大口径锥镜面形检测系统及检测方法技术方案

一种大口径锥镜面形检测系统及检测方法，测量系统包含：波面测量干涉仪，第一安装插口、第二安装插口、工件台、平面参考镜、第一计算全息片和第二计算全息片，待测锥镜安装在工件台上，其轴线与干涉仪光轴平行，平面参考镜安装在第一安装插口，平面参考镜、第一计算全息片、第二计算全息片与波面测量干涉仪平行。通过工件台在锥镜轴线方向扫描定位，波面测量干涉仪测量对应锥镜不同环带位置的面形，通过拼接完成锥镜全口径面形的测量。本发明专利技术具有测量效率高、测量口径范围大的特点。

Large caliber cone surface detection system and detection method

The measuring system includes a wavefront measuring interferometer, a first mounting jack, a second mounting jack, a workpiece table, a plane reference mirror, a first computed hologram and a second computed hologram. The cone to be measured is mounted on a workpiece table, and its axis is parallel to the optical axis of the interferometer. The plane reference mirror, the first computational holographic plate and the second computational holographic plate are parallel to the wavefront measurement interferometer. By scanning and locating the workbench in the axis direction of the cone mirror, the wavefront interferometer measures the surface shape of the corresponding cone mirror at different zones, and the full aperture surface shape of the cone mirror is measured by splicing. The invention has the advantages of high measuring efficiency and wide measuring range.

