專利名稱：柱面面型檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)儀器檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種柱面面型非接觸式檢測系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，柱面在科研領(lǐng)域和日常生活中扮演著越來越重要的角色。其中，柱面面型質(zhì)量的高精度檢測是柱面廣泛應(yīng)用的最關(guān)鍵技術(shù)之一，也是柱面高精度加工的基礎(chǔ)。目前，檢測柱面的方法有樣板法、輪廓儀檢測法、輔助平面法、光纖法、標(biāo)準(zhǔn)柱面法、計算全息法。樣板法和輪廓儀檢測法都屬于接觸式檢測，容易劃傷待測柱面，測量精度較低。輔助平面法不能檢測柱面面型的非對稱偏差，且輔助平面法和光纖法只對小相對孔徑的柱面有效。標(biāo)準(zhǔn)柱面法需要標(biāo)準(zhǔn)柱面，其價格相當(dāng)昂貴且很難加工。計算全息法中，采用平行光照射計算全息元件，其最小刻劃間隔很小，加工精度難以保證。因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種柱面面型檢測系統(tǒng)及方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種柱面面型檢測系統(tǒng)及方法，能夠?qū)χ孢M行非接觸式測量，還能檢測大相對孔徑柱面，且不用標(biāo)準(zhǔn)柱面。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案如下:—種柱面面型檢測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括干涉儀、會聚的透射球面、計算全息元件、空間濾波器及待測柱面，所述干涉儀、會聚的透射球面和計算全息元件依次沿干涉儀光軸放置，所述空間濾波器和待測柱面依次離軸置于所述計算全息元件后，其中:所述干涉儀，用于生成平行光束、濾除像面干擾級次、接收并處理干涉圖像，所述干涉圖像為檢測光和參考光形成的干涉圖像，所述檢測光為會聚光束透過計算全息元件衍射的衍射光經(jīng)待測柱面表面反射，按原路返回再經(jīng)計算全息圖衍射的衍射光；所述會聚的透射球面，用于將部分平行光束調(diào)整為會聚光束，還用于反射部分平行光束作為參考光；所述計算全息元件，用于對會聚光束產(chǎn)生衍射，還用于對經(jīng)待測柱面表面反射，并按原路返回的光束產(chǎn)生衍射；所述空間濾波器，用于濾除經(jīng)計算全息元件衍射的光束交線面上的干擾雜散光。作為本發(fā)明的進一步改進，所述干涉儀內(nèi)部設(shè)有針孔濾波器，用于過濾檢測光和參考光。作為本發(fā)明的進一步改進，所述待測柱面相對于干涉儀光軸有傾斜和偏心，用于濾除干擾雜散光。作為本發(fā)明的進一步改進，所述待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與所述會聚光束F數(shù)的比值Λ = _在0.55至0.9之間。相應(yīng)地，一種柱面面型檢測方法，所述方法包括以下步驟:
S1、干涉儀生成平行光束；S2、生成檢測光和參考光，將部分平行光束通過會聚的透射球面調(diào)整為會聚光束，通過計算全息元件進行衍射后，并通過空間濾波器濾除干擾雜散光后，經(jīng)待測柱面表面反射，按原路返回再進行衍射，得到檢測光；將部分平行光束通過會聚的透射球面進行反射得到參考光；S3、干涉儀接收檢測光和參考光并進行干涉形成的干涉圖像，根據(jù)干涉圖像檢測柱面面型。作為本發(fā)明的進一步改進，所述檢測方法對待測柱面的檢測采用非接觸式檢測。作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟SI前還包括: 選取合適的會聚透射球面，使得待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與
