基于局部像差补偿的大偏离度非球面的双光路检测系统的制作方法

1.本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于局部像差补偿的大偏离度非球面的双光路检测系统。


背景技术：

2.大口径大偏离度光学元件在航空航天等领域有着十分广泛的应用，比如导弹头部的整流罩便是一种大口径大偏离光学元件。要生产高质量的大口径大偏离度光学元件，必须有相匹配的高精度检测方法，保证制造的表面与理想表面的误差在允许范围内，否则有可能无法达到光学系统设计的预期效果。
3.大口径光学元件面形检测方法可以分为接触法和非接触法。接触法通常使用轮廓仪或坐标测量机等器件进行测量，这种方式易划伤被测光学元件表面；非接触法中，子孔径拼接法由于其在高非球面度的光学元件的检测中具有低成本、高精度的优点，且不需要制作大口径的参考检具，是目前检测大口径光学元件广泛采用的方法。但是目前的子孔径拼接法通用性低、检测大偏离度表面时效果差、动态范围小、难以提升精度，因此，现在缺少一种通用性高、可高精度检测多种大口径大偏离度光学元件的方法。
4.现有专利“基于动态波前调制结合计算全息片的干涉面形检测方法，(专利号：201810487033.1)”采用计算全息片补偿待测自由曲面的旋转对称像差，采用纯相位型反射式空间光调制器动态补偿自由曲面的剩余像差，该专利具有通用性强、动态灵活补偿的优点，但是对于大偏离度表面会产生干涉图过密而解析困难的情况。


技术实现要素：

5.本发明克服了现有技术的不足之一，提供了一种基于局部像差补偿的大偏离度非球面的双光路检测系统，可实现大口径、大偏离度面形的检测，通用性强，检测精度高等优点。
6.根据本公开的一方面，本发明提供一种基于局部像差补偿的大口径大偏离度非球面的检测系统，所述系统包括：干涉仪1、空间滤波器2、空间光调制器3、变焦零位补偿器4、被测元件5、切换式反射镜6、反射镜7、空间光调制器8和变焦零位补偿器9；
7.其中，所述空间滤波器2、空间光调制器3、变焦零位补偿器4、被测元件5依次设置在所述干涉仪1的主光轴线上；由干涉仪1、空间滤波器2、空间光调制器3、变焦零位补偿器4和被测元件5组成第一光路，用于检测所述干涉仪主光轴线区域的被测元件5的面形区域；
8.所述切换式反射镜6设置在所述干涉仪1的光轴线上或光轴线外，所述反射镜7、空间光调制器8和变焦零位补偿器9依次设置在所述干涉仪1的主光轴线外；由干涉仪1、空间滤波器2、切换式反射镜6、反射镜7、空间光调制器8、变焦零位补偿器9和被测元件5组成第二光路，用于检测所述干涉仪主光轴线外的被测元件5剩余的大偏离度面形区域。
9.在一种可能的实现方式中，所述干涉仪1，内置有标准参考面和探测器，用于发出光源；其中一部分光源被所述标准参考面反射到所述探测器作为参考光线，另一部分光源
经所述标准参考面透射作为出射球面光源；其中，所述球面光源按照第一光路或第二光路入射到所述被测元件5后，经所述被测元件5反射后沿原路返回到所述探测器作为测试光线；
10.所述空间滤波器2，位于所述出射球面光源的会聚点处，用于透射所述球面波并滤除反射回来的测试光线的不需要的衍射级次；
11.所述空间光调制器3或空间光调制器8，用于改变液晶分子的指向以实现对球面光波进行相位调控，对所述双光路检测系统的剩余像差进行补偿以实现所述双光路检测系统的零位补偿检测；
12.所述变焦零位补偿器4或变焦零位补偿器9，用于通过变焦对所述双光路检测系统的初级像差进行补偿，将入射的球面波转换为与被测元件5面形相匹配的面形波；
13.切换式反射镜6用于将经所述空间滤波器透射的球面波反射到所述反射镜7上，实现所述被测元件5的主光轴线外的面形区域的检测；
