[发明专利]基于点源阵列的非零位干涉系统

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测试领域，具体涉及一种基于点源阵列的非零位干涉系统，可测试最大表面梯度偏差±10°以内、相对孔径小于0.4（F数大于2.5）的系列自由曲面元件。

背景技术

自由曲面光学元件相比传统的光学元件可以为光学系统的实际提供更大的自由度。光学自由曲面不仅可以获得较之传统光学面型更好的光学质量，同时具有减小光学元件以及系统整体的外形尺寸，减轻系统重量等优点。所以光学自由曲面元件已经大量用于天文观测、国防武器等军用、民用领域。然而，由于光学自由曲面元件的面型自由度较高，局部梯度变化较大，采用传统的测量方法无法满足快捷简便、高精度的面形测量，从而限制了光学自由曲面元件的推广使用。

自由曲面光学元件较成熟的检测手段主要是三坐标测量机CMM法（Coordinate Measurement Machine）和轮廓仪法。CMM法的检测精度在微米量级，它可以作为检测元件轮廓外形的有效手段，但不能满足面形测量精度的要求（几十纳米量级）。轮廓仪法的检测精度在几十纳米至几百纳米量级，是目前能在亚微米量级检测自由曲面光学元件唯一的成熟手段，但其只能检测元件表面某一条线的形状误差，不属于真正的面形测量。干涉法是目前公认的检测光学元件面形最准确、最有效的手段，现今国内外对自由曲面光学元件面形测量的研究主要是通过把在非球面检测中成功应用的干涉测量方法根据自由曲面的新特点进行改进，它们绝大多数都是基于零位干涉测试原理的方法，如子孔径拼接法（SAT）、计算全息法（CGH），也有一些基于其他原理的方法如反射光栅摄影法、摆臂式轮廓扫描法、条纹投影三维测量法。2007年德国斯图加特大学Osten教授团队针对大梯度非球面元件面形检测提出了一种给测试波前预载倾斜量的非零位干涉检测方法。该方法已经成功应用于表面梯度变化达到±14°的非球面面形测量，测量精度优于λ/30(RMS值)。该方法的提出为自由曲面元件检测提供了新的思路。目前，国内还没有设计出基于点源阵列的光学自由曲面元件的面形测量光学系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于点源阵列的非零位干涉系统，该系统可以在实现高精度测量的同时，保证高效快速的通用化检测。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于点源阵列的非零位干涉系统，包括泰曼格林干涉系统、梯度补偿模块、待测自由曲面、准直透镜、光阑、成像透镜和CCD；泰曼格林干涉系统包括光源、第一分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第二分光棱镜；梯度补偿模块包括透镜阵列、准直透镜组、球面补偿透镜组；光源、第一分光棱镜、透镜阵列、第二分光棱镜、准直透镜组、球面补偿透镜组和待测自由曲面依次共光轴设置；第二反射镜、准直透镜、第二分光棱镜、光阑、成像透镜和CCD依次共光轴设置，且与光源和第一分光棱镜所处的光轴垂直；由光源发出的平行光垂直入射到第一分光棱镜后，分为相互垂直反射光和透射光；透射光经透镜阵列后形成多束发散光，经第二分光棱镜透射后，再通过准直透镜组形成多束具有不同倾斜角度的平行光，最后经球面补偿透镜组后形成多束测试光照射到待测自由曲面，由待测自由曲面反射后，携带待测自由曲面局部面形偏差的多束测试光返回经球面补偿透镜组形成多束携带待测自由曲面局部面形偏差的平行光，再经准直透镜组后形成多束携带待测自由曲面局部面形偏差的会聚光，再由第二分光棱镜折转90度进入光阑，经光阑滤除杂散光，最后由成像透镜成像在CCD上，形成测试光路；反射光射入第一反射镜，经第一反射镜反射进入第二反射镜，然后由第二反射镜反射进入准直透镜，经过准直透镜形成一束会聚光，会聚光经第二分光棱镜透射后再经光阑滤除杂散光，最后由成像透镜成像在CCD上，形成参考光路。CCD上将测试光与参考光叠加形成干涉图。

透镜阵列、准直透镜组和球面补偿透镜组的最佳光学参数和结构参数，确定步骤如下：

步骤一根据待测自由曲面参数和几何光学成像原理，确定点源阵列的光学参数和结构参数：

其中，在待测自由曲面上设置一点P，D为待测自由曲面上P点处的口径，R为待测自由曲面最佳拟合球面的曲率半径，θ₅为过P点垂直于光轴的直线与最边缘子点源发出光束的夹角，r′为P点与点源阵列中最边缘子点源位于光轴同侧时点源阵列的尺寸，r′′为P点与透镜阵列中最边缘子点源位于光轴异侧时点源阵列的尺寸，r′_点源为r′和r′′中较大者值，U′为点源阵列子点源出射光束的孔径角；