本发明涉及光学精密测量领域，特别涉及一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统及方法。
背景技术：
柱状光学元件(如圆柱透镜)能够在一维方向改变成像尺寸大小，例如可以把一个点光斑转换成一条线光斑，或者在不改变像宽度的情况下改变像的高度。这一特点使其在波前整形、条形码扫描、光片照明显微镜以及线扫描显微镜等光学系统中不可或缺。特别是在强激光系统、同步辐射装置、卫星制导及导航系统中，柱状光学元件发挥着关键性作用。非圆柱面(如椭圆柱、抛物柱面等)比圆柱面在设计时引入了更多的参数，使其能够矫正像差、改善像质，并使光学系统简化，减轻重量。因此，非圆柱光学元件有望逐步替代圆柱透镜作为上述光学系统中的关键部件。然而，非圆柱光学元件面形误差的精密检测一直是光学测量领域尚未解决的一个难题，成了制约其广泛应用的关键因素。
目前，针对非圆柱光学元件的面形误差检测，主要采用接触式测量方法，如三坐标测量机和轮廓仪。然而，接触式测量方法的采样率低，难以获得高分辨率的测量结果，用于表征待测非圆柱面的全口径面形误差分布。此外，接触式探针容易磨损，会产生测量误差，影响最终的测量结果。干涉测量技术，作为光学三维测量技术的分支，由于具有非接触性、全场性、高精度、高分辨率等特点，使其在精密零件、光学元件的面形误差检测等领域得到了日益广泛的应用。
由于非圆柱面偏离理想圆柱面的误差(又称为非圆柱面度)太大，远超出柱面干涉系统的垂直测量范围，导致形成的干涉条纹太密而无法解析。采用补偿器能够将柱面干涉系统发出的波前转换成与被测非圆柱面匹配的非圆柱面波前，从而实现干涉检测的目的，但补偿器都是针对待测面进行像差平衡设计，如果待测面的参数稍微发生变化即可能需要重新设计补偿器，造成时间和经济成本的巨大浪费。干涉拼接术为解决这类问题提供了新思路。它的基本原理是将被测物体划分为若干个小尺寸的子孔径，相邻的子孔径间有局部重叠区，每次用小口径的干涉系统测量待测物体的局面面形，通过移动、转动待测物体或干涉系统，测得全部子孔径面形误差，然后采用子孔径拼接法将所有子孔径测量数据得到全孔径面形误差。文献“J.Peng,H.Xu,Y.Yu,and M.Chen,“Stitching interferometry for cylindrical optics with large angular aperture,”Meas.Sci.Technol.,vol.26,no.2,25204,(2015)”借鉴了干涉拼接术的基本思想，获得了大数值孔径柱面光学元件的全口径面形误差。然而，采用子孔径拼接法检测非圆柱面时需要保证返回的剩余像差不超过干涉系统的垂直测量范围，以便获得可解析的干涉图。为了满足这一要求，子孔径拼接法检测非球面(或者非圆柱面)时需要缩短子孔径的宽度，以便减小返回的剩余像差。这势必增加测量所需子孔径的数目，导致测量时间长，易受环境干扰，测量精度较低等问题。
为了减少测量所需子孔径的数目，缩短测量时间，可在离轴子孔径测量过程中增加可变补偿器，补偿离轴子孔径与最佳拟合圆柱或球面的偏差。但与常规的零位补偿器不同，只需要补偿后离轴子孔径的剩余像差减小到干涉仪的垂直测量范围内，此时的补偿器称为近零位补偿器。此外，由于测量不同位置的子孔径所需补偿的像差不同，需要近零位补偿器能够产生大小可变的像差。
CN201210110946.4专利文献公开了“一种用于非球面子孔径拼接测量的近零位补偿器及面形测量仪和测量方法”，该技术方案提出利用一对相向回转的相位板组成可变近零位补偿器，相位板上的相位函数为Zernike多项式组成，两个相位板相向转动时可以产生大小可变的慧差和球差，可补偿非球面上不同位置子孔径的部分像差，从而实现干涉拼接法检测陡度非球面。