[发明专利]基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置及测量方法

说明书

本发明公开了一种基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置及测量方法，利用级联的可变形镜实现参考光的大曲率波前调制，并采用光学干涉原理对大面积大曲率被测自由表面面形进行测量；从而使得参考光波与物光波产生相似或一致的波前，通过在图像探测器上产生稀疏的干涉条纹，并综合利用定量已知的参考光波前信息和干涉条纹信息可以获得被测自由曲面面形；该测量装置及方式简单高效、适用于大面积大曲率光学自由曲面的自适应测量。

技术领域

本发明属于光学干涉测量领域，具体涉及一种基于级联自适应光学的大面积大曲率光学自由曲面面形干涉测量装置及测量方法。

背景技术

由于对特定视场或景深等性能要求，离轴、非对称等自由曲面类元件在现代光学中得到了广泛的应用。采用自由曲面光学元件能够实现更加优异的光学性能并且可以简化光学系统结构。自由曲面的复杂性和多变性导致其加工过程不同于球面和传统非球面，其没有统一的表达式，也没有固定的定义描述，只能由高效的检测技术来保证加工质量。

现代计算机技术、光学技术、传感器技术、信号分析与处理技术的发展对表面形貌测量仪器的研制产生了巨大影响，基于各种原理的表面测量仪器相继问世，为科学研究和工业应用提供了先进的科学分析手段。光学自由曲面的检测方法主要分为接触式和非接触式，其中接触式检测法如轮廓仪法、坐标测量机法等，这类方法采用逐点扫描方式，测量效率低下，容易划伤表面且不适用于软材料的测量，在超精密测量领域有很多限制。非接触测量在制造工业领域已经得到了广泛应用，针对自由曲面的非接触式测量主要有微镜阵列法、白光干涉法、计算全息法等。微镜阵列法受微透镜尺寸限制，在对大曲率自由曲面进行测量时会很困难。白光干涉法是目前应用较多的轮廓测量方法，但是在大口径大曲率自由曲面面形的测量中仍存在许多缺陷，如需要精密的机械运动和复杂的轨迹规划，测量时间长、效率低。计算全息具有高精度测量的优势，但计算全息术需要针对每个待测元件加工专门的计算全息元件，成本高、周期长，不具有通用性。当被检面的面形梯度变化过大时，刻线会很密，加大了加工的难度和误差，使测量精度下降，测量动态范围也有限，因此其在面对大面积大曲率自由曲面的检测中受到限制。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置及测量方法，该装置结构简单紧凑、测量精度高、效率高，适用于大面积大曲率被测自由曲面的轮廓快速检测场合。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的基于级联自适应光学的光学自由曲面面形干涉测量装置，包括激光器、第一准直扩束镜、干涉测量单元、级联的可变形镜单元和控制终端；

所述级联的可变形镜单元，包括第一反射镜、第二反射镜和N级可变形镜，N≥2；在每级可变形镜的表面上方都设有一个用于检测可变形镜面形的检测装置，且该检测装置能够将检测的数据实时反馈至控制终端；

所述干涉测量单元，包括第一分光棱镜、第二分光棱镜及设置在二者之间的中继镜，在被测自由表面和第一分光棱镜之间设有第一成像镜头，在第二分光棱镜的出射光路上还设有图像探测器；

在第二反射镜和第二分光棱镜的光路上还设有第二成像镜头；

激光器发出的激光被准直扩束镜准直扩束后经第一分光棱镜分成两束光，一束光由被测自由表面反射后作为物光照射到图像探测器上；另一束光经级联的可变形镜单元波前调制后作为参考光入射到图像探测器上；物光和参考光的干涉条纹被图像探测器记录。

优选地，经过级联的可变形镜单元调制后的参考光波前经过检测后是定量已知的，且与被测自由表面的理想波前一致或相似。

优选地，所述检测装置包括设置在可变形镜上方的光源、准直扩束镜和波前传感器，光源发出的光经过准直扩束镜形成标准平面光，再经可变形镜反射至波前传感器，波前传感器将检测的面形信息反馈至控制终端。