[發明專利]基于部分補償法的雙波長相移干涉非球面測量方法及裝置

有效

• 申請號: 201711019962.1
• 申請日: 2017-10-27
• 公開（公告）號: CN107764203B
• 公開（公告）日: 2019-08-23
• 發明（設計）人: 郝群;張麗瓊;胡搖;王劭溥;李騰飛
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鮑文娟

本發明屬于光學精密測試技術領域，涉及一種基于部分補償法的雙波長相移干涉方法及實現裝置。該方法構建部分補償法雙波長相移干涉儀，獲取兩個單波長的被測波前包裹相位；建模部分補償法雙波長理想干涉儀，獲得兩個單波長的剩余波前和包裹相位；采用誤差分離和消除算法消除被測波前包裹相位中的已知及未知波前變化量，最后采用逆向迭代優化重構被測非球面的面形誤差。裝置包括第一激光器和第二激光器、第一狹縫和第二狹縫、第一平面鏡和第二平面鏡、第一分束鏡和第二分束鏡、擴束鏡、準直鏡、標準平面鏡、移相器、部分補償鏡、被測非球面、成像鏡頭和含稀疏陣列傳感器的干涉圖采集組件。本發明特別適用于小面形誤差的陡度非球面，以及大面形誤差的模壓非球面和自由曲面的加工質量測量。

技術領域

本發明屬于光學精密測試技術領域，特別涉及雙波長相移干涉檢測方法的改進，用于實現大非球面度或大面形誤差的光學非球面面形誤差的高精度測量。

背景技術

利用非球面取代傳統球面可用更少的光學元件改善系統成像性能，同時具有增加設計自由度、減小體積和減輕系統重量等優點。在航天相機和天文望遠鏡等精密光學系統中，某些非球面特別是陡度光學非球面的制造和測試甚至對光學系統的更新換代起決定性的作用。然而非球面波前特別是陡度非球面波前的高精度檢測一直是非球面光學元件設計和制造中面臨的測量難題。

如果被測波前與參考球面存在較大的偏離,產生的密集干涉條紋不滿足奈奎斯特條件，即每條干涉條紋少于兩個像素，從而超過了相移干涉測量技術(PSI)可檢測到的波前斜率最大極限。目前，常用的擴展PSI量程的非球面檢測方法有環形或圓形子孔徑拼接法，長波長法，高密度探測器法，雙波長相移干涉法(TWPSI)和亞奈奎斯特法(SNI)。

子孔徑拼接技術是將全口徑分割成許多個滿足奈奎斯特條件的小區域，以求解每一個子孔徑，子孔徑拼接法需要精密運動的機械掃描裝置和復雜的拼接算法去實現子孔徑的自動切換和拼接，檢測時間也相對較長。長波長法和高密度探測器法分別采用昂貴的長波長光源和高密度探測器擴大PSI可測動態范圍，大大增加了儀器系統的成本。為了測量高陡度波前，亞利桑那大學光學研究中心先后提出了雙波長相移干涉法(TWPSI)和亞奈奎斯特法(SNI)。SNI是基于被測波前一階導數或斜率的連續性假設重建被測波前，采用稀疏陣列傳感器記錄被測波前相位，可實現相位變化超過π的高斜率非球面波前檢測。TWPSI不需要對被測波前的預知，TWPSI采用等效波長的解包裹波前作為參考修正單波長2π模糊性解包裹波前，可實現相位變化超過π的陡度非球面波前檢測。

專利號為US4832489的專利首先提出雙波長相移干涉裝置和方法，用于精確重構陡度非球面的輪廓，采用了泰曼-格林干涉光路結構，運用等效合成波長解包裹波前修正單波長解包裹波前的2π模糊性。對與參考表面偏離達數百個波長的被測表面實現了單波長精度測量，但是需要針對雙波長干涉儀以及被測非球面特別設計消色差零位補償鏡，增加了系統設計難度和實現的通用性。

專利號為CN201310571673.8和CN201410342492.2的專利先后提出了一種雙波長同時相移干涉測量方法，對采集到的雙波長混合相移干涉條紋圖，分別提取兩個單波長的包裹相位，然后計算出合成波長相位。該方法主要適用于階梯、凹槽等具有突變的微結構表面的三維形貌測量。

專利號為CN201620294905.9的專利提出了一種斐索式雙波長干涉測試裝置及其合成波長相位提取方法，需要針對部分光路進行消色差設計，主要解決合成波長相位提取速度和不同波長移相誤差對合成波長的影響問題。

由于具體應用領域不同，上述專利各自實現了相關領域的關鍵問題解決，因此有各自的優缺點和適用范圍。對于TWPSI應用于陡度非球面測量，補償鏡和干涉儀的色差一直是TWPSI實際應用需要解決的關鍵問題，如果對補償鏡和干涉儀進行消色差設計必然大大增加儀器設計難度和周期。