此外，文献“M.Tricard,A.Kulawiec and M.Bauer.Subaperture stitching interferometry of high-departure aspheres by incorporating a variable optical null.CIRP Annals-Manufacturing Technology,2010,59(1),547–550.”提出了一种应用可变近零位补偿器实现陡度非球面的子孔径拼接测量方法，该方法采用一对Risley棱镜，即由一对角度相等楔形棱镜组成，当两个棱镜相向回转时可改变测试光路的光程差，主要引入慧差；而两个楔形棱镜整体相对于干涉仪的光轴倾斜时引入像散。通过调整这两个自由度，可以产生大小可变的像差，实现非球面上不同位置子孔径的部分像差补偿，获得可解析的干涉图。然而，上述两种方法需要在检测光路中额外引入可变零位补偿器，势必增加测量成本，增加光路的复杂性；此外，上述两种方法只能适用于回转对称非球面，不适用于非圆柱面的干涉检测。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统，在不增加补偿器和测量所需子孔径数目的情况下实现对高陡度非圆柱光学元件的面形误差测量。
本发明的另一目的在于运用上述基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统的测量方法。
为实现以上目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统，包括菲索平面干涉仪、CGH柱面波转换器、待测非圆柱面、非圆柱面调整装置和精密转台；所述菲索平面干涉仪用于产生平面波；所述CGH柱面波转换器用于将平面波衍射成柱面波前，CGH柱面波转换器安装在精密转台上，并位于菲索平面干涉仪和待测非圆柱面之间；所述精密转台用于控制CGH柱面波转换器转动，使CGH柱面波转换器绕着自身的中心轴线旋转；所述待测非圆柱面安装在非圆柱面调整装置上，所述非圆柱面调整装置为一个五自由度的调整机构,用于调整待测非圆柱面的空间位置，包括三个转动和二个直线运动；所述菲索平面干涉仪的光轴与CGH柱面波转换器的光轴重合；调整非圆柱面调整装置使待测非圆柱面的最佳拟合圆柱轴线与CGH柱面波转换器衍射的柱面波前的焦轴线重合。
作为优选的技术方案，所述菲索平面干涉仪发出的平面波经CGH柱面波转换器形成柱面波前入射到待测非圆柱面，经过待测非圆柱面反射后再次通过CGH柱面波转换器，最后返回菲索平面干涉仪内部与参考光干涉形成干涉图；其中，通过改变CGH柱面波转换器的旋转角度，产生大小和形状可变的非圆柱波前。
作为优选的技术方案，基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统的测量方法，包括以下步骤：
S1)、根据待测非圆柱面的理论面形轮廓确定CGH柱面波转换器的F/数，划分子孔径；所述F为CGH柱面波转换器的后焦距和光圈直径的比值；
S2)、根据子孔径的理论面形轮廓计算子孔径的名义运动量；
S3)、根据子孔径的名义运动量调整待测非圆柱面和CGH柱面波转换器的姿态，获得可解析的干涉图；
S4)、根据CGH柱面波转换器的转动量，确定剩余像差的名义值，从而获取子孔径的面形误差数据；所述剩余像差的名义值为理论面形轮廓减去旋转CGH柱面波转换器产生的像差后残余的像差；所述面形误差数据为实际面形相对理论面形轮廓的偏差；
S5)、通过圆柱拼接算法和柱面干涉拼接算法进行拼接处理，获得待测非圆柱面的全口径面形误差。
作为优选的技术方案，步骤S1)的具体过程如下：
首先，待测非圆柱面的理论面形轮廓通过透镜厂家提供的设计值求得，具体计算公式如下：
其中z表示待测非圆柱面的矢高；k表示二次曲面常数；Y表示垂直于非圆柱面轴线方向的水平坐标，Y∈[-D/2,D/2]，D表示待测非圆柱面透镜通光孔径的宽度；R表示非圆柱面的顶点曲率半径；A4，A6，…，A14表示非圆柱面系数；
其次，根据待测非圆柱面的理论面形轮廓计算最佳拟合圆柱的半径Rbfc：
其中，表示矢高z的最大值；然后通过如下公式获得非圆柱面度：
