一种子孔径拼接干涉测量方法和装置

摘要

一种子孔径拼接干涉测量方法和装置，方法包括：(1)构建子孔径拼接干涉测量装置，使干涉仪与被测镜对心放置，干涉仪的出射光照射在被测镜中心子孔径区域，干涉仪采集的条纹图像满足干涉测量的要求；(2)使用干涉仪对被测镜中心子孔径区域面形进行检测并保存检测结果；(3)加入偏振光栅和λ/4波片，根据实际测量需求调整空间位置、偏转角度及俯仰角度；(4)旋转偏振光栅，使测量光依次照射被测镜除中心子孔径外其余各子孔径区域，完成对被测镜各子孔径区域的面形检测并保存结果；(5)如未覆盖被测镜全口径，换用空间周期更小的偏振光栅重复步骤(3)及(4)，以测量被测镜更外圈子孔径区域；(6)对多次检测结果拼接，得到被测镜的全口径面形。

权利要求

1.一种子孔径拼接干涉测量方法，其包括以下步骤：(1)构建子孔径拼接干涉测量装置，不加入偏振片、偏振光栅和λ4波片；调整干涉仪与被测镜的相对位置，使干涉仪与被测镜对心放置，干涉仪的出射光照射在被测镜的中心子孔径区域，且干涉仪采集到的条纹图像满足干涉测量的要求；

(2)使用干涉仪对被测镜中心子孔径区域面形进行检测，并保存检测结果；

(3)在测量装置中加入偏振光栅和λ4波片，根据实际测量需求调整其空间位置、偏转角度及俯仰角度；

(4)旋转偏振光栅，使测量光依次照射在被测镜除中心子孔径外其余各子孔径区域，完成对被测镜各子孔径区域的面形检测，并保存各子孔径区域面形检测结果；

(5)如已测子孔径区域尚未覆盖被测镜全口径，则换用空间周期更小的偏振光栅并重复步骤(3)及步骤(4)，以测量被测镜更外圈的子孔径区域，以保证所有子孔径区域可覆盖被测镜全口径；

(6)对多次检测的结果进行拼接，得到被测镜的全口径面形；

其特征在于：所述步骤(3)中若干涉仪出射光为圆偏振光，加入偏振光栅和λ4波片时，干涉仪出射单色圆偏振球面光波作为测量光聚焦于偏振光栅，偏振光栅位于干涉仪出射球面波的焦平面上；由于偏振光栅的光束转向功能，出射偏振光栅的光会偏离光轴，且其旋向与初始旋向相反；出射偏振光栅的光经过λ4波片后照射在被测镜表面，被测面的某一子孔径区域上，经其反射后再次经过λ4波片，返回偏振光栅；返回偏振光栅的圆偏振光与出射偏振光栅的圆偏振光旋向相同，经偏振光栅转向后，返回干涉仪内部与参考光产生干涉，形成干涉图；

所述步骤(3)中若干涉仪出射光为线偏振光或光路中包含偏振片，加入偏振光栅和λ/4波片时，偏振光栅位于干涉仪出射球面波的焦平面上，干涉仪出射单色球面光波聚焦于偏振光栅时为线偏振光；由于偏振光栅的分光功能，出射偏振光栅的光会分为+1级左旋圆偏振光与‑1级右旋圆偏振光，其中一束作为测量光，另一束被遮挡物遮挡，无法到达被测面；

测量光经过λ/4波片后照射在被测面的某一子孔径区域上，经其反射后再依次经过λ/4波片、偏振光栅及偏振片后，返回干涉仪内部与参考光产生干涉，形成干涉图。

2.根据权利要求1所述的子孔径拼接干涉测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中干涉仪出射单色圆偏振或线偏振球面光波，具体波长根据实际测量情况决定；其球面镜头的F数综合被测面面形参数、口径及偏振光栅空间周期决定，保证干涉仪出射光直接照射在被测面上的中心子孔径区域与经偏振光栅偏转后照射在被测镜上的多个子孔径区域经拼接后得到全口径面形。

