一种自由曲面非常规子孔径拼接干涉检测装置与方法与流程

本发明属于自由曲面的检测技术领域，尤其涉及一种自由曲面非常规子孔径拼接干涉检测装置与方法。

背景技术：

光学自由曲面因其表面自由度较大，可以针对性地提供或矫正不同的轴上或轴外像差，同时满足现代光学系统高性能，轻量化和微型化的要求，从而逐渐开始成为现代光学工程领域的新宠。虽然在设计、加工和检测等方面稳步发展，然而成像领域对于光学元件面形的高精度要求却限制了自由曲面的大规模应用。尤其，自由曲面的检测技术已经成为制约其应用的最重要因素。

目前，自由曲面的检测方法主要分为接触式和非接触式。经过抛光之后的光学自由曲面对于测量的超高精度要求以及在检测过程中必须兼顾测量精度和测量范围之间的矛盾使得传统的接触式测量已经无法实现。光学自由曲面的非接触式检测方法主要有夏克-哈特曼传感器法、相位偏折术和干涉测量法等。夏克-哈特曼传感器虽然可以达到一个很高的测量精度但其动态范围受到微透镜尺寸限制，而且对于大偏离量的自由曲面检测能力不足。相位偏折术对于工业自由曲面的检测能力较强，而对于高精度光学自由曲面的检测精度依然有限。干涉测量法作为目前精度最高的检测手段之一，已经在光学平面，球面乃至非球面的检测领域得到了一致公认。借助于专门设计的补偿器，可以实现高精度的零位干涉检测，但是零位补偿器的设计、检测和装调都会引入误差。而对于那些非规则、非旋转对称的光学自由曲面，则根本无法通过传统的零位补偿器进行补偿，必须使用专门的CGH，而CGH元件加工的高成本，高难度和较难于调整等特性使其测量范围和测量精度均受到限制。

基于上述难题，人们将目光转向了子孔径拼接技术，虽然CSSI和ASSI在大口径球面和中度非球面的检测中呈现出高检测精度的特点，但是由于其子孔径特征，使得其在非旋转对称的自由曲面检测中的应用依然没有实质性的突破。

目前，大多数光学自由曲面在光学系统中的承担的作用主要是提供或矫正部分轴上或轴外像差，与其相互作用的光束基本上以平面光波和球面光波为主。因此，平面波或球面波经自由曲面反射(透射)后的光波像差中必然携带系统所需的一阶或多阶非旋转对称像差，因而该波前与平面波或球面波的干涉图形也必将表现为某种或多种像差形式，而不是完全杂乱无章的。因此可利用干涉仪出射的球面波或非球面波对其进行干涉检测，但是由于自由曲面返回的波前斜率并非连续均匀分布，其局部斜率可能超过了干涉仪量程(干涉条纹密度很大)，须对其进行子孔径划分测量，而自由曲面的表面自由度决定了传统的圆形或环形子孔径划分已经不再适应自由曲面的子孔径拼接干涉测量。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种自由曲面非常规子孔径拼接干涉检测装置与方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下

一种自由曲面非常规子孔径拼接干涉检测装置，包括非零位干涉检测模块和六维自由度控制模块；

所述非零位干涉检测模块，由稳频激光器出射的细光束经准直扩束系统被扩束为宽光束平行光，宽光束平行光向前传播至分光板处被分为两路光：一路向前传播至参考平面镜后原路返回作为参考波；另一路向前传播至部分零位镜后由被测自由曲面返回，再次经过部分零位镜后形成检测波；参考波和检测波在分光板处发生干涉，经成像镜成像于探测器处；为压电陶瓷，用于移相；非零位干涉检测模块；所有元件均固定在安装板上；

所述的六维自由度控制模块，包括X，Y，Z轴导轨、X，Y方向俯仰台以及Z轴旋转台；其中Z轴导轨的滑块与非零位干涉检测模块的安装板固定，同时Z轴导轨垂直安装于Y轴导轨的滑块上，使得安装板所负载的非零位干涉检测模块的元件能够同时实现Z轴和Y轴方向的二维平移；同时，自由曲面由夹持机构固定于XY二维俯仰台上，以实现被测自由曲面的XY二维俯仰旋转，二维俯仰台固定于Z轴旋转台上，可实现自由曲面的绕Z轴旋转，而Z轴旋转台则固定在X轴导轨的滑块上；通过整个六维自由度控制模块，能够实现非零位干涉检测模块和被测面的相对三维平移与三维旋转；