所述最佳拟合圆柱记为Cf，所述非圆柱面度为待测非圆柱面与最佳拟合圆柱的偏差；
接着，计算非圆柱面度的斜率，确定斜率的最大值点和最小值点，所述最大点记为A，所述最小点记为B；在AB区间内确定一点，记为M，点M与点B之间对应的面形记为SMB,使得SMB的理论面形轮廓与其最佳拟合圆柱的偏差在菲索平面干涉仪的动态测量范围内，此时的最佳拟合圆柱记为CMB；
最后，根据MB的长度和最佳拟合圆柱CMB的半径确定CGH柱面波转换器的F/数，根据F/数和重叠系数Co划分子孔径；所述重叠系数为相邻子孔径间重合区域与单个子孔径所占区域的比值，设定Co＝0.3。
作为优选的技术方案，步骤S2)具体为：根据子孔径的理论面形轮廓采用最小二乘法计算最佳拟合圆柱，获得最佳拟合圆柱的轴线位置参数，所述轴线位置参数又称为子孔径的名义运动量。
作为优选的技术方案，步骤S3)具体包括：根据子孔径的名义运动量调整待测非圆柱面，使待测非圆柱面的一个子孔径进入菲索平面干涉仪的测量视角内；然后通过调整CGH柱面波转换器使其绕着中心轴线旋转并改变旋转角度，产生大小可变的慧差，以补偿被测子孔径的像差，减少返回干涉仪内部的剩余像差，获得可解析的干涉图；接着利用菲索平面干涉仪获得测量结果，所述测量结果为一个相对值，表示实际面形与CGH柱面波转换器产生的参考波前的偏差。
作为优选的技术方案，步骤S4)具体包括：为获得子孔径的面形误差数据，首先根据CGH柱面波转换器的转动量，通过数字化测量解算确定剩余像差的名义值，然后从测量结果中减去剩余像差的名义值，得到子孔径的面形误差数据；最后根据剩余像差的名义值和测量结果依次获得其他子孔径的面形误差数据。
作为优选的技术方案，步骤S5)具体包括：
首先，根据子孔径的名义运动量将所有子孔径的面形误差数据变换到全局三维坐标系(x,y,z)；
其中，Rbfc表示子孔径的最佳拟合圆柱的半径，Rbf表示CGH柱面波转换器的后焦距，表示子孔径的面形误差；X表示沿着非圆柱面轴线方向的坐标，Y表示垂直于非圆柱面轴线方向的水平坐标；
然后采用圆柱拼接算法粗配子孔径的三维面形误差数据，即利用重叠区在半径方向的偏差确定相邻子孔径间的相互位置关系，根据此结果采用刚性变换方法调整相邻子孔径的空间坐标；接着将粗配准后的结果减去待测非圆柱面的理论面形轮廓，获得子孔径的面形误差；
最后采用柱面干涉拼接算法精确拼接所有子孔径的面形误差，获得非圆柱面的全口径面形误差。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：
(1)本发明的用于测量非圆柱光学元件面形误差的系统不需额外增加补偿器，只需转动CGH柱面波转换器，就能够产生大小可变的非圆柱面波前，用于补偿离轴子孔径测量结果中的剩余像差，从而减少测量成本。
(2)本发明的用于测量非圆柱光学元件面形误差的系统只需一维转动CGH，易操作，且调整机构的机械精度更容易保证。
(3)本发明所提供的测量方法能够显著降低离轴子孔径的像差，获得可解析的干涉图，而采用现有方法测量非圆柱面时，由于离轴子孔径的与最佳拟合圆柱面的偏差太大，导致无法获得可解析的干涉图。
附图说明
图1为本发明测量系统的示意图；其中，附图标号：1、菲索平面干涉仪；2、CGH柱面波转换器；3、待测非圆柱面；4、非圆柱面调整装置；5、精密转台。
图2为本发明测量方法的实施步骤示意图。
图3(a1)-图3(b3)为本实施例中，没有旋转CGH柱面波转换器，模拟在离轴子孔径处获取的干涉图和相位图；其中，图3(a1)、图3(a2)和图3(a3)分别为在3处离轴子孔径位置获取的干涉图；图3(b1)、图3(b2)和图3(b3)分别为在3处离轴子孔径位置获取对应的相位图。
图4(a1)-图4(b3)为本实施例中，旋转CGH柱面波转换器，模拟在离轴子孔径处获取的干涉图和相位图；其中，图4(a1)、图4(a2)和图4(a3)分别为在与之前相同3处离轴子孔径位置获取的干涉图；图4(b1)、图4(b2)和图4(b3)分别为在与之前相同3处离轴子孔径位置获取对应的相位图。
