基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應用光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，傾斜波面干涉系統(tǒng)可以補償自由曲面光學元件的局部梯度，從而減小干涉條紋密度，增強探測器的動態(tài)范圍，實現對復雜自由曲面光學元件的測量。系統(tǒng)用光纖陣列代替透鏡陣列，光纖陣列相較于透鏡陣列出射球面波質量要好，并且出射球面波發(fā)散角可以控制。光纖陣列中的每束光纖的出射光都由光纖一一對應導入，光能利用效率要高于使用透鏡陣列的干涉系統(tǒng)，同時可以消除大部分雜散光的影響。每根光纖的通斷可以單獨控制，不需再使用掩模板來控制點源的選通。
【專利說明】基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光學精密測量領域，是一種用于測量自由曲面、非球面光學元件面形的干涉測量裝置。
【背景技術】
[0002]自由曲面光學元件，是指一類復雜的、非旋轉對稱的光學元件。不僅可以獲得較之傳統(tǒng)光學面型更好的光學質量，同時大大減小了光學元件的體積尺寸，具有重量輕、裝調方便、成本低等優(yōu)點。自由曲面光學元件已經大量用于各種領域。例如，為了滿足對路面的亮度、照度、均勻度的要求，且盡可能使得大部分光都分布在道路面上以提高燈光的利用率，通常用馬鞍形透鏡對LED路燈進行配光，配光后LED路燈輸出的光線照射在路面上所形成的光斑由圓形變成矩形。自由曲面汽車車燈是目前國際上最為流行的一種汽車車燈，它具有車燈高度低、光能利用率高及空氣動力學性能好等優(yōu)點。在激光技術、顯微鏡甚至圖像處理中，將入射光匯聚成一條直線或者特定形狀的曲線。將光束匯聚成一條線最簡單的光學系統(tǒng)是由一個柱面透鏡和一個球面透鏡組成。但是，應用這么簡單的光學系統(tǒng)很難獲得光線強度分布均勻的光線，而應用自由曲面光學元件則可以克服此缺點。
[0003]然而自由曲面光學元件的測量水平嚴重限制了其加工制造水平的提高。由于自由曲面光學元件面型自由度較高，局部面型梯度變化大，采用傳統(tǒng)干涉測量裝置進行測量，往往干涉條紋密度過大，超過了探測器的探測動態(tài)范圍，無法獲得條紋信息來測量自由曲面光學元件的面形質量。
[0004]目前，世界上還沒有可以高精度、高效率檢測自由曲面光學元件面形的儀器。在自由曲面光學元件加工中，比較成熟的檢測方法主要是三坐標機法和輪廓儀法。三坐標機法檢測精度只能達到微米量級，不能滿足面形的精度測量要求。輪廓儀法精度可以達到亞微米級，但是每次測量僅能得到待測元件表面上一條線的誤差，不是真正意義的面形測量。還有其他一些方法，如反射光柵攝影法、擺臂式輪廓掃描法、條紋投影法、子孔徑拼接法、計算全息法等，都無法實現高精度、高速度的通用化面形測量。德國斯圖加特大學Osten教授團隊發(fā)明了一種基于點光源陣列的光學自由曲面的測量裝置，采用該裝置測量自由曲面最大可以補償10°的表面梯度，測量精度優(yōu)于1/10 λ。該方法中最重要部分是點源陣列發(fā)生器，其主要由透鏡陣列、針孔陣列、掩模板組成。但是，在實際裝配測量時，還有一些問題需要克月艮，如透鏡陣列加工的好壞直接影響到出射波面的質量從而影響測量精度、掩模板的移動位置不精確會導致在干涉圖中引入雜散光。該裝置采用的是泰曼干涉系統(tǒng)的雙光路結構。由于采用的是雙光路結構，沒有共光路特性，導致其系統(tǒng)誤差增大，為了保證測量精度彌補系統(tǒng)誤差的增加必然對器件的加工提出了更高的要求，增加了加工安裝的成本。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明的目的在于設計一種基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在實現自由曲面、非球面光學元件高精度測量的同時，保證高效快速的通用化檢測。