3.一种子孔径拼接干涉测量装置，其特征在于：其包括：干涉仪(1)、偏振片(2)、偏振光栅(3)、λ/4波片(4)、遮挡物(5)、被测镜(6)，干涉仪、偏振光栅、被测镜对心放置；

不加入偏振光栅和λ/4波片时，干涉仪出射单色球面光波作为测量光，照射在被测面的中心子孔径区域上，经其反射后返回干涉仪内部与参考光产生干涉，形成干涉图；

若干涉仪出射光为线偏振光或光路中包含偏振片(2)，加入偏振光栅和λ/4波片时，偏振光栅位于干涉仪出射球面波的焦平面上，干涉仪出射单色球面光波聚焦于偏振光栅时为线偏振光；由于偏振光栅的分光功能，出射偏振光栅的光会分为+1级左旋圆偏振光与‑1级右旋圆偏振光，其中一束作为测量光，另一束被遮挡物(5)遮挡，无法到达被测面；测量光经过λ/4波片后照射在被测面的某一子孔径区域上，经其反射后再依次经过λ/4波片、偏振光栅及偏振片后，返回干涉仪内部与参考光产生干涉，形成干涉图。

4.根据权利要求3所述的子孔径拼接干涉测量装置，其特征在于：所述偏振光栅在实际实验中共用到一或多个，每次测量使用一个，其空间周期综合被测面口径及干涉仪球面镜头F数决定，保证干涉仪出射光直接照射在被测面上的中心子孔径区域与经偏振光栅偏转后照射在被测镜上的多个子孔径区域经拼接后得到全口径面形；所述偏振光栅的工作波长根据干涉仪出射光波长决定；所述λ4波片，其工作波长根据干涉仪出射光波长决定，其口径及在装置中的放置位置保证出射偏振光栅的球面波不被其剪切。

5.根据权利要求4所述的子孔径拼接干涉测量装置，其特征在于：所述干涉仪出射单色圆偏振或线偏振球面光波，具体波长根据实际测量情况决定；其球面镜头的F数综合被测面面形参数、口径及偏振光栅空间周期决定，保证干涉仪出射光直接照射在被测面上的中心子孔径区域与经偏振光栅偏转后照射在被测镜上的多个子孔径区域经拼接后得到全口径面形。

6.根据权利要求5所述的子孔径拼接干涉测量装置，其特征在于：若干涉仪出射光为圆偏振光，加入偏振光栅和λ4波片时，干涉仪出射单色圆偏振球面光波作为测量光聚焦于偏振光栅，偏振光栅位于干涉仪出射球面波的焦平面上；由于偏振光栅的光束转向功能，出射偏振光栅的光会偏离光轴，且其旋向与初始旋向相反；出射偏振光栅的光经过λ4波片后照射在被测镜表面，被测面的某一子孔径区域上，经其反射后再次经过λ4波片，返回偏振光栅；返回偏振光栅的圆偏振光与出射偏振光栅的圆偏振光旋向相同，经偏振光栅转向后，返回干涉仪内部与参考光产生干涉，形成干涉图。

7.根据权利要求6所述的子孔径拼接干涉测量装置，其特征在于：视干涉仪出射光偏振态及干涉条纹对比度决定是否加入偏振片，其口径综合干涉仪出射光口径及偏振片在光路中位置综合决定，保证干涉仪出射光不被其剪切；所述遮挡物从干涉仪方向入射偏振光栅的光为线偏振光时使用，其材质及口径保证偏振光栅出射光中非测量光的一束无法到达被测面或反射回偏振光栅。

8.根据权利要求3所述的子孔径拼接干涉测量装置，其特征在于：所述被测镜为凹球面或凹非球面。

说明书

一种子孔径拼接干涉测量方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及光电检测的技术领域，尤其涉及一种子孔径拼接干涉测量方法，以及子孔径拼接干涉测量装置。

