一种高陡度连续位相元件的测量装置及其应用方法

本发明涉及光学元件测量，具体涉及一种高陡度连续位相元件的测量装置及其应用方法。

背景技术：

1、连续位相元件（cpp）是一种典型的衍射光学元件，其表面被设计成连续的三维浮雕轮廓，入射波前通过浮雕轮廓后被调制成理想的出射波前，在光束整形、补偿和调制等方面具有广阔的应用前景。随着可控惯性约束聚变系统的不断迭代升级，新一代激光系统要求激光光束的焦斑光强分布具有平顶、陡边和无旁瓣特性。但这要求连续位相元件具有更小的空间周期和更高的调制深度，这无疑对连续相位板的表面质量检测带来极大挑战。干涉测量是一种高精度的光学元件面形测量方法，主要用于精加工阶段和成品光学元件的质量检测。目前国内设计的连续位相元件最大梯度已达8λ/cm，常用的激光干涉仪梯度分辨率通常为2λ/cm，由于连续位相元件的面形陡度不断增大，连续位相元件表面梯度的变化可能会导致干涉条纹过密，导致探测器无法区分，从而无法分辨相位，超出了激光干涉仪的动态范围，因此干涉测量法会因为干涉条纹密度过高出现无法记录和解算的情况，局部高陡度面形存在数据缺失，不能准确测量。高陡度（面形梯度超过2λ/cm）连续位相元件的表面梯度和空间周期较小还可能会导致某些光逃避激光干涉仪。针对传统干涉测量高陡度连续位相元件时，取一水平线得到的曲线图，会发现该位置缺少很多数据。面形误差的测量反馈精度将直接决定连续相位元件的加工效率和最终精度。如无法测出连续位相元件的面形，便只能靠操作者的经验盲目尝试，缺少加工依据，这一部分缺失结果的面形误差将极大增加反复加工的次数和时间。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种高陡度连续位相元件的测量装置及其应用方法，本发明旨在解决干涉测量由于局部高陡度面形出现干涉条纹密度过高，无法记录和解算而丢失数据的情况，最终无法准确测量面形，导致后续加工次数和时间极大增加的问题，不改变原激光干涉仪光路的前提下，实现对高陡度连续位相元件的局部陡度面形误差的测量。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种高陡度连续位相元件的测量装置，包括激光干涉仪、反射镜和设于激光干涉仪一侧的夹具，所述夹具上设有补偿镜和被测连续位相元件，所述补偿镜和被测连续位相元件两者平行布置，且所述补偿镜布置于激光干涉仪和被测连续位相元件之间，所述补偿镜的面形和被测连续位相元件的标准面形互补使得补偿镜的面形最高点对应被测连续位相元件标准面形的最低点、补偿镜的面形最低点对应被测连续位相元件标准面形的最高点，所述补偿镜的面形取被测连续位相元件的标准面形的指定百分比以用于补偿连续位相元件的局部高陡度面形的干涉条纹密度，所述激光干涉仪发射的激光光束依次经过补偿镜、被测连续位相元件后达到反射镜，再经反射镜反射后返回经过被测连续位相元件、补偿镜后与激光干涉仪发射的激光光束形成干涉以被激光干涉仪检测。

4、可选地，所述指定百分比取值范围为负60%到负50%之间。

5、可选地，所述夹具包括底座，所述底座上设有连接支撑板和两个夹持臂，所述连接支撑板两端各与一个夹持臂相连，所述连接支撑板的顶部和两个夹持臂的相对侧均设有两条定位槽以分别将补偿镜和被测连续位相元件夹持固定。

6、可选地，所述底座上设有燕尾槽，所述连接支撑板和两个夹持臂均通过底部的燕尾榫插设布置在底座的燕尾槽中。

7、此外，本发明还提供一种前述的高陡度连续位相元件的测量装置的应用方法，包括：

8、s1，采用激光干涉仪单独完成补偿镜的测量得到全口径面形误差分布；

9、s2，采用激光干涉仪测量补偿镜补偿后的被测连续位相元件的面形数据；

10、s3，将补偿镜补偿后的被测连续位相元件的面形数据减去补偿镜的面形数据，得到被测连续位相元件的完整面形数据。

11、可选地，步骤s1之前还包括制备补偿镜：获取被测连续位相元件的标准面形；将被测连续位相元件标准面形乘以指定百分比得到补偿镜的标准面形，且所述补偿镜的标准面形和被测连续位相元件的标准面形互补使得补偿镜的面形最高点对应被测连续位相元件标准面形的最低点、补偿镜的面形最低点对应被测连续位相元件标准面形的最高点；通过确定性修形工艺迭代加工出补偿镜的面形直至面形满足要求。

