一种光学均匀性双工况检测装置和方法

本发明涉及光学，特别是涉及一种光学均匀性双工况检测装置和光学均匀性双工况检测方法。

背景技术：

1、光学均匀性具体是指光学材料折射率均匀性，一般采用光学材料内各不同位置的折射率相对于光学材料标称折射率之间的偏差表征。目前斐索干涉法因其非接触、高灵敏度等优点，被广泛应用于光学均匀性检测。但目前对透明光学材料往往只进行单一维度的光学均匀性的检测，存在光学均匀性检测不全面，对材料均匀性复杂的光学材料检测受限的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种光学均匀性双工况检测装置和光学均匀性双工况检测方法，实现对被测元件的光学均匀性更全面的检测，为光学材料内全空间质量评价提供了全面可靠的数据基础。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种光学均匀性双工况检测装置，包括干涉仪、光路切换组件、立式检测光路、卧式检测光路和承载组件；

3、其中，所述干涉仪用于沿被测元件的轴向方向和径向方向对被测元件进行干涉检测，以获得表征所述被测元件的折射率均匀性的干涉检测信息；所述被测元件为柱状结构，具有相对分布且相互平行的侧平面；所述轴向方向为所述被测元件的轴线方向；所述径向方向和所述侧平面垂直；

4、所述立式检测光路和所述卧式检测光路分别位于所述光路切换组件的两个不同的输出光路上；

5、所述承载组件，用于承载所述被测元件并将所述被测元件置于所述立式检测光路和所述卧式检测光路的交叉区域；

6、所述光路切换组件设置在所述干涉仪的输出光路上，用于对所述干涉仪输出的检测光束在所述立式检测光路和所述卧式检测光路之间进行切换，以使所述干涉仪对所述被测元件在沿所述轴向方向进行干涉检测和沿所述径向方向进行干涉检测之间切换。

7、在一种实施例中，所述承载组件包括旋转驱动组件，用于驱动所述被测元件以平行于所述轴向方向的旋转中心轴旋转。

8、在一种实施例中，所述承载组件还包括俯仰调节组件和扭摆调节组件，用于对所述被测元件的姿态进行调整。

9、在一种实施例中，所述立式检测光路包括在所述轴向方向上位于所述交叉区域两侧的第一标准透镜和第一反射镜；且所述第一标准透镜位于所述干涉仪和所述第一反射镜之间的光路上；

10、所述卧式检测光路包括在所述径向方向上位于所述交叉区域两侧的第二标准透镜和第二反射镜；且所述第二标准透镜位于所述干涉仪和所述第二反射镜之间的光路上；

11、所述第一标准透镜和所述第一反射镜分别安装在第一标准镜工装和第一反射镜工装上；

12、所述第二标准透镜和所述第二反射镜分别安装在第二标准镜工装和第二反射镜工装上；

13、所述第一标准镜工装、所述第一反射镜工装、所述第二标准镜工装和所述第二反射镜工装均设有位姿调节结构。

14、在一种实施例中，所述第一标准透镜和所述第二标准透镜均为平面标准镜、球面标准镜或柱面标准镜中的一种透镜或多种透镜的组合透镜；

15、所述干涉仪为机械相移斐索干涉仪、波长相移斐索干涉仪或动态斐索干涉仪；

16、所述光路切换组件为可移动折转镜、可旋转反射镜或分光切换组件。

17、在一种实施例中，所述立式检测光路和所述卧式检测光路中的至少一路检测光路上设置有光束整形组件；所述光束整形组件包括扩束组件。

18、一种光学均匀性双工况检测方法，应用于具有柱状结构的被测元件，所述被测元件具有相对分布且相互平行的侧平面；所述方法包括：

19、获得利用如上任一项所述的光学均匀性双工况检测装置，沿所述被测元件的轴向方向和径向方向，对所述被测元件测得的轴向干涉检测信息和径向干涉检测信息，其中，所述轴向方向为所述被测元件的轴线方向；所述径向方向和所述侧平面垂直；

20、构建所述被测元件的光学均匀性模型；其中，所述光学均匀性模型为；其中，为所述被测元件中在的折射率偏差值；为在三维直角坐标系中所述被测元件上的位置点的归一化坐标，所述三维直角坐标系的z轴方向和所述轴向方向平行，x方向和所述径向方向平行；为待反演的第阶展开系数；为横向zernike多项式，为横向模式数量；为轴向legendre多项式；

21、根据所述轴向干涉检测信息和所述径向干涉检测信息，对所述光学均匀性模型进行求解运算，获得所述光学均匀性模型中各阶展开系数；

22、根据各阶所述展开系数，确定所述被测元件中的折射率均匀性三维分布结果。

23、在一种实施例中，所述被测元件为棱柱结构；

24、所述径向干涉检测信息包括沿所述被测元件多个不同的侧平面检测获得的干涉检测信息；

25、相应地，根据所述轴向干涉检测信息和所述径向干涉检测信息，对所述光学均匀性模型进行求解运算，获得所述光学均匀性模型中各阶展开系数，包括：

26、根据所述光学均匀性模型和所述被测元件在所述轴向方向上的材料厚度，确定所述轴向干涉检测信息满足的第一线性方程为；其中，为在所述被测元件上沿经过测得的轴向干涉检测信息；为所述材料厚度；为第0阶展开系数；

