[发明专利]一种大口径工作台移相干涉面形测量装置及方法

说明书

本发明涉及一种大口径工作台移相干涉面形测量装置及方法，旨在解决现有大口径干涉仪难以精确移相、甚至无法移相的难题。本装置通过单个压电陶瓷以小推力驱动低摩擦重载工作台沿直线导轨运动，进而带动固定在工作台上的大口径光学元件完成移相；通过三个位移传感器实时、高动态地监测工作台的俯仰和偏摆，进而推算出光学元件的平移和倾斜移相误差，并将其带入消倾斜移相算法，最终从移相干涉图中精确提取出待测面形结果。本装置及方法不仅机械结构简单、成本低，而且测量精度不受1)元件口径和重量，2)工作台俯仰和偏摆等运动误差，3)波长调谐所导致的色差和4)干涉腔长度等因素的影响。本装置及方法为大口径移相干涉测量提供了一条高精度、低成本的简便可行途径。

技术领域

本发明涉及一种大口径工作台移相干涉面形测量装置及方法，属于精密光学检测领域。

技术背景

大口径光学元件在天文望远镜、惯性约束聚变装置、高能激光武器等大型光学系统或国家重大工程中具有广泛应用。大口径光学元件表面形貌的优劣是决定这些系统总体性能指标的关键参数之一。因此，对大口径光学元件的表面形貌进行精确测量具有重要意义。不仅如此，大口径光学元件面形检测能力和检测精度也是衡量一个国家精密测量、制造领域发展水平的重要指标。

移相干涉测量(PSI)因具有光学干涉测量领域特有的抗背景干扰能力和高精度测量能力，而被作为极其重要的检测手段广泛应用于光学面形检测领域。PSI的基本原理是在干涉图中引入相移，再通过采集的多帧移相干涉图计算相位和面形分布。移相是PSI中最为关键的一步，移相精度直接决定了测量精度。目前最经典、应用最为广泛的移相方式是参考镜机械式移相，即通过三个压电陶瓷(PZT)的伸长来驱动参考镜步进运动，进而在参考光中引入相移。该移相方式不仅较为简便，而且可通过单独控制每个PZT来补偿参考镜悬臂式固定结构所造成的倾斜移相误差。例如，朱煜等人提出一种3压电陶瓷移相器(朱煜,陈进榜,朱日宏,高志山.由三个压电陶瓷堆组成的干涉仪移相器的校正与标定[J].光学学报,2001,21(4):468-471)，其不仅对三个压电陶瓷堆都进行了非线性校正，还综合分析各个压电陶瓷堆之间的不一致性，从而实现了小口径移相干涉测量中的倾斜校准。该移相器的承载仅为10KG左右，可满足一般的小口径移相干涉测量需求。

然而，大口径光学元件的面形检测一般需要大口径的参考镜。当参考镜口径超过时，其重量一般重达数十千克，甚至上百千克。这种情况下若继续使用这种3-PZT的机械式移相器来驱动大口径参考镜进行移相，参考镜的大重量势必严重阻碍某一个或多个PZT的伸长，其结果造成移相误差增大、甚至根本无法驱动移相。南京理工大学的武旭华博士在其学位论文(武旭华.移相干涉仪的关键技术研究[D].南京理工大学,2007.)中研究了一种用于300mm口径移相干涉仪中的3压电陶瓷移相器，该移相器已经因参考镜重量过大而需要进行复杂的倾斜校正和非线性校正。事实上，当干涉仪口径继续增大，甚至高达600mm或以上时，参考镜移相方式难以实现精确移相，甚至PZT根本无法推动参考镜完成移相和测量。由此可见，参考镜机械式移相方式(三压电陶瓷移相方式)难以实现高精度大口径移相干涉测量。

正因为如此，目前大口径移相干涉仪不得不采用波长调谐移相方式，其使用可调谐激光器作为干涉仪光源，通过调谐激光器的波长来引入移相量。波长调谐移相的优势在于移相测量过程中参考镜和被测镜均保持不动，这极大地增加了仪器系统的机械稳定性，并且移相精度与测量口径或元件重量无关。