14.探测器用于所述参考光线和所述测试光线发生干涉以得到被测元件5的干涉条纹图像。
15.在一种可能的实现方式中，所述被测元件5为大口径大偏离度的非球面或旋转对称的光学元件。
16.在一种可能的实现方式中，所述球面光源的波长为632.8nm或者1064nm。
17.在一种可能的实现方式中，所述干涉仪1为菲索干涉仪或迈克尔逊干涉仪；所述干涉仪1的探测器为ccd元件或cmos元件。
18.在一种可能的实现方式中，所述空间滤波器2的孔径大小可调。
19.在一种可能的实现方式中，所述零位补偿检测为入射到所述被测元件5上的光线与所述被测元件5的表面垂直。
20.在一种可能的实现方式中，所述切换式反射镜6设置在所述干涉仪1的光轴线上或光轴线外，包括：
21.所述切换式反射镜6移动到所述干涉仪1的光轴线外时，所述第一光路工作，得到所述被测元件5的近轴区域面形的干涉条纹；
22.所述切换式反射镜6移动到所述干涉仪1的光轴线上时，第二光路工作，得到所述被测元件5的光轴线外的干涉条纹；
23.解析所述干涉条纹实现所述被测元件5的任意区域的面形检测，得到所述被测元件5的面形检测数据后按对应位置进行拼接，以得到整个被测元件的面形图。
24.在一种可能的实现方式中，第二光路的切换式反射镜6、反射镜7、空间光调制器8和变焦补偿器9的光轴与所述干涉仪1的光轴线具有夹角。
25.在一种可能的实现方式中，所述切换式反射镜6、反射镜7、空间光调制器8和变焦补偿器9被封装为零位检测组件，并沿所述干涉仪1的光轴线旋转。
26.本公开的基于局部像差补偿的大偏离度非球面的双光路检测系统，将局部波像差补偿和零位补偿检测法相结合，并加入变焦结构，解决大偏离度非球面光学元件检测方案中干涉条纹解析困难、精度不足的问题，能够实现大口径、大偏离度面形的检测，具有通用性强，检测精度高等优点。
附图说明
27.附图用来提供对本技术的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本技术实施例的附图与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，但并不构成对本技术技术方案的限制。
28.图1示出了根据本公开一实施例的基于局部像差补偿的大偏离度非球面的双光路检测系统的原理图；
29.图2示出了根据本公开一实施例的基于局部像差补偿的大偏离度非球面的待测元件的轴上与轴外检测区域示意图。
具体实施方式
30.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本技术实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
31.图1示出了根据本公开一实施例的基于局部像差补偿的大偏离度非球面的双光路检测系统的原理图。
32.如图1所示，该检测系统可以包括：干涉仪1、空间滤波器2、空间光调制器3、变焦零位补偿器4、被测元件5、切换式反射镜6、反射镜7、空间光调制器8和变焦零位补偿器9。其中，空间光调制器3和空间光调制器8可以为液晶空间光调制器(透射式相位型液晶空间光调制器(lc
‑
slm))。
33.如图1所示，空间滤波器2、空间光调制器3、变焦零位补偿器4、被测元件5依次设置在干涉仪1的主光轴线上。可以由干涉仪1、空间滤波器2、空间光调制器3、变焦零位补偿器4和被测元件5组成第一光路，用于检测干涉仪1主光轴线附近的被测元件5的面形区域(非球面度不大的被测元件5的面形区域)。其中，如图1实线光线所示，第一光路为干涉仪的光轴线上(轴上)光路。干涉仪1主光轴线附近的被测元件5的面形区域可以为干涉仪1主光轴线、主光轴线上或主光轴线下几十毫米的区域所对应的被测元件5的面形区域。
