阅读说明：本技术 一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量装置及方法 (Large-curvature-radius free-form surface mirror surface shape interference measurement device and method ) 是由 闫力松 冀慧茹 晁联盈 莫言 马冬林 于 2019-08-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量装置及方法。其中测量装置包括干涉仪、CGH、光学透镜,通过在CGH设置主检测区域、与光学透镜对准区域、与干涉仪对准区域、镜面基准区域及透镜基准区域五种衍射区域对装置中的光学器件之间的位置进行调整,从而保证了检测光路中各光学元件的精确对准；本发明通过利用光学透镜对检测光路长度进行缩短,同时结合计算全息元件对待测自由曲面反射镜进行零位补偿,解决了现有技术由于在检测大曲率半径光学元件时检测光路的光程较长而导致的对测量环境要求较高测量困难的问题,为现代先进光学系统的制造开发提供保证,具有检测精度高,检测场地环境及尺寸要求简单等优点。(The invention discloses an interference measurement device and method for a large-curvature radius free-form surface mirror surface shape. The measuring device comprises an interferometer, a CGH and an optical lens, and the position between optical devices in the device is adjusted by arranging five diffraction regions, namely a main detection region, an alignment region with the optical lens, an alignment region with the interferometer, a mirror surface reference region and a lens reference region in the CGH, so that the accurate alignment of each optical element in a detection light path is ensured; the invention shortens the length of the detection light path by using the optical lens, and simultaneously performs zero compensation on the free-form surface reflector to be detected by combining the calculation holographic element, solves the problem of difficult measurement with higher requirement on the measurement environment caused by longer optical path of the detection light path when detecting the optical element with large curvature radius in the prior art, provides guarantee for the manufacture and development of modern advanced optical systems, and has the advantages of high detection precision, simple requirements on the environment and the size of a detection field and the like.)

一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，更具体地，涉及一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量装置及方法。

背景技术

随着国家技术的进步，空间探测、地面遥感、航空、航天、照明、显示等领域对光学系统的轻量化、小型化、系统像质优化等方面提出了更高的要求。将自由曲面应用于光学系统，可以提升系统优化自由度，减少光学系统设计残差和光学元件数量，在改善系统像质的同时简化光学系统结构。上述优点使得光学系统设计者可根据光学系统设计参数的特殊需要，突破传统光学系统的概念，将自由曲面运用于全新的系统设计方案中。因而，自由曲面光学系统具有减少光学元件数量，提高成像质量，适应轻量化要求等优势。目前自由曲面已在空间相机、照明光学、头盔显示等光学系统中得到了成功应用。基于自由曲面的光学系统应用研究已经成为现代高性能光学系统发展的重要方向，对高精度自由曲面光学元件的制造需求随之而来，而自由曲面的高精度测量则是高精度自由曲面光学元件制造的基础，是先进光学系统开发中的核心步骤之一，对于先进光学系统的制造具有重要意义。

干涉测量作为一种通用的光学元件最终精度检测方法，其理想状态是实现对待测元件的零位检测。大曲率半径光学元件在光学系统中也有着广泛的应用，例如欧洲极大望远镜(European Extremely Large Telescope，E-ELT)的主镜顶点曲率半径达到84m量级，若采用传统的补偿检测方法，检测光路长度将不低于84m。检测光路长度越大对检测场地尺寸要求越高，同时对振动、气流扰动等检测环境的要求越苛刻，检测难度越高。

综上所述，提供一种对测量环境要求较低简单方便的大曲率半径自由曲面混合补偿镜面面形干涉测量装置及方法是亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量装置及方法，旨在解决现有技术由于在检测大曲率半径光学元件时检测光路的光程较长而导致的对测量环境要求较高测量困难的问题。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量装置，包括干涉仪、计算全息元件(Computer Generated Hologram，CGH)、光学透镜；

其中，CGH用于接收干涉仪发送的干涉光，发生衍射后经光学透镜汇聚后垂直入射到待测自由曲面反射镜上，从而对待测自由曲面反射镜实现零位补偿检测；

光学透镜用于接收CGH发送过来的衍射光，并对光线进行汇聚以缩短检测光路的长度。

进一步优选地，光学透镜的前后表面均为球面，其后表面的曲率半径与待测自由曲面反射镜的顶点曲率半径相等，所述后表面是指离待测自由曲面反射镜较近的那一面。

进一步优选地，CGH包含主检测区域、与光学透镜对准区域、与干涉仪对准区域、镜面基准区域及透镜基准区域五种衍射光学区域。

进一步优选地，主检测区域位于CGH的中心区域，向外依次分布着与光学透镜对准区域和与干涉仪对准区域；镜面基准区域均匀的分布在与光学透镜对准区域中；透镜基准区域均匀的分布在与干涉仪对准区域中。

