[发明专利]基于部分补偿法的双波长相移干涉非球面测量方法及装置

说明书

本发明属于光学精密测试技术领域，涉及一种基于部分补偿法的双波长相移干涉方法及实现装置。该方法构建部分补偿法双波长相移干涉仪，获取两个单波长的被测波前包裹相位；建模部分补偿法双波长理想干涉仪，获得两个单波长的剩余波前和包裹相位；采用误差分离和消除算法消除被测波前包裹相位中的已知及未知波前变化量，最后采用逆向迭代优化重构被测非球面的面形误差。装置包括第一激光器和第二激光器、第一狭缝和第二狭缝、第一平面镜和第二平面镜、第一分束镜和第二分束镜、扩束镜、准直镜、标准平面镜、移相器、部分补偿镜、被测非球面、成像镜头和含稀疏阵列传感器的干涉图采集组件。本发明特别适用于小面形误差的陡度非球面，以及大面形误差的模压非球面和自由曲面的加工质量测量。

技术领域

本发明属于光学精密测试技术领域，特别涉及双波长相移干涉检测方法的改进，用于实现大非球面度或大面形误差的光学非球面面形误差的高精度测量。

背景技术

利用非球面取代传统球面可用更少的光学元件改善系统成像性能，同时具有增加设计自由度、减小体积和减轻系统重量等优点。在航天相机和天文望远镜等精密光学系统中，某些非球面特别是陡度光学非球面的制造和测试甚至对光学系统的更新换代起决定性的作用。然而非球面波前特别是陡度非球面波前的高精度检测一直是非球面光学元件设计和制造中面临的测量难题。

如果被测波前与参考球面存在较大的偏离,产生的密集干涉条纹不满足奈奎斯特条件，即每条干涉条纹少于两个像素，从而超过了相移干涉测量技术(PSI)可检测到的波前斜率最大极限。目前，常用的扩展PSI量程的非球面检测方法有环形或圆形子孔径拼接法，长波长法，高密度探测器法，双波长相移干涉法(TWPSI)和亚奈奎斯特法(SNI)。

子孔径拼接技术是将全口径分割成许多个满足奈奎斯特条件的小区域，以求解每一个子孔径，子孔径拼接法需要精密运动的机械扫描装置和复杂的拼接算法去实现子孔径的自动切换和拼接，检测时间也相对较长。长波长法和高密度探测器法分别采用昂贵的长波长光源和高密度探测器扩大PSI可测动态范围，大大增加了仪器系统的成本。为了测量高陡度波前，亚利桑那大学光学研究中心先后提出了双波长相移干涉法(TWPSI)和亚奈奎斯特法(SNI)。SNI是基于被测波前一阶导数或斜率的连续性假设重建被测波前，采用稀疏阵列传感器记录被测波前相位，可实现相位变化超过π的高斜率非球面波前检测。TWPSI不需要对被测波前的预知，TWPSI采用等效波长的解包裹波前作为参考修正单波长2π模糊性解包裹波前，可实现相位变化超过π的陡度非球面波前检测。

专利号为US4832489的专利首先提出双波长相移干涉装置和方法，用于精确重构陡度非球面的轮廓，采用了泰曼-格林干涉光路结构，运用等效合成波长解包裹波前修正单波长解包裹波前的2π模糊性。对与参考表面偏离达数百个波长的被测表面实现了单波长精度测量，但是需要针对双波长干涉仪以及被测非球面特别设计消色差零位补偿镜，增加了系统设计难度和实现的通用性。

专利号为CN201310571673.8和CN201410342492.2的专利先后提出了一种双波长同时相移干涉测量方法，对采集到的双波长混合相移干涉条纹图，分别提取两个单波长的包裹相位，然后计算出合成波长相位。该方法主要适用于阶梯、凹槽等具有突变的微结构表面的三维形貌测量。

专利号为CN201620294905.9的专利提出了一种斐索式双波长干涉测试装置及其合成波长相位提取方法，需要针对部分光路进行消色差设计，主要解决合成波长相位提取速度和不同波长移相误差对合成波长的影响问题。

由于具体应用领域不同，上述专利各自实现了相关领域的关键问题解决，因此有各自的优缺点和适用范围。对于TWPSI应用于陡度非球面测量，补偿镜和干涉仪的色差一直是TWPSI实际应用需要解决的关键问题，如果对补偿镜和干涉仪进行消色差设计必然大大增加仪器设计难度和周期。