所述會聚光束F數(shù)的比值^在0.55至0.9之間。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明柱面面型檢測系統(tǒng)及方法結(jié)構(gòu)簡單，加工難度低，抗干擾能力強，計算全息元件的最小刻劃間隔大，檢測精度高。采用會聚透射球面和計算全息元件結(jié)合，對柱面面型進行非接觸式檢測；采用會聚光束照射計算全息元件，計算全息元件的最小刻劃間隔能取到最大值；通過對干涉圖像進行分析，得出柱面面型偏差，能夠高精度檢測柱面面型；柱面相對干涉儀光軸有傾斜和偏心，能夠有效濾除雜散光。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明一優(yōu)選實施方式中柱面面型檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例1中柱面面型檢測系統(tǒng)在光學(xué)設(shè)計軟件中模擬的結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明實施例1中檢測光波的殘留波像差圖；圖4為本發(fā)明實施例1中會聚光束經(jīng)計算全息元件衍射后在空間濾波器處分布情況示意圖；圖5為本發(fā)明實施例1中經(jīng)柱面反射按原路返回的光束在空間濾波器處分布情況示意圖；圖6為本發(fā)明實施例1中像面上各級次光斑分布情況示意圖；圖7為本發(fā)明實施例1中檢測光和參考光進行像面干涉后形成的干涉圖像。
具體實施例方式
為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護的范圍。參圖1所示為本發(fā)明一實施方式中柱面面型檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該檢測系統(tǒng)包括干涉儀1、會聚的透射球面2、計算全息元件3、空間濾波器4及待測柱面5，干涉儀1、會聚的透射球面2和計算全息元件3依次沿干涉儀I光軸放置，空間濾波器4和待測柱面5依次離軸置于計算全息元件后。本實施方式中柱面面型檢測系統(tǒng)的各元件具體功能如下:干涉儀I用于生成平行光束、濾除像面干擾級次、接收并處理干涉圖像，干涉圖像為檢測光和參考光形成的干涉圖像，檢測光為會聚光束透過計算全息元件衍射的衍射光經(jīng)待測柱面表面反射，按原路返回再經(jīng)計算全息圖衍射的衍射光。干涉儀內(nèi)部設(shè)有針孔濾波器，用于過濾檢測光和參考光；會聚的透射球面2用于將部分平行光束調(diào)整為會聚光束，還用于反射部分平行光束作為參考光；計算全息元件3用于對會聚光束產(chǎn)生衍射，還用于對經(jīng)待測柱面表面反射，并按原路返回的光束產(chǎn)生衍射；空間濾波器4用于濾除經(jīng)計算全息元件衍射的光束交線面上的干擾雜散光。待測柱面5相對于干涉儀I光軸有傾斜和偏心，調(diào)整柱面相對于光軸的傾斜角度和偏心值，可以使干擾雜散光與所需光束有效分離，便于濾波。計算全息元件3是根據(jù)全息術(shù)原理制成的衍射光學(xué)元件。計算全息元件在本專業(yè)領(lǐng)域中簡稱為CGH。CG H的顯著優(yōu)點是可以全面記錄光波的振幅和相位，具有極大靈活性。利用會聚光束照射所述計算全息元件，計算全息元件的最小刻劃間隔明顯增大。其中，計算全息元件的最小刻劃間隔變化規(guī)律為:
/./1)待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與會聚光束F數(shù)的比值^ ⑩在
0.55至0.9之間時，計算全息元件的最小刻劃間隔能取到最大值。根據(jù)上述規(guī)律，選擇合適的會聚透射球面，可以使計算全息元件的最小刻劃間隔達到或接近最大值。相應(yīng)地，本發(fā)明中柱面面型檢測方法包括以下步驟:S1、干涉儀I生成平行光束；S2、生成檢測光和參考光，將部分平行光束通過會聚的透射球面2調(diào)整為會聚光束，通過計算全息元件3進行衍射后，并通過空間濾波器4濾除干擾雜散光后，經(jīng)待測柱面5表面反射，按原路返回再進行衍射，得到檢測光；將部分平行光束通過會聚的透射球面2進行反射得到參考光；S3、干涉儀I接收檢測光和參考光并進行干涉形成的干涉圖像，根據(jù)干涉圖像檢測柱面面型。形成干涉圖像以后，對干涉圖像進行分析，具體為:如果柱面面型無誤差，則干涉圖為等間距均勻分布的條紋；如果柱面面型有誤差，則干涉圖中條紋間距或者形狀會發(fā)生變化。
