[发明专利]一种单桢干涉条纹图测量光学表面的方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测领域，涉及一种光学检测装置，用于光学表面面形测量。尤其涉及一种单桢干涉条纹图测量光学表面的方法与装置。

背景技术

光学干涉测量技术以光波干涉原理为基础，是公认的检验光学元件的最有效、最准确的手段之一，在光学加工测量方面发挥了重要的作用。其具有非接触检验的特点，可以高速、非接触地获取被测信息，并在灵敏度、精度上都优于其它类型的光学测量仪器。

目前，可以将干涉仪分为移相干涉仪和单桢条纹干涉仪两类。移相干涉仪通常采用波长调谐或PZT驱动参考镜完成移相。该类干涉仪虽然精度高，由于增加移相机构，设备成本高。单桢条纹干涉仪目前主要采用的是傅立叶变换，空间载频或提取骨干法。傅立叶变换和空间载频由于需要高密度的条纹，因此需要增大参考面倾斜量，导致测量结果中将含有非共光路回程误差导致的相差。此外，这两种方法由于频率混合的原因，无法测量大误差表面。对于提取骨干法，由于有效像素点不多，因此恢复相位的误差较大。

常用泽尼克多项式系数描述光学表面面形质量。泽尼克多项式是一系列正交的基底函数，任意的光学面形都可以通过正交分解为系列多项式的叠加。同时，也可以由已知的泽尼克多项式系数(通常多采用前36项)叠加生成任意的光学表面的面形分布图。

本发明通过将光学表面面形、干涉装置参数化计算模拟的干涉条纹。通过数学计算，当模拟条纹与实际条纹最为吻合时得到的参数即代表了当前干涉系统的特征参数。特别是其中的多项式系数即代表了光学表面的面形，由此即可生成光学表面面形分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种单桢干涉条纹图测量光学表面的方法和装置。本装置基于菲索干涉测量光路，无需移相装置，通过单桢条纹图分析光学表面面形，简化了硬件结构，降低了成本。

本发明采用的技术方案为：一种单桢干涉条纹图测量光学表面的装置，包括激光器、扩束系统、第一分光棱镜、参考镜、被测镜、第二分光棱镜、第一成像透镜、第二成像透镜、第一相机和第二相机；激光器发出细光束，经过扩束系统后变成平行光束，平行光束通过第一分光棱镜后通过参考镜的一部分光在参考镜的反射面被反射回第一分光棱镜，另一部分光在被测镜反射回第一分光棱镜，这两部分光被第一分光棱镜反射到第二分光棱镜，一部分光通过第二分光棱镜后通过第一成像镜头在第一相机上形成干涉条纹，另一部分被第二分光棱镜反射到第二成像镜头在第二相机上形成点像。

其中，通过第二相机得到的两个点像的相对位置用于确定光学表面返回波前与参考光波前相位差的泽尼克多项式系数第二，三项的取值范围。

其中，将干涉装置和光学表面特征参数化，建立干涉条纹数学模型：

其中，

共计的特征参数共计42个，包括：

被测表面泽尼克多项式系数：Z₁-Z₃₆；

第一相机接收到的条纹强度参数：I₁和I₀；

干涉条纹对比度：ν；

激光光源不均匀性分布参数：r₀，θ₀，k。

其中，通过第一相机得到的干涉条纹和与所述的干涉条纹数学模型，建立目标函数：

通过数学优化计算光学表面和干涉装置的最佳参数信息，使得目标函数最小，最后通过泽尼克多项式系数产生光学表面面形分布。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、与现有的移相干涉测量技术相比，无需移相机构，降低了装置成本。

(2)、与傅里叶变换以及载频测量技术相比，虽然都是单帧测量，但由于本技术无需高密度条纹，可以减少非共光路测量引入的测量误差。

附图说明

图1为本发明一种单桢干涉条纹图测量光学表面的装置构成示意图；

图2为第二相机11获取的图像；

图3为第一相机10获取的干涉图；

图4为拟和参数后得到的仿真条纹；

图5为由多项式系数产生的光学表面面形。

图中，1为激光器，2为扩束系统，3为第一分光棱镜，4为参考镜，6为被测镜，7为第二分光棱镜，8为第一成像透镜，9为第二成像透镜，10为第一相机，11为第二相机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。