CN103759668B - 基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，倾斜波面干涉系统可以补偿自由曲面光学元件的局部梯度，从而减小干涉条纹密度，增强探测器的动态范围，实现对复杂自由曲面光学元件的测量。系统用光纤阵列代替透镜阵列，光纤阵列相较于透镜阵列出射球面波质量要好，并且出射球面波发散角可以控制。光纤阵列中的每束光纤的出射光都由光纤一一对应导入，光能利用效率要高于使用透镜阵列的干涉系统，同时可以消除大部分杂散光的影响。每根光纤的通断可以单独控制，不需再使用掩模板来控制点源的选通。

Description

基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统

技术领域

本发明属于光学精密测量领域，是一种用于测量自由曲面、非球面光学元件面形的干涉测量装置。

背景技术

自由曲面光学元件，是指一类复杂的、非旋转对称的光学元件。不仅可以获得较之传统光学面型更好的光学质量，同时大大减小了光学元件的体积尺寸，具有重量轻、装调方便、成本低等优点。自由曲面光学元件已经大量用于各种领域。例如，为了满足对路面的亮度、照度、均匀度的要求，且尽可能使得大部分光都分布在道路面上以提高灯光的利用率，通常用马鞍形透镜对LED路灯进行配光，配光后LED路灯输出的光线照射在路面上所形成的光斑由圆形变成矩形。自由曲面汽车车灯是目前国际上最为流行的一种汽车车灯，它具有车灯高度低、光能利用率高及空气动力学性能好等优点。在激光技术、显微镜甚至图像处理中，将入射光汇聚成一条直线或者特定形状的曲线。将光束汇聚成一条线最简单的光学系统是由一个柱面透镜和一个球面透镜组成。但是，应用这么简单的光学系统很难获得光线强度分布均匀的光线，而应用自由曲面光学元件则可以克服此缺点。

然而自由曲面光学元件的测量水平严重限制了其加工制造水平的提高。由于自由曲面光学元件面型自由度较高，局部面型梯度变化大，采用传统干涉测量装置进行测量，往往干涉条纹密度过大，超过了探测器的探测动态范围，无法获得条纹信息来测量自由曲面光学元件的面形质量。

目前，世界上还没有可以高精度、高效率检测自由曲面光学元件面形的仪器。在自由曲面光学元件加工中，比较成熟的检测方法主要是三坐标机法和轮廓仪法。三坐标机法检测精度只能达到微米量级，不能满足面形的精度测量要求。轮廓仪法精度可以达到亚微米级，但是每次测量仅能得到待测元件表面上一条线的误差，不是真正意义的面形测量。还有其他一些方法，如反射光栅摄影法、摆臂式轮廓扫描法、条纹投影法、子孔径拼接法、计算全息法等，都无法实现高精度、高速度的通用化面形测量。德国斯图加特大学Osten教授团队发明了一种基于点光源阵列的光学自由曲面的测量装置，采用该装置测量自由曲面最大可以补偿10º的表面梯度，测量精度优于1/10λ。该方法中最重要部分是点源阵列发生器，其主要由透镜阵列、针孔阵列、掩模板组成。但是，在实际装配测量时，还有一些问题需要克服，如透镜阵列加工的好坏直接影响到出射波面的质量从而影响测量精度、掩模板的移动位置不精确会导致在干涉图中引入杂散光。该装置采用的是泰曼干涉系统的双光路结构。由于采用的是双光路结构，没有共光路特性，导致其系统误差增大，为了保证测量精度弥补系统误差的增加必然对器件的加工提出了更高的要求，增加了加工安装的成本。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，该系统可以在实现自由曲面、非球面光学元件高精度测量的同时，保证高效快速的通用化检测。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，光路为改进的斐索干涉光路系统，包括光源、光纤耦合器模块、光纤阵列、分光棱镜、准直透镜组、球面透镜组、待测件、光阑、成像透镜和CCD；其中光纤阵列、准直透镜组和球面透镜组构成梯度补偿模块；光源、光纤耦合器模块、光纤阵列、分光棱镜、准直透镜组、球面透镜组、待测件依次共光轴设置；分光棱镜、光阑、成像透镜和CCD依次共光轴设置，且与光源、光纤耦合器模块所处的光轴垂直；由光源发出的激光由光纤导入光纤耦合器模块，光纤耦合器模块将一束激光分成多束激光，再由光纤将多束激光导入光纤阵列，由光纤阵列出射多束发散光，经分光棱镜透射后，再通过准直透镜组形成多束具有不同倾斜角度的平行光，多束具有不同倾斜角度的平行光进入球面透镜组，在球面透镜组最后一个镜面上分成透射光和第一反射光；透射光照射到待测件，由待测件反射后，携带待测件局部面形偏差的多束光返回经球面透镜组形成多束携带待测件局部面形偏差的具有不同倾斜角度的平行光，再经准直透镜组后形成多束会聚光，再由分光棱镜折转度进入光阑，经光阑滤除杂散光，最后由成像透镜成像在CCD上，形成测试光路；第一反射光从球面透镜组最后一个镜面上沿原路返回经球面透镜组、准直透镜组，再由分光棱镜折转90度进入光阑，经光阑滤除杂散光，最后由成像透镜成像在CCD上，形成参考光路。CCD上出现测试光与参考光叠加形成干涉图。

