[发明专利]基于多向倾斜载频的非零位新型点衍射干涉测量系统

说明书

本发明提出了一种基于多向倾斜载频的非零位新型点衍射干涉测量系统，包括线偏振激光光源、光纤耦合器模块、光纤阵列、待测件以及干涉图像采集系统，所述偏振激光光源、光纤耦合器模块、光纤阵列依次共第一光轴设置，所述待测件位于第二光轴，第二光轴与第一光轴夹角为每根光纤出射光束发散角的四分之一，所述待测件的最佳拟合球面曲率中心与光纤阵列端面中心重合。本发明利用光纤阵列构成点衍射阵，产生多向倾斜载频的波面补偿被测件表面梯度，解决干涉法测量复杂面形元件时干涉条纹密度过大，无法解算的问题。

技术领域

本发明涉及复杂面形光学元件面形测量系统技术领域，特别是一种基于多向倾斜载频的非零位新型点衍射干涉测量系统。

背景技术

近年来，随着各领域对光学系统的性能要求越来越高，复杂面形光学元件得到了广泛的应用。与传统光学元件相比，复杂面形光学元件具有更多的自由度，在光学系统中能更方便的校正像差，大大简化系统结构。但是复杂面形光学元件表面形状自由复杂、梯度变化大，给其面形的高精度测量带来了许多难题，这成为了限制了大口径复杂面形元件在航空航天、国防、天文、光刻等领域的进一步应用的瓶颈。

复杂曲面的检测方法主要分为接触式和非接触式。接触式检测方法是光学元件加工单位所能成熟应用的方法，主要包括三坐标测量机法、轮廓仪法和摆臂式轮廓仪法。接触式测量法采用逐点扫描的方式，单点测量精度能达到纳米量级，但测量效率低，无法一次得到被测件全场形貌，而且测量过程中会对光学元件表面造成损伤。非接触检测方法包括微透镜阵列法、结构光三维测量法和干涉法。其中，干涉法是当前公认的测量光学元件面形的最准确、最有效的方法。然而传统的干涉测量系统在测量复杂面形元件时，往往干涉条纹过密，无法通过条纹信息解算光学元件的面形。

德国斯图加特大学的Osten教授团队发明了一种基于点光源阵列的多重倾斜波面干涉测量法。利用该系统测量复杂面形时，最大可以补偿10°的表面梯度，测量精度优于λ/30。该方法中标准球面波由标准补偿球面透镜组产生，由于系统是非零位干涉系统且绝大部分光路位于轴外，那么标准补偿球面透镜组会引入大量波像差，导致系统误差过大，限制该方法的测量精度；而且受限于加工水平，制作大口径的标准补偿球面透镜组成本非常高，这就限制了整个系统的测量口径，难以实现大口径面形的测量。

发明内容

本发明本发明的目的在于提供一种基于多向倾斜载频的非零位新型点衍射干涉测量系统，解决现有技术无法实现大口径复杂面形光学元件的高精度测量和通用化测量的问题。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于多向倾斜载频的非零位新型点衍射干涉测量系统，包括线偏振激光光源、光纤耦合器模块、光纤阵列、待测件以及干涉图像采集系统，所述偏振激光光源、光纤耦合器模块、光纤阵列依次共第一光轴设置，所述待测件位于第二光轴，第二光轴与第一光轴夹角为每根光纤出射光束发散角的四分之一，所述待测件的最佳拟合球面曲率中心与光纤阵列端面中心重合；

光纤激光器发出的线偏振激光由光纤导入光纤耦合器模块，光纤耦合器模块将一束激光分成若干束激光，若干束激光导入光纤阵列，生成若干个标准球面波，其中一部分标准球面波作为参考光进入干涉图采集系统，另一部分标准球面波作为测试光入射到被测件，测试光依次经被测件、光纤阵列反射进入干涉图采集系统，参考光与测试光在干涉图采集系统中形成移相干涉图。

优选地，所述干涉图采集系统包括准直物镜、长筒光阑、空间偏振移相模块、成像透镜和CCD相机，所述准直物镜、长筒光阑、空间偏振移相模块、成像透镜和CCD相机共第三光轴设置，参考光与测试光经准直透镜形成若干束平行光，若干束平行光经过长筒光阑滤除杂散后经过空间偏振移相模块，空间偏振移相模块将每束光分为四束具有相位差的衍射光，经成像透镜在CCD相机靶面上形成相位各相差π/2的四幅空间移相干涉图。

优选地，所述空间偏振移相模块包括位相光栅、会聚透镜、微偏振片阵列，经过长筒光阑6滤除杂散后的平行光经位相光栅分光得到衍射光，经会聚透镜后分别通过微偏振片阵列的不同区域。