一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统及方法，该系统包括菲索平面干涉仪、CGH柱面波转换器、待测非圆柱面、非圆柱面调整装置和精密转台；所述CGH柱面波转换器安装在精密转台上，并位于菲索平面干涉仪和待测非圆柱面之间，所述精密转台控制CGH柱面波转换器转动，使CGH柱面波转换器绕着自身的中心轴线旋转；所述待测非圆柱面安装在非圆柱面调整装置上；所述菲索平面干涉仪的光轴与CGH柱面波转换器的光轴重合，调整非圆柱面调整装置使待测非圆柱面的最佳拟合圆柱轴线与CGH柱面波转换器衍射的柱面波前的焦轴线重合。另外本发明专利技术的测量方法能够显著降低非圆柱面离轴子孔径的像差，准确测量非圆柱光学元件的面形误差。

A non cylindrical interference stitching measurement system and method based on rotating CGH

The invention discloses a non cylindrical interference stitching measurement system based on rotating CGH, which includes the FIC plane interferometer, the CGH cylindrical wave converter, the non cylindrical surface, the non cylindrical surface adjusting device and the precision turntable, and the CGH cylindrical wave converter is installed on the dense turntable and is located in the field plane interference. Between the instrument and the non cylindrical surface, the precision turntable controls the rotation of the CGH cylindrical wave converter to make the CGH cylindrical wave converter revolve around the central axis of its own; the non cylindrical surface is installed on the non cylindrical adjustment device, and the optical axis of the field plane interferometer is coincided with the optical axis of the CGH column surface wave converter. The cylinder alignment adjusts the best fitting cylindrical axis of the non cylindrical surface to coincide with the focal axis of the cylindrical wave front diffracted by the CGH cylindrical wave converter. In addition, the measurement method of the invention can significantly reduce the aberration of the apertures of the non cylindrical surface, and accurately measure the surface error of the non cylindrical optical elements.

【技术实现步骤摘要】
一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统及方法
本专利技术涉及光学精密测量领域，特别涉及一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统及方法。
技术介绍
柱状光学元件(如圆柱透镜)能够在一维方向改变成像尺寸大小，例如可以把一个点光斑转换成一条线光斑，或者在不改变像宽度的情况下改变像的高度。这一特点使其在波前整形、条形码扫描、光片照明显微镜以及线扫描显微镜等光学系统中不可或缺。特别是在强激光系统、同步辐射装置、卫星制导及导航系统中，柱状光学元件发挥着关键性作用。非圆柱面(如椭圆柱、抛物柱面等)比圆柱面在设计时引入了更多的参数，使其能够矫正像差、改善像质，并使光学系统简化，减轻重量。因此，非圆柱光学元件有望逐步替代圆柱透镜作为上述光学系统中的关键部件。然而，非圆柱光学元件面形误差的精密检测一直是光学测量领域尚未解决的一个难题，成了制约其广泛应用的关键因素。目前，针对非圆柱光学元件的面形误差检测，主要采用接触式测量方法，如三坐标测量机和轮廓仪。然而，接触式测量方法的采样率低，难以获得高分辨率的测量结果，用于表征待测非圆柱面的全口径面形误差分布。