34.切换式反射镜6设置在干涉仪1的光轴线上或光轴线外，即切换式反射镜6可以沿着干涉仪1的光轴线上、下移动。当第一光路工作时，切换式反射镜6移动到干涉仪1的光轴线外，此时得到被测元件5的光轴线上的干涉条纹；当第二光路工作时，切换式反射镜6移动到干涉仪1的光轴线上，此时得到被测元件5的光轴线外的干涉条纹。
35.反射镜7、空间光调制器8和变焦零位补偿器9依次设置在干涉仪1的主光轴线外。可以由干涉仪1、空间滤波器2、切换式反射镜6、反射镜7、空间光调制器8、变焦零位补偿器9和被测元件5组成第二光路，用于检测干涉仪1主光轴线外的被测元件5剩余的大偏离度面形区域。其中，如图1虚线光线所示，第二光路为干涉仪的光轴线外(轴外)光路。
36.其中，干涉仪1内置有标准参考面和探测器，用于发出光源。其中一部分光源被标准参考面反射到探测器作为参考光线，另一部分光源经标准参考面透射作为出射球面光源。
37.球面光源按照第一光路或第二光路入射到所述被测元件5后，经被测元件5反射后沿原路返回到所述探测器作为测试光线。以第一光路为例进行球面波传播线路进行说明，
球面光源依次向后传播经空间滤波器2、空间光调制器3、变焦零位补偿器4到被测元件5后，再经被测元件5反射后经变焦零位补偿器4、空间光调制器3和空间滤波器2返回到探测器，成为测试光线。
38.干涉仪1可以为菲索干涉仪或迈克尔逊干涉仪，球面光源的波长为632.8nm或者1064nm等，在此不作限定。
39.探测器用于参考光线和测试光线发生干涉以得到被测元件5的干涉条纹图像。其中，探测器可以为电耦合元件(ccd元件)或互补金属氧化物半导体(cmos元件)，用于探测该检测系统最终返回的测试光线，并通过显示器显示参考光与测试光产生的干涉条纹。干涉仪内置的计算设备还可以计算并显示干涉条纹所对应的峰谷值(pv)和均方根值(rms)，计算设备可以由计算机、可编程门阵(fpga)或者数字信号处理器(dsp)实现，在此不做限定。
40.空间滤波器2位于出射球面光源的会聚点处，用于透射所述球面波并滤除反射回来的测试光线的不需要的衍射级次，防止其他衍射级次对测试光线的干扰，例如滤去空间光调制器4或空间光调制器8产生的除所需要的1阶或
‑
1阶衍射光线外的其余衍射级次的光线。其中，空间滤波器为可变孔径类型，可以根据被测元件的参数不同进行孔径大小的调整。
41.空间光调制器3或空间光调制器8用于改变液晶分子的指向以实现对球面光波进行相位调控，对双光路检测系统的剩余像差进行补偿以实现该双光路检测系统的零位补偿检测。例如透射式相位型液晶空间光调制器3或空间光调制器8通过主动控制电压来改变液晶分子的空间指向性，实现光波相位调控，补偿系统的残余像差。通过采用了空间光调制器实现局部波像差补偿，能够提高该系统最终检测的精度。相比传统子孔径拼接面形检测方案，大幅提升了被测元件的大偏离区域面形检测精度。
42.其中，零位补偿检测为入射到所述被测元件5上的光线与被测元件5的表面垂直。例如让入射到被测元件表面的光线与被测元件5的表面垂直(即入射光线与被测表面的各处法线方向完全相同)，这样经过空间光调制器和变焦补偿器后的光波就不再是球面波，而是与被测元件5的面形完全相同，使得反射光线就会与入射光线重合，反射光线便会原路返回实现零位补偿检测。
43.变焦零位补偿器4或变焦零位补偿器9用于通过变焦对双光路检测系统的初级像差进行补偿，将入射的球面波转换为与被测元件5面形相匹配的面形波。其中，与被测元件5面形相匹配的面形波可以包括与被测元件5面形相同或近似的面形波。变焦零位补偿器4和变焦零位补偿器9由一套变焦镜头组成，用来补偿该检测系统的初级像差，并且能够通过变焦对不同距离处的面形距离进行像差补偿。变焦零位补偿器与干涉仪出射的球面波会聚点以及被测元件5之间的距离也可移动，大大增加适用该系统检测的待测元件的偏离度范围，可以对不同参数的被测元件5表面进行检测，同时也为该检测系统补偿了更大的球差。