本發(fā)明采用會聚透射球面鏡和計算全息元件結(jié)合，對柱面面型進行非接觸式檢測，抗干擾能力強且檢測精度高。以下通過具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。實施例1:本實施方式中柱面面型檢測系統(tǒng)的設(shè)計過程:( I)假設(shè)被檢柱面面型公式為:x2=2rz~z2,其中,本實施例中所選r=600mm ;柱面口徑為60mm ；(2 )選擇合適的會聚透射球面，待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與會聚光束F數(shù)的比值R=0.73 ；(3)設(shè)置會聚透射球面2與計算全息元件3的間距d=100mm ；(4)設(shè)計計算全息元件3是指設(shè)計刻制在基底上的波紋狀圖案，其相位函數(shù)與干涉儀所產(chǎn)生的光束波長有關(guān)，本實施例中，所用光束波長為632.8nm ；(5)空間濾波器4為狹縫濾波器，放置在待測柱面焦面上，本實施例所選狹縫寬度最大能達到16mm ；(6)設(shè)置參數(shù)，使柱面相對干涉儀光軸有傾斜和偏心；(7)所選干涉儀I內(nèi)部針孔濾波器的濾波孔徑為2_。根據(jù)以上操作過程，在光學(xué)設(shè)計軟件中設(shè)計并優(yōu)化了這一檢測系統(tǒng)，重點是將參考光和檢測光會聚到同一點，且使所需光束與其他干擾級次明顯分離。本實施例精度可達到0.0134 λ P-V，其中λ為干涉儀所產(chǎn)生光束的波長；計算全息元件的最小刻劃間隔為15.8 μ m。若采用平行光束照射計算全息元件檢測該柱面，計算全息元件的最小刻劃間隔僅為 5.7 μ m。由圖2 圖7可以看出，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，檢測精度明顯提高，本優(yōu)選實施例待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與會聚光束F數(shù)的比值R=0.73，計算全息元件的最小刻劃間隔非常接近最大值。本優(yōu)選實施例與采用平行光束照射計算全息元件檢測該柱面相比，計算全息元件的最小刻劃間隔明顯增大。柱面相對干涉儀光軸有傾斜和偏心，能夠更好地濾除雜散光。實施例2:柱面面型檢測系統(tǒng)的設(shè)計過程如實施例1所述，本優(yōu)選實施例與實施例1的不同之處是步驟(I)、步驟(2)和步驟(5),步驟(I)中所選r=420mm ;步驟(2)中所選會聚透射球面，使待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與會聚光束F數(shù)的比值R=0.7 ;步驟
(5)中所選狹縫濾波的狹縫寬度最大為10mm。根據(jù)上面的操作過程，在光學(xué)設(shè)計軟件中設(shè)計并優(yōu)化了這一檢測系統(tǒng)，本實施例精度可達到0.0051 λ P-V，其中λ為干涉儀所產(chǎn)生光束的波長；本優(yōu)選實施例中，計算全息元件的最小刻劃間隔為11.7 μ m。若利用平行光束照射計算全息元件檢測該柱面，其最小刻劃間隔僅為4.1 μ m。此實施例在光學(xué)設(shè)計軟件中模擬得到的結(jié)果示意圖與實施例1類似。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，檢測精度明顯提高，本優(yōu)選實施例待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與會聚光束F數(shù)的比值R=0.7，計算全息元件的最小刻劃間隔非常接近最大值。本優(yōu)選實施例與采用平行光束照射計算全息元件檢測該柱面相比，計算全息元件的最小刻劃間隔明顯增大。柱面相對干涉儀光軸有傾斜和偏心，能夠更好地濾除雜散光。實施例3:柱面面型檢測系統(tǒng)的設(shè)計過程如實施例1所述，本優(yōu)選實施例與實施例1的不同之處是步驟(I)、步驟(2)、步驟(3)和步驟(5),步驟(I)中所選r=300mm ;步驟(2)中所選會聚透射球面，使待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與會聚光束F數(shù)的比值R=0.68 ;步驟(3)中所選會聚透射球面與計算全息元件的間距d=200mm ;步驟(5)中所選狹縫濾波的狹縫寬度最大為7mm。根據(jù)上面的操作過程，在光學(xué)設(shè)計軟件中設(shè)計并優(yōu)化了這一檢測系統(tǒng)，本實施例精度可達到0.0174 λ ρ-v，其中λ為干涉儀所產(chǎn)生光束的波長；本優(yōu)選實施例中，計算全息元件的最小刻劃間隔為8.6 μ m。若利用平行光束照射計算全息元件檢測該柱面，其最小刻劃間隔僅為3μηι。