所述的非零位干涉检测模块和六维自由度控制模块固定于大理石平台上。

一种自由曲面非常规子孔径拼接干涉检测方法，具体包括如下步骤：

步骤1、利用光线追迹软件进行非零位干涉检测模块建模；

步骤2、根据被测自由曲面局部返回的干涉图可分辨的区域形状划分非常规子孔径形状；

改变仿真中干涉仪与被测自由曲面之间的相对自由度，即X，Y，Z方向的平移与转动，具体的相对位置配置参数改变如下：X方向距离Lx，Y方向距离Ly，Z方向距离Lz，X方向俯仰角Rx，Y方向俯仰角Ry，Z方向旋转角Rz，实现对全口径各个局部位置的子孔径划分，直到子孔径覆盖全口径位置；

步骤3、根据子孔径数M，对非零位干涉检测模型进行复制，直至有M个模型，每个模型中的系统元件一致，不同的是被测自由曲面与非零位干涉检测模块之间的相对位置参数：Lx，Ly，Lz，Rx，Ry，Rz；

步骤4、根据对应子孔径的划分配置参数Lx，Ly，Lz，Rx，Ry，Rz来配置实际检测装置中各个导轨及俯仰台与旋转台的运动参数，使之与系统模型一致；

步骤5、通过Zernike多项式构建非常规子孔径区域波前表征的正交多项式；具体的：根据子孔径形状，利用圆域Zernike多项式，利用施密特正交化方法，推导非常规子孔径区域的正交多项式；

步骤6、通过步骤4的检测装置得到每个非常规子孔径波前干涉图，再进行干涉图解调得到非常规子孔径波前相位，然后利用步骤5得到的正交多项式进行非常规子孔径实验波前拟合；

步骤7、通过多孔径同步逆向优化重构的算法完成拼接，实现自由曲面全口径面形检测。

所述的根据被测自由曲面局部返回的干涉图可分辨的区域形状划分非常规子孔径形状，具体方法为：取3*3的像素模板，沿干涉图x和y方向平移，计算像素模板中心像素点数值I(i,j)与相邻8个像素点数值I(m,n)的方向导数，最大方向导数为梯度G(i,j)，G(i,j)方向为像素点数值I(i,j)变化率最大之处，表现在干涉图中则为干涉图条纹的法线方向；根据干涉仪的分辨率限定频率上限，梯度G(i,j)小于干涉仪分辨率的区域均为可分辨的子孔径区域。

所述的推导非常规子孔径区域的正交多项式的具体方法为：

设{Z1,…,Zn}表示圆域内标准Zernike基函数，{V1,…,Vn}为非常规子孔径正交多项式基函数，则

其中<·>和||||运算表示内积和模运算，具体定义如下：

其中Ω表示非常规子孔径区域，S表示非常规子孔径区域Ω的面积。

所述的配置实际检测系统中各个导轨及俯仰台与旋转台的运动参数指的是，根据仿真中干涉仪与每个子孔径之间的相对平移和转动距离，设置真实实验系统中X，Y，Z方向导轨的平移距离和X，Y俯仰台与Z轴旋转台的旋转角度，使之与模型中各个子孔径检测结构一致。

所述的构建非常规子孔径区域波前表征的正交多项式主要是由于Zernike多项式在非常规子孔径内失去了正交性，已经不适用于描述波前像差。为此，需重新构造新的正交多项式用于非常规子孔径的波前像差描述。主要利用圆域Zernike多项式作为一组完备基，采用施密特正交化方法求得。

