[发明专利]一种光学凸球面面形的检测装置及方法

权利要求书

1.一种光学凸球面面形的检测装置，其特征在于，

该装置包括：光源、第一滤波孔、第一扩束镜、第二滤波孔、第二扩束镜、λ/4波片、第一聚焦透镜、小孔衍射板、第二聚焦透镜、夹持架、成像透镜、CCD探测器和计算机；其中：

第一滤波孔放置在光源的出光口，第一扩束镜放置在第一滤波孔和第二滤波孔中间，第一滤波孔放置的位置为第一扩束镜物面位置，第二滤波孔放置在第一扩束镜像面位置；第二扩束镜的前焦点与第二滤波孔的位置重合，λ/4波片放置在第二扩束镜与第一聚焦透镜之间，小孔衍射板放置在第一聚焦透镜焦点处，小孔衍射板的小孔中心与焦点重合；

光源，用于发出波长可变的激光作为照明光源，并实现测量过程中的移相；

第一滤波孔，利用衍射效应将光源发出的光发散；

第一扩束镜，用于收集通过第一滤波孔后的发射光；

第二滤波孔，用于过滤经第一扩束镜聚焦后光束中的杂散光；

第二扩束镜，用于将第二滤波孔过滤后的发散光变为平行光；

λ/4波片，用于将光源发出的线偏振光转化为圆偏振光；

第一聚焦透镜，用于平行光束聚焦；

小孔衍射板，用于产生衍射波，并反射聚焦后的检测光束；

第二聚焦透镜位于小孔衍射板和夹持架之间；

夹持架，用于放置凸球面或者随机球；

第一滤波孔、第一扩束镜、第二滤波孔、第二扩束镜、λ/4波片、第一聚焦透镜各中心与小孔衍射板上的小孔中心都在同一光轴上；第二聚焦透镜将一部分发散的小孔衍射波转换为会聚波，经夹持架上的被测凸球面或随机球反射后，形成检测光束；检测光束被第二聚焦透镜聚焦，再经小孔衍射板背面反射，与另一部分未经被测凸球面反射的小孔衍射波相遇而形成干涉，所述另一部分衍射波作为参考光束；

成像透镜位于小孔衍射板与CCD探测器之间，CCD探测器放在成像透镜后面，成像透镜，用于将所述检测光束和所述参考光束相遇后的干涉图案投射到CCD探测器上；

计算机与光源、CCD探测器连接，计算机控制光源按照测量要求调制波长，并存储处理CCD探测器记录的干涉图案，标定系统误差，计算被测凸球面面形。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述光源发出波长可调制的照明光，光源是可调谐激光器，或是单纵模激光器结合波长调制器件。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述第一滤波孔是尺寸经过选择的小孔，或是使光束发散的器件。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述第一扩束镜、第二扩束镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和成像透镜分别采用透镜，或者是透镜组组合。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述小孔衍射板上有直径在微米或者亚微米量级的圆形小孔，背面为镀有反射膜的平面。

6.一种光学凸球面面形的检测方法，其特征在于：该检测方法利用小孔产生参考波，采用波长移相的方法，利用随机球多次测量，将凸面检测结果中的系统误差去除，用于提高检测精度，具体检测步骤如下：

步骤A1：光源发出的线偏振准单色光经过第一滤波孔发散，经第一扩束镜、第二滤波孔和第二扩束镜滤波准直，垂直入射到λ/4波片上，并转换为圆偏振光；第一聚焦透镜将准直光束聚焦入射到小孔衍射板上的小孔中心，发生衍射；被测凸球面放置在夹持架上，第二聚焦透镜将一部分衍射波聚焦在被测凸球面球心处；经被测凸球面反射的衍射波形成检测光束，微调整被测凸球面位置，使检测光束聚焦到小孔衍射板上的小孔附近反射，并与另一部分衍射波作为参考光束的衍射波相遇，进入成像透镜，最终成像在CCD探测器上，由计算机记录下干涉图，通过计算机控制光源改变波长，形成移相，记录下N幅干涉图；通过数据处理得到检测结果W，W为携带有第二聚焦透镜引入像差的凸球面面形信息，表示如下：

W＝W_figure+W_focus

其中W_figure为被测凸球面面形信息，W_focus为第二聚焦透镜引入像差；由于小孔直径在微米和亚微米量级，参考波面像差小于λ/104，忽略不计；

步骤A2：将被测凸球面换为随机球，保证随机球球心与凸球面球心重合，重复步骤A1，得到检测结果G₁，G₁为携带有第二聚焦透镜引入像差的随机球表面局部面形信息，表示如下：

G₁＝S₁+W_focus

其中S₁为随机球表面引入误差，随机转动随机球，重复测量多次，得到N′个测量结果G₁、G₂、…G_N′，每个测量结果G_n均携带有第二聚焦透镜引入像差和随机球表面局部面形信息；但是由于随机球随机转动，每次测量在随机球上的反射点不同，所携带的表面局部面形信息也不同，对这些结果求算术平均值G如下表示：

G=1N′Σn=1N′Gn=1N′Σn=1N′Sn+Wfocus]]>

其中n为随机球测量的次数，n＝1，2，3……N′，当N′数量足够大，有G≈W_focus，即得到第二聚焦透镜引入像差；

步骤A3：将步骤A1中携带有第二聚焦透镜引入像差的凸球面面形信息W减去步骤A2中第二聚焦透镜引入像差G，得到被测凸球面表面面形信息表示如下：

W_figure＝W-G。