CN109029288A - 一种基于dmd波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置和方法，属于光学检测领域。该方法引入数字微镜阵列(DMD)对畸变波前像差进行测量，结合光线追迹软件实现非球面及自由曲面的非零位检测。具体通过对DMD编程控制每一个微反射镜单元的工作状态，进而完成整个波前的序列式扫描。这种序列扫描成像的方式不仅扩大了传统波前传感如哈特曼测量的动态范围，更大大提高了其横向分辨率。本方法针对反射式非球面及自由曲面设计了一种通用的非零位检测方法，结构紧凑，具有很强的可扩展性。

Description

一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲 面检测装置和方法

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测领域，特别涉及一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置和方法。

背景技术

现代光学系统正向着小型化与高性能方向发展。光学系统中应用非球面甚至自由曲面不但可以简化系统结构,而且还可以提高系统性能。20世纪80年代以来,非球面广泛应用于航天相机、天文望远系统、红外遥感系统等。而光学自由曲面的设计自由度更大，变量个数多，表面自由度变化大，结构灵活，可以突破传统光学元器件的限制,在校正几乎所有像差的同时简化系统结构，有着良好的应用前景。然而，非球面和自由曲面在几何形状上的特殊性使得它的加工制造显得十分困难。作为加工的前提，大陡度非球面以及自由曲面的检测同样面临着巨大的难题。

目前针对非球面和自由曲面在加工过程中的不同阶段发展出了对应的检测技术。如在粗磨阶段的面形轮廓法，在精磨和粗抛光阶段的几何光线检测法，以及在抛光后期的干涉测量法。对于大陡度非球面以及自由曲面测量，轮廓测量比如三坐标的精度较低，一般只能达到亚微米量级，并且坐标测量对于大口径非球面测量极为耗时；而干涉法虽然有高精度、非接触、全视场的优点。但是对于每一个被测件都要设计对应的补偿器或者计算全息(CGH)，这都要额外采用大量的辅助光学组件,致使结构复杂,公差要求严格，装调误差也会影响检测精度。另外对非球面度较大的器件,计算全息板上所要绘制的条纹很密，这使得制作变的更加复杂,且费用昂贵；几何光线法，比如哈特曼波前测量法相对干涉测量法动态范围较大，相对坐标测量精度较高，因此经常作为衔接非球面光学件在精磨和初抛光阶段的检测难题。然而，对于陡度较大的非球面和自由曲面，传统的哈特曼传感器在动态范围以及横向分辨率上都比较有限。因此，迫切需要发展一种针对大口径，高次非球面以及自由曲面的光学检测方法。

本发明利用波前探测技术，原理上属于几何光线法。与传统的哈特曼波前传感器相比，采用了序列式扫描波前的技术，对待测波前分区域进行成像，这样大大提高了波前探测的动态范围。另外，由于本发明中采用微反射阵列DMD来对波前进行分割扫描，所以其横向分辨率也将会得到极大的提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置和方法，该方法利用DMD对被测波前进行分区域反射，经成像透镜后成像在探测器上。通过成像点位置的探测计算出子波前的斜率，经过后期的斜率积分算法得到波前相位。通过与理论非球面在光线追迹软件中的理论波像差对比，计算出最终的面形结果。

本发明的技术方案是：一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置，所述装置包括：

一维电控平台，用于带动激光光源精确移动到不同的离轴位置或光轴位置；

激光器，用于产生高功率，频率稳定的激光光束；

准直透镜，用于将激光器发出的锥形光束准直为平行光；

分光棱镜，用于将一部分平行光反射至聚焦透镜；所述分光棱镜还用于将被测非球面或自由曲面反射回来的被测波前投射至望远扩束系统；

聚焦透镜，用于将分光棱镜反射回的平行光束聚焦后照射到被测非球面或自由曲面上，聚焦透镜还用于将被非球面或自由曲面反射回的光束准直并补偿球差项后形成实际被测波前；

望远扩束系统，用于将系统的光束尺寸放缩到与DMD尺寸一样，以最大程度利用DMD阵列；

微反射镜阵列DMD，用“开”状态子镜阵列分割被测波前，并分区域将分割后的被测子波前序列式反射到成像透镜；被测波前的其它部分经由DMD处于“关”状态的子镜反射被暗盒吸收；

成像透镜，用于将DMD反射的子波前成像到探测器上；

探测器，用于成像子波前，并记录成像点位置；

暗盒，用于接收DMD“关”状态子镜阵列反射的另外一部分子波前。

其中，所述的聚焦透镜F数大于被测非球面及自由曲面的F数。

其中，所述的望远扩束系统放大比率为其中D为系统光瞳大小，这里由准直透镜决定，d为DMD尺寸的短边长度。

其中，所述的探测器可以是CCD相机，也可以是位置探测器(Position SensitiveDevice,PSD)