背景技术

[0002] 子孔径拼接干涉测量方法是一种面形检测方法，常用于检测大口径平面及非球面。其将不容易进行一次性全口径面形检测的镜面划分成若干个子孔径区域，这些子孔径
区域之间互有重叠；通过改变干涉仪与被测镜的相对空间位置，每次只检测一个子孔径区
域，然后对多次检测的结果进行拼接，进而得到全口径面形。由于不需要一次性对全口径完
成检测，子孔径拼接干涉测量方法不需要具备和被测镜口径一致或更大的补偿器、参考镜
或干涉仪，只需小口径元器件即可完成全口径测量，因此能够降低成本，并扩大干涉仪的横
向和纵向的动态范围。

[0003] 传统的子孔径拼接干涉测量方法，在测量过程中需要改变干涉仪与被测镜的相对空间位置，即固定其中一方，使另一方做沿轴平移、垂轴平移、绕轴旋转等多自由度运动，从
而对不同的子孔径区域实现检测。这意味着子孔径拼接干涉测量方法的调整误差来源较
多，需要辅以非常复杂的误差补偿算法。同时，为了实现元器件的多自由度调整，子孔径拼
接干涉测量方法的装置结构往往较为复杂。

[0004] 偏振光栅是一种基于入射光的偏振态实现选择性分光或非机械式光束转向的衍射光学元件，衍射角度取决于光栅空间周期。当偏振光栅的入射光为线偏振光时，其出射光
为+1级衍射光及‑1级衍射光，其中+1级衍射光为左旋圆偏振光，‑1级为右旋圆偏振光；当偏
振光栅的入射光为右旋圆偏振光时，其出射光为+1级衍射光，衍射光偏振态为左旋圆偏振
光；当偏振光栅的入射光为左旋圆偏振光时，其出射光为‑1级衍射光，衍射光偏振态为右旋
圆偏振光。

发明内容

[0005] 为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种子孔径拼接干涉测量方法，其能够减少调整误差来源，避免了复杂的调整装置而简化结构，可测口径不受调
整装置的行程限制。

[0006] 本发明的技术方案是：这种子孔径拼接干涉测量方法，其包括以下步骤：

[0007] (1)构建子孔径拼接干涉测量装置，不加入偏振片、偏振光栅和λ4波片；调整干涉仪与被测镜的相对位置，使干涉仪与被测镜对心放置，干涉仪的出射光照射在被测镜的中
心子孔径区域，且干涉仪采集到的条纹图像满足干涉测量的要求；

[0008] (2)使用干涉仪对被测镜中心子孔径区域面形进行检测，并保存检测结果；

[0009] (3)在测量装置中加入偏振光栅和λ4波片，根据实际测量需求调整其空间位置、偏转角度及俯仰角度；

[0010] (4)旋转偏振光栅，使测量光依次照射在被测镜除中心子孔径外其余各子孔径区域，完成对被测镜各子孔径区域的面形检测，并保存各子孔径区域面形检测结果；

[0011] (5)如已测子孔径区域尚未覆盖被测镜全口径，则换用空间周期更小的偏振光栅并重复步骤(3)及步骤(4)，以测量被测镜更外圈的子孔径区域，以保证所有子孔径区域可
覆盖被测镜全口径；

[0012] (6)对多次检测的结果进行拼接，得到被测镜的全口径面形。

[0013] 本发明通过旋转偏振光栅即可实现对被测面上不同子孔径区域的面形检测，从而简化了调整过程，并且减少了其测量过程中的调整自由度，从而减少其调整误差来源；本发
明只需有支撑偏振光栅绕光轴转动的镜架或类似结构即可，不需要传统的子孔径拼接干涉
测量装置中复杂的调整装置，如六轴工作台等，简化了装置结构；本发明只需通过换用不同
周期的偏振光栅即可成倍扩展可测口径，避免了传统子孔径拼接干涉测量方法的可测口径
受调整装置的行程限制。

[0014] 还提供了一种子孔径拼接干涉测量装置，其包括：

[0015] 干涉仪(1)、偏振片(2)、偏振光栅(3)、λ4波片(4)、遮挡物(5)、被测镜(6)，干涉仪、偏振光栅、被测镜对心放置；不加入偏振光栅和λ4波片时，干涉仪出射单色球面光波作为测
量光，照射在被测面的中心子孔径区域上，经其反射后返回干涉仪内部与参考光产生干涉，
形成干涉图；

