[发明专利]多姿态大口径平面光学元件面形检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于机器视觉技术检测领域，主要涉及一种多姿态大口径平面光学元件面形检测装置和方法，其设计利用角差原理进行不同姿态下的元件表面面形检测的装置和方法。

背景技术

面形技术主要有角差法、LTP、瞬态干涉仪和哈特曼检测等方法。角差法的原理是面形的变化可通过其各点法线方向角度的变化量而反映出，采用高精度测试角度变化量的方法可重构元件的面形，西南科技大学已研制出大口径光学元件面形检测装置，检测精度达1/3个波长。LTP是采用细光束干涉计量原理，若被检测面相对垂直于光轴的平面倾斜一定角度，则在LTP的焦平面探测器上的干涉条纹就有移动，通过精确测量其移动距离，就可以得到倾斜度误差的变化曲线，对该曲线积分就可获得高度误差曲线，其测试精度能达到1/20个波长。瞬态干涉仪是将空间位相调制的共路剪切干涉仪技术与数字化波面技术相结合的干涉系统，可采用近红外作为测试光源，测量精度能达到波前均方根优于1/15波长。哈特曼检测法是通过一个有若干小孔光阑的波面进行采样的检测方法，受外界影响小，对检测环境要求比干涉仪的检测环境要求低；但实验中需要的大口径哈特曼扩束系统的光学系统设计、结构设计要求高，且成本也高。采用干涉法对检测环境要求高，在ICF实验室中的在线检测条件很难满足瞬态干涉仪或LTP的要求，而且不能对处于不同倾斜状态的光学元件进行面形检测。

中国发明专利ZL200910058280.0，该方案利用被测光学元件为参考物，并利用五棱镜的一维不变性，克服了传统角差法不能有效扣除运动平台因机械运动或振动等带来的测量误差问题。同时由于采用了在垂直方向（列）测试中的两束参考光，可有效扣除振动带来的影响，同时还以被测光学元件作为绝对参考，从而还能扣除因地基振动、大气振动等带来的误差；由于采用龙门结构，对于超大光学元件的检测，其体形庞大，在不同姿态下的调试时间较长，检测精度仅有1/3波长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种多姿态大口径平面光学元件面形检测装置和方法。

本发明的技术方案如下：

一种多姿态大口径平面光学元件面形检测装置，包括光学系统（1）、三维精密运动平台（2）和面形检测控制与处理系统（3）；三维精密运动平台（2）包括垂直运动导轨（4）、水平运动导轨（5）和旋转运动平台（6）；三维精密运动平台（2）用于实现对不同姿态下光学元件的面形测量过程中的二维扫描运动；面形检测控制与处理系统（3）实现对三维精密运动平台（2）的运动控制、光学系统（1）的姿态调整、光斑信息采集、面形重构、面形绘制功能；光学系统（1）包括光学头（8）、楔镜组（9）和固定在光学头（8）末端的潜望镜（10）；光学头（8）产生一束高质量的平行光束并获取从被测元件反射回的光束的像，从光学头（8）出来的一束平行光通过楔镜组（9）后，分为2×2束平行光束，经过潜望镜（10）后入射到光学元件表面，反射后进入CCD相机（16）成像形成2×2个光斑；通过高精密运动平台做二维扫描控制，利用检测图像中激光光斑在水平方向和垂直方向上的位移，重构出被测元件表面的面形分布。

所述的面形检测装置，所述光学头（8）包括激光器（11）、自准直器（12）、分光镜（13）、扩束筒（14）、透镜（15）和CCD相机（16），由激光器（11）产生的点光源通过自准直器（12）产生一束平行光，经过分光镜（13）和扩束筒（14）后，形成扩束后的平行光入射到被测元件表面，反射后的平行光经过扩束筒（14）和分光镜（13）后，再经过透镜（15）和CCD相机（16）形成反射后光束的像。

所述的面形检测装置，所述楔镜组（9）包括2片楔形镜片，2片楔形镜片呈L型放置。

所述的面形检测装置，所述潜望镜（10）包括第一反射镜（17）、第二反射镜（18）和二维快速偏转平台（19），二维快速偏转平台（19）实现第二反射镜（18）的二维快速倾斜功能。

所述的面形检测装置进行面形检测的方法，包括以下流程：

(1)将所述的面形检测装置和被测平面光学元件相对而置，调节微动机械调整机构，使被测平面光学元件被测表面与面形检测装置的垂直运动导轨（4）和水平导轨（5）组成的平面平行；对于与垂直运动导轨（4）和水平导轨（5）组成的平面成夹角的被测平面光学元件，通过动力机构及其控制系统驱动旋转光学头（8），使被测平面光学元件与面形检测装置平行；