12、可选地，所述通过确定性修形工艺迭代加工出补偿镜的面形是指采用小磨头抛光与磁流变修形组合工艺迭代加工出补偿镜的面形。

13、可选地，所述小磨头抛光与磁流变修形组合工艺是指先采用小磨头光顺、再采用磁流变修形。

14、可选地，所述采用小磨头抛光与磁流变修形组合工艺迭代加工出补偿镜的面形时，小磨头抛光和磁流变修形两种加工工艺均具有两种不同大小的去除函数，且在加工时先采用较大的去除函数进行大部分材料去除、然后再使用较小的去除函数进行修形，且任意一种加工工艺中较小的去除函数加工占用的时间比例与迭代的次数正相关。

15、和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：相较于传统的连续位相元件的测量装置，本发明高陡度连续位相元件的测量装置需要增加补偿镜，该补偿镜基于被测连续位相元件的设计面形制作加工，在测量光路中可以补偿部分面形信息，从而避免光学元件高陡度面形无法测量的难题。本发明能够不改变原测量光路的前提下，实现对高陡度连续位相元件的局部陡度面形误差的测量，结构较为简单，无需复杂的全口径机械扫描构，保留了干涉测量的高精度。本发明高陡度连续位相元件的测量装置通过准确测量连续位相元件的面形，能够有效减少后续连续位相元件加工所需的次数和时间。

1.一种高陡度连续位相元件的测量装置，其特征在于，包括激光干涉仪（1）、反射镜（5）和设于激光干涉仪（1）一侧的夹具（2），所述夹具（2）上设有补偿镜（3）和被测连续位相元件（4），所述补偿镜（3）和被测连续位相元件（4）两者平行布置，且所述补偿镜（3）布置于激光干涉仪（1）和被测连续位相元件（4）之间，所述补偿镜（3）的面形和被测连续位相元件（4）的标准面形互补使得补偿镜（3）的面形最高点对应被测连续位相元件（4）标准面形的最低点、补偿镜（3）的面形最低点对应被测连续位相元件（4）标准面形的最高点，所述补偿镜（3）的面形取被测连续位相元件（4）的标准面形的指定百分比以用于补偿连续位相元件（4）的局部高陡度面形的干涉条纹密度，所述激光干涉仪（1）发射的激光光束依次经过补偿镜（3）、被测连续位相元件（4）后达到反射镜（5），再经反射镜（5）反射后返回经过被测连续位相元件（4）、补偿镜（3）后与激光干涉仪（1）发射的激光光束形成干涉以被激光干涉仪（1）检测。

2.根据权利要求1所述的高陡度连续位相元件的测量装置，其特征在于，所述指定百分比取值范围为负60%到负50%之间。

3.根据权利要求1所述的高陡度连续位相元件的测量装置，其特征在于，所述夹具（2）包括底座（21），所述底座（21）上设有连接支撑板（22）和两个夹持臂（23），所述连接支撑板（22）两端各与一个夹持臂（23）相连，所述连接支撑板（22）的顶部和两个夹持臂（23）的相对侧均设有两条定位槽以分别将补偿镜（3）和被测连续位相元件（4）夹持粘接并固定。

4.根据权利要求3所述的高陡度连续位相元件的测量装置，其特征在于，所述底座（21）上设有燕尾槽，所述连接支撑板（22）和两个夹持臂（23）均通过底部的燕尾榫插设布置在底座（21）的燕尾槽中。

5.根据权利要求3所述的高陡度连续位相元件的测量装置，其特征在于，所述底座（21）置于气浮平台上。

6.一种权利要求1～5中任意一项所述的高陡度连续位相元件的测量装置的应用方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的高陡度连续位相元件的测量装置的应用方法，其特征在于，步骤s1之前还包括制备补偿镜（3）：获取被测连续位相元件（4）的标准面形；将被测连续位相元件（4）标准面形乘以指定百分比得到补偿镜（3）的标准面形，且所述补偿镜（3）的标准面形和被测连续位相元件（4）的标准面形互补使得补偿镜（3）的面形最高点对应被测连续位相元件（4）标准面形的最低点、补偿镜（3）的面形最低点对应被测连续位相元件（4）标准面形的最高点；通过确定性修形工艺迭代加工出补偿镜（3）的面形直至面形满足要求。

8.根据权利要求7所述的高陡度连续位相元件的测量装置的应用方法，其特征在于，所述通过确定性修形工艺迭代加工出补偿镜（3）的面形是指采用小磨头抛光与磁流变修形组合工艺迭代加工出补偿镜（3）的面形。

9.根据权利要求8所述的高陡度连续位相元件的测量装置的应用方法，其特征在于，所述小磨头抛光与磁流变修形组合工艺是指先采用小磨头光顺、再采用磁流变修形。

10.根据权利要求9所述的高陡度连续位相元件的测量装置的应用方法，其特征在于，所述采用小磨头抛光与磁流变修形组合工艺迭代加工出补偿镜（3）的面形时，小磨头抛光和磁流变修形两种加工工艺均具有两种不同大小去除函数，且在加工时先采用较大的去除函数进行大部分材料去除、然后再使用较小的去除函数进行修形，且任意一种加工工艺中较小的去除函数加工占用的时间比例与迭代的次数正相关。