基于级联变形镜的大面积大曲率光学自由表面测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种基于级联变形镜的大面积大曲率光学自由表面测量装置及测量方法，利用级联可变形镜可以自适应的产生与大面积大曲率被测自由表面相似或一致的大曲率波前，同一装置可以检测不同面积和曲率的被测自由表面，测量范围大、通用性强、系统成本低。利用波前传感器检测大面积大曲率被测自由表面反射波前，整个系统无干涉元件，系统稳定性高，抗干扰能力强。

说明书

技术领域

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于级联变形镜的大面积大曲率光学自由表面测量装置及测量方法。

背景技术

因光学自由曲面的特殊性能，具有大尺寸大曲率的自由表面光学元件已经逐渐被应用于军事国防、航空航天领域。此外，随着计算机辅助光学设计技术的发展，人们设计出了体积更小、成像能力更优异的单个或单组自由曲面光学元件以期取代大体积复杂传统光学成像系统，使自由曲面光学元件也逐步走向民生及工业生产领域。受益于现代机械加工制造技术的发展，大尺寸大曲率的光学自由曲面超精密加工得以实现，然而，对其加工质量的检测是一个世界性难题。

目前，已经发展了众多的自由曲面测量方法，主要分为接触式和非接触式，其中接触式检测法如轮廓仪法、坐标测量机法等，采用逐点扫描方式，测量效率低下，容易划伤表面，对被测面造成不可预测的损伤，且需要离线检测，在超精密测量领域有很多限制。在非接触测量方法中，基于光学干涉测量的零位补偿镜法和非干涉的哈特曼波前传感器检测法被广泛使用，前者通过设计的补偿镜系统可以实现大尺寸大曲率自由表面的测量，但是其设计成本高，通用性和自适应性不强，不同的自由表面光学元件需要不同的补偿镜系统，此外，这种干涉测量方法对系统抗干扰能力要求高，而基于哈特曼波前传感器可以直接对检测自由曲面反射波前进行检测，但是其可检测的波前曲率有限，难以满足大曲率自由曲面的测量。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于级联变形镜的大面积大曲率光学自由表面测量装置及测量方法，该装置结构简单紧凑，通用性强、自适应性高，可以实现非干涉大面积大曲率自由表面的自适应测量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的基于级联变形镜的大面积大曲率光学自由表面测量装置，包括：

级联的可变形镜单元，用于调制大面积大曲率被测自由表面的入射波前；

非干涉测量单元，用于测量大面积大曲率被测自由表面的反射波前；

控制终端，用于定量获取可变形镜的变形数据以及控制可变形镜产生的表面变形；

标准平面波平行光束经过级联的可变形镜单元能够产生与大面积大曲率被测自由表面相匹配的波前；

其中，所述的非干涉测量单元，包括成像镜头、分束棱镜和中继镜，反射波前经过成像镜头、分束棱镜和中继镜后由第一波前传感器进行非干涉测量；

所述的级联的可变形镜单元，包括第一平面反射镜、第二平面反射镜和N级可变形镜，N≥2；在每级可变形镜的表面上方都设有一个用于检测可变形镜表面形变量的检测装置，且该检测装置能够将检测的数据实时反馈至控制终端；

标准平面波平行光束依次经过第一平面反射镜、一级可变形镜、二级可变形镜……N级可变形镜及第二平面反射镜后，再经分束棱镜以及成像镜头的波前放大后入射到大面积大曲率被测自由表面上。

优选地，标准平面波经过N级级联的可变形镜调制以及经过成像镜头放大后产生的定量波前与大面积大曲率被测自由表面的理想波前是相似或一致的。

优选地，所述检测装置包括设置在可变形镜上方的光源、准直扩束镜和波前传感器，光源发出的光经过准直扩束镜形成标准平面光，再经可变形镜反射至波前传感器，波前传感器将检测到的可变形镜表面变形量反馈至控制终端。

优选地，标准平面波平行光束由光源发出的光经准直扩束镜准直扩束后形成，或者直接由平行光管产生。

本发明还公开了基于上述的基于级联变形镜的大面积大曲率光学自由表面测量装置检测大面积大曲率被测自由表面三维面型信息的方法，包括以下步骤：

1)标准平面波平行光束经过级联的可变形镜单元以及非干涉测量单元后，被调制成与大面积大曲率被测自由表面的理想波前一直或相似的定量已知的入射波前；

2)大面积大曲率被测自由表面的反射波前由非干涉测量单元测量得到；

3)利用步骤1)调制的定量已知的入射波前数据和步骤2)测量得到的反射波前数据，解调出大面积大曲率被测自由表面的三维面型信息。

优选地，步骤1)中，光源发出的光经过准直扩束镜准直扩束后形成标准平面波平行光束，然后经级联的可变形镜单元反射，再经非干涉测量单元的分束棱镜及成像镜头放大后入射到大面积大曲率被测自由表面上。