[0016] 若干涉仪出射光为线偏振光或光路中包含偏振片(2)，加入偏振光栅和λ4波片时，偏振光栅位于干涉仪出射球面波的焦平面上，干涉仪出射单色球面光波聚焦于偏振光栅时
为线偏振光；由于偏振光栅的分光功能，出射偏振光栅的光会分为+1级左旋圆偏振光与‑1
级右旋圆偏振光，其中一束作为测量光，另一束被遮挡物(5)遮挡，无法到达被测面；测量光
经过λ4波片后照射在被测面的某一子孔径区域上，经其反射后再依次经过λ4波片、偏振光
栅及偏振片后，返回干涉仪内部与参考光产生干涉，形成干涉图。

附图说明

[0017] 图1是根据本发明的子孔径拼接干涉测量方法的流程图。

[0018] 图2是根据本发明的子孔径拼接干涉测量装置的一个实施例的示意图。

[0019] 图3是根据本发明的子孔径拼接干涉测量装置的另一个实施例的示意图。

[0020] 其中，1‑干涉仪，2‑偏振片，3‑偏振光栅，4‑λ4波片，5‑遮挡物，6‑被测镜。

具体实施方式

[0021] 针对子孔径拼接干涉测量方法调整误差来源较多且装置结构复杂这一问题，本发明公开的利用偏振光栅的子孔径拼接干涉测量方法和装置要解决的技术问题是：保留子孔
径拼接干涉测量方法的原有优势，即使用小口径元器件实现大口径面形测量，同时减少其
测量过程中的调整自由度，从而减少其调整误差来源，简化其装置结构。

[0022] 如图1所示，这种子孔径拼接干涉测量方法，其包括以下步骤：

[0023] (1)构建子孔径拼接干涉测量装置，不加入偏振片、偏振光栅和λ4波片；调整干涉仪与被测镜的相对位置，使干涉仪与被测镜对心放置，干涉仪的出射光照射在被测镜的中
心子孔径区域，且干涉仪采集到的条纹图像满足干涉测量的要求；

[0024] (2)使用干涉仪对被测镜中心子孔径区域面形进行检测，并保存检测结果；

[0025] (3)在测量装置中加入偏振光栅和λ4波片，根据实际测量需求调整其空间位置、偏转角度及俯仰角度；

[0026] (4)旋转偏振光栅，使测量光依次照射在被测镜除中心子孔径外其余各子孔径区域，完成对被测镜各子孔径区域的面形检测，并保存各子孔径区域面形检测结果；

[0027] (5)如已测子孔径区域尚未覆盖被测镜全口径，则换用空间周期更小的偏振光栅并重复步骤(3)及步骤(4)，以测量被测镜更外圈的子孔径区域，以保证所有子孔径区域可
覆盖被测镜全口径；

[0028] (6)对多次检测的结果进行拼接，得到被测镜的全口径面形。

[0029] 本发明通过旋转偏振光栅即可实现对被测面上不同子孔径区域的面形检测，从而简化了调整过程，并且减少了其测量过程中的调整自由度，从而减少其调整误差来源；本发
明只需有支撑偏振光栅绕光轴转动的镜架或类似结构即可，不需要传统的子孔径拼接干涉
测量装置中复杂的调整装置，如六轴工作台等，简化了装置结构；本发明只需通过换用不同
周期的偏振光栅即可成倍扩展可测口径，避免了传统子孔径拼接干涉测量方法的可测口径
受调整装置的行程限制。

[0030] 优选地，所述步骤(3)中若干涉仪出射光为圆偏振光，加入偏振光栅和λ4波片时，干涉仪出射单色圆偏振球面光波作为测量光聚焦于偏振光栅，偏振光栅位于干涉仪出射球
面波的焦平面上；由于偏振光栅的光束转向功能，出射偏振光栅的光会偏离光轴，且其旋向
与初始旋向相反；出射偏振光栅的光经过λ4波片后照射在被测镜表面，被测面的某一子孔
径区域上，经其反射后再次经过λ4波片，返回偏振光栅；返回偏振光栅的圆偏振光与出射偏
振光栅的圆偏振光旋向相同，经偏振光栅转向后，返回干涉仪内部与参考光产生干涉，形成
干涉图。

