[发明专利]光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置与检测方法

说明书

本发明公开了一种光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置与检测方法，所述装置包括He‑He激光器、扩束系统、1/2波片、偏振分光棱镜、第一～二1/4波片、标准平面反射镜、移相器、第一汇聚透镜、待测自由曲面、第二汇聚透镜、平面反射镜、偏振片、旋转毛玻璃屏、成像物镜、探测器、显示器、计算机。方法为：将待测自由曲面倾斜放置，使检测光束以特定的角度倾斜入射，以补偿待测自由曲面的主要面形误差成分像散，从而减小后续检测光束的发散程度，使探测器上的条纹被分辨；由探测器采集得到一系列移相干涉图，经波面复原算法处理得到待测自由曲面的面形。本发明采用了像散补偿的方法，可以检测一类以像散为主要面形误差成分的光学自由曲面，稳定性高、成本低。

技术领域

本发明涉及一种干涉检测装置与检测方法，特别是一种适用于以像散为主要面形误差成分的光学自由曲面的像散补偿型干涉检测装置。

背景技术

为了同时满足日益提高的高像质与小型化的要求，光学自由曲面出现在了成像光学系统，特别是离轴反射式系统中。自由曲面元件的应用提高了光学设计的自由度，能够更好的校正非共轴引起的轴外像差。相对于光学自由曲面的设计与加工技术，光学自由曲面的高精度检测问题是制约光学自由曲面在成像领域应用的技术瓶颈。

目前国内外对于光学自由曲面的检测方法可以概括为以下几类：逐点扫描法、相位偏折法、干涉法。工业界对光学自由曲面的检测主要采用逐点扫描法测量，其检测精度只能达到微米量级。商用仪器主要为三坐标机和轮廓仪。日本松下公司生产的UA3P系列轮廓仪是当前测试精度最高的接触式测量仪器，测量准确度可达0.1μm。G.Hausler,C.Faber,E.Olesch,and et al..Deflectometry vs.Interferometry.SPIE,8788:87881C(2013)中指出利用相位偏折术通过将条纹图案投射到待测自由曲面上，经其偏折后的畸变条纹被探测器采集，根据条纹畸变情况复原自由曲面面形。相位偏折术与逐点扫描式测量的准确度相当，均为微米量级。干涉测量是一种非接触式测量，测量准确度可达纳米量级(RMS值)。计算全息法(CGH)可作为干涉测量时的补偿器实现对自由曲面面形的零位测量，但是CGH的加工周期长、成本高检测时需要对成像畸变进行标定，测试结果易受CGH以及待测件对准误差的影响且只能实现一对一的测量。长春光机所在X.Zhang,D.Xue,M.Li and etal..Designing,fabricating and testing freeform surfaces for spaceoptics.SPIE,8838:88380N(2013)中定制了CGH实现了对其研制的空间相机中自由曲面元件的检测。子孔径拼接干涉测试技术(以美国QED公司生产的ASI为代表，将待测自由曲面分割成多个小区域，通过局部最佳拟合球面的匹配，使得局部干涉条纹能够被分辨。K.Medicus,S.DeFisher,M.Bauza,and et al..Round-Robin measurement of a toroidalwindow.SPIE,8884:88840Y(2013)中指出子孔径拼接干涉测试技术采样分辨率较高，能提供面形信息中的中高频成分，但拼接算法在检测自由曲面时仍不成熟，测试获取的面形信息中的低频成分不准确。德国斯图加特大学在E Garbusi,G Baer,W Osten.Advancedstudies on the measurement of aspheres and freeform surfaces with the tilted-wave interferometer(C).SPIE,8082:80821F(2011)中提出的倾斜波面干涉测试技术利用点源阵列产生多个测试球面波，与待测非球面局部匹配，需事先标定干涉系统，再根据系统模型复原待测件面形，并且将其应用到自由曲面检测方面还有待研究。韩国国家科学院在Y.S.Ghim,H.G.Rhee,A.Davies and et al..3D surface mapping of freeform opticsusing wavelength scanning lateral shearing interferometry.Optics Express,22(5):5098-5105(2014)中开展了横向剪切干涉检测非球面和自由曲面的相关技术研究，上述研究均存在光学自由曲面一对一检测的缺点。