44.经被测元件5反射回的测试光线经过空间光调制器3或空间光调制器8的相位调控与变焦零位补偿器4或变焦零位补偿器9的波前补偿后，波前将与被测元件的面形区域的理想面形近似吻合，使得从被测表面返回的测试光线会与入射球面光线近似重合，以达到零位检测的条件，实现零位检测。其中，被测元件5可以为可以是大口径、大偏离度的非球面或旋转对称的自由曲面等光学元件，测试光线包含了被测元件5的面形信息。
45.在一示例中，解析被测元件5的光轴线上或光轴线外的干涉条纹实现被测元件5的
任意区域的面形检测，得到被测元件5的面形检测数据后按对应位置进行拼接，以得到整个被测元件的面形图。
46.例如，当切换式反射镜6位于干涉仪1的光轴线外且空间光调制器3和变焦零位补偿器4位于干涉仪1的光轴线上光路时为光路1，检测轴上非球面度不大的被测元件5的面形区域，得到被测元件5的近轴(干涉仪1的光轴线附近)的干涉条纹。
47.切换式反射镜6以及空间光调制器8和变焦零位补偿器9的相应倾斜配合得到光路2，此时，切换式反射镜6、反射镜7、空间光调制器8和变焦补偿器9的光轴与干涉仪1的光轴线具有一定的夹角。旋转与倾斜第二光路以检测被测元件5剩余的大梯度大偏离度面型区域，得到被测元件5的光轴线外区域面形检测的干涉条纹。得到被测元件5的光轴线上和光轴线外的干涉条纹后，可利用计算机解算出面形偏差数据，将其按对应位置进行拼接即可得到被测元件5的全口径的面形误差图。
48.另外，第二光路的器件(切换式反射镜6、反射镜7、空间光调制器8和变焦补偿器9)可封装在一起由电机带动沿轴上光路的主轴旋转，同时空间光调制器8的调制电压也根据探测器上的干涉条纹进行调整，直到达到零位检测的条件，进而检测待测元件的任意离轴区域的面形。通过利用分光路检测能够给予轴外大偏离度面形信息更多的像素支持。
49.图2示出了根据本公开一实施例的基于局部像差补偿的大口径大偏离度非球面的待测元件的轴上与轴外检测区域示意图。
50.如图2所示，将轴外器件沿干涉仪1的光轴线旋转一周即可检测图中外缘由点划线构成的大偏离度面形的区域，继续调整光路2检测被测元件5剩余的轴外大偏离度面形区域。由干涉仪中的计算设备解析计算干涉条纹，得到各区域面形的峰谷值(pv)和均方根值(rms)，最后将其按对应位置进行拼接即可得到被测元件5的全口径的面形误差。
51.本公开的基于局部像差补偿的大偏离度非球面的双光路检测系统，干涉仪1、空间滤波器2、空间光调制器3、变焦零位补偿器4、被测元件5、切换式反射镜6、反射镜7、空间光调制器8和变焦零位补偿器9；其中，空间滤波器2、空间光调制器3、变焦零位补偿器4、被测元件5依次设置在所述干涉仪1的主光轴线上；由干涉仪1、空间滤波器2、空间光调制器3、变焦零位补偿器4和被测元件5组成第一光路，用于检测所述干涉仪主光轴线附近的被测元件5的面形区域；切换式反射镜6设置在所述干涉仪1的光轴线上或光轴线外，所述反射镜7、空间光调制器8和变焦零位补偿器9依次设置在所述干涉仪1的主光轴线外；由干涉仪1、空间滤波器2、切换式反射镜6、反射镜7、空间光调制器8、变焦零位补偿器9和被测元件5组成第二光路，用于检测所述干涉仪主光轴线外的被测元件5剩余的大偏离度面形区域。通过将局部波像差补偿和零位补偿检测法相结合，并加入变焦结构，解决大偏离度非球面光学元件检测方案中干涉条纹解析困难、精度不足的问题，能够实现大口径、大偏离度面形的检测，具有通用性强，检测精度高等优点。
52.虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。