[发明专利]基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置与方法，包括依次水平设置的干涉仪(L1)、混合补偿系统(L2)和被测自由曲面(L3)。本发明采用双级联变形反射镜(DM)进行像差补偿，利用一种级联DM解耦平均技术，可以在不降低总体像差补偿量的同时实现无耦合的像差平均分配，它对于自由曲面中非旋转对称偏离部分的覆盖范围扩大到160μm，这是迄今为止报道的最大覆盖范围；同时采用可调谐波片的时分监测(TDM)技术，避免了DM表面监测的复杂结构，使得配置更加紧凑。

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置及方法。

背景技术

光学自由曲面具有良好的像差校正、照明整形等性能。然而，其精密计量技术仍是一个巨大的挑战。在各种精密非接触式测量技术中，干涉法在球面和非球面的检测中取得了长足的发展，在自由曲面的检测中也得到了广泛的应用。许多非球面干涉测量的思想，如零位测试、非零位测试和子孔径拼接方法，都被移植到自由曲面干涉测量中。但对于未知面形的自由曲面，例如加工过程中的自由曲面，则需要一个大动态范围的像差补偿器以适应加工的不同阶段。国内外一些可变零位补偿器已经应运而生。然而，这些补偿器产生的像差仅局限于几个低阶像差，灵活性有限。近年来，自适应光学补偿器得到研究者们的关注，如空间光调制器(SLM)和变形反射镜(DM)，理论二者上可以产生任何类型的像差。薛帅等人在基于SLM的非球面和自由曲面大动态范围检测方面做了一系列出色的工作。然而，最大的挑战是SLM的相位控制精度。目前检测精度仅达到1/30λ均方根(rms)。此外，由于SLM的动态范围有限，目前报道的对于非旋转对称偏离的最大测量范围约20μm峰谷(PV)值。因此，SLMs在精度和灵活性方面的性能有待进一步提高。

作为一种替代方案，DM具有良好的像差校正性能。商业化的DM具有非常简单的控制程序和日益增长的像差校正能力。比如ALPAO公司的系列DM，已经被少数研究者应用于自由曲面检测。最新研究结果表明，目前DM精度和覆盖范围(对于非旋转对称偏离)分别为0.002λ和80λ。显然，它比SLMs有更好的性能。如果需要更大的覆盖率，则需要更高级的DM和SLM。即使是薛帅等人声称的具有4096×2160分辨率(4k)和3.74μm像素间距的SLM也只能覆盖约60μm偏离度。虽然DM的覆盖范围大于SLM，但对于更大的偏离度(例如100μm的非旋转对称偏离度)仍然无能为力。也就是说基于DM的深度自由曲面检测仍然是一个重要技术缺失。

同时，基于DM的自由曲面干涉检测仍然存在一定的缺点，由于一般的DMs都是针对天文望远镜等自适应成像系统开发的，其表面控制精度(5％PV误差)不能满足高精度光学测试的要求。此时，DM自身的性能甚至比SLM更差。所以在目前基于DM的自由曲面检测技术中，DM表面必须通过某些设备或结构进行精确监测。2014年,Fuerschbach进行φ多项式反射镜测量中，DM的表面提前使用Zygo干涉仪测量。2016年,黄磊在自由曲面干涉检测系统中使用了一套相位偏折系统来实时监测DM表面。2018年，我们将DM监控配置集成到干涉仪中，采用偏振设计进行DM的干涉监测。可见在这种情况下，DM监控配置是不可避免的，这使得整个系统的配置更加复杂，标定也更加麻烦。即使有更大的覆盖范围的DM可用，一般干涉仪和波前传感器的监测方法却无法监测其表面形变。这正是基于DM的自适应干涉检测的另一个重要的不足之处。

发明内容

本发明基于现有技术的不足，提出了一种基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置及方法。

本发明采用的技术方案是：