專利名稱：一種精確測量大口徑光學(xué)平面基自由曲面面形精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精確測量大口徑光學(xué)平面基自由曲面面形精度的方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)自由曲面沒有嚴格確切的定義，通常是指無法用球面或者非球面系數(shù)來表示的光學(xué)曲面，主要是指非旋轉(zhuǎn)對稱的曲面或者只能用參數(shù)向量來表示的曲面(如NURBS曲面)。光學(xué)自由曲面已經(jīng)在日常生活的各個方面獲得了愈來愈廣泛的應(yīng)用，如復(fù)印機、打印機以及彩色激光電視中都要用到光學(xué)自由曲面；另外，光學(xué)自由曲面作為共形光學(xué)系統(tǒng)中的元件已經(jīng)用于飛機的機窗，這不但極大地提高了飛機本身的空氣動力學(xué)特性，同時也消除了高階像差。雖然光學(xué)自由曲面已經(jīng)取得了越來越多的應(yīng)用，大口徑(口徑大于200mm) 平面基光學(xué)自由曲面無論是制作成本還是其加工的精度都遠不能和其他球面基自由曲面和小口徑(口徑小于200mm)平面基光學(xué)自由曲面相比，其中的主要障礙之一是面形的精密檢測。當(dāng)前，測量光學(xué)自由曲面的方法有很多，有接觸式輪廓測量技術(shù)，數(shù)字樣板干涉技術(shù)，數(shù)字樣板結(jié)合子孔徑拼接干涉技術(shù)，計算全息技術(shù)(CGH)和反射光柵攝影測量技術(shù)等。 但是這些方法在檢測大口徑(口徑大于200mm)平面基光學(xué)自由曲面時都有各自的缺陷如數(shù)字樣板干涉技術(shù)和計算全息技術(shù)(CGH)檢測范圍??；接觸式輪廓測量技術(shù)測量精度低， 測量點是離散的，缺乏連續(xù)性，檢測周期長；數(shù)字樣板結(jié)合子孔徑拼接干涉技術(shù)隨機誤差大，拼接裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，檢測周期長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有測量光學(xué)自由曲面的方法存在檢測范圍小、測量數(shù)度低、檢測周期長，并且測量點是離散的、缺乏連續(xù)性，同時測量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴的問題，提供一種精確測量大口徑光學(xué)平面基自由曲面面形精度的方法。一種精確測量大口徑光學(xué)平面基自由曲面面形精度的方法，該方法由以下步驟實現(xiàn)步驟一、根據(jù)被檢測平面基自由曲面的面形數(shù)據(jù)與口徑和離軸拋物鏡的口徑、焦距和離軸量數(shù)據(jù)采用激光直寫技術(shù)在玻璃基底上制作計算全息圖；步驟二、調(diào)整激光干涉儀與離軸拋物鏡的位置，使激光干涉儀發(fā)出球面波焦點與離軸拋物鏡的焦點重合，并且球面波前經(jīng)過離軸拋物鏡的反射后形成與離軸拋物鏡的有效口徑等大的平面波前；步驟三、調(diào)整步驟一獲得的計算全息圖的位置，使激光干涉儀發(fā)出的球面波前經(jīng)過計算全息圖和離軸拋物鏡后，獲得與標(biāo)準自由曲面波前一致的波前；步驟四、調(diào)整被檢測平面基自由曲面的位置，使激光干涉儀發(fā)出的球面波前經(jīng)過計算全息圖和離軸拋物鏡后與步驟三產(chǎn)生的波前發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉條紋；步驟五、采用激光干涉儀測量步驟四獲得的干涉條紋，獲得被檢測平面基自由曲面的面形精度。本發(fā)明的工作原理首先，進行計算全息圖的制造，根據(jù)被檢平面基自由曲面的相關(guān)數(shù)據(jù)和離軸拋物鏡的口徑、焦距、離軸量等數(shù)據(jù)利用激光直寫技術(shù)在玻璃基底上制作計算全息圖；再將數(shù)字激光干涉儀、計算全息圖、和大口徑離軸拋物鏡安置在預(yù)設(shè)位置，使得數(shù)字激光干涉儀發(fā)出的理想球面波通過計算全息圖后形成的一級衍射光經(jīng)過離軸拋物鏡反射后形成的波前與理想被檢自由曲面波前一致；最后將被檢平面基自由曲面安置在預(yù)設(shè)位置，與其他設(shè)備形成干涉檢測光路，利用數(shù)字干涉儀進行干涉測量，直接得到被檢自由曲面的面形精度數(shù)據(jù)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種大口徑(口徑大于 200mm)平面基光學(xué)自由曲面面形精度進行精確測量的技術(shù)，該技術(shù)能夠精確實現(xiàn)對大口徑 (口徑大于200mm)平面基光學(xué)自由曲面的面形精度進行測量，數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)運算簡單， 實驗操作簡單易行，測量時間短、測試成本低；本發(fā)明通過擴充激光干涉儀、CGH和離軸拋物鏡的現(xiàn)有功能，能夠準確的實現(xiàn)對大口徑平面基自由曲面面形精度的測量。該方法物理概念明確，數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)運算簡單，實驗操作簡單易行，檢測成本低，測試時間短。


