[发明专利]基于光纤点衍射干涉实验光线追迹的像差测量技术与装置

说明书

本发明公开了一种基于光纤点衍射干涉实验光线追迹的像差测量技术与装置，属于光学测量技术领域。利用两个光纤点光源模拟空间中的任意一条入射光线，点衍射产生近似理想的球面波，通过待测透镜和薄膜分光镜，在两个CCD像面上发生干涉。出射光线与像面相交于两个点光源到达像面的光程差极值点，其坐标可通过干涉图处理得到，连接两个交点就能追迹出射光线的方向。沿子午和弧矢方向整体移动两个点光源，可以分别模拟两个面内不同孔径高的入射光线。旋转待测透镜可以模拟倾斜光线的入射。按照几何像差的定义测量了球面镜的四种几何像差。该方法原理和结构简单，且无需参考镜，能实现光学系统几何像差的直接测量。

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于光纤点衍射干涉实验光线追迹的几何像差测量技术与装置，能够在实验室条件下追迹光线的传播路径，利用该技术实现透镜几何像差的直接测量。

背景技术

光学系统的像差是衡量其质量的关键性指标，常规像差以波前检测为主，测量精度受限于参考镜。无标准镜测量方案包括哈特曼、夏克-哈特曼波前检测、条纹偏转、点衍射干涉等方法，其中哈特曼法和夏克-哈特曼传感器受限于哈特曼屏的孔阑或微透镜的尺寸，对被测元件的采样率较低。条纹偏转法利用光栅或显示器产生的条纹和相位变化来重建透射波前，其精度依赖于光栅质量或显示器的分辨率以及非线性响应。点衍射干涉测量技术以光纤或针孔衍射产生的近似理想球面波作为参考波前，测量精度可达到亚纳米级，已应用在绝对三维坐标和距离、面型、波前测量等方面，但它的精度仍然会受针孔的低透射率或光纤的低数值孔径影响。在波像差测量基础上，可以通过Zernike波面拟合间接获得几何像差，而从几何像差定义出发的实验光线追迹法是最直观的测量手段。

实验光线追迹是基于几何光学原理，用实验的方法获取光线传播路径的一种技术，很早就应用于透镜的折射率、面形测量、焦距及光学像差等领域，具有结构简单、动态范围大、非接触测量等优势。但目前大多数实验光线追迹法都是通过激光器或光纤准直、孔阑等方式发出固定直径的窄激光束来模拟几何光线，然后利用质心检测对光线进行定位，该方法容易受质心定位算法的精度影响，单个像面的移动也会引入一定的机械位移误差。

发明内容

本发明的目的是：由于目前几何像差的测量通常由波像差进行波面拟合得到，且依赖参考镜。为了避免受参考镜的限制，我们发明了一种基于光纤点衍射干涉实验光线追迹的透镜几何像差测量技术与装置。

首先介绍光纤点衍射干涉实验光线追迹的原理。如图1(a)所示，P_a、P_b为空间中的任意两个点光源，从P_a、P_b衍射出的球面波在像面x₁o₁y₁上发生纵向剪切干涉。I₁是P_a、P_b的连线与像面x₁o₁y₁的交点，由几何关系可知，点光源P_a、P_b到I₁之间的光程差，要大于它们到像面x₁o₁y₁上任意一点N₁的光程差，即交点I₁是P_a、P_b到达像面x₁o₁y₁光程差的极大值点。同样，对第二个像面x₂o₂y₂来说,I₂也是光程差的极大值点。通过干涉图确定I₁、I₂的位置，连接I₁、I₂就能确立一条空间中任意方向的虚拟几何光线。