【技术实现步骤摘要】
大口径锥镜面形检测系统及检测方法
本专利技术涉及光学检测
，特别是一种大口径锥镜面形检测系统及检测方法。
技术介绍
锥镜作为一种特殊的非球面光学元件，也称作轴对称棱镜，可以将准直光束转换为环形光束，在光学成像系统、激光加工，激光束整形、光刻机环形照明产生等方面有着重要的作用。目前，商用Zygo干涉仪、4D干涉仪等均无法直接用于锥镜面形的检测，锥镜面形的检测方法仍然以接触式为主，例如采用三坐标或轮廓仪，这类方法的特点是仅能测量锥镜面形上某一部分轮廓的点，不是真正意义上的面形检测。锥镜的确定性光学加工一直受限于其面形检测技术，影响了其应用范围和成本。在先技术1(JunMa,ChristofPruss,RihongZhu,ZhishanGao,CaojinYuan,andWolfgangOsten,"Anabsolutetestforaxiconsurfaces,"Opt.Lett.36,2005-2007(2011))采用计算全息图作为补偿镜，检测锥镜的面形；但该方法仅限于小口径锥镜的测量。当进行大口径锥镜面形的测量时时，需要更大口径的计算全息片和干涉仪，增加了测量成本和计算全息片的制作难度。在先技术2(KuchelMichael.Interferometricmeasurementofrotationallysymmetricasphericsurfaces.SPIE.2009:738916)推出的面向同轴非球面测量的环形子孔径扫描拼接测量系统，理论上也可以用于锥镜面形的拼接检测。通过沿轴向移动待测非球面镜，使球面检测波与待测镜的不同环带相切产生环形干涉条纹，记录干涉图及形成干涉图的位置，进行反向计算，得到待测镜面形。该方法具有测量精度高的特点，但是这种方法仅限于浅度旋转对称非球面的测量。该方法应用于锥镜面形的测量时，每次能有效测量的锥镜区域很小，导致拼接测量次数多，测量效率低。在先技术3(许嘉俊，贾辛，徐富超，邢廷文，一种凸锥镜的在线检测加工装置及方法，中国专利技术专利(201510351236.4)采用激光位移传感器通过点扫描的方式检测锥镜面形，对位移传感器及旋转系统的精度提出了很高的要求，增加了系统成本；并且该方法也不能用来测量凹锥镜面形。目前还没有高效的、高精度的大口径锥镜面形测量装置和方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种大口径锥镜面形检测系统及检测方法，该方法具有测量效率高、精度高的特点。为了达到上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：一种大口径锥镜面形检测系统，其特点在于包含：波面测量干涉仪、第一安装插口、第二安装插口、工件台、平面参考镜、第一计算全息片、第二计算全息片；待测凹锥镜和待测凸锥镜安装在工件台上，所述的第一安装插口用于第一计算全息片和平面参考镜的安装，所述的第二安装插口用于第一计算全息片和第二计算全息的安装；所述的工件台运动方向与激光干涉仪的光轴方向平行；所述的第一计算全息片、第二计算全息片与波面测量干涉仪平行；所述的待测凹锥镜和待测凸锥镜的对称轴与波面测量干涉仪的光轴方向平行。将所述的平面参考镜安装至第一安装插口，第一计算全息片安装至第二安装插口，进行待测凹锥镜的面形测量。此时，由波面测量干涉仪输出平面光波，入射至平面参考镜，一部分光原路返回至波面测量干涉仪，另一部分光透射至第一计算全息片上，经第一计算全息片产生与待测锥镜相匹配的衍射光波，该光波入射至待测凹锥镜表面，经待测凹锥镜反射，原路返回至波面测量干涉仪，与平面参考镜的返回光之间形成干涉，由波面测量干涉仪采集干涉图并提锥镜面形信息；将所述的第二计算全息片安装至第二安装插口，并将第一安装插口上的平面参考镜取下，进行待测凸锥镜的测量。此时，由波面测量干涉仪输出平面光波垂直入射至经第二计算全息片，经第二计算全息片产生的衍射光波，垂直入射至待测凸锥镜表面，一部分原路返回至波面测量干涉仪，另一部分光波透射，垂直入射至待测凹锥镜表面，经待测凹锥镜的反射，原路返回至波面测量干涉仪，与待测凸锥镜表面的返回光波之间形成干涉，由波面测量干涉仪采集干涉图并提取锥镜面形信息；所述的待测凸锥镜是顶角大于180-2arcsin(1/n)的凸锥镜，n为待测凸锥镜的材料的折射率；所述的待测凹锥镜的顶角与待测凸锥镜的顶角相同；所述的待测凸锥镜的口径应不大于待测凹锥镜的口径；所述的第一计算全息片和第二计算全息片为圆形光栅，其中第一计算全息片的周期为第二计算全息片的周期的其中λ为波面测量干涉仪的工作波长，β为待测凹锥镜和待测凸锥镜的锥角，n为待测凸锥镜的材料的折射率；利用上述大口径锥镜面形检测装置进行大口径锥镜面形检测方法，其特点在于该方法包含以下步骤：1)将平面参考镜安装至第一安装插口，第一计算全息片安装至第二插口，根据第一计算全系片口径，确定扫描起始位置P和每次能有效测量锥镜区域的口径大小Dsub，使经过第一计算全息片后的环形光波中心区域对应锥镜顶点；根据Dsub大小确定合适的拼接距离ΔX,再由ΔX确定相应的扫描距离h，使相邻两次测量对应的锥镜区域存在一定的重叠区域；根据待测锥镜的实际口径D和拼接距离ΔX,确定实际需要的拼接测量次数N；2)工件台定位至起始位置P，并令i＝1；3)调整测量装置，观察到干涉图，并使干涉图中干涉环基本对称且条纹数最少；4)使用波面测量干涉仪进行第i次测量，得到待测凹锥镜拼接测量的子孔径数据Si(x,y)，Si(x,y)对应待测凹锥镜处于测量范围内的环带区域；5)将子孔径数据Si(x,y)转换为极坐标系表示Si(θ1,ρ1)，再将Si(θ1,ρ1)映射到待测凹锥镜面形被测部分的实际面形Wi(θ2,ρ2)，最后再一次将Wi(θ2,ρ2)转换到用直角坐标系表示，得到Wi(X,Y)；6)当i>N时，进入步骤7)，当i<N时，将工件台沿轴向向下移动h，i＝i+1，返回步骤3)；7)完成所有N次扫描所对应待测凹锥镜环带区域的子孔径数据Wi(X,Y)的测量。在相邻两个子孔径测量的重叠区域内，拼接修正系数可由如下方程组计算得到：Wi+1(X,Y)-Wi(X,Y)＝ai+biX+ciY+di(X2+Y2)对于N个子孔径数据，一共有N-1个上述方程组，得到N-1拼接修正系数。8)以第一个子孔径的数据为基准，依次进行子孔径数据Wi(X,Y)的拼接计算，得到待测凹锥镜的面形，记为W1；9)取下平面参考镜和第一计算全息片，将第二计算全息片安装至第二安装插口上，将待测凸锥镜加入测量系统，与待测凹锥镜匹配放置，使待测凸锥镜的锥角顶点与待测凹锥镜的锥角顶点相对应，再一次确定工件台扫描起点位置P、扫描距离h和扫描次数N；10)重复步骤2)、3)、4)、5)、6)、7)，直至得到待测凸锥镜和待测凹锥镜组合面形拼接测量时N-1组拼接修正系数；11)以第一个子孔径的数据为基准，依次进行子孔径数据Wi(X,Y)的拼接计算，拼接得到待测凸锥镜和待测凹锥镜的组合面形，记为W2；12)待测凸锥镜的面形W＝W2-W1。本专利技术的技术效果，通过使用计算全息片，扩大锥镜测量的有效区域，仅通过数次拼接完成大口径凹锥镜的面形测量；在进行凸锥镜面形测量时，去除平面参考镜，选择顶角、口径与凸锥镜相同的凹锥镜作为参考镜，即可完成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大口径锥镜面形检测系统，其特征在于包含波面测量干涉仪(1)、第一安装插口(2)、第二安装插口(3)、工件台(4)、平面参考镜(7)、第一计算全息片(8)、第二计算全息片(9)；所述的工件台(4)用于安置待测的凹锥镜(5)和凸锥镜(6)；所述的平面参考镜(7)安装在第一安装插口(2)，所述的第二安装插口(3)用于第一计算全息片(8)或第二计算全息片(9)的安装；所述的工件台(4)运动方向与激光干涉仪(1)的光轴方向平行；所述的第一计算全息片(8)、第二计算全息片(9)与波面测量干涉仪(1)平行；所述的待测凹锥镜(5)和待测凸锥镜(5)的对称轴与波面测量干涉仪(1)的光轴方向平行。