[0006]實現本發(fā)明目的的技術解決方案為:一種基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，光路為改進的斐索干涉光路系統(tǒng)，包括光源、光纖耦合器模塊、光纖陣列、分光棱鏡、準直透鏡組、球面透鏡組、待測件、光闌、成像透鏡和CCD ;其中光纖陣列、準直透鏡組和球面透鏡組構成梯度補償模塊；光源、光纖耦合器模塊、光纖陣列、分光棱鏡、準直透鏡組、球面透鏡組、待測件依次共光軸設置；分光棱鏡、光闌、成像透鏡和CCD依次共光軸設置，且與光源、光纖耦合器模塊所處的光軸垂直；由光源發(fā)出的激光由光纖導入光纖耦合器模塊，光纖耦合器模塊將一束激光分成多束激光，再由光纖將多束激光導入光纖陣列，由光纖陣列出射多束發(fā)散光，經分光棱鏡透射后，再通過準直透鏡組形成多束具有不同傾斜角度的平行光，多束具有不同傾斜角度的平行光進入球面透鏡組，在球面透鏡組最后一個鏡面上分成透射光和第一反射光；透射光照射到待測件，由待測件反射后，攜帶待測件局部面形偏差的多束光返回經球面透鏡組形成多束攜帶待測件局部面形偏差的具有不同傾斜角度的平行光，再經準直透鏡組后形成多束會聚光，再由分光棱鏡折轉度進入光闌，經光闌濾除雜散光，最后由成像透鏡成像在CXD上，形成測試光路；第一反射光從球面透鏡組最后一個鏡面上沿原路返回經球面透鏡組、準直透鏡組，再由分光棱鏡折轉90度進入光闌，經光闌濾除雜散光，最后由成像透鏡成像在CXD上，形成參考光路。CXD上出現測試光與參考光置加形成干涉圖。
[0007]本發(fā)明與現有技術相比，其顯著優(yōu)點:基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)的梯度補償模塊中使用了光纖陣列替代以前的透鏡陣列。光纖陣列相較于透鏡陣列出射球面波質量要好，并且通過選用不同的光纖，出射球面波發(fā)散角的改變較為方便。在光能利用效率方面，因為光纖陣列中的每束光纖的出射光都由光纖一一對應導入，所以光能利用效率要高于使用透鏡陣列的干涉系統(tǒng)。同時，每根光纖的通斷可以單獨控制，不許再使用掩膜板來控制點源的選通。另外在光能利用效率提高的同時，也可以消除大部分雜散光的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)示意圖。
[0009]圖2光纖陣列端面示意圖。
【具體實施方式】
[0010]首次設計提出基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，突破了使用透鏡陣列的干涉系統(tǒng)的局限，能更好的消除系統(tǒng)誤差，提高測量精度。該方案在國際上尚無提出。
[0011]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0012]結合圖1，一種基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，光路為改進的斐索干涉光路系統(tǒng)，包括光源1、光纖耦合器模塊2、光纖陣列3、分光棱鏡4、準直透鏡組5、球面透鏡組6、待測件7、光闌8、成像透鏡9和CXD 10 ;其中光纖陣列3、準直透鏡組5和球面透鏡組6構成梯度補償模塊；光源1、光纖稱合器模塊2、光纖陣列3、分光棱鏡4、準直透鏡組5、球面透鏡組6、待測件7依次共光軸設置；分光棱鏡4、光闌8、成像透鏡9和(XD 