中补偿器装调复杂、耗时等缺点，具有快速、准确、检测范围广等优点，既可以检测凹面非球面元件，也可以检测凸面非球面元件，具有广阔的应用前景。
[0005]本发明采用的技术方案为:一种基于牛顿环的非球面实时干涉测量装置，包括He-Ne激光器、显微物镜、针孔滤波器、分光镜、待测非球面元件、参考球面元件、成像透镜、CCD相机、图像采集卡、计算机、横向导轨和纵向导轨；所述的He-Ne激光器射出的光束经显微物镜会聚到针孔滤波器上的针孔后在分光镜上被分为两束，并分别照射在待测非球面元件和参考球面元件上,从参考球面元件和待测非球面元件上反射的光在分光镜上叠加形成干涉条纹，干涉条纹经过成像透镜后由CCD相机获取；所述的待测非球面元件和参考球面元件分别固定在横向导轨和纵向导轨上，CCD相机与图像采集卡相连，图像采集卡与计算机相连。
[0006]进一步，所述的针孔滤波器位于参考球面元件的球心处。
[0007]本发明还同时提供了一种基于牛顿环的非球面实时干涉测量方法，该方法包括以下步骤:
步骤一，根据待测非球面元件加工一个与之匹配的最接近球面作为参考球面元件；步骤二，将待测非球面和参考球面元件分别安装到横向导轨和纵向导轨上，调整横向导轨和纵向导轨，使针孔滤波器位于参考球面元件的球心处，待测非球面元件与参考球面元件以分光镜呈对称分布；
步骤三，打开He-Ne激光器，使He-Ne激光器射出的光束经过显微物镜会聚到针孔滤波器的针孔处，并被分光镜分为两束，其中一束入射到参考球面兀件上作为参考光，另一束入射到待测非球面元件上，从参考球面元件和待测非球面元件反射的光重新在分光镜上叠加形成干涉，干涉条纹经过成像透镜后由CXD相机获取。
[0008]步骤四，CCD相机将获取到的干涉条纹进行光电转换后传输到图像采集卡，图像采集卡进行数模转换后将数据传送至计算机，由计算机进行数据处理获得光程差和待测非球面元件的面形信息。
[0009]进一步，所述的待测非球面元件也可为精磨阶段的大口径深度非球面元件。
[0010]本发明产生的有益效果是:
1、本发明利用参考球面在分光镜中的像与待测非球面所形成的牛顿环装置，无需补偿器、计算全息图等辅助元件，实时干涉检测非球面元件，可以实现对浅度非球面的精确测量，光路简单，测量快速且易于实现。
[0011]2.本发明也适用于大口径和深度非球面度的非球面元件在精磨阶段的实时检测，便于其进一步的面形修正，并且能够在待测非球面上实时做出标记，便于进一步的精磨和修正抛光处理，加快非球面加工的效率。
[0012]3.本发明所述方法只需要通过调节横向和纵向导轨，改变待测非球面元件和参考球面元件的相对位置，无需其他辅助装置，既可以检测凹面非球面元件，也可以检测凸面非球面元件，很大程度上降低了检测成本。
[0013]【附图说明】:
图1为本发明的结构示意图；
图2为待测浅度非球面元件与参考球面元件形成的干涉条纹；
图3为精磨阶段的深度非球面元件与参考球面元件形成的干涉条纹。
【具体实施方式】:
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0014]如图1所示，一种基于牛顿环的非球面实时干涉测量装置，包括He-Ne激光器1、显微物镜2、针孔滤波器3、分光镜4、待测非球面元件5、参考球面元件6、成像透镜7、CXD相机8、图像采集卡9、计算机10、纵向导轨11和横向导轨12。He-Ne激光器I射出的光束经显微物镜2会聚到针孔滤波器3上的针孔后在分光镜4上被分为两