此外，接触式探针容易磨损，会产生测量误差，影响最终的测量结果。干涉测量技术，作为光学三维测量技术的分支，由于具有非接触性、全场性、高精度、高分辨率等特点，使其在精密零件、光学元件的面形误差检测等领域得到了日益广泛的应用。由于非圆柱面偏离理想圆柱面的误差(又称为非圆柱面度)太大，远超出柱面干涉系统的垂直测量范围，导致形成的干涉条纹太密而无法解析。采用补偿器能够将柱面干涉系统发出的波前转换成与被测非圆柱面匹配的非圆柱面波前，从而实现干涉检测的目的，但补偿器都是针对待测面进行像差平衡设计，如果待测面的参数稍微发生变化即可能需要重新设计补偿器，造成时间和经济成本的巨大浪费。干涉拼接术为解决这类问题提供了新思路。它的基本原理是将被测物体划分为若干个小尺寸的子孔径，相邻的子孔径间有局部重叠区，每次用小口径的干涉系统测量待测物体的局面面形，通过移动、转动待测物体或干涉系统，测得全部子孔径面形误差，然后采用子孔径拼接法将所有子孔径测量数据得到全孔径面形误差。文献“J.Peng,H.Xu,Y.Yu,andM.Chen,“Stitchinginterferometryforcylindricalopticswithlargeangularaperture,”Meas.Sci.Technol.,vol.26,no.2,25204,(2015)”借鉴了干涉拼接术的基本思想，获得了大数值孔径柱面光学元件的全口径面形误差。然而，采用子孔径拼接法检测非圆柱面时需要保证返回的剩余像差不超过干涉系统的垂直测量范围，以便获得可解析的干涉图。为了满足这一要求，子孔径拼接法检测非球面(或者非圆柱面)时需要缩短子孔径的宽度，以便减小返回的剩余像差。这势必增加测量所需子孔径的数目，导致测量时间长，易受环境干扰，测量精度较低等问题。为了减少测量所需子孔径的数目，缩短测量时间，可在离轴子孔径测量过程中增加可变补偿器，补偿离轴子孔径与最佳拟合圆柱或球面的偏差。但与常规的零位补偿器不同，只需要补偿后离轴子孔径的剩余像差减小到干涉仪的垂直测量范围内，此时的补偿器称为近零位补偿器。此外，由于测量不同位置的子孔径所需补偿的像差不同，需要近零位补偿器能够产生大小可变的像差。CN201210110946.4专利文献公开了“一种用于非球面子孔径拼接测量的近零位补偿器及面形测量仪和测量方法”，该技术方案提出利用一对相向回转的相位板组成可变近零位补偿器，相位板上的相位函数为Zernike多项式组成，两个相位板相向转动时可以产生大小可变的慧差和球差，可补偿非球面上不同位置子孔径的部分像差，从而实现干涉拼接法检测陡度非球面。此外，文献“M.Tricard,A.KulawiecandM.Bauer.Subaperturestitchinginterferometryofhigh-departureaspheresbyincorporatingavariableopticalnull.CIRPAnnals-ManufacturingTechnology,2010,59(1),547–550.”提出了一种应用可变近零位补偿器实现陡度非球面的子孔径拼接测量方法，该方法采用一对Risley棱镜，即由一对角度相等楔形棱镜组成，当两个棱镜相向回转时可改变测试光路的光程差，主要引入慧差；而两个楔形棱镜整体相对于干涉仪的光轴倾斜时引入像散。通过调整这两个自由度，可以产生大小可变的像差，实现非球面上不同位置子孔径的部分像差补偿，获得可解析的干涉图。然而，上述两种方法需要在检测光路中额外引入可变零位补偿器，势必增加测量成本，增加光路的复杂性；此外，上述两种方法只能适用于回转对称非球面，不适用于非圆柱面的干涉检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统，在不增加补偿器和测量所需子孔径数目的情况下实现对高陡度非圆柱光学元件的面形误差测量。本专利技术的另一目的在于运用上述基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统的测量方法。为实现以上目的，本专利技术采取如下技术方案：一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统，包括菲索平面干涉仪、CGH柱面波转换器、待测非圆柱面、非圆柱面调整装置和精密转台；所述菲索平面干涉仪用于产生平面波；所述CGH柱面波转换器用于将平面波衍射成柱面波前，CGH柱面波转换器安装在精密转台上，并位于菲索平面干涉仪和待测非圆柱面之间；所述精密转台用于控制CGH柱面波转换器转动，使CGH柱面波转换器绕着自身的中心轴线旋转；所述待测非圆柱面安装在非圆柱面调整装置上，所述非圆柱面调整装置为一个五自由度的调整机构,用于调整待测非圆柱面的空间位置，包括三个转动和二个直线运动；所述菲索平面干涉仪的光轴与CGH柱面波转换器的光轴重合；调整非圆柱面调整装置使待测非圆柱面的最佳拟合圆柱轴线与CGH柱面波转换器衍射的柱面波前的焦轴线重合。作为优选的技术方案，所述菲索平面干涉仪发出的平面波经CGH柱面波转换器形成柱面波前入射到待测非圆柱面，经过待测非圆柱面反射后再次通过CGH柱面波转换器，最后返回菲索平面干涉仪内部与参考光干涉形成干涉图；其中，通过改变CGH柱面波转换器的旋转角度，产生大小和形状可变的非圆柱波前。