所述的多口径同步逆向优化算法为基于系统模型建立优化函数，以实际测得的各个非常规子孔径波前正交系数Vij(i为多项式项，j为子孔径数)同时作为优化目标，以模型中非常规子孔径波前正交系数V'ij为因变量，以被测自由曲面全口径面形误差为自变量。以各个子孔径对应的X，Y，Z方向导轨的平移距离和X，Y俯仰台与Z轴旋转台的旋转角度，执行优化函数使得模型中各非常规子孔径波前正交系数V'ij趋近于实际测量系数Vij，则认为模型中被测自由曲面全口径面形误差接近真实值，从而得到被测面全口径面形误差。

本发明有益效果如下：

本发明将非常规子孔径拼接技术引入自由曲面检测，根据自由曲面的局部区域的干涉图各个方向的方向导数计算，来划分子孔径形状，并推导了非常规子孔径区域的正交多项式用于波前拟合，突破了原有的圆形或环形子孔径不适用于自由曲面检测的技术难点，实现了高精度自由曲面的干涉检测。

附图说明

图1为一种自由曲面非常规子孔径拼接干涉检测装置示意图；

图2为双圆锥面检测中的非常规子孔径(扇形子孔径)；

图3为扇形子孔径拼接所得全口径面形

具体实施方式

本发明结合图1，图2和图3说明具体实施方式。

图1所示为一种自由曲面非常规子孔径拼接干涉检测装置示意图，其包括非零位干涉检测模块和六维自由度控制模块。

所述非零位干涉检测模块，由稳频激光器L1出射的细光束经准直扩束系统L2被扩束为宽光束平行光，宽光束平行光向前传播至分光板L3处被分为两路光：一路向前传播至参考平面镜L4后原路返回作为参考波；另一路向前传播至部分零位镜L8后由被测自由曲面L9返回，再次经过部分零位镜L8后形成检测波。参考波和检测波在分光板L3处发生干涉，经成像镜L6成像于探测器L7处。L5为压电陶瓷，用于移相。非零位干涉检测模块(除被测自由曲面)所有元件均固定在安装板L10上。

所述的六维自由度控制模块，包括X，Y，Z轴导轨、X，Y方向俯仰台以及Z轴旋转台。其中Z轴导轨L11的滑块与非零位干涉检测模块的安装板L10固定，同时Z轴导轨垂直安装于Y轴导轨L12的滑块上，使得安装板L10所负载的非零位干涉检测模块的元件能够同时实现Z轴和Y轴方向的二维平移。同时，自由曲面L9由夹持机构固定于XY二维俯仰台L13上，以实现被测自由曲面L9的XY二维俯仰旋转，二维俯仰台L13固定于Z轴旋转台L14上，可实现自由曲面L9的绕Z轴旋转，而Z轴旋转台L14则固定在X轴导轨的滑块L15上。通过整个六维自由度控制模块，能够实现非零位干涉检测模块和被测面L9的相对三维平移与三维旋转。

所述的非零位干涉检测模块和六维自由度控制模块固定于大理石平台L16上。

所述的自由曲面非常规子孔径拼接干涉检测方法，具体包括如下步骤：

步骤1、利用光线追迹软件进行非零位干涉检测模块建模。

步骤2、根据被测自由曲面局部返回的干涉图可分辨的区域形状划分非常规子孔径形状。

所述的根据被测自由曲面局部返回的干涉图可分辨的区域形状划分非常规子孔径形状，具体方法为：取3*3的像素模板，沿干涉图x和y方向平移，计算像素模板中心像素点数值I(i,j)与相邻8个像素点数值I(m,n)的方向导数，最大方向导数为梯度G(i,j)，G(i,j)方向为像素点数值I(i,j)变化率最大之处，表现在干涉图中则为干涉图条纹的法线方向。根据干涉仪的分辨率限定频率上限，梯度G(i,j)小于干涉仪分辨率的区域均为可分辨的子孔径区域。

改变仿真中干涉仪与被测自由曲面之间的相对自由度，即X，Y，Z方向的平移与转动，具体的相对位置配置参数改变如下：X方向距离Lx，Y方向距离Ly，Z方向距离Lz，X方向俯仰角Rx，Y方向俯仰角Ry，Z方向旋转角Rz，实现对全口径各个局部位置的子孔径划分，直到子孔径覆盖全口径位置。