此實施例在光學(xué)設(shè)計軟件中模擬得到的結(jié)果示意圖也與實施例1類似。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，檢測精度明顯提高，本優(yōu)選實施例待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與會聚光束F數(shù)的比值R=0.68，計算全息元件的最小刻劃間隔非常接近最大值。本優(yōu)選實施例與采用平行光束照射計算全息元件檢測該柱面相比，計算全息元件的最小刻劃間隔明顯增大。柱面相對干涉儀光軸有傾斜和偏心，能夠更好地濾除雜散光。實施例4:柱面面型檢測系統(tǒng)的設(shè)計過程如實施例1所述，本優(yōu)選實施例與實施例1的不同之處是步驟(I)、步驟(2)、步驟(3)和步驟(5),步驟(I)中所選r=40mm ;步驟(2)中所選會聚透射球面，使待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與會聚光束F數(shù)的比值R=0.55 ;步驟(3)中所選會聚透射球面與計算全息元件的間距d=20mm ;步驟(5)中所選狹縫濾波的狹縫寬度最大為2mm。根據(jù)上面的操作過程，在光學(xué)設(shè)計軟件中設(shè)計并優(yōu)化了這一檢測系統(tǒng)，本實施例精度可達到0.0115 λ P-V，其中λ為干涉儀所產(chǎn)生光束的波長；本優(yōu)選實施例中，計算全息元件的最小刻劃間隔為2.1 μ m。若利用平行光束照射計算全息元件檢測該柱面，其最小刻劃間隔僅為0.8μηι。此實施例在光學(xué)設(shè)計軟件中模擬得到的結(jié)果示意圖與實施例1類似。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，檢測精度明顯提高，本優(yōu)選實施例待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與會聚光束F數(shù)的比值R=0.55，計算全息元件的最小刻劃間隔非常接近最大值。本優(yōu)選實施例與采用平行光束照射計算全息元件檢測該柱面相比，計算全息元件的最小刻劃間隔明顯增大。柱面相對干涉儀光軸有傾斜和偏心，能夠更好地濾除雜散光。實施例5:柱面面型檢測系統(tǒng)的設(shè)計過程如實施例1所述，本優(yōu)選實施例與實施例1的不同之處是步驟(I)、步驟(2)、步驟(3)和步驟(5)，步驟(I)中所選r=1200mm ;步驟(2)中所選會聚透射球面，使待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與會聚光束F數(shù)的比值R=0.9 ;步驟(3)中所選會聚透射球面與計算全息元件的間距d=2000mm ;步驟(5)中所選狹縫濾波的狹縫寬度最大為22mm。根據(jù)上面的操作過程，在光學(xué)設(shè)計軟件中設(shè)計并優(yōu)化了這一檢測系統(tǒng)，本實施例精度可達到0.0094 λ ρ-v，其中λ為干涉儀所產(chǎn)生光束的波長；本優(yōu)選實施例中，計算全息元件的最小刻劃間隔為29.2 μ m。若利用平行光束照射計算全息元件檢測該柱面，其最小刻劃間隔僅為10.1 μ m。此實施例在光學(xué)設(shè)計軟件中模擬得到的結(jié)果示意圖與實施例1類似。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，檢測精度明顯提高，本優(yōu)選實施例待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與會聚光束F數(shù)的比值R=0.9，計算全息元件的最小刻劃間隔非常接近最大值。本優(yōu)選實施例與采用平行光束照射計算全息元件檢測該柱面相比，計算全息元件的最小刻劃間隔明顯增大。柱面相對干涉儀光軸有傾斜和偏心，能夠更好地濾除雜散光。由以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的柱面面型檢測系統(tǒng)及方法具有以下有益效果:利用計算全息元件，對柱面面型進行非接觸式檢測，抗干擾能力強且檢測精度聞;采用會聚光束照射計算全息元件，按照本發(fā)明的規(guī)律，選擇合適會聚透射球面，計算全息元件的最小刻劃間隔能夠增大幾倍甚至更多；計算全息元件的加工難度顯著降低，加工精度明顯提高；待測柱面相對干涉儀光軸有傾斜和偏心，更有效地濾除干擾雜散光；未使用標(biāo)準(zhǔn)柱面鏡，加工難度和加工成本均明顯降低；結(jié)構(gòu)簡單，易搭建，檢測精度高。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體，各實施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實施方式。