一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测方法，所述检测方法基于所述的一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置，所述方法包括：

S1、首先对整个装置进行标定得到标定文件；

S2、在Zemax光线追迹软件中建模，得到待测非球面及自由曲面的理论波像差；

S3、利用标定文件进行实验测量，得到的实验结果减去Zemax中得到的理论波像差就是待测非球面及自由曲面的面形误差。

其中，所述步骤S1中的装置标定方法如下：

在聚焦透镜的后焦点位置放置一块平面镜，通过横向电控平台控制激光器处于不同的离轴量，进而可以通过平面镜引入不同倾斜量的平面波前，记录并形成标定文件。

本发明的原理在于：一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置，包括一维电控平台、激光器、准直透镜、分光棱镜、聚焦透镜、望远扩束系统、微反射镜阵列DMD、成像透镜、CCD相机、暗盒。所述检测装置针对反射式大陡度非球面光学件。

检测反射式大陡度非球面面形的具体步骤如下：

1)根据光源情况，设定DMD子镜阵列大小并编写DMD子镜阵列扫描方式。

2)在聚焦透镜的后焦点位置放置一块平面镜，通过横向电控平台精确控制激光器处于不同的离轴位置，进而可以通过平面镜引入不同倾斜量(倾斜角度)的平面波前，记录测量结果并形成标定文件。

3)在Zemax等光线追迹软件中建模，得到待测非球面及自由曲面在成像面上的理论波像差。

4)利用标定文件进行实验测量，得到的实验结果减去Zemax中得到的理论波像差就是待测非球面及自由曲面的面形误差。

如图2所示，所述的设定DMD子镜阵列大小并编写DMD子镜阵列扫描方式有以下几种方案：以DMD尺寸1024*768为例：其中AperturePosX和AperturePosY分别表示扫描范围的中心位置坐标；SuperPixelAmountX和SuperPixelAmountY分别表示子镜阵列在X和Y方向的数量；SuperPixelPitch表示扫描时相邻两个子镜阵列中心点的距离；SuperPixelLength表示子镜阵列的长度。左上扫描方式表示DMD子镜单元尺寸等于扫描运动距离的情况；右上扫描方式表示DMD子镜单元尺寸小与扫描运动距离的情况；左下扫描方式表示DMD子镜单元尺寸大于扫描运动距离的情况；右下扫描方式表示DMD扫描范围不在中心位置情况。

所述的通过横向电控平台精确控制激光器处于不同的离轴位置，通过聚焦透镜后焦点位置平面镜引入不同倾斜量(倾斜角度)的平面波前，参考光路如图3。离轴量的最大幅值代表系统能检测非球面或自由曲面面形的最大梯度。

所述的在Zemax等光线追迹软件中建模，得到待测非球面及自由曲面在成像面上的理论波像差。通过把被测非球面或者自由曲面面形的理论表达式输入Zemax等光线追迹软件，可以得到系统光线追迹模型如图5。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)与轮廓面形的坐标测量相比，本发明所述的方法具有全口径、非接触、精度高以及检测效率高等优点；

(2)与几何光线法相比，具有动态范围大，横向分辨率高的优点；

(3)与基于补偿器和CGH的干涉测量相比具有结构简单，成本低、通用性强的优点。

(4)本发明较好的平衡了检测系统性能、检测成本和检测效率。

(5)本发明为大陡度非球面及自由曲面面形从精磨到初抛光阶段的通用检测方案，这是现有方法所不具备的。

附图说明

图1为本发明一实施例的检测装置构成示意图；

图2为本发明一实施例的DMD扫描方式示意图；

图3为本发明一实施例的系统标定光路示意图；

图4为本发明一实施例的系统标定方法示意图；

图5为本发明一实施例的系统Zemax模型示意图；

图6为本发明一实施例的待测非球面理论像差示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本实施示例的一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置，一维电控平台11，用于带动激光光源精确移动到不同的离(光)轴位置；

激光器1，用于产生高功率，频率稳定的激光光束；

准直透镜2，用于将激光器1发出的锥形光束准直为平行光；

分光棱镜3，用于将一部分平行光反射至聚焦透镜4；所述分光棱镜3还用于将被测非球面或自由曲面5反射回来的被测波前投射至望远扩束系统6；

聚焦透镜4，用于将分光棱镜3反射回的平行光束聚焦后照射到被测非球面或自由曲面5上，聚焦透镜4还用于将被非球面或自由曲面5反射回的光束准直(补偿球差项)后形成实际被测波前；