优选地，步骤2)中，大面积大曲率被测自由表面的反射光透过成像镜头、分束棱镜以及中继镜的波前横向尺寸变换后进入波前传感器进行非干涉测量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的基于级联变形镜的大面积大曲率光学自由表面测量装置，利用级联可变形镜可以自适应的产生与大面积大曲率被测自由表面相似或一致的大曲率波前，同一装置可以检测不同面积和曲率的被测自由表面，测量范围大、通用性强、系统成本低。利用波前传感器检测大面积大曲率被测自由表面反射波前，整个系统无干涉元件，系统稳定性高，抗干扰能力强。

本发明公开的检测方法，利用控制终端控制级联的可变形镜单元产生变形，同时波前传感器对可变性镜的变形进行实时检测并反馈给控制终端，形成一个闭环控制系统。标准平面波平行光束经闭环控制系统的波面调制成为与大面积大曲率被测自由表面理想波前一致或者相似的定量已知波前，该波前入射到大面积大曲率被测自由表面，且反射波前直接由波前传感器非干涉测量，综合利用已知的入射波前和测得的反射波前来得到大面积大曲率被测自由表面的三维面型信息。

附图说明

图1为本发明的基于级联变形镜的大面积大曲率光学自由表面测量装置的结构示意图。

其中：1-光源I；2-光源II；3-光源III；4-准直扩束镜I；5-准直扩束镜II；6-准直扩束镜III；7-第一平面反射镜；8-第二平面反射镜；9-一级可变形镜；10-二级可变形镜；11-第二波前传感器；12-第三波前传感器；13-第一波前传感器；14-分束棱镜；15-成像镜头；16-大面积大曲率被测自由表面；17-中继镜；18-控制终端。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，为本实施例的基于级联变形镜的大面积大曲率光学自由表面测量装置，该实施例公开的装置为两级级联变形镜，从图中来看，测量装置的元器件具体包括三个准直扩束镜，两个平面反射镜、两个可变形镜、三个波前传感器、一个分束棱镜14、一个成像镜头15和待测的大曲率被测自由表面16、中继镜17以及控制终端18。

光源I 1发出的光经第一准直扩束镜4扩束准直成为标准平面波，出射的标准平面波平行光束依次经过第一平面反射镜7、一级可变形镜9、二级可变形镜10、第二平面反射镜8、分束棱镜14以及成像镜头15的波前放大后入射到大面积大曲率被测自由表面16上。其中，一级可变形镜9、二级可变形镜10会对入射光连续产生调制，经过成像镜头15后可以产生大面积大曲率波前，并使得最终入射到大面积大曲率被测自由表面16上的入射光波前与大面积大曲率被测自由表面16的理想波前一致或者相似，大面积大曲率被测自由表面16反射波前经过成像镜头15、分束棱镜14和中继镜17后由第一波前传感器13检测。

一级可变形镜9、二级可变形镜10对入射光的调制由控制终端18控制它们产生变形，一级可变形镜9、二级可变形镜10产生的定量变形分别由第二波前传感器11和第三波前传感器12测量。具体实现方式是：光源II 2发出的光经过第二准直扩束镜5准直扩束成为标准平面波，标准平面波平行光束经过一级可变形镜9反射至第二波前传感器11，第二波前传感器11检测其表面变形量并反馈给控制终端18；光源III 3发出的光经过第三准直扩束镜6准直扩束成为标准平面波，平行光束经过二级可变形镜10反射至第三波前传感器12，第三波前传感器12检测其表面变形量并反馈给控制终端18。

根据第二波前传感器11和第三波前传感器12的反馈数据，控制终端18定量获取和控制一级可变形镜9、二级可变形镜10产生的表面变形，它们表面变形能够对入射平面波连续定量调制，经过成像镜头15的波前放大，产生与大面积大曲率被测自由表面16理想波前一致或者相似的已知波前，调制波前作为照明光入射到大面积大曲率被测自由表面16，反射波前经过成像镜头15、分束棱镜14和中继镜17后由波前传感器13直接进行非干涉测量，通过已知的入射波前和测量的反射波前数据，来完成对大面积大曲率被测自由表面16的面型测量。

利用测量已知的大面积大曲率被测自由表面16入射波前的数据和测量的反射波前数据，来解调出大面积大曲率被测自由表面16的三维面型信息。

需要说明的是，本发明不限于图1所示的两级变形镜的级联，也可以扩展成三级变形镜级联，甚至更多级的变形镜级联，实现更大的可测量曲率变化范围。

本发明中的光源和准直扩束装置也可以采用平行光管，并且光源II 2和准直扩束镜5产生的标准平面波以及光源III 3和准直扩束镜6产生的标准平面波也可以用光源I 1和准直扩束镜4产生的标准平面波来分束获得。

综上所述，本发明的创新体现在：入射平面波经过级联可变形镜以及波前放大单元可以产生大面积大曲率波前，结合波前传感器可对变形镜进行实时检测，该波前是可控和已知的，在测量时，可以产生与大面积大曲率被测自由表面理想波前一致或相似的波前作为照明光入射到大面积大曲率被测自由表面上，通过波前传感器对反射波前的非干涉检测就可以实现大面积大曲率自由表面的自适应测量。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。