图5为本实施例中，实验测得待测非圆柱面的子孔径干涉图。
图6为本实施例中，实验测得待测非圆柱面的子孔径面形误差分布图。
图7为本实施例中待测非圆柱面的全口径面形误差分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统，包括菲索平面干涉仪1、CGH柱面波转换器2、待测非圆柱面3、非圆柱面调整装置4和精密转台5；所述菲索平面干涉仪1用于产生平面波；CGH柱面波转换器2用于将平面波衍射成柱面波前；CGH柱面波转换器2安装在精密转台5上，并位于菲索平面干涉仪1和待测非圆柱面3之间，所述精密转台5控制CGH柱面波转换器2转动，使CGH柱面波转换器2绕着自身的中心轴线旋转；所述待测非圆柱面3安装在非圆柱面调整装置4上,所述非圆柱面调整装置4为一个五自由度的调整机构，用于调整待测非圆柱面3的空间位置，包括三个转动和二个直线运动；所述菲索平面干涉仪1的光轴与CGH柱面波转换器2的光轴重合；调整非圆柱面调整装置4使待测非圆柱面3的最佳拟合圆柱轴线与CGH柱面波转换器2衍射的柱面波前的焦轴线重合；所述最佳拟合圆柱轴线是指与待测非圆柱面最接近的参考非圆柱的轴线。
在本实施例1中，所述菲索平面干涉仪1发出的平面波经CGH柱面波转换器2形成柱面波前入射到待测非圆柱面3，经过待测非圆柱面3反射后再次通过CGH柱面波转换器2，最后返回菲索平面干涉仪1内部与参考光干涉形成干涉图；其中，通过改变CGH柱面波转换器2的旋转角度，产生大小和形状可变的非圆柱波前。
本实施例1的测量系统的原理：首先根据子孔径测名义运动量调整待测非圆柱面，使待测非圆柱面的子孔径进入干涉系统的测量视角内；其次转动CGH柱面波转换器，使经过CGH柱面波转换器后返回菲索平面干涉仪的剩余像差最小；接着根据CGH待测非圆柱面的旋转量，通过数字化测量确定CGH转动后补偿的像差；然后按照上述方法完成剩余离轴子孔径面形误差的测量；最后将所述的子孔径面形误差转换成全局三维坐标数据，利用圆柱拼接算法粗配准，然后采用柱面干涉拼接算法精配准，即可获得待测非圆柱面的全口径面形误差分布。本实施例1的测量系统无需要求额外增加补偿器，只需转动CGH柱面波转换器，即可减小返回干涉仪的剩余像差，能够减少测量成本；只需一维转动CGH柱面波转换器，易操作，易保证调整台的机械精度。
实施例2
以下将对本发明所提供的一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统的测量方法进行详细说明。
如图2所示，一种基于旋转CGH的非圆柱面干涉拼接测量系统的测量方法，包括下述步骤：
S1)、根据待测非圆柱面的理论面形轮廓确定CGH柱面波转换器的F/数，划分子孔径；具体过程如下：
首先，待测非圆柱面的理论面形轮廓通过透镜厂家提供的设计值求得，具体计算公式如下：
其中z表示待测非圆柱面的矢高；k表示二次曲面常数；Y表示垂直于非圆柱面轴线方向的水平坐标，Y∈[-D/2,D/2]，D表示待测非圆柱面透镜通光孔径的宽度；R表示非圆柱面的顶点曲率半径；A4，A6，…，A14表示非圆柱面系数；
其次，根据待测非圆柱面的理论面形轮廓计算最佳拟合圆柱的半径Rbfc：
其中，表示矢高z的最大值；然后通过如下公式获得非圆柱面度：
所述最佳拟合圆柱记为Cf，所述非圆柱面度为待测非圆柱面与最佳拟合圆柱的偏差；
接着，计算非圆柱面度的斜率，确定斜率的最大值点和最小值点，所述最大点记为A，所述最小点记为B；在AB区间内确定一点，记为M，点M与点B之间对应的面形记为SMB,使得SMB的理论面形轮廓与其最佳拟合圆柱的偏差在菲索平面干涉仪的动态测量范围内，此时的最佳拟合圆柱记为CMB；
最后，根据MB的长度和最佳拟合圆柱CMB的半径确定CGH柱面波转换器的F/数，根据F/数和重叠系数Co划分子孔径，所述F为CGH的后焦距和光圈直径的比值；所述重叠系数为相邻子孔径间重合区域与单个子孔径所占区域的比值，设定Co＝0.3。