本发明与现有技术相比，其显著优点：基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统的梯度补偿模块中使用了光纤阵列替代以前的透镜阵列。光纤阵列相较于透镜阵列出射球面波质量要好，并且通过选用不同的光纤，出射球面波发散角的改变较为方便。在光能利用效率方面，因为光纤阵列中的每束光纤的出射光都由光纤一一对应导入，所以光能利用效率要高于使用透镜阵列的干涉系统。同时，每根光纤的通断可以单独控制，不许再使用掩膜板来控制点源的选通。另外在光能利用效率提高的同时，也可以消除大部分杂散光的影响。

附图说明

图1 基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统示意图。

图2 光纤阵列端面示意图。

具体实施方式

首次设计提出基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，突破了使用透镜阵列的干涉系统的局限，能更好的消除系统误差，提高测量精度。该方案在国际上尚无提出。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，光路为改进的斐索干涉光路系统，包括光源1、光纤耦合器模块2、光纤阵列3、分光棱镜4、准直透镜组5、球面透镜组6、待测件7、光阑8、成像透镜9和CCD 10；其中光纤阵列3、准直透镜组5和球面透镜组6构成梯度补偿模块；光源1、光纤耦合器模块2、光纤阵列3、分光棱镜4、准直透镜组5、球面透镜组6、待测件7依次共光轴设置；分光棱镜4、光阑8、成像透镜9和CCD 10依次共光轴设置，上述光轴与光源1、光纤耦合器模块2所处的光轴垂直；由光源1发出的激光由光纤导入光纤耦合器模块2，光纤耦合器模块2将一束激光分成多束激光，再由光纤将多束激光导入光纤阵列3，由光纤阵列3出射多束发散光，经分光棱镜4透射后，再通过准直透镜组5形成多束具有不同倾斜角度的平行光，多束具有不同倾斜角度的平行光进入球面透镜组6，在球面透镜组6的最后一个镜面上分成透射光和第一反射光；透射光照射到待测件7，由待测件7反射后，携带待测件7局部面形偏差的多束光返回经球面透镜组6形成多束携带待测件7局部面形偏差的具有不同倾斜角度的平行光，再经准直透镜组6后形成多束会聚光，再由分光棱镜4折转90度进入光阑8，经光阑8滤除杂散光，最后由成像透镜9成像在CCD 10上，形成测试光路；第一反射光从球面透镜组6最后一个镜面上沿原路返回经球面透镜组6、准直透镜组5，再由分光棱镜4折转90度进入光阑8，经光阑8滤除杂散光，最后由成像透镜9成像在CCD 10上，形成参考光路；CCD 10上出现测试光与参考光叠加形成干涉图。

球面透镜组6为齐名透镜组，即球面透镜组6的焦点与距待测件7最近的球面的球心重合，由球面透镜组6距待测件7最近的球面反射的光束为参考光。待测件7顶点曲率中心与球面透镜组6的焦点重合。

系统为非零位干涉系统，由待测件7反射后携带待测件7局部面形偏差的多束测试光并不需完全原路返回，只要满足干涉图样条纹密度不超出CCD 10分辨率。

光纤耦合器模块2由若干个光纤耦合器、光开关组成。为了避免相邻点光源之间相互干扰，光纤阵列3中每根光纤都可以通过控制光纤耦合器模块2中该根光纤中的光开关实现光路通断。

由光纤阵列3出射球面光波发散角为2u，且sinu不小于0.13，选用不同的光纤可得到不同发散角的球面波；光纤阵列3相邻光纤芯距为2mm；光纤阵列3的端面与光源1、光纤耦合器模块2所处的光轴垂直，光纤阵列3中每根光纤的出射端面在同一平面内。

光纤阵列3中每根光纤出射的测试光都能覆盖待测件7的整个面形。位于光纤阵列3的同一直径上的两个两根最边缘光纤出射光束照射到待测件7上的重叠区域要大于待测件7的口径。

最后一步的工作是从干涉条纹解析出待测件面形信息，首先把不同点源在光开关控制通断时得到的子干涉图进行拼接融合，以得到整个曲面上的干涉条纹图样。通过对整个待测件干涉图的处理，解析出整个待测件的面形信息。

