双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，双频激光器的输出光路上设置有第一扩束系统，第一扩束系统的输出光路上设置有偏振分光棱镜，偏振分光棱镜的反射光方向设置有参考信号获取系统，偏振分光棱镜的透射光方向设置有待测信号获取系统，偏振分光棱镜的反射光方向的相反方向设置有偏振片，偏振片的输出光路上设置有分光镜，分光镜的透射光方向设置有第一光电探测器，分光镜的反射光方向设置有依次设置有待测信号测量系统。本发明专利技术还提供一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的方法。本发明专利技术所公开的测量装置和方法精度较高，且能测量较大面积的光学平面。

【技术实现步骤摘要】
双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置及方法
本专利技术涉及光学
，特别是双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置及方法。
技术介绍
近年来，随着精密加工水平的迅速提高和空间光学、大型激光装置等领域的需求发展，大尺寸光学系统的应用越来越广泛。光学零件的高精度大尺寸特点要求检测技术满足几百毫米至米级的尺度范围下实现亚微米/纳米测量精度的要求。目前，大尺寸光学平面的检测方法包括直接测量法、刀口阴影法、干涉仪子孔径拼接/扫描法等。直接测量法一般通过三坐标测量仪等三维精密移动装置结合探针或电容、电感测微头逐点进行测量并通过数据处理进行面形重构，该方法不仅可以测量平面，还可以测量任意面形，但其测量精度受移动装置的移动定位精度限制，难以实现高精度测量；刀口阴影法根据观察的阴影图形状确定波面局部误差的方向和位置，该方法的测量结果在很大程度上与检验者的主观因素有关,难以对平面面形进行定量高精度测量；干涉仪法通过测量待测平面与参考标准平面的干涉图案进行面形测量，可以获得很高精度。但通常的干涉仪口径较小，因此平面的测量范围较小。为了获得大尺寸的测量，一般需结合子孔径拼接法或扫描法，分多次分别检测大尺寸平面的各个部位，然后拼接到同一个面上来恢复出全口径波面的完整面形，该方法可以检测大尺寸平面，但检测过程较长，操作复杂，对测量环境要求较高。此外，一般的干涉法通常使用一个标准平面做参考平面，对标准平面的精度要求很高，通常为待测平面面形精度的三分之一到十分之一，这也限制了其测量精度。为实现大尺寸光学平面的高精度检测，本专利技术提出一种基于双频激光外差干涉相位方法的测量装置和方法以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题，提供了一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置及方法，其能实现大尺寸光学平面的高精度检测。为解决上述技术问题，本专利技术是按如下方式实现的：一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，其包括双频激光器，双频激光器的输出光路上从上到下依次设置有第一扩束系统、偏振分光棱镜和待测信号获取系统；偏振分光棱镜的左侧设置有参考信号获取系统，偏振分光棱镜的右侧依次设置有偏振片、分光镜和第一光电探测器，分光镜的下方设置有设置有待测信号测量系统。进一步的，所述第一扩束系统由依次设置在双频激光器的输出光路上的第一光学透镜、针孔滤波器和第二光学透镜组成。进一步的，所述参考信号获取系统由依次设置在偏振分光棱镜的左侧反射光路上的第一四分之一波片，聚焦透镜，参考反射镜组成。进一步的，所述待测信号获取系统包括第二四分之一波片、待测光学平面以及由第三光学透镜、第四光学透镜构成的第二扩束系统；所述第二四分之一波片、第三光学透镜、第四光学透镜、待测光学平面从上至下依次设置在偏振分光棱镜的下方透射光路上。进一步的，待测信号测量系统包括由第五光学透镜、第六光学透镜构成的第三扩束系统，第二光电探测器和二维移动平台；第五光学透镜、第六光学透镜、第二光电探测器和二维移动平台依次设置在分光镜的下方反射光路上；第二光电探测器固定设置在二维移动平台上。进一步的，所述第二扩束系统和第三扩束系统结构和参数相同。本专利技术另一目的还在于提供一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的方法，其包括下述步骤：步骤一：打开双频激光器，使双频激光器发出一对具有互相正交的线偏振光，即一束光含有P、S两个偏振分量；步骤二：使用第一光电探测器接收形成稳定不变的参考信号；步骤三：移动二维平移台带动第二光电探测器进行扫描，采集待测光学平面上各点对应的测量信号；步骤四：将步骤三中测得的测量信号与步骤二测得的固定不变的参考信号对比进行相位测量并经数据处理和面形重构，以得到待测光学平面的平面度误差。进一步的，所述方法包括的双频激光器所发出的P、S偏振光具有一定频率差。