【技术特征摘要】
1.一种大口径锥镜面形检测系统，其特征在于包含波面测量干涉仪(1)、第一安装插口(2)、第二安装插口(3)、工件台(4)、平面参考镜(7)、第一计算全息片(8)、第二计算全息片(9)；所述的工件台(4)用于安置待测的凹锥镜(5)和凸锥镜(6)；所述的平面参考镜(7)安装在第一安装插口(2)，所述的第二安装插口(3)用于第一计算全息片(8)或第二计算全息片(9)的安装；所述的工件台(4)运动方向与激光干涉仪(1)的光轴方向平行；所述的第一计算全息片(8)、第二计算全息片(9)与波面测量干涉仪(1)平行；所述的待测凹锥镜(5)和待测凸锥镜(5)的对称轴与波面测量干涉仪(1)的光轴方向平行。2.根据权利要求1所述的大口径锥镜面形检测系统，其特征在于所述的待测凸锥镜(6)是顶角大于180-2arcsin(1/n)的凸锥镜，n为待测凸锥镜(6)材料的折射率；所述的待测凹锥镜(5)的顶角与待测凸锥镜(6)的顶角相同。3.根据权利要求1所述的大口径锥镜面形检测系统，其特征在于所述的待测凸锥镜(6)的口径应不大于待测凹锥镜(5)的口径。4.根据权利要求1所述的大口径锥镜面形检测系统，其特征在于所述的第一计算全息片(8)和第二计算全息片(9)为圆形光栅，所述的第一计算全息片(8)的周期为第二计算全息片(9)的周期的其中λ为波面测量干涉仪(1)的工作波长，β为待测凹锥镜(5)和待测凸锥镜(6)的锥角，n为待测凸锥镜(6)的材料的折射率。5.利用权利要求1所述的大口径锥镜面形检测系统对大口径锥镜面形的检测方法，其特征在于该方法包含以下步骤：1)将平面参考镜(7)安装至第一安装插口(2)，第一计算全息片(8)安装至第二插口(3)，根据第一计算全息片(8)的口径，确定扫描起始位置P和每次能有效测量锥镜区域的口径大小Dsub，使经过第一计算全息片(8)后的环形光波中心区域对应锥镜顶点；根据Dsub大小确定合适的拼接距离ΔX,再确定相应的扫描距离h，使相邻两次测量对应的锥镜区域存在重叠区域；根据待测锥镜的实...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢云君，唐锋，王向朝，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31