[發明專利]一種大動態范圍測量非球面光學元件表面輪廓裝置

有效

• 申請號: 201210115626.8
• 申請日: 2012-04-19
• 公開（公告）號: CN102636130A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 黃林海;王海英;周虹
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 許玉明;賈玉忠

技術領域

本發明涉及一種大動態范圍測量非球面光學元件表面輪廓裝置。該裝置只需要借助普通的輔助會聚鏡頭，即能對非球面光學元件表面輪廓給出定量檢測數據。

背景技術

隨著精密光學加工技術的發展，非球面光學元件已經廣泛地應用于各種光學系統中，如各種高品質的相機、攝像機、光學測量儀器及掃描儀等光學系統，甚至是與我們日常生活息息相關的產品(如非球面汽車車燈)。

非球面光學元件，是指面形由高次方程決定、面形上各點半徑均不相同的光學元件。非球面有許多獨特的性質，將非球面應用于光學系統中，能夠減少系統中光學元件的數量、提高系統成像質量。

因為非球面不同于球面的特殊性質，其檢測方法也一直成為關注的熱點。非球面光學元件檢測發展出了多種技術，典型的有面形輪廓法、無像差點法、補償干涉法、剪切法等，以及近年來比較多文獻報道的計算全息法和環形子孔徑拼接法等。這些方法各有其作用及特點，但也常常受限于具體的檢測對象及檢測環境。如面形輪廓法，屬于機械接觸式測量，機械探針在接觸光學元件表面時容易造成自身損傷及光學元件的損傷；無像差點法是一種常見的非球面光學元件檢測手段，但是只適用于二次非球面光學元件，而且對不同的非球面光學元件，適用的檢測光路也不同，往往需要較高精度的輔助球面鏡；補償干涉法是設計、制作一定的補償器來使非球面光學元件的反射波前能盡量靠近球面波來實現檢測，同樣，補償器是針對非球面光學元件參數對應設計的，并且，在檢測中補償器自身的誤差通常無法消除掉。剪切法是以分束的方法，令兩束相關的波前之間產生剪切干涉以反映誤差信息，但因器件口徑的限制，一般僅用在小口徑、小相對孔徑非球面光學元件的檢測中。計算全息法無需使用干涉樣板，但是全息樣板的計算量大，這對全息樣板的復位精度要求很高，并且一個非球面光學元件對應一個全息樣板的制作，通用性不強；此外，還有在球面干涉儀上沿光軸方向移動干涉儀或非球面光學元件，改變它們之間的距離產生非共心光束，通過各個不同曲率半徑的參考球面波來匹配被測非球面光學元件的不同環帶區域，從而使被測元件相對于參考波前的斜率差減小到干涉儀的允許范圍內，用干涉法分別測量各個環形子孔徑區域然后拼接、擬合得到整個面形信息，即所謂環形子孔徑拼接法。這種方法可以使現有的球面干涉儀擴展到非球面光學元件的檢測，但是對裝置調整精度要求很高。

綜合上述介紹，可以看出，各種非球面光學元件檢測方法都有各自的局限性以及檢測對象的單一性。因此通用性較強、結構簡單、測量過程易于控制的非球面光學元件檢測方法，是十分有價值的。

本發明提出一種大動態范圍測量非球面光學元件表面輪廓的方法：利用一定的孔徑分割光闌，使光束通過光闌分割后照射到被檢測的光學表面上，經光學表面反射的光束再投影到接受屏上。該投影光束將包含被測光學表面的誤差信息，借助一定的算法即可得到其面形輪廓數據。這種方法能大動態范圍測量非球面光學元件表面輪廓，通常只需要借助普通的輔助會聚鏡頭，即能對非球面光學元件表面輪廓給出定量檢測數據。

相對于前述的各種檢測方法，本方法在整個檢測過程中沒有移動部件，因此具有較好的環境適應性，不易受振動、氣流干擾等的影響；這種方法屬于非接觸式光學測量，因而不存在像輪廓儀那樣因機械接觸而導致的關鍵部件損傷或者光學表面損傷的問題；同時，本方法具有很大的彈性可變的動態范圍，因此具有很強的通用性，能夠適應各種不同批次、不同參數光學非球面的檢測要求，而無需像計算全息法或補償法那樣需要制作專門的輔助元件或補償器，也無需像環形子孔徑拼接方法那樣，以機械裝置的調整換取動態范圍，導致對裝置調整的要求過高

發明內容

本發明所解決的技術問題是：克服現有檢測技術的不足，利用一個特殊光闌，通過采集經被測件反射的光束在屏上形成的圖像，給出非球面光學元件表面或者表面輪廓的定量檢測數據，提供一種大動態范圍測量非球面光學元件表面輪廓裝置。

本發明提供以下技術方案：

一種能大動態范圍測量非球面光學元件表面輪廓裝置，其特征在于，該裝置利用一個子孔徑分割光闌2來形成特定的入射光束，將該入射光束投影到被檢測的非球面光學元件3表面，從非球面光學元件3表面反射回來的光束經反射鏡4后被漫反射屏5攔截，CCD7利用成像透鏡探測漫反射屏中的光強分布6并將光強分布圖像數據送入計算機，計算機根據子孔徑分割光闌形成的特定入射光束光強的變化計算出被檢測的光學元件表面輪廓。

進一步的，該裝置利用一個光學成像裝置對接收屏成像，以采集接收屏上的光束圖像。