本专利技术所公开的双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置及方法，工作原理如下：由双频激光器输出一对相互正交的线偏振光，该光束经过由第一光学透镜、第二光学透镜和针孔滤波器构成的第一扩束系统后形成平行的扩束光；其中针孔滤波器的作用是滤掉杂散光，并消除高频噪声，提高光束质量；经过第一扩束系统的光束入射到偏振分光棱镜后被分成第一S偏振光和第一P偏振光两部分；其中第一S偏振光是被偏振分光棱镜反射的光，其经过第一四分之一波片变为圆偏振光，并被聚焦透镜聚焦入射到位于透镜焦平面上的参考反射镜上，然后沿原路返回经过第一四分之一波片变为第二P偏振光，之后入射到偏振分光棱镜并透射；第一P偏振光是被偏振分光棱镜透射的光，其经第二四分之一波片后变为圆偏振光，然后经过第三光学透镜、第四光学透镜构成的第二扩束系统，再入射到待测光学平面上，然后沿原路返回至第二四分之一波片，变为第二S偏振光，之后入射到偏振分光棱镜并被其反射；分别从参考反射镜和待测光学平面返回的第二P偏振光和第二S偏振光在偏振分光棱镜处合并成一束光后通过偏振片发生干涉，然后入射到分光镜，再次被分成两部分；其中透射光被固定位置的第一光电探测器接收形成参考信号；反射光经过由第五光学透镜、第六光学透镜构成的第三扩束系统后，被安置在二维平移台上的第二光电探测器接收形成测量信号，通过移动二维平移台带动第二光电探测器采集待测光学平面上各点对应的测量信号，将其与固定不变的参考信号对比进行相位测量并经数据处理可得到待测光学平面的平面度误差。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：①设置了针孔滤波器，能滤掉杂散光并消除高频噪声，以提高光束的质量；②设置了聚焦透镜，使光束在参考反射镜上聚焦成点，因此参考反射镜的有效作用区域只有光束聚焦光斑大小而非整个参考反射镜平面，可极大程度降低对参考反射镜的面形性能要求，同时降低光路调节难度；③第三扩束系统和第二扩束系统的结构和参数相同，使第二光电探测器的位置与待测光学平面上的测量点位置完全对应，在测量过程中不需要再进行坐标位置变换；④装置中除第二光电探测器和二维平移台之外，所有光学元件在测量时均保持不动，因此，由各光学元件误差引起的测量误差均为定值系统误差，可通过测量标准平面进行标定，然后在测量结果中进行修正；⑤被测平面倾斜导致的误差为线性变化系统误差，可在数据处理时进行消除；⑥测量系统对干涉信号采用相位测量方法，避免了测量光强幅值易受光束漂移和环境干扰的影响，且相位可进行很高的电子细分，光学系统可实现很高的测量分辨率；⑦光束经过两次扩束，光束到达待测平面时已经经过两次扩束，直径较大，能检测较大面积的平面，而从平面反射回来时，光束直径缩小回第一次扩束后的光束直径，因此使得光的干涉较为容易。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施方案所述双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置的结构示意图。101、双频激光器；102、第一光学透镜；103；针孔滤波器；104、第二光学透镜；105、偏振分光棱镜；106、第一四分之一波片；107、聚焦透镜；108、参考反射镜；109、第二四分之一波片；110、第三光学透镜；111、第四光学透镜；1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的光路，其特征在于，包括双频激光器，双频激光器的输出光路上从上到下依次设置有第一扩束系统、偏振分光棱镜和待测信号获取系统；偏振分光棱镜的左侧设置有参考信号获取系统，偏振分光棱镜的右侧依次设置有偏振片、分光镜和第一光电探测器，分光镜的下方设置有待测信号测量系统。

【技术特征摘要】
1.一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的光路，其特征在于，包括双频激光器，双频激光器的输出光路上从上到下依次设置有第一扩束系统、偏振分光棱镜和待测信号获取系统；偏振分光棱镜的左侧设置有参考信号获取系统，偏振分光棱镜的右侧依次设置有偏振片、分光镜和第一光电探测器，分光镜的下方设置有待测信号测量系统。2.如权利要求1所述的一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，其特征在于：所述第一扩束系统由依次设置在双频激光器的输出光路上的第一光学透镜、针孔滤波器和第二光学透镜组成。3.如权利要求1所述的一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，其特征在于：所述参考信号获取系统由依次设置在偏振分光棱镜的左侧反射光路上的第一四分之一波片，聚焦透镜，参考反射镜组成。4.如权利要求1所述的一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，其特征在于：所述待测信号获取系统包括第二四分之一波片、待测光学平面以及由第三光学透镜、第四光学透镜构成的第二扩束系统；所述第二四分之一波片、第三光学透镜、第四光学透镜、待测光学平面依次设置在偏振分光棱镜的下方透射光路上。5.如权利要求1所述的一种双频激光外差干涉相位测量大尺寸光学平面的装置，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈强华，孔祥悦，孙启国，吕洪波，何广平，司丽娜，豆照良，祖岩，朱炜，李艳红，柴娟芳，杨延竹，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11