一种获得倾斜波面干涉系统中点源阵列分布的规划方法与流程

本发明涉及光学元件面形检测领域，具体涉及一种获得倾斜波面干涉系统中点源阵列分布的规划方法。

背景技术：

光学自由曲面元件不仅能更好校正各类像差的同时还能简化光学系统的结构，使光学系统的性能得到显著提升，也使其应用领域不断扩大。高精度的光学自由曲面加工技术离不开高精度的自由曲面检测技术，但是由于光学自由曲面曲率变化大，面形自由度高，使其在高精度加工和精密检测方面增加了难度。

目前国内外对自由曲面的检测主要有非干涉检测法和干涉检测法。非干涉检测法不能较好的解决测量精度与速度之间的矛盾。干涉测量可以实现全口径同步测量，测量速度快，测量精度高，能检测面形波长量级的变化。干涉测量法中目前比较有前景的有子孔拼接技术和倾斜波面补偿技术。其中倾斜波面非零位干涉法的大动态测量范围、纳米级的检测精度、全面形检测模式等优点，使得其在光学自由曲面面形检测领域备受关注。

根据倾斜波面非零位干涉检测系统设计要求，研究了基于点光源阵列斜率补偿模块的设计方法，在沈华的《基于多重倾斜波面的光学自由曲面非零位干涉测量关键技术研究》一文中公开的基于微透镜阵列的点光源阵列，由于微透镜阵列本身存在球差，并且阵列中透镜的半径大，导致测量的干涉图条纹太密集，但是缩小透镜口径，就会导致光通量成倍减少，并且一旦微透镜阵列制作完成，只能测量特定的面形的待测件，所以为了克服基于微透镜阵列的点源阵列带来的球差以及测量灵活性差的问题，引入了基于光纤阵列的点光源器件的关键器件。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种获得倾斜波面干涉系统中点源阵列分布的规划方法，通过已知数据模拟仿真得到能够测量符合一定面形的被测件的点光源阵列参数，克服基于微透镜阵列的点源阵列带来的球差以及测量灵活性差的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种获得倾斜波面干涉系统中点源阵列分布的规划方法，方法步骤如下：

第一步，将被测件的设计面形数据输入倾斜波面干涉系统仿真程序，根据倾斜波面干涉系统原理，由被测件表面反射回所述倾斜波面干涉系统的反射光线不需要严格经过光轴上的点源位置，即O点，即在Z＝0平面内能够确定一个以(0，0)为圆心r为半径的圆，只要反射光线经过此圆内就能返回所述倾斜波面干涉系统；转入第二步；

第二步，利用光路可逆性，从上述Z＝0平面内的圆上逆向追迹光线，获得被测件上任意一点B(s,t)对应的点源分布区域，其中s表示待测件上点B对应的横坐标，t表示待测件上点B对应的纵坐标；以此类推，将待测件上每个点对应的点源分布区域都计算出，从而获得被测件的全面形所需要的点源分布区域阵列，转入第三步；

第三步，确定点源分布区域阵列中每个区域的质心坐标(x,y)，记为矩阵A[i,j]，并计算出每个质心到对应区域边缘的最短距离矩阵d_q[k,l]，q表示被测件上不同的点，k表示最短距离矩阵的行坐标，l表示最短距离矩阵的纵坐标；

第四步，根据点源阵列发生器的实际加工及分布情况，进一步优化需要的点源位置，去掉冗余，获得被测件上每个点对应的点源最优位置；

第五步，根据上述被测件上每个点对应的点源最优位置，获得符合被测件面形变化要求的点源阵列发生器参数。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)根据自由曲面表面梯度变化为依据，以及非零位干涉原理，采用逆向光线追迹法，得到满足梯度补偿条件的干涉源矢量坐标及数值孔径的方法，原理简单，易实现，精度高。

