非球面光学元件检测方法

非球面光学元件检测方法
利用计算机软件控制空间光调制解调器（SLM）形成检测所需的图样，此调制图样经过光学系统投射到光学元件上，得到反射图样，再进行后期数据处理。

该系统可以完成对反射图样的判读处理、自动采集、波面和波差值的三维立体图[2]，原理框架图如图1所示。

图1 非球面检测原理的框架图
为了更好的达到实验设计的要求，实验之前，对某些数值需要进行计算机模拟。

模拟过程的光学原理：系统投射出的平行光经过非球面被测物体反射到投影系统，经过投影系统的透射与立方棱镜的反射最后投射到CCD摄像机的接收面。

进行计算机模拟的目的：
（1）完成理论计算，被测元件与参考球面垂轴距离y，CCD摄像机接收面上检测距离d，算出他们之间的公式关系；
（2）借助计算机和C语言，模拟出垂轴距离，与计算出的垂轴距离作比较，并输出各自的数据；
（3）根据输出的数据，利用excel进行制表，作出根据理论计算得到的非球面曲线和模拟出的非球面曲线。

2.1.2 理论计算
将半反半透镜'P、透镜L、接收屏和非球面按照如图2所示放置，向此光路系统透射入一与光轴平行的光线HA，经透镜L汇聚交于非球面，再反射到透镜L 上，形成另一束与光轴平行但方向相反的光线BG。

若此时将非球面换为参考球面，球心与透镜L的焦距重合，光线按原路返回。

假设非球面与参考球面的同球心误差为h，平行入射光线与平行反射光线在接收屏上的间距为d，取非球面的方程为抛物线方程进行理论计算。

郎奇检验法
系统组成及工作原理
此检测方法选用的装置包括光源、Ronchi光栅（透射式黑白线性光栅）、CCD 图像采集装置和被检反射镜面，如图3所示。

透射过的Ronchi光栅的像经过被测非球面的反射回落到光栅上，前提是光栅在被放置在非球面的曲率中心位置，从而产生莫尔条纹，根据莫尔条纹的变形来计算出被检镜面的面形误差，其中的莫尔条纹可以看作是由衍射和干涉共同作用产生的结果。

其检测具体过程如下：
（1）绘制及刻划Ronchi光栅，分为两个步骤：第一步是根据被加工镜面的方程和检测光路来计算出郎奇光栅方程。

一般来说，检测非球面镜面得到的Ronchi条纹都是弯曲的，而不是直线，对于技术人员来说，更难于测量。

而且弯曲的条纹容易由于衍射效应导致条纹扩散，为测量带来了困难。

这时就要用特殊的补偿光栅上的刻线曲率来补偿镜面的非球面度，产生宽度固定的直条纹。

第二步就是根据上述计算得到的郎奇光栅方程刻划出对应的郎奇光栅。

90（2）将上面刻画好的光栅置于检测光路中，并安装在一个可以径向转动 的旋转台上，这样就可以实现二维测量。

（3）图形的采集和数据处理。

利用CCD采集条纹图像并输入到计算机中进行对条纹的数据化。

再与计算机数据库中的理想条纹作比较，从而计算出被检镜面的面形误差[3]。

图3 Ronchi光栅测量系统示意图
曲面CGH(计算全息图)检测法
曲面CGH检测凹非球面的基本原理
全息图检测法按照制作方法不同分为光学全息图检测法和CGH检测法，本节研究利用曲面CGH与补偿镜相结合形成的光学系统，达到补偿位相差的效果，检
测凹非球面镜面[5]。

用CGH检测的光路图
如图所示，激光经过显微物镜和针孔后产生的标准球面波，垂直照射到附有CGH的透镜上，一部分光被反射，一部分光发生衍射作用。

反射光作参考波，衍射光中的1级光再垂直照射到被检非球面并反射，非球面反射的光波与透镜反射光波经分束镜反射并经过光阑滤波后有成像透镜成像到CCD上[6]。

共光路径向剪切干涉仪
干涉仪的原理光图如图11所示。

激光器1发出激光束经过光阑2扩束、滤波后投射到透镜3上，经过准直后到达反射镜4，再经分光镜5分光部分光束分离出光路系统，部分光束方向不变照射到被测非球面6上。

图中7是一个高精度的凸面镜，且凸面镜的曲率中心与被测非球面的焦点重合。

这样透射过非球面6的携带非球面信息的光束经凸面镜反射按原路返回，再经分光镜5反射到菲涅耳波带板8,9上，对光束进行剪切，由光阑10滤波后在接收屏11上产生干涉条纹，CCD摄像机将接收到的干涉条纹输入到计算机13中进行处理。