權(quán)利要求
1.一種柱面面型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括干涉儀、會聚的透射球面、計算全息元件、空間濾波器及待測柱面，所述干涉儀、會聚的透射球面和計算全息元件依次沿干涉儀光軸放置，所述空間濾波器和待測柱面依次離軸置于所述計算全息元件后，其中: 所述干涉儀，用于生成平行光束、濾除像面干擾級次、接收并處理干涉圖像，所述干涉圖像為檢測光和參考光形成的干涉圖像，所述檢測光為會聚光束透過計算全息元件衍射的衍射光經(jīng)待測柱面表面反射，按原路返回再經(jīng)計算全息圖衍射的衍射光； 所述會聚的透射球面，用于將部分平行光束調(diào)整為會聚光束，還用于反射部分平行光束作為參考光； 所述計算全息元件，用于對會聚光束產(chǎn)生衍射，還用于對經(jīng)待測柱面表面反射，并按原路返回的光束產(chǎn)生衍射； 所述空間濾波器，用于濾除經(jīng)計算全息元件衍射的光束交線面上的干擾雜散光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面面型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述干涉儀內(nèi)部設(shè)有針孔濾波器，用于過濾檢測光和參考光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面面型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述待測柱面相對于干涉儀光軸有傾斜和偏心，用于濾除干擾雜散光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柱面面型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與所述會聚光束F數(shù)的比值/i = _在0.55至0.9之間。
5.一種柱面面型檢測方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 51、干涉儀生成平行光束； 52、生成檢測光和參考光，將部分平行光束通過會聚的透射球面調(diào)整為會聚光束，通過計算全息元件進行衍射后，并通過空間濾波器濾除干擾雜散光后，經(jīng)待測柱面表面反射，按原路返回再進行衍射，得到檢測光；將部分平行光束通過會聚的透射球面進行反射得到參考光; 53、干涉儀接收檢測光和參考光并進行干涉形成的干涉圖像，根據(jù)干涉圖像檢測柱面面型。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柱面面型檢測方法，其特征在于，所述檢測方法對待測柱面的檢測采用非接觸式檢測。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柱面面型檢測方法，其特征在于，所述步驟SI前還包括: 選取合適的會聚透射球面，使得待測柱面曲率半徑r與有效孔徑D相比所得值與所述會聚光束F數(shù)的比值/《=_在0.55至0.9之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柱面面型檢測系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)包括干涉儀、會聚的透射球面、計算全息元件、空間濾波器及待測柱面，所述干涉儀、會聚的透射球面和計算全息元件依次沿干涉儀光軸放置，所述空間濾波器和待測柱面依次離軸置于所述計算全息元件后。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，加工難度低，抗干擾能力強，計算全息元件的最小刻劃間隔大，檢測精度高。
文檔編號G01B11/24GK103196387SQ20131008387
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者郭培基, 王瑋 申請人:蘇州大學(xué)