圖1是本發(fā)明的測量大口徑平面基自由曲面面形精度的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的測量大口徑平面基自由曲面面形精度的流程圖。
具體實施例方式結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，一種精確測量大口徑光學(xué)平面基自由曲面面形精度的方法，該方法由以下步驟實現(xiàn)一、制作計算全息圖(CGH) 2，根據(jù)被檢平面基自由曲面1的相關(guān)數(shù)據(jù)和離軸拋物鏡3的口徑、焦距、離軸量等數(shù)據(jù)利用激光直寫技術(shù)在玻璃基底上制作CGH，使得激光干涉儀1發(fā)出的球面波前經(jīng)過CGH和離軸拋物鏡3后，達到特定距離時與理想自由曲面波前一致；二、調(diào)整激光干涉儀1與離軸拋物鏡3位置，使得激光干涉儀1發(fā)出球面波焦點與離軸拋物鏡3的焦點重合且該球面波前可以充滿整個離軸拋物鏡3的有效口徑，這樣球面波前經(jīng)過離軸拋物鏡3的反射后形成與離軸拋物鏡3的有效口徑等大的平面波前；三、將計算全息圖(CGH) 2安放至設(shè)計位置，使得激光干涉儀1發(fā)出的球面波前經(jīng)過CGH和離軸拋物鏡后，達到特定距離時與理想自由曲面波前一致；四、將被檢測平面基自由曲面1安放至設(shè)計位置，使其與步驟三產(chǎn)生的波前發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉條紋；五、采用激光干涉儀1測量干涉條紋，得到被檢測平面基自由曲面1的面形精度。本實施方式所述的激光干涉儀1是一種高精度測量光學(xué)面形的裝置，激光干涉儀先通過其內(nèi)部的激光器發(fā)射出激光光束，該光束經(jīng)半透半反標(biāo)準物鏡后分成兩束光，一部分光沿原路返回，稱之為參考光；另一部分光束經(jīng)后面的待測球面鏡反射后沿原路返回，稱之為測試光；測試光束和參考光束將發(fā)生干涉，形成干涉條紋，通過位相計算即可得到待測光學(xué)鏡面的面形精度。激光干涉儀一般用來檢測光學(xué)鏡面的面形分布，并不能直接實現(xiàn)對球面元件曲率半徑的測量。 本實施方式所述的計算全息圖(CGH) 2是一種使用計算機合成的全息圖根據(jù)已知的物體和參考光的數(shù)學(xué)描述，通過計算機輔助設(shè)計計算，并以一定的方式編碼后，獲得全息圖平面上的理論復(fù)透過率函數(shù)的數(shù)值表達形式，再使用特定工藝方式將該復(fù)透過率函數(shù)實現(xiàn)為光學(xué)元件。計算全息圖(CGH) 2作為一種衍射光學(xué)元件，使用指定的參考波前入射時，其衍射圖案可以控制各衍射級次波前的振幅函數(shù)變化和相位函數(shù)變化，最終衍射生成設(shè)計計算過程中指定的光波波前。
權(quán)利要求
1. 一種精確測量大口徑光學(xué)平面基自由曲面面形精度的方法，其特征是，該方法由以下步驟實現(xiàn)步驟一、根據(jù)被檢測平面基自由曲面(4)的面形數(shù)據(jù)與口徑和離軸拋物鏡C3)的口徑、 焦距和離軸量數(shù)據(jù)采用激光直寫技術(shù)在玻璃基底上制作計算全息圖；步驟二、調(diào)整激光干涉儀(1)與離軸拋物鏡C3)的位置，使激光干涉儀(1)發(fā)出球面波焦點與離軸拋物鏡(3)的焦點重合，并且球面波前經(jīng)過離軸拋物鏡(3)的反射后形成與離軸拋物鏡(3)的有效口徑等大的平面波前；步驟三、調(diào)整步驟一獲得的計算全息圖( 的位置，使激光干涉儀(1)發(fā)出的球面波前經(jīng)過計算全息圖( 和離軸拋物鏡C3)后，獲得與標(biāo)準自由曲面波前一致的波前；步驟四、調(diào)整被檢測平面基自由曲面(4)的位置，使激光干涉儀(1)發(fā)出的球面波前經(jīng)過計算全息圖( 和離軸拋物鏡C3)后與步驟三產(chǎn)生的波前發(fā)生干涉，產(chǎn)生干涉條紋；步驟五、采用激光干涉儀(1)測量步驟四獲得的干涉條紋，獲得被檢測平面基自由曲面的面形精度。
全文摘要
一種精確測量大口徑光學(xué)平面基自由曲面面形精度的方法，涉及精確測量大口徑光學(xué)平面基自由曲面面形精度的方法，它解決現(xiàn)有測量光學(xué)自由曲面的方法存在檢測范圍小、測量數(shù)度低、檢測周期長，并且測量點是離散的、缺乏連續(xù)性，同時測量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴的問題，首先進行計算全息圖的制造，根據(jù)被檢平面基自由曲面的相關(guān)數(shù)據(jù)和離軸拋物鏡的口徑、焦距、離軸量等數(shù)據(jù)在玻璃基底上制作計算全息圖；再將數(shù)字激光干涉儀、計算全息圖和離軸拋物鏡安置在預(yù)設(shè)位置，使得數(shù)字激光干涉儀發(fā)出的理想球面波通過計算全息圖后形成的光經(jīng)過離軸拋物鏡反射后形成的波前與理想被檢自由曲面波前一致；最后將被檢平面基自由曲面安置在預(yù)設(shè)位置。
文檔編號G01B11/24GK102564342SQ201110439188
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者范鏑 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所