望远扩束系统6，用于将系统的光束尺寸放缩到与DMD尺寸一样，以最大程度利用DMD阵列；

微反射镜阵列DMD 7，用“开”状态子镜阵列分割被测波前，并分区域将分割后的被测子波前序列式反射到成像透镜8；被测波前的其它部分经由DMD 7处于“关”状态的子镜反射被暗盒10吸收。

成像透镜8，用于将DMD 7反射的子波前成像到探测器9上；

探测器9，用于成像子波前，并记录成像点位置；

暗盒10，用于接收DMD 7“关”状态子镜阵列反射的另外一部分子波前。

本发明装置的测量过程和检测步骤如下：

第一步：根据光源情况，设定DMD子镜阵列大小并编写DMD子镜阵列扫描方式。比如图2中第一种扫描方式。

第二步：在聚焦透镜4的后焦点位置放置一块平面镜，通过一维电控平台11(横向电控平台)控制激光器处于不同的离轴量，比如0、2mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm进而可以通过平面镜引入不同倾斜量(倾斜角度)的平面波前，如图3记录测量结果并形成标定文件。

第三步：在Zemax等光线追迹软件中建模，假设待测非球面的模型光路如图5所示。通过光线追迹可以得到待测非球面及自由曲面在成像面上的理论波像差，如图6所示。

第四步：利用标定文件进行实验测量，通过如图4所示标定方法得到的标定后的实验结果，减去Zemax中得到的理论波像差就是待测非球面及自由曲面的面形误差。

该方法装置结构简单，搭建容易，成本低廉，检测周期短，为大口径非球面主镜抛光阶段和最终镜面参数测量提供了一种有效的检验手段。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (6)

1.一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置，其特征在于，所述装置包括：

一维电控平台(11)，用于带动激光光源精确移动到不同的离轴位置或光轴位置；

激光器(1)，用于产生高功率，频率稳定的激光光束；

准直透镜(2)，用于将激光器(1)发出的锥形光束准直为平行光；

分光棱镜(3)，用于将一部分平行光反射至聚焦透镜(4)；所述分光棱镜(3)还用于将被测非球面或自由曲面(5)反射回来的被测波前投射至望远扩束系统(6)；

聚焦透镜(4)，用于将分光棱镜(3)反射回的平行光束聚焦后照射到被测非球面或自由曲面(5)上，聚焦透镜(4)还用于将被非球面或自由曲面(5)反射回的光束准直并补偿球差项后形成实际被测波前；

望远扩束系统(6)，用于将系统的光束尺寸放缩到与DMD尺寸一样，以最大程度利用DMD阵列；

微反射镜阵列DMD(7)，用“开”状态子镜阵列分割被测波前，并分区域将分割后的被测子波前序列式反射到成像透镜(8)；被测波前的其它部分经由DMD(7)处于“关”状态的子镜反射被暗盒(10)吸收；

成像透镜(8)，用于将DMD(7)反射的子波前成像到探测器(9)上；

探测器(9)，用于成像子波前，并记录成像点位置；

暗盒(10)，用于接收DMD(7)“关”状态子镜阵列反射的另外一部分子波前。

2.如权利要求1所述的一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置，其特征在于：所述的聚焦透镜(4)F数大于被测非球面及自由曲面(5)的F数。

3.如权利要求1所述的一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置，其特征在于：所述的望远扩束系统(6)放大比率为其中D为系统光瞳大小，这里由准直透镜(2)决定，d为DMD(7)尺寸的短边长度。

4.如权利要求1所述的一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置，其特征在于：所述的探测器(9)可以是CCD相机，也可以是位置探测器(PositionSensitive Device,PSD)。

5.一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测方法，所述检测方法基于权利要求1所述的一种基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测装置，其特征在于，所述方法包括：

S1、首先对整个装置进行标定得到标定文件；

S2、在Zemax光线追迹软件中建模，得到待测非球面及自由曲面的理论波像差；

S3、利用标定文件进行实验测量，得到的实验结果减去Zemax中得到的理论波像差就是待测非球面及自由曲面的面形误差。

6.如权利要求5所述的基于DMD波前传感技术的反射式大陡度非球面及自由曲面检测方法，其特征在于，所述步骤S1中的装置标定方法如下：

在聚焦透镜(4)的后焦点位置放置一块平面镜，通过横向电控平台(11)控制激光器处于不同的离轴量，进而可以通过平面镜引入不同倾斜量的平面波前，记录并形成标定文件。