[发明专利]一种大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓装置。该装置只需要借助普通的辅助会聚镜头，即能对非球面光学元件表面轮廓给出定量检测数据。

背景技术

随着精密光学加工技术的发展，非球面光学元件已经广泛地应用于各种光学系统中，如各种高品质的相机、摄像机、光学测量仪器及扫描仪等光学系统，甚至是与我们日常生活息息相关的产品(如非球面汽车车灯)。

非球面光学元件，是指面形由高次方程决定、面形上各点半径均不相同的光学元件。非球面有许多独特的性质，将非球面应用于光学系统中，能够减少系统中光学元件的数量、提高系统成像质量。

因为非球面不同于球面的特殊性质，其检测方法也一直成为关注的热点。非球面光学元件检测发展出了多种技术，典型的有面形轮廓法、无像差点法、补偿干涉法、剪切法等，以及近年来比较多文献报道的计算全息法和环形子孔径拼接法等。这些方法各有其作用及特点，但也常常受限于具体的检测对象及检测环境。如面形轮廓法，属于机械接触式测量，机械探针在接触光学元件表面时容易造成自身损伤及光学元件的损伤；无像差点法是一种常见的非球面光学元件检测手段，但是只适用于二次非球面光学元件，而且对不同的非球面光学元件，适用的检测光路也不同，往往需要较高精度的辅助球面镜；补偿干涉法是设计、制作一定的补偿器来使非球面光学元件的反射波前能尽量靠近球面波来实现检测，同样，补偿器是针对非球面光学元件参数对应设计的，并且，在检测中补偿器自身的误差通常无法消除掉。剪切法是以分束的方法，令两束相关的波前之间产生剪切干涉以反映误差信息，但因器件口径的限制，一般仅用在小口径、小相对孔径非球面光学元件的检测中。计算全息法无需使用干涉样板，但是全息样板的计算量大，这对全息样板的复位精度要求很高，并且一个非球面光学元件对应一个全息样板的制作，通用性不强；此外，还有在球面干涉仪上沿光轴方向移动干涉仪或非球面光学元件，改变它们之间的距离产生非共心光束，通过各个不同曲率半径的参考球面波来匹配被测非球面光学元件的不同环带区域，从而使被测元件相对于参考波前的斜率差减小到干涉仪的允许范围内，用干涉法分别测量各个环形子孔径区域然后拼接、拟合得到整个面形信息，即所谓环形子孔径拼接法。这种方法可以使现有的球面干涉仪扩展到非球面光学元件的检测，但是对装置调整精度要求很高。

综合上述介绍，可以看出，各种非球面光学元件检测方法都有各自的局限性以及检测对象的单一性。因此通用性较强、结构简单、测量过程易于控制的非球面光学元件检测方法，是十分有价值的。

本发明提出一种大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓的方法：利用一定的孔径分割光阑，使光束通过光阑分割后照射到被检测的光学表面上，经光学表面反射的光束再投影到接受屏上。该投影光束将包含被测光学表面的误差信息，借助一定的算法即可得到其面形轮廓数据。这种方法能大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓，通常只需要借助普通的辅助会聚镜头，即能对非球面光学元件表面轮廓给出定量检测数据。

相对于前述的各种检测方法，本方法在整个检测过程中没有移动部件，因此具有较好的环境适应性，不易受振动、气流干扰等的影响；这种方法属于非接触式光学测量，因而不存在像轮廓仪那样因机械接触而导致的关键部件损伤或者光学表面损伤的问题；同时，本方法具有很大的弹性可变的动态范围，因此具有很强的通用性，能够适应各种不同批次、不同参数光学非球面的检测要求，而无需像计算全息法或补偿法那样需要制作专门的辅助元件或补偿器，也无需像环形子孔径拼接方法那样，以机械装置的调整换取动态范围，导致对装置调整的要求过高

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服现有检测技术的不足，利用一个特殊光阑，通过采集经被测件反射的光束在屏上形成的图像，给出非球面光学元件表面或者表面轮廓的定量检测数据，提供一种大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓装置。

本发明提供以下技术方案：

一种能大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓装置，其特征在于，该装置利用一个子孔径分割光阑2来形成特定的入射光束，将该入射光束投影到被检测的非球面光学元件3表面，从非球面光学元件3表面反射回来的光束经反射镜4后被漫反射屏5拦截，CCD7利用成像透镜探测漫反射屏中的光强分布6并将光强分布图像数据送入计算机，计算机根据子孔径分割光阑形成的特定入射光束光强的变化计算出被检测的光学元件表面轮廓。

进一步的，该装置利用一个光学成像装置对接收屏成像，以采集接收屏上的光束图像。