27、根据所述轴向干涉检测信息对所述第一线性方程进行求解运算，获得所述第0阶展开系数；

28、根据所述光学均匀性模型，确定所述径向干涉检测信息满足的第二线性方程为；其中，为在二维直角坐标系中的坐标；所述二维直角坐标系中的uov平面和xoy平面相互平行，且u轴垂直于所述被测元件的第对侧平面，v轴平行于所述被测元件的第对侧平面；为在所述被测元件上沿经过测得的径向干涉检测信息；为所述被测元件的第对侧平面之间距离的一半；

29、根据所述径向干涉检测信息对所述第二线性方程进行求解运算，获得第1阶至第k阶的展开系数。

30、在一种实施例中，所述被测元件为棱柱结构；所述径向干涉检测信息为沿垂直于所述被测元件的各对侧平面分别进行检测获得的；

31、相应地，根据所述径向干涉检测信息对所述第二线性方程进行求解运算，获得第1阶至第k阶的展开系数，包括：

32、根据legendre多项式在区间[-1,1]上的正交性，对所述第二线性方程沿所述轴向方向进行逐阶次分离，获得单阶次线性方程为；其中，为轴向模态分离后的投影系数；表示所述被测元件在轴向方向上分割为个高度位置时第个归一化高度位置；为相邻两个高度位置之间的归一化间距；

33、根据所述径向干涉检测信息，对所述单阶次线性方程进行求解运算，获得第1阶至第k阶的所述展开系数。

34、在一种实施例中，对所述被测元件测得的轴向干涉检测信息和径向干涉检测信息，包括：

35、利用在所述轴向方向依次排布的第一标准透镜、所述被测元件和第一反射镜，检测获得所述被测元件上靠近和背离所述第一标准透镜的两个表面分别与所述第一标准透镜的表面之间的第一前表面光程差、第一后表面光程差，以及所述第一标准透镜和所述第一反射镜相对的两个表面之间的第一满腔光程差；

36、在所述第一标准透镜和所述第一反射镜之间未放置所述被测元件时，获得所述第一标准透镜和所述第一反射镜相对的两个表面之间的第一空腔光程差；

37、利用在所述径向方向依次排布的第二标准透镜、所述被测元件和第二反射镜，检测获得所述被测元件上靠近和背离所述第二标准透镜的两个表面分别与所述第二标准透镜的表面之间的第二前表面光程差、第二后表面光程差，以及所述第二标准透镜和所述第二反射镜相对的两个表面之间的第二满腔光程差；

38、在所述第二标准透镜和所述第二反射镜之间未放置所述被测元件时，获得所述第二标准透镜和所述第二反射镜相对的两个表面之间的第二空腔光程差；

39、按照运算公式，运算获得所述轴向干涉检测信息和所述径向干涉检测信息；其中，为干涉检测信息；为所述前表面光程差、为所述后表面光程差，为满腔光程差，为所述空腔光程差；为所述被测元件的标称折射率。

40、本发明所提供的一种光学均匀性双工况检测装置，包括干涉仪、光路切换组件、立式检测光路、卧式检测光路和承载组件；其中，干涉仪用于沿被测元件的轴向方向和径向方向对被测元件进行干涉检测，以获得表征被测元件的折射率均匀性的干涉检测信息；被测元件为柱状结构，具有相对分布且相互平行的侧平面；轴向方向为被测元件的轴线方向；径向方向和侧平面垂直；立式检测光路和卧式检测光路分别位于光路切换组件的两个不同的输出光路上；承载组件，用于承载被测元件并将被测元件置于立式检测光路和卧式检测光路的交叉区域；光路切换组件设置在干涉仪的输出光路上，用于对干涉仪输出的检测光束在立式检测光路和卧式检测光路之间进行切换，以使干涉仪对被测元件在沿轴向方向进行干涉检测和沿径向方向进行干涉检测之间切换。

41、本技术的光学均匀性双工况检测装置中在干涉仪的输出光路上设置光路切换组件、立式检测光路和卧式检测光路，并设置有可将被测元件置于立式检测光路和卧式检测光路的交叉区域的承载组件；同一干涉仪能够利用光路切换组件的切换调制作用，在立式检测光路与卧式检测光路之间切换，从而沿被测元件的轴向方向和径向方向分别进行干涉检测，实现对被测元件的内部折射率非均匀性的更全面检测，为光学材料质量评价和后续应用提供了更完善的检测依据。并且，本技术中对被测元件两个不同维度的信息检测是仅通过光路切换组件切换调整即可实现，无需调整干涉仪位置和方向，有效避免了因干涉仪重复定位变化引入的测量误差，确保了两次检测的空间基准统一，提高两个维度的光学均匀性可靠检测。

42、本技术还提供了一种光学均匀性双工况检测方法，将zernike多项式与legendre多项式的乘积正交基构建为光学均匀性模型，并利用上述光学均匀性双工况检测装置对被测元件沿轴向方向检测的轴向干涉检测信息和径向方向检测的径向干涉检测信息，该光学均匀性模型进行求解运算，实现对被测元件内部折射率非均匀性的三维分布重建，为光学材料内全空间质量评价提供了全面可靠的数据基础。