步骤3、根据子孔径数M，对非零位干涉检测模型进行复制，直至有M个模型，每个模型中的系统元件一致，不同的是被测自由曲面与非零位干涉检测模块之间的相对位置参数：Lx，Ly，Lz，Rx，Ry，Rz。

步骤4、根据对应子孔径的划分配置参数Lx，Ly，Lz，Rx，Ry，Rz来配置实际检测装置中各个导轨及俯仰台与旋转台的运动参数，使之与系统模型一致；

步骤5、通过Zernike多项式构建非常规子孔径区域波前表征的正交多项式；具体的：根据子孔径形状，利用圆域Zernike多项式，利用施密特正交化方法，推导非常规子孔径区域的正交多项式。

所述的推导非常规子孔径区域的正交多项式的具体方法为：

设{Z1,…,Zn}表示圆域内标准Zernike基函数，{V1,…,Vn}为非常规子孔径正交多项式基函数，则

其中<·>和||||运算表示内积和模运算，具体定义如下：

其中Ω表示非常规子孔径区域，S表示非常规子孔径区域Ω的面积。

步骤6、通过步骤4的检测装置得到每个非常规子孔径波前干涉图，再进行干涉图解调得到非常规子孔径波前相位，然后利用步骤5得到的正交多项式进行非常规子孔径实验波前拟合；

步骤7、通过多孔径同步逆向优化重构的算法完成拼接，实现自由曲面全口径面形检测。

实施例

本发明应用于自由曲面非常规子孔径拼接干涉检测的实例描述如下。

被测自由曲面为双圆锥面，其方程为

图1为自由曲面非常规子孔径拼接干涉检测装置图，激光波长为λ＝632.8nm，其中，rx＝239.8mm，ry＝240.2mm，kx＝-1.2，ky＝-0.8。稳频激光器L1出射的细光束经准直扩束系统L2被扩束为宽光束平行光，平行光向前传播至分光板L3处被分为两路光。一路向前传播至参考平面镜L4后原路返回作为参考波；另一路向前传播至部分零位镜L8后由被测自由曲面L9返回，再次经过部分零位镜L8后入形成检测波。二者在分光板L3处发生干涉，经成像镜L6成像于探测器L7处。

建立系统模型，开始模型中的子孔径划分，划分结果为四个扇形子孔径，其中子孔径1和子孔径2对应于一个位置，其配置参数为Lx＝0，Ly＝0，Lz＝301.3mm，Rx＝0，Ry＝0，Rz＝0；子孔径3和子孔径4对应于一个位置，其配置参数为Lx＝0，Ly＝0，Lz＝302.1722mm，Rx＝0，Ry＝0，Rz＝0；注意这里的Lz表示被测面与部分零位镜之间的纵向距离。对应的四个扇形子孔径分别如图2所示，子孔径参数如表1所示。

表1扇形子孔径划分参数

根据子孔径数4将系统模型分为2个模型(因为此处每个模型可以划分两个子孔径)，每个模型中的系统元件一致，不同的是被测自由曲面与干涉系统之间的相对位置参数，如表1所示，两模型之间仅有Lz不同。

推导扇形区域的正交多项式，如表2所示。对图2所示的4个子孔径分别进行干涉图解调，再进行多项式拟合，拟合系数如表3所示。

表2扇形区域正交多项式

表3实验扇形子孔径区域内波前正交系数

多口径同步逆向优化算法为基于系统模型建立优化函数，以实际测得的各个非常规子孔径波前正交系数Vij(1≤i≤15,1≤j≤4)同时作为优化目标，将模型中非常规子孔径波前正交系数V'ij设为因变量，以被测自由曲面全口径面形误差的Zernike多项式为自变量。以各个子孔径对应的X，Y，Z方向导轨的平移距离和X，Y俯仰台与Z轴旋转台的旋转角度：Lx＝0，Ly＝0，Lz＝302.1722mm，Rx＝0，Ry＝0，Rz＝0为各个子孔径检测模型的约束，执行优化函数使得模型中各非常规子孔径波前正交系数V'ij趋近于实际测量系数Vij，则认为模型中被测自由曲面全口径面形误差接近真实值，从而得到被测面全口径面形误差，如图3所示。