(2)根据现在光纤阵列加工工艺结合本发明的规划方法，能够更加合理、更加精确地选取光纤阵列的参数。

(3)应用逆向追迹光线，确定干涉源的数量及开关顺序，在实际测量中可以避免各点源出射光束之间的互相干扰。

(4)本发明提出的基于光纤阵列的点光源发生器，克服了微透镜阵列带来的球差以及测量灵活性差等问题。

(5)本发明简单有效，在对非球面及自由曲面面形检测方面具有非常重要的意义。

附图说明

图1为本发明获得倾斜波面干涉系统中点源阵列分布的规划方法的流程图。

图2为实现本发明获得倾斜波面干涉系统中点源阵列分布的规划方法的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

为了实现对点光源阵列的动态控制，即对光纤阵列中出射的每一束光进行自由的通断控制，本发明引入了光开关、耦合器等光学器件。

结合图1和图2，一种获得倾斜波面干涉系统中点源阵列分布的规划方法，具体方法步骤如下：

第一步，将被测件的设计面形数据输入倾斜波面干涉系统仿真程序，根据倾斜波面干涉系统原理，由被测件表面反射回所述倾斜波面干涉系统的反射光线不需要严格经过光轴上的点源位置，即O点，即在Z＝0平面内能够确定一个以(0，0)为圆心r为半径的圆C，只要反射光线经过此圆内就能返回所述倾斜波面干涉系统；转入第二步；

第二步，利用光路可逆性，从上述Z＝0平面内的圆上逆向追迹光线，获得被测件上任意一点B(s,t)对应的点源分布区域C₁，其中s表示待测件上点B对应的横坐标，t表示待测件上点B对应的纵坐标；以此类推，将待测件上每个点对应的点源分布区域都计算出，从而获得被测件的全面形所需要的点源分布区域阵列，转入第三步；

第三步，确定点源分布区域阵列中每个区域的质心坐标(x,y)，记为矩阵A[i,j]，并计算出每个质心到对应区域边缘的最短距离矩阵d_q[k,l]，q表示被测件上不同的点，k表示最短距离矩阵的行坐标，l表示最短距离矩阵的纵坐标；

第四步，根据点源阵列发生器的实际加工及分布情况，进一步优化需要的点源位置，去掉冗余，获得被测件上每个点对应的点源最优位置；

优化需要的点源位置，去掉冗余的步骤如下：

步骤1)将选用的点源阵列发生器的参数输入仿真程序，生成一个点源阵列，点源间距为d，d为目前技术水平所能达到的最小距离，阵列数m×n；

步骤2)计算出质心到每个点源的距离并存入矩阵dis[g,h]中，其中g表示矩阵中的行坐标，h表示矩阵中的列坐标，将d_q[k,l]中点任意一个质心对应的最短距离d₁[k,l]和dis[g,h]中的元素逐个比较，将满足dis[g,h]<d₁[k,l]的N个点源位置坐标编号存入矩阵PSA_q中；

步骤3)对矩阵PSA_q中所有点源位置坐标按照出现的次数由高到低进行排序，记为p1、p2、p3…，将上述点源位置中包含点源坐标p1区域标记为可测；如遇到出现次数相同的情况，即p1与p2出现次数相等，则优先选择离中心点近的坐标；

步骤4)重复步骤2)和3)，将待测件上每个点对应的点源位置坐标编号分别存入矩阵PSA_q中，对矩阵PSA_q中所有点源位置坐标按照出现的次数由高到低进行排序，将所述点源位置中包含次数出现最高的点源坐标区域标记为可测，从而获得待测件上每个点的测量点源位置。

第五步，根据上述被测件上每个点对应的点源最优位置，获得符合被测件面形变化要求的点源阵列发生器参数，包括点源阵列的数量、排列方式、点源间距等相关参数。

本文中所述的仿真程序为沈华在《基于多重倾斜波面的光学自由曲面非零位干涉测量关键技术研究》一文中公开的倾斜波面干涉系统仿真程序。

本发明动态生成的点源阵列使得被测件的检测范围更广，提高了整个系统的通用性，同时消除了由于单透镜带来的球差，且简化了系统装置、操作简单、测量精度高。