实施例：

结合图1和图2，设计一种基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，光源1选用波长为632.8nm的He-Ne激光器；在光纤耦合器模块2中，首先用光纤耦合器将导入的1束激光分为11束激光，然后将这11束激光中的每一束再次用光纤耦合器分为11束激光，最后将得到的121束激光分别导入光纤阵列3；光纤阵列3包含11×11根光纤，每根光纤数值孔径为0.2；准直透镜组5视场角为±5°，准直透镜组5有效工作口径为Φ118mm，准直透镜组5焦距为225mm；球面透镜组6的视场角为±5°，球面透镜组6的有效工作口径为Φ80mm，球面透镜组6的焦距为163mm；准直透镜组5与球面透镜组6的主面间距为225mm。系统可用来测试最大表面梯度偏差±10°以内、相对孔径小于0.4（F数大于2.5）的系列自由曲面光学元件。

Claims (9)

1.一种基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，其特征在于：光路为改进的斐索干涉光路系统，包括光源（1）、光纤耦合器模块（2）、光纤阵列（3）、分光棱镜（4）、准直透镜组（5）、球面透镜组（6）、待测件（7）、光阑（8）、成像透镜（9）和CCD（10）；其中光纤阵列（3）、准直透镜组（5）和球面透镜组（6）构成梯度补偿模块；光源（1）、光纤耦合器模块（2）、光纤阵列（3）、分光棱镜（4）、准直透镜组（5）、球面透镜组（6）、待测件（7）依次共光轴设置；分光棱镜（4）、光阑（8）、成像透镜（9）和CCD（10）依次共光轴设置，上述光轴与光源（1）、光纤耦合器模块（2）所处的光轴垂直；由光源（1）发出的激光由光纤导入光纤耦合器模块（2），光纤耦合器模块（2）将一束激光分成多束激光，再由光纤将多束激光导入光纤阵列（3），由光纤阵列（3）出射多束发散光，经分光棱镜（4）透射后，再通过准直透镜组（5）形成多束具有不同倾斜角度的平行光，多束具有不同倾斜角度的平行光进入球面透镜组（6），在球面透镜组（6）的最后一个镜面上分成透射光和第一反射光；透射光照射到待测件（7），由待测件（7）反射后，携带待测件（7）局部面形偏差的多束光返回经球面透镜组（6）形成多束携带待测件（7）局部面形偏差的具有不同倾斜角度的平行光，再经准直透镜组（5）后形成多束会聚光，再由分光棱镜（4）折转90度进入光阑（8），经光阑（8）滤除杂散光，最后由成像透镜（9）成像在CCD（10）上，形成测试光路；第一反射光从球面透镜组（6）最后一个镜面上沿原路返回经球面透镜组（6）、准直透镜组（5），再由分光棱镜（4）折转90度进入光阑（8），经光阑（8）滤除杂散光，最后由成像透镜（9）成像在CCD（10）上，形成参考光路；CCD（10）上出现测试光与参考光叠加形成干涉图。

2.根据权利要求1所述基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，其特征在于：待测件（7）顶点曲率中心与球面透镜组（6）的焦点重合。

3.根据权利要求1所述基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，其特征在于：球面透镜组（6）为齐名透镜组，即球面透镜组（6）的焦点与距待测件（7）最近的球面的球心重合，由球面透镜组（6）中距待测件（7）最近的球面反射的光束为参考光。

4.根据权利要求1所述基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，其特征在于：系统为非零位干涉系统，由待测件（7）反射后携带待测件（7）局部面形偏差的多束测试光并不需完全原路返回，只要满足干涉图样条纹密度不超出CCD（10）分辨率。

5.根据权利要求1所述基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，其特征在于：为了避免相邻点光源之间相互干扰，光纤阵列（3）中每根光纤都可以通过控制光纤耦合器模块（2）中该根光纤中的光开关实现光路通断。

6.根据权利要求1所述基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，其特征在于：由光纤阵列（3）出射球面光波发散角为2u，且sinu不小于0.13，选用不同的光纤可得到不同发散角的球面波；光纤阵列（3）相邻光纤芯距为2mm；光纤阵列（3）的端面与光源（1）、光纤耦合器模块（2）所处的光轴垂直，光纤阵列（3）中每根光纤的出射端面在同一平面内。

7.根据权利要求1所述基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，其特征在于：光纤阵列（3）中每根光纤出射的测试光都能覆盖待测件（7）的整个面形。

8.根据权利要求1所述基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，其特征在于：位于光纤阵列（3）的同一直径上的两个两根最边缘光纤出射光束照射到待测件（7）上的重叠区域要大于待测件（7）的口径。

9.根据权利要求1所述基于光纤阵列型空间点源阵列发生器的倾斜波面干涉系统，其特征在于：光纤耦合器模块（2）由若干个光纤耦合器、光开关组成。