进一步优选地，主检测区域为待测自由曲面反射镜零位补偿测量区域；与光学透镜对准区域用于实现干涉测量中CGH与光学透镜的对准；与干涉仪对准区域用于CGH与干涉仪进行对准；镜面基准区域用于实现待测自由曲面反射镜在检测光路中的粗对准；透镜基准区域用于对光学透镜的位置进行粗调。

本发明另一方面提供了一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量方法，包括以下步骤：

S1、将干涉仪、CGH、光学透镜以及待测自由曲面反射镜进行对准；

S2、干涉仪发出的干涉光经CGH补偿并衍射，经过光学透镜进行汇聚后垂直入射到待测自由曲面反射镜上；

S3、光路经待测自由曲面反射镜反射后原路返回，经过光学透镜和CGH后重新返回到干涉仪中，并与干涉仪参考光发生干涉，得到零条纹状态下的干涉条纹，进而得到待测自由曲面反射镜的面形结果。

进一步优选的，步骤S1中将干涉仪、CGH、光学透镜以及待测自由曲面反射镜进行对准的方法包括以下步骤：

S11、调整CGH与干涉仪间的相对位置，使得干涉仪发出的光线经过CGH上的与干涉仪对准区域后返回到干涉仪内，与干涉仪参考光形成零条纹状态的干涉条纹，从而完成干涉仪与CGH的对准；

S12、干涉仪与CGH的对准后，沿着光路方向在CGH的后方形成四个CGH投射十字线，将光学透镜放置在四个CGH投射十字线的中央，完成光学透镜与干涉仪及CGH位置的粗对准；

S13、调整光学透镜的位置，使得干涉仪发出的光线经过CGH上的与透镜对准区域以及光学透镜后返回到干涉仪内，与干涉仪参考光形成零条纹状态干涉条纹，从而完成干涉仪、CGH以及光学透镜的对准；

S14、干涉仪、CGH以及光学透镜的对准后，并沿着光路方向在光学透镜的后方形成四个CGH投射十字线，将待测自由曲面反射镜放置在四个CGH投射十字线的中央，完成待测自由曲面反射镜在光路中的粗对准；

S15、调整待测自由曲面反射镜的位置，当干涉仪中所形成的自由曲面检测干涉条纹变得稀疏甚至零条纹时，即完成了干涉仪、CGH、光学透镜及待测自由曲面反射镜的精确对准。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供了一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量方法，通过利用光学透镜对检测光路长度进行缩短，同时结合计算全息元件对待测自由曲面反射镜进行零位补偿，解决了现有技术由于在检测大曲率半径光学元件时检测光路的光程较长而导致的对测量环境要求较高测量困难的问题。

2、本发明提供了一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量装置，通过在CGH设置主检测区域、与光学透镜对准区域、与干涉仪对准区域、镜面基准区域及透镜基准区域五种衍射区域对装置中的光学器件之间的位置进行调整，从而保证了检测光路中各光学元件的精确对准，保证测量结果的精确性，避免在面形干涉检测结果中引入额外的像差。

附图说明

图1是本发明所提供的一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量装置；

图2是为本发明所提供的CGH区域分布示意图；

图3是本发明所提供的CGH与干涉仪对准后的干涉图；

图4是本发明所提供的CGH投射十字线与光学透镜位置关系示意图；

图5是本发明所提供的CGH投射十字线与待测自由曲面反射镜位置关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为实现上述目的，本发明一方面提供了一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量装置，如图1所示，包括干涉仪1、CGH2、光学透镜3；

其中，干涉仪1用于发送干涉光；具体的，干涉仪1发送的干涉光可以为标准球面波；

CGH2用于接收干涉仪1发送的干涉光，发生衍射后，衍射波前经光学透镜3汇聚后垂直入射到待测自由曲面反射镜4上，从而对待测自由曲面反射镜4实现零位补偿检测；

光学透镜3用于接收CGH2发送过来的衍射光，并对光线进行汇聚以缩短检测光路的长度。具体的，光学透镜3的前后表面均为球面，记指离待测自由曲面反射镜较近的那一面为后表面，其后表面的曲率半径与待测自由曲面反射镜4的顶点曲率半径相等，从而保证衍射光经过光学透镜3后能够沿着待测自由曲面反射镜法线方向正入射到待测自由曲面反射镜上。

具体的，以如图2所示的圆形CGH为例，CGH包含主检测区域、与光学透镜对准区域、与干涉仪对准区域、镜面基准区域及透镜基准区域五种衍射光学区域用于保证检测光路中各光学元件的精确对准，避免在干涉检测结果中引入额外的像差。每个区域中的刻线频率分布不同，其中，主检测区域位于CGH的中心区域，向外依次分布着与光学透镜对准区域和与干涉仪对准区域；本实施例中，镜面基准区域有4个，分别均匀的分布在与光学透镜对准区域中；透镜基准区域有4个，分别均匀的分布在与干涉仪对准区域中。具体的，主检测区域为待测自由曲面反射镜零位补偿测量区域；与光学透镜对准区域用于实现干涉测量中CGH与光学透镜的对准；与干涉仪对准区域用于CGH与干涉仪进行对准；镜面基准区域用于实现待测自由曲面反射镜在检测光路中的粗对准；透镜基准区域用于对光学透镜的位置进行粗调。

