[发明专利]非球面光学元件面形检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，特别涉及一种能够检测大非球面度的非球面光学元件面形检测装置。 

背景技术

直到目前对非球面光学元件面形的定量检测仍然是光学计量检测领域中的一项挑战。主要原因是没有相应的标准非球面样板用于标准检测，从而导致在干涉检测中干涉条纹过密，而不能满足采样定理。目前采用的解决方法有子孔径拼接法和补偿法。子孔径拼接法利用精密的机械运动对非球面光学元件的不同子区域进行检测，然后再将各个检测结果拼接为整个非球面光学元件的面形检测结果。补偿法利用补偿镜或者计算全息图对检测光路进行补偿，使得所记录的干涉条纹能被正常采样。在现有的非球面光学元件的计算全息检测方法中，都必须实际加工出计算全息图，并在检测光路中进行装调。这样将增加非球面光学元件的检测成本、加长检测周期，同时由于计算全息图加工精度的限制不能对非球面度和面形陡度过大的非球面光学元件的面形进行检测。 

发明内容

本发明的目的是，克服现有用计算全息技术检测非球面光学元件面形中计算全息图加工、装调困难的不足，提供一种基于两步相移技术、计算全息技术和数字全息干涉技术的非球面光学元件面形检测装置，以实现对大非球面度和大面形陡度的非球面光学元件面形的高精度检测。 

本发明采用以下技术方案来实现上述目的。 

非球面光学元件面形检测装置包括氦氖激光器、显微物镜、针孔滤波器、分光镜、消球差透镜、第一可控光阑、标准平面反射镜、压电陶瓷、第二可控光阑、CCD探测器和计算机，标准平面反射镜置于压电陶瓷上，第一、第二可控光阑和压电陶瓷均受计算机的控制，显微物镜的像方焦点、消球差透镜的物方焦点和针孔滤波器均位于待检非球面光学元件的最佳匹配球面的等效球心处；检测时，所述氦氖激光器发出的激光束经所述显微物镜会聚到所述针孔滤波器的针孔处形成标准球面光波，该标准球面光波被所述分光镜分为两束：由分光镜反射的光波经过所述第二可控光阑直接照射到所述待检非球面光学元件的待测面上并被反射即定义为检测光波，由分光镜透射的光波照射到所述消球差透镜上形成平面光波，然后经过第一可控光阑照射到标准平面反射镜上并被反射，平面反射光波再经所述消球差透镜透射形成标准球面光波即定义为参考光波，所述检测光波和所述参考光波分别经分光镜透射和反射后照射到所述CCD探测器的靶面上并经光电转换后送入所述计算机中；当所述第一、第二可控光阑同时打开时，所述CCD探测器探测到的是干涉条纹，当第一可控光阑或第二可控光阑打开时，CCD探测器探测到的是所述参考光波或所述检测光波的光强度。 

计算机装有A/D转换器、存储器和非球面面形测量软件包，存储器预先存储非球面面形测量软件包运行过程中所需的已知参量，非球面面形测量软件包含有控制模块、存储模块、数据采集模块、数据输入模块、理想干涉条纹参数计算模块、相位差计算模块、相位解包裹模块和面形偏差计算模块，控制模块的功能是控制压电陶瓷8产生π/2的相移，控制第一、第二可控光阑的打开和关闭；存储模块存储数据处理中的过程数据并在程序运行过程中调用过程数据和存储器中存储的相关参数；数据采集模块的功能是通过A/D转换器采集压电陶瓷在零位时检测光波和参考光波形成的原位干涉条纹以及该位置上检测光波的光强度和参考光波的光强度，通过A/D转换器采集压电陶瓷相移π/2时检测光波和参考光波形成的相移干涉条纹，并将采集数据送入存储器中 存储；数据输入模块通过键盘接收人工输入的待检非球面光学元件的理想面形方程及其口径尺寸并送入存储模块中；理想干涉条纹参数计算模块依据光线追迹法和干涉原理模拟出理想原位干涉条纹和理想相移干涉条纹，计算理想检测光波的光强度和理想参考光波的光强度，并将模拟和计算数据送入存储器中存储；相位差计算模块依据测量待检非球面光学元件的待测面形反射的检测光波与所述参考光波在CCD探测器处的相位偏差以及模拟计算待检非球面光学元件的模拟理想面形与标准球面光波之间的相位偏差解算出待检非球面光学元件的待测面形与模拟理想面形包裹在0到2π之间的相位偏差；相位解包裹模块依据相位偏差值解算出一组连续变化的相位差值；面形偏差计算模块利用相位解包裹模块的计算结果求解出待测面形与模拟理想面形之间的偏差并予以输出。 

本发明的有益效果体现在以下几个方面。