作为优选的技术方案，基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统的测量方法，包括以下步骤：S1)、根据待测非圆柱面的理论面形轮廓确定CGH柱面波转换器的F/数，划分子孔径；所述F为CGH柱面波转换器的后焦距和光圈直径的比值；S2)、根据子孔径的理论面形轮廓计算子孔径的名义运动量；S3)、根据子孔径的名义运动量调整待测非圆柱面和CGH柱面波转换器的姿态，获得可解析的干涉图；S4)、根据CGH柱面波转换器的转动量，确定剩余像差的名义值，从而获取子孔径的面形误差数据；所述剩余像差的名义值为理论面形轮廓减去旋转CGH柱面波转换器产生的像差后残余的像差；所述面形误差数据为实际面形相对理论面形轮廓的偏差；S5)、通过圆柱拼接算法和柱面干涉拼接算法进行拼接处理，获得待测非圆柱面的全口径面形误差。作为优选的技术方案，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统，其特征在于，包括菲索平面干涉仪(1)、CGH柱面波转换器(2)、待测非圆柱面(3)、非圆柱面调整装置(4)和精密转台(5)；所述菲索平面干涉仪(1)用于产生平面波；所述CGH柱面波转换器(2)用于将平面波衍射成柱面波前，CGH柱面波转换器(2)安装在精密转台(5)上，并位于菲索平面干涉仪(1)和待测非圆柱面(3)之间；所述精密转台(5)用于控制CGH柱面波转换器(2)转动，使CGH柱面波转换器(2)绕着自身的中心轴线旋转；所述待测非圆柱面(3)安装在非圆柱面调整装置(4)上，所述非圆柱面调整装置(4)为一个五自由度的调整机构,用于调整待测非圆柱面(3)的空间位置，包括三个转动和二个直线运动；所述菲索平面干涉仪(1)的光轴与CGH柱面波转换器(2)的光轴重合；调整非圆柱面调整装置(4)使待测非圆柱面(3)的最佳拟合圆柱轴线与CGH柱面波转换器(2)衍射的柱面波前的焦轴线重合。

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统，其特征在于，包括菲索平面干涉仪(1)、CGH柱面波转换器(2)、待测非圆柱面(3)、非圆柱面调整装置(4)和精密转台(5)；所述菲索平面干涉仪(1)用于产生平面波；所述CGH柱面波转换器(2)用于将平面波衍射成柱面波前，CGH柱面波转换器(2)安装在精密转台(5)上，并位于菲索平面干涉仪(1)和待测非圆柱面(3)之间；所述精密转台(5)用于控制CGH柱面波转换器(2)转动，使CGH柱面波转换器(2)绕着自身的中心轴线旋转；所述待测非圆柱面(3)安装在非圆柱面调整装置(4)上，所述非圆柱面调整装置(4)为一个五自由度的调整机构,用于调整待测非圆柱面(3)的空间位置，包括三个转动和二个直线运动；所述菲索平面干涉仪(1)的光轴与CGH柱面波转换器(2)的光轴重合；调整非圆柱面调整装置(4)使待测非圆柱面(3)的最佳拟合圆柱轴线与CGH柱面波转换器(2)衍射的柱面波前的焦轴线重合。2.根据权利要求1所述的基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统，其特征在于，所述菲索平面干涉仪(1)发出的平面波经CGH柱面波转换器(2)形成柱面波前入射到待测非圆柱面(3)，经过待测非圆柱面(3)反射后再次通过CGH柱面波转换器(2)，最后返回菲索平面干涉仪(1)内部与参考光干涉形成干涉图；其中，通过改变CGH柱面波转换器(2)的旋转角度，产生大小和形状可变的非圆柱波前。3.根据权利要求1-2中任一项所述的基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)、根据待测非圆柱面的理论面形轮廓确定CGH柱面波转换器的F/数，划分子孔径；所述F为CGH柱面波转换器的后焦距和光圈直径的比值；S2)、根据子孔径的理论面形轮廓计算子孔径的名义运动量；S3)、根据子孔径的名义运动量调整待测非圆柱面和CGH柱面波转换器的姿态，获得可解析的干涉图；S4)、根据CGH柱面波转换器的转动量，确定剩余像差的名义值，从而获取子孔径的面形误差数据；所述剩余像差的名义值为理论面形轮廓减去旋转CGH柱面波转换器产生的像差后残余的像差；所述面形误差数据为实际面形相对理论面形轮廓的偏差；S5)、通过圆柱拼接算法和柱面干涉拼接算法进行拼接处理，获得待测非圆柱面的全口径面形误差。4.根据权利要求3所述的基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统的测量方法，其特征在于，步骤S1)具体过程如下：首先，待测非圆柱面的理论面形轮廓通过透镜厂家提供的设计值求得，具体计算公式如下：其中z表示待测非圆柱面的矢高；k表示二次曲面常数；Y表示垂直于非圆柱面轴线方向的水平坐标，Y∈[-D/2,D/2]，D表示待测非圆柱面透镜通光孔径的宽度；R表示非圆柱面的顶点曲率半径；A4，A6，…，A14表示非圆柱面系数；其次，根据待测非圆柱面的理论面形轮廓计算最...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭军政，钟金钢，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44