[0031] 优选地，所述步骤(3)中若干涉仪出射光为线偏振光或光路中包含偏振片，加入偏振光栅和λ4波片时，偏振光栅位于干涉仪出射球面波的焦平面上，干涉仪出射单色球面光
波聚焦于偏振光栅时为线偏振光；由于偏振光栅的分光功能，出射偏振光栅的光会分为+1
级左旋圆偏振光与‑1级右旋圆偏振光，其中一束作为测量光，另一束被遮挡物遮挡，无法到
达被测面；测量光经过λ4波片后照射在被测面的某一子孔径区域上，经其反射后再依次经
过λ4波片、偏振光栅及偏振片后，返回干涉仪内部与参考光产生干涉，形成干涉图。

[0032] 优选地，所述步骤(3)中干涉仪出射单色圆偏振或线偏振球面光波，具体波长根据实际测量情况决定；其球面镜头的F数综合被测面面形参数、口径及偏振光栅空间周期决
定，保证干涉仪出射光直接照射在被测面上的中心子孔径区域与经偏振光栅偏转后照射在
被测镜上的多个子孔径区域经拼接后得到全口径面形。

[0033] 如图2所示，还提供了一种子孔径拼接干涉测量装置，其包括：干涉仪1、偏振片2、偏振光栅3、λ4波片4、遮挡物5、被测镜6，干涉仪、偏振光栅、被测镜对心放置；

[0034] 不加入偏振光栅和λ4波片时，干涉仪出射单色球面光波作为测量光，照射在被测面的中心子孔径区域上，经其反射后返回干涉仪内部与参考光产生干涉，形成干涉图；

[0035] 若干涉仪出射光为线偏振光或光路中包含偏振片2，加入偏振光栅和λ4波片时，偏振光栅位于干涉仪出射球面波的焦平面上，干涉仪出射单色球面光波聚焦于偏振光栅时为
线偏振光；由于偏振光栅的分光功能，出射偏振光栅的光会分为+1级左旋圆偏振光与‑1级
右旋圆偏振光，其中一束作为测量光，另一束被遮挡物5遮挡，无法到达被测面；测量光经过
λ4波片后照射在被测面的某一子孔径区域上，经其反射后再依次经过λ4波片、偏振光栅及
偏振片后，返回干涉仪内部与参考光产生干涉，形成干涉图。

[0036] 优选地，所述偏振光栅在实际实验中共用到一或多个，每次测量使用一个，其空间周期综合被测面口径及干涉仪球面镜头F数决定，保证干涉仪出射光直接照射在被测面上
的中心子孔径区域与经偏振光栅偏转后照射在被测镜上的多个子孔径区域经拼接后得到
全口径面形；所述偏振光栅的工作波长根据干涉仪出射光波长决定；所述λ4波片，其工作波
长根据干涉仪出射光波长决定，其口径及在装置中的放置位置保证出射偏振光栅的球面波
不被其剪切。

[0037] 优选地，所述干涉仪出射单色圆偏振或线偏振球面光波，具体波长根据实际测量情况决定；其球面镜头的F数综合被测面面形参数、口径及偏振光栅空间周期决定，保证干
涉仪出射光直接照射在被测面上的中心子孔径区域与经偏振光栅偏转后照射在被测镜上
的多个子孔径区域经拼接后得到全口径面形。

[0038] 优选地，如图3所示，若干涉仪出射光为圆偏振光，加入偏振光栅和λ4波片时，干涉仪出射单色圆偏振球面光波作为测量光聚焦于偏振光栅，偏振光栅位于干涉仪出射球面波
的焦平面上；由于偏振光栅的光束转向功能，出射偏振光栅的光会偏离光轴，且其旋向与初
始旋向相反；出射偏振光栅的光经过λ4波片后照射在被测镜表面，被测面的某一子孔径区
域上，经其反射后再次经过λ4波片，返回偏振光栅；返回偏振光栅的圆偏振光与出射偏振光
栅的圆偏振光旋向相同，经偏振光栅转向后，返回干涉仪内部与参考光产生干涉，形成干涉
图。

