[发明专利]一种光学凸球面面形的检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种光学凸球面面形的检测装置及方法。

背景技术

现代光学面形加工中，主要的检测工具为干涉仪。但是一般商用干涉仪均采用菲索型和泰曼-格林型，利用参考面产生参考球面波。由于加工精度限制，参考面精度一般小于λ/50，使检测精度远不能满足超高精度面形检测要求。

小孔或者单模光纤衍射，能够产生与理想球面波非常接近的衍射波，将其作为参考波，能够摆脱参考面精度限制，提高检测精度。小孔或者光纤纤芯直径决定了参考波像差大小，当直径在微米或小于微米量级时，参考波像差小于λ/104，可以认为是一理想球面波。

2001年，日本高等电子技术协会(ASET)EUV实验室研制了一种可见光波段(He-Ne，632.8nm)的针孔点衍射干涉仪，针孔直径为1μm，对非球面进行检测，检测精度达到0.2nm。美国Lawrence-Livermore国家实验室的Sommargren团队于2002年研制了可见光波段的(532nm)点衍射干涉仪，利用小孔产生参考波，通过数值分析能够达到RMS值0.1nm精度的测量。

由于衍射波面的发散性，因此基于衍射产生参考波面的干涉仪，一般局限于对凹球面的测量。如果需要对凸球面进行检测，则要加入聚焦系统，将发散波转化为会聚波。但是此时聚焦系统的像差将会降低检测精度。在专利CN101672632中，北京理工大学的陈凌峰等人提出了一种光纤点衍射移相干涉测量方法，利用平面反射镜标定聚焦系统像差，实现凸球面的高精度测量。

光纤纤芯直径一般只能达到2μm～3μm，纤芯端面制作成满足要求的半反半透镜也比较困难。一定入射角入射的光束，经平面镜反射后，并不沿原路径返回，这与被测凸球面检测时的光路有所不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学凸球面面形的检测装置及方法，实现针孔衍射波作为参考波的凸球面高精度移相干涉测量。

本发明利用针孔衍射产生参考波，采用波长调制的方式实施移相，并通过随机球取代被测凸球面，多次测量求平均，标定聚焦系统像差的方法，保证了凸球面测量的检测精度。

为达成所述目的，本发明提供一种检测小孔衍射球面波光学面形的检测装置，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，用于放置被测凸球面或者随机球；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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，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透镜组组合。

进一步的，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。