本发明另一方面提供了一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量方法，包括以下步骤：

S1、将干涉仪、CGH、光学透镜以及待测自由曲面反射镜进行对准；具体的，由于自由曲面检测装置涉及干涉仪、CGH、光学透镜及自由曲面四个光学元件，光学元件对准中的失调会在干涉检测结果中引入额外像差，所以需要对它们进行精确对准。

S2、干涉仪发出的干涉光经CGH补偿并衍射，经过光学透镜进行汇聚后垂直入射到待测自由曲面反射镜上；具体的，补偿元件CGH可以对待测自由曲面反射镜进行补偿，干涉光经补偿元件CGH后产生的衍射光经过光学透镜后能够沿着待测自由曲面反射镜法线方向正入射到待测自由曲面反射镜上且能原路返回，从而保证产生的干涉图仅包含待测自由曲面反射镜面形偏差信息。具体的，光路在光学透镜的汇聚作用下会大大缩短其光程，具体的，其光路长度缩短到待测自由曲面反射镜顶点曲率半径长度的1/5以内，所以在检测大曲率半径光学元件时能够有效的避免因检测光路的光程较长而导致的对测量环境要求较高测量困难等问题。

S3、光路经待测自由曲面反射镜反射后原路返回，经过光学透镜和CGH后重新返回到干涉仪中，并与干涉仪参考光发生干涉，得到零条纹状态下的干涉条纹，进而得到待测自由曲面反射镜的面形结果。

具体的，步骤S1中将干涉仪、CGH、光学透镜以及待测自由曲面反射镜进行对准的方法包括以下步骤：

S11、调整CGH与干涉仪间的相对位置使得干涉仪发出的光线经CGH上的与干涉仪对准区域后返回到干涉仪内，并与干涉仪参考光形成干涉条纹，继续调节CGH与干涉仪相对位置，将干涉条纹调至零条纹状态，此时干涉条纹为全黑或全白，如图3所示；当干涉条纹为全黑或全白时，即完成了干涉仪与CGH的精确对准；具体的，可以通过对CGH平移或倾斜来调整CGH与干涉仪之间的相对位置；

S12、在完成干涉仪与CGH精确对准后，经过CGH的透镜基准区域进行投射，沿着光路方向在CGH后方形成如图4所示的四个CGH投射十字线，将光学透镜放置在CGH后方所形成的四个CGH投射十字线的中央，完成光学透镜与干涉仪及CGH位置的粗调；

S13、进一步调整光学透镜的位置，光线经干涉仪发出，经过CGH上的与透镜对准区域以及光学透镜前表面反射，重新经过与透镜对准区域，再返回至干涉仪中并与干涉仪参考光形成干涉条纹后，继续调整光学透镜的位置将干涉条纹调至零条纹状态，如图3所示，此时即完成干涉仪、CGH及光学透镜的精确对准；

S14、在完成干涉仪、CGH及光学透镜的精确对准后，经过CGH的镜面基准区域进行投射，并沿着光路方向在光学透镜的后方形成如图5所示的四个CGH投射十字线，将待测自由曲面反射镜放置在四个CGH投射十字线中央，完成待测自由曲面反射镜在光路中的粗对准；

S15、待测自由曲面反射镜通过CGH主区域在干涉仪中形成相应的干涉条纹，进一步调整待测自由曲面反射镜的位置，干涉仪中所形成的自由曲面检测干涉条纹将会变得稀疏甚至可以得到零条纹的情况，即实现了干涉仪、CGH、光学透镜及待测自由曲面反射镜的精确对准。具体的，可以对待测自由曲面反射镜进行平移或倾斜来调整其位置。

本发明提供了一种大曲率半径自由曲面镜面面形干涉测量装置及方法，通过在CGH设置主检测区域、与光学透镜对准区域、与干涉仪对准区域、镜面基准区域及透镜基准区域五种衍射区域对装置中的光学器件之间的位置进行调整，从而保证了检测光路中各光学元件的精确对准，避免在干涉检测结果中引入额外像差；本发明通过利用光学透镜对检测光路长度进行缩短，同时结合计算全息元件对待测自由曲面反射镜进行零位补偿，与现有技术相比，其光路长度缩短到待测自由曲面反射镜顶点曲率半径长度的1/5以内，解决了现有技术由于在检测大曲率半径光学元件时检测光路的光程较长而导致的对测量环境要求较高测量困难的问题，为现代先进光学系统的制造开发提供保证。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。