[0039] 优选地，视干涉仪出射光偏振态及干涉条纹对比度决定是否加入偏振片，其口径综合干涉仪出射光口径及偏振片在光路中位置综合决定，保证干涉仪出射光不被其剪切；
所述遮挡物从干涉仪方向入射偏振光栅的光为线偏振光时使用，其材质及口径保证偏振光
栅出射光中非测量光的一束无法到达被测面或反射回偏振光栅。

[0040] 优选地，所述被测镜为凹球面或凹非球面。

[0041] 以下详细说明本发明的一个具体实施例。

[0042] 采用利用偏振光栅的子孔径拼接干涉测量方法测量球面镜的面型误差，测量装置为利用偏振光栅的子孔径拼接干涉测量装置，如图3所述，包括1‑干涉仪，3‑偏振光栅，4‑λ4
波片，6‑被测镜。

[0043] 本实施例所述被测镜为凹球面镜，曲率半径为200mm，口径为50.8mm。干涉仪出射波长为632.8nm的单色左旋圆偏振光，球面镜头口径为101.6mm，F数为7.1。偏振光栅口径为
25.4mm，空间周期为5μm，工作波长为633nm，1级衍射角约为7.27°。λ4波片口径为25.4mm，工
作波长为633nm。干涉仪出射球面波照射在被测镜上的子孔径区域为圆形，其口径为
28.1mm，经偏振光栅进行光束偏转后照射在被测面上的子孔径区域圆心与中心子孔径区域
圆心在垂直与光轴方向的距离为25.3mm。

[0044] 测量步骤如下：

[0045] 步骤一：构建子孔径拼接干涉测量装置，不加入偏振光栅和λ4波片。调整干涉仪与被测镜的相对位置，使干涉仪与被测镜对心放置，干涉仪的出射光照射在被测镜的中心子
孔径区域，且干涉仪采集到的条纹图像满足干涉测量的要求。

[0046] 步骤二：使用干涉仪对被测镜中心子孔径区域面形进行检测，并保存检测结果。

[0047] 步骤三：在测量装置中加入偏振光栅，使其与干涉仪、被测面对心放置，三者光轴重合，且偏振光栅位于干涉仪出射球面光波的焦点位置；加入λ4波片，使其平行于偏振光栅
放置，即垂直于光学平台表面，且出射偏振光栅的球面波可全部通过其工作口径。

[0048] 步骤四：旋转偏振光栅，每次旋转45°，共旋转7次，使测量光依次照射在被测镜除中心子孔径外其余八个子孔径区域上，完成对被测镜各子孔径区域的面形检测，并保存各
子孔径区域面形检测结果。

[0049] 步骤五：对九次检测的结果进行拼接，得到被测镜的全口径面形。

[0050] 本发明的有益效果如下：

[0051] 1、本发明所述方法及装置，保留了子孔径拼接干涉测量方法的原有优势，可使用F数较大的干涉仪球面镜头测量F数较小的被测面面形，同时不需要多自由度调整被测镜或
干涉仪，只需旋转偏振光栅即可实现对被测面上不同子孔径区域的面形检测，从而简化了
调整过程，并且减少了其测量过程中的调整自由度，从而减少其调整误差来源。

[0052] 2、本发明所述装置，不需要传统的子孔径拼接干涉测量装置中复杂的调整装置，如六轴工作台等，只需有支撑偏振光栅绕光轴转动的镜架或类似结构即可，简化了装置结
构。

[0053] 3、本发明所述方法及装置，只需通过换用不同周期的偏振光栅即可成倍扩展可测口径，而传统子孔径拼接干涉测量方法的可测口径受调整装置的行程限制。

[0054] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明
技术方案的保护范围。