10依次共光軸設置,上述光軸與光源1、光纖稱合器模塊2所處的光軸垂直；由光源I發(fā)出的激光由光纖導入光纖耦合器模塊2，光纖耦合器模塊2將一束激光分成多束激光，再由光纖將多束激光導入光纖陣列3，由光纖陣列3出射多束發(fā)散光，經分光棱鏡4透射后，再通過準直透鏡組5形成多束具有不同傾斜角度的平行光，多束具有不同傾斜角度的平行光進入球面透鏡組6，在球面透鏡組6的最后一個鏡面上分成透射光和第一反射光；透射光照射到待測件7，由待測件7反射后，攜帶待測件7局部面形偏差的多束光返回經球面透鏡組6形成多束攜帶待測件7局部面形偏差的具有不同傾斜角度的平行光，再經準直透鏡組6后形成多束會聚光，再由分光棱鏡4折轉90度進入光闌8，經光闌8濾除雜散光，最后由成像透鏡9成像在CXD 10上，形成測試光路；第一反射光從球面透鏡組6最后一個鏡面上沿原路返回經球面透鏡組6、準直透鏡組5，再由分光棱鏡4折轉90度進入光闌8，經光闌8濾除雜散光，最后由成像透鏡9成像在CXD 10上，形成參考光路；(XD 10上出現測試光與參考光疊加形成干涉圖。
[0013]球面透鏡組6為齊名透鏡組，即球面透鏡組6的焦點與距待測件7最近的球面的球心重合，由球面透鏡組6距待測件7最近的球面反射的光束為參考光。待測件7頂點曲率中心與球面透鏡組6的焦點重合。
[0014]系統(tǒng)為非零位干涉系統(tǒng)，由待測件7反射后攜帶待測件7局部面形偏差的多束測試光并不需完全原路返回，只要滿足干涉圖樣條紋密度不超出CCD 10分辨率。
[0015]光纖耦合器模塊2由若干個光纖耦合器、光開關組成。為了避免相鄰點光源之間相互干擾，光纖陣列3中每根光纖都可以通過控制光纖耦合器模塊2中該根光纖中的光開關實現光路通斷。
[0016]由光纖陣列3出射球面光波發(fā)散角為2u,且sinu不小于0.13,選用不同的光纖可得到不同發(fā)散角的球面波；光纖陣列3相鄰光纖芯距為2mm ;光纖陣列3的端面與光源1、光纖耦合器模塊2所處的光軸垂直，光纖陣列3中每根光纖的出射端面在同一平面內。
[0017]光纖陣列3中每根光纖出射的測試光都能覆蓋待測件7的整個面形。位于光纖陣列3的同一直徑上的兩個兩根最邊緣光纖出射光束照射到待測件7上的重疊區(qū)域要大于待測件7的口徑。
[0018]最后一步的工作是從干涉條紋解析出待測件面形信息，首先把不同點源在光開關控制通斷時得到的子干涉圖進行拼接融合，以得到整個曲面上的干涉條紋圖樣。通過對整個待測件干涉圖的處理，解析出整個待測件的面形信息。
[0019]實施例:
結合圖1和圖2，設計一種基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，光源I選用波長為632.8nm的He-Ne激光器；在光纖稱合器模塊2中，首先用光纖稱合器將導入的I束激光分為11束激光，然后將這11束激光中的每一束再次用光纖耦合器分為11束激光，最后將得到的121束激光分別導入光纖陣列3 ;光纖陣列3包含11X11根光纖，每根光纖數值孔徑為0.2 ;準直透鏡組5視場角為±5°，準直透鏡組5有效工作口徑為Φ 118mm,準直透鏡組5焦距為225mm ;球面透鏡組6的視場角為±5°，球面透鏡組6的有效工作口徑為Φ80πιπι，球面透鏡組6的焦距為163mm ;準直透鏡組5與球面透鏡組6的主面間距為225mm。系統(tǒng)可用來測試最大表面梯度偏差± 10°以內、相對孔徑小于0.4 (F數大于2.5)的系列自由曲面光學兀件。
【權利要求】
1.一種基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:光路為改進的斐索干涉光路系統(tǒng)，包括光源(1)、光纖耦合器模塊(2)、光纖陣列(3)、分光棱鏡(4)、準直透鏡組(5)、球面透鏡組(6)、待測件(7)、光闌(8)、成像透鏡(9)和CCD (10);其中光纖陣列(3)、準直透鏡組(5)和球面透鏡組(6)構成梯度補償模塊；光源(1)、光纖耦合器模塊(2)、光纖陣列(3)、分光棱鏡(4)、準直透鏡組(5)、球面透鏡組(6)、待測件(7)依次共光軸設置；分光棱鏡(4)、光闌(8)、成像透鏡(9)和(XD (10)依次共光軸設置,上述光軸與光源(I)、光纖耦合器模塊(2)所處的光軸垂直；由光源(I)發(fā)出的激光由光纖導入光纖率禹合器模塊(2),光纖稱合器模塊(2)將一束激光分成多束激光,再由光纖將多束激光導入光纖陣列(3)，由光纖陣列(3)出射多束發(fā)散光，經分光棱鏡(4)透射后，再通過準直透鏡組(5)形成多束具有不同傾斜角度的平行光，多束具有不同傾斜角度的平行光進入球面透鏡組(6)，在球面透鏡組(6)的最后一個鏡面上分成透射光和第一反射光；透射光照射到待測件(7)，由待測件(7)反射后，攜帶待測件(7)局部面形偏差的多束光返回經球面透鏡組(6)形成多束攜帶待測件(7)局部面形偏差的具有不同傾斜角度的平行光，再經準直透鏡組(6)后形成多束會聚光，再由分光棱鏡(4)折轉90度進入光闌(8)，經光闌(8)濾除雜散光，最后由成像透鏡(9)成像在CXD (10)上，形成測試光路；第一反射光從球面透鏡組(6)最后一個鏡面上沿原路返回經球面透鏡組(6)、準直透鏡組(5)，再由分光棱鏡(4)折轉90度進入光闌(8)，經光闌(8)濾除雜散光，最后由成像透鏡(9)成像在CCD (10)上，形成參考光路；(XD (10)上出現測試光與參考光疊加形成干涉圖。
2.根據權利要求1所述基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:待測件(7)頂點曲率中心與球面透鏡組(6)的焦點重合。
3.根據權利要求1所述基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:球面透鏡組(6)為齊名透鏡組，即球面透鏡組(6)的焦點與距待測件(7)最近的球面的球心重合，由球面透鏡組(6)中距待測件(7)最近的球面反射的光束為參考光。
4.根據權利要求1所述基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:系統(tǒng)為非零位干涉系統(tǒng)，由待測件(7)反射后攜帶待測件(7)局部面形偏差的多束測試光并不需完全原路返回，只要滿足干涉圖樣條紋密度不超出CCD (10)分辨率。
5.根據權利要求1所述基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:為了避免相鄰點光源之間相互干擾，光纖陣列(3)中每根光纖都可以通過控制光纖耦合器模塊(2)中該根光纖中的光開關實現光路通斷。
6.根據權利要求1所述基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:由光纖陣列(3)出射球面光波發(fā)散角為2u，且sinu不小于0.13，選用不同的光纖可得到不同發(fā)散角的球面波；光纖陣列(3)相鄰光纖芯距為2mm;光纖陣列(3)的端面與光源(I)、光纖耦合器模塊(2)所處的光軸垂直，光纖陣列(3)中每根光纖的出射端面在同一平面內。
7.根據權利要求1所述基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:光纖陣列(3)中每根光纖出射的測試光都能覆蓋待測件(7)的整個面形。
8.根據權利要求1所述基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:位于光纖陣列(3)的同一直徑上的兩個兩根最邊緣光纖出射光束照射到待測件(7)上的重疊區(qū)域要大于待測件(7)的口徑。
9.根據權利要求1所述基于光纖陣列型空間點源陣列發(fā)生器的傾斜波面干涉系統(tǒng)，其特征在于:光纖稱合器模塊(2)由若`干個光纖稱合器、光開關組成。
【文檔編號】G01B11/24GK103759668SQ201410001551
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月2日 優(yōu)先權日:2014年1月2日
【發(fā)明者】沈華, 李嘉, 朱日宏, 王念, 陳磊, 何勇, 高志山 申請人:南京理工大學