S2)、根据子孔径的理论面形轮廓计算子孔径的名义运动量；
根据子孔径的理论面形轮廓采用最小二乘法计算最佳拟合圆柱，获得最佳拟合圆柱的轴线位置参数，所述轴线位置参数又称为子孔径的名义运动量。
S3)、根据子孔径的名义运动量调整待测非圆柱面和CGH柱面波转换器的姿态，获得可解析的干涉图；
根据子孔径的名义运动量调整待测非圆柱面，使待测非圆柱面的一个子孔径进入菲索平面干涉仪的测量视角内；然后通过调整CGH柱面波转换器使其绕着中心轴线旋转并改变旋转角度，产生大小可变的慧差，以补偿被测子孔径的像差，减少返回菲索平面干涉仪内部的剩余像差，获得可解析的干涉图；接着利用菲索平面干涉仪获得测量结果。
S4)、根据CGH柱面波转换器的转动量，确定剩余像差的名义值，从而获取子孔径的面形误差数据；
所述剩余像差的名义值指的是理论面形轮廓减去旋转CGH柱面波转换器产生的像差后残余的像差；所述面形误差数据指的是实际面形相对理论面形轮廓的偏差；为获得子孔径的面形误差数据，首先根据CGH柱面波转换器的转动量，通过数字化测量解算确定剩余像差的名义值，然后从测量结果中减去剩余像差的名义值，得到子孔径的面形误差数据；最后按照上述方法依次获得其它子孔径的面形误差数据。
S5)、通过圆柱拼接算法和柱面干涉拼接算法进行拼接处理，获得待测非圆柱面的全口径面形误差；具体过程如下：
首先，根据子孔径的名义运动量将所有子孔径的面形误差数据变换到全局三维坐标系(x,y,z)；
其中，Rbfc表示子孔径的最佳拟合圆柱的半径，Rbf表示CGH的后焦距，表示子孔径的面形误差；X表示沿着非圆柱面轴线方向的坐标，Y表示垂直于非圆柱面轴线方向的水平坐标。
然后采用圆柱拼接算法粗配子孔径的三维面形误差数据，即利用重叠区在半径方向的偏差确定相邻子孔径间的相互位置关系，根据此结果采用刚性变换方法调整相邻子孔径的空间坐标；接着将粗配准后的结果减去待测非圆柱面的理论面形轮廓，获得子孔径的面形误差；
最后采用柱面干涉拼接算法精确拼接所有子孔径的面形误差，获得非圆柱面的全口径面形误差。
以下为一个具体应用实例
被测对象为一平凸非圆柱面透镜，顶点曲率半径为13.984mm，通光孔径为20mm*20mm，二次曲面常数k＝1，非圆柱面系数如表1所示。根据上述非圆柱面参数，采用本实施例2所提供的方法计算求得离轴子孔径的最佳拟合圆柱参数，如表2所示。为了与现有干涉拼接方法比较，子孔径测量过程中没有转动CGH柱面波转换器，仅根据表1给出的参数调整待测非圆柱面，然后采用干涉测量系统获取每个子孔径的面形误差数据。如图3(a1)-图3(b3)为没有旋转CGH柱面波转换器，模拟在离轴子孔径处获取的干涉图和相位图。图3(a1)、图3(a2)和图3(a3)分别为在3处离轴子孔径位置获取的干涉图；图3(b1)、图3(b2)和图3(b3)分别为在3处离轴子孔径位置获取对应的相位图；图4(a1)-图4(b3)为本实施例2中，旋转CGH柱面波转换器，模拟在离轴子孔径处获取的干涉图和相位图；图4(a1)、图4(a2)和图4(a3)分别为在与之前相同3处离轴子孔径位置获取的干涉图；图4(b1)、图4(b2)和图4(b3)分别为在与之前相同3处离轴子孔径位置获取对应的相位图。比较图3(a1)-图3(b3)和图4(a1)-图4(b3)的结果可知，本实施例2所提供的测量方法能够显著降低离轴子孔径的像差，获得可解析的干涉图，而采用现有方法测量非圆柱面时，由于离轴子孔径的理论面形轮廓与最佳拟合圆柱面的偏差太大，导致无法获得可解析的干涉图。
表1非圆柱面系数
根据表2中的参数，采用拼接干涉法对上述非圆柱面透镜进行实验测量，如图5所示为实验测得待测非圆柱面的子孔径干涉图；图6为实验测得待测非圆柱面的子孔径面形误差分布图。图7为待测非圆柱面的全口径面形误差分布图。
表2离轴子孔径的最佳拟合圆柱参数
值得注意的是，在实施例1和实施例2中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。