一种用于自由面形子孔径拼接测量的方法和系统与流程

本发明涉及光学镜面面形检测技术领域，尤其涉及一种用于自由面形子孔径拼接测量的方法和系统。

背景技术：

同步辐射光源需要高精度镜面通过反射来实现X-Ray高聚焦能力，从而分辨出分子结构、看清原子内部状态等。对于纳米或亚纳米面形精度测量，需由白光干涉仪来完成。但是对大尺寸镜面(长度达1米以上)检测时，因干涉仪口径限制，无法由单次测量来完成。目前，世界上干涉仪最大口径为800mm，但极其昂贵，安装和实验条件要求苛刻，干涉仪本身参考镜面的重力变形也需要经常进行复杂专业的标定，且因被测面形物理分辨率低而无法用于面形高频成份的分析。

1983年，W.W.Chow在Optics Letters上就提出了利用干涉拼接技术解决空间分辨率与单次测量口径相矛盾的问题。干涉拼接通过对高分辨率的小口径干涉仪测量面形进行拼接，从而实现大尺寸镜面面形的纳米精度测量。干涉拼接技术中每一次小口径的单次拍摄近似于对平面的测量，这解决了大尺寸自由面形超出干涉范围而无法测量的问题。鉴于干涉拼接技术在大尺寸自由面形测量中的优点，获得国内外众多知名研究者的关注，并且出现了商业化产品。

传统的干涉拼接技术中，J.G.Thunen利用最小二乘法对两次相邻测量中面形重叠区域求解，计算其相对的倾斜和距离。在实际使用中，C.Elster在其2006年的研究中指出，即使每次相邻测量面形相对的倾斜误差很小，但当被测面形尺寸达到半米以上时也有上百幅单次测量面形，则误差积累导致整体面形错误。这些误差主要是由于环境温度、湿度和压强等的变化所带来单次面形测量的误差面不同，这些现象在2011年由A.Wiegmann进行了总结和证实。当然，G.A.Smith也指出通过增加重叠区域面积可以一定程度上降低该类型的误差累积。但是，如果加大重叠区域面积，完成同一长度镜面测量所需单次干涉测量次数会成倍的增加，2010年F.Munteanu就通过严格的模拟和实际实验证明了长时间的测量时干涉拼接精度受温度、震动等环境变化及机器的电子噪声会更加严重(例如采用Zygo NewView干涉仪2.5X物镜对1米长镜面测量所需30小时)。更进一步来看，当被测面形是自由曲面时，在干涉仪移动到不同位置时干涉参考面和被测面不平行，这必然产生追迹误差，该误差对于最小二乘法计算相邻被测面形的相对倾斜有着致命的问题。

对于上述提出的诸多误差源产生问题，只利用纯软件干涉拼接最小二乘优化算法无法实现大尺寸镜面的测量。通过辅助硬件设备实现干涉拼接的方法被提出，例如A.Wiegmann提出的多轴位置仪器子孔径拼接法，日本H.Mimura提出的RADSI系统和K.Yamauchi提出的MSI系统。然而，这些干涉拼接方法的精度受限于采用的角度和距离测量传感器，不仅设备及其昂贵而且受环境变化限制比较大，而且在对大镜或长镜长进行时间测量时，环境噪声会影响单角度测量并最导致子孔径拼接面形错误等问题。

技术实现要素：

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于自由面形子孔径拼接测量的方法和系统，能够避免长时间子孔径面形测量时环境温度的漂移，减小测量误差，提高测量的精确度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种用于自由面形子孔径拼接测量的系统，其包括：子孔径面形测量干涉仪、角度测量仪、移动平台，以及上位机；

其中，所述移动平台用于放置待测自由面形反射镜，并具有位置和姿态运动调整机构，以在上位机的控制下沿着一个或者多个方向带动待测自由面形反射镜移动至多个位置；

所述子孔径面形测量干涉仪用于产生相干光，并根据相干光之间因待测自由面形反射镜镜面导致的光程差来获取每一位置的子孔径面形数据；

所述角度测量仪包括至少两个测量单元，其中一个测量单元设置在移动平台上并随其一起移动，另一个测量单元固定设置而不随移动平台一起移动，每个测量单元分别用于测量移动平台在每个位置处第一方向和第二方向上的角度值；所述上位机基于每个位置的角度值对所有子孔径面形数据进行校正，根据校正之后的子孔径面形数据完成整个待测自由面形反射镜镜面的子孔径干涉拼接。

优选的，进一步包括气浮隔振平台，所述子孔径面形测量干涉仪、角度测量仪中的一个测量单元、以及移动平台均设置在同一个气浮隔振平台上。

优选的，所述移动平台采用气浮高精度阻尼拼接平移台，或者带光栅尺的闭环平移台。

优选的，所述待测自由面形反射镜镜面的长度和/或宽度大于一米。

优选的，所述子孔径面形测量干涉仪采用白光干涉仪或激光干涉仪。

一种用于自由面形子孔径拼接测量的方法，其包括：

移动平台带动待测自由面形反射镜分别在第一方向和第二方向移动至多个位置，并在每个位置处获取子孔径面形数据；移动平台到达每个位置并静止后，获取至少两组在第一方向和第二方向上的角度值；基于每个位置的角度值对每个子孔径面形数据进行校正；根据校正之后的子孔径面形数据完成整个镜面的子孔径干涉拼接。

优选的，所述方法包括：根据角度测量仪的至少两个测量单元中的每一个，分别获取一组第一方向和第二方向上移动平台的角度值，并且按照移动平台移动到每个位置的顺序，依次将第一测量单元获取的第一组角度值表示为(α1i,j,β1i,j)，第二测量单元获取的第二组角度值表示为(α2i,j,β2i,j)，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n。

优选的，所述基于每个位置的角度值对每个子孔径面形数据进行校正包括：依次根据获取的每组角度值，计算移动平台分别在第一方向和第二方向上倾斜改变的角度；基于每个位置处移动平台倾斜改变的角度，计算在每个方向上相对于参考基础位置的倾斜角度差；利用相邻两次测量的倾斜角度差对子孔径面形数据进行倾斜校正；

校正后的子孔径面形数据S′i,j＝Si,j+Ox·Δαij+Oy·Δβij，其中，Si,j为校正前的子孔径面形数据，Ox为子孔径面形测量干涉仪单次测量输出的第一方向坐标值，Oy为干涉仪单次测量输出的第二方向坐标值，αi,j为第一方向上每个位置处移动平台发生倾斜改变的角度，βi,j为第二方向上每个位置处移动平台倾斜改变的角度；Δαi,j为第一方向上每个位置处相对于参考基础位置的倾斜角度差，Δβi,j为第二方向上每个位置处相对初值位置的倾斜角度差。

优选的，所述方法包括：移动平台仅在一个方向上移动，以进行一维自由面形子孔径拼接测量。

优选的，在进行各测量步骤之前，将整套系统至于单独的隔离房间，封闭6小时以上。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

通过使用角度测量仪对每个子孔径位置移动平台的角度进行测量，根据角度之差对相邻子孔径面形数据进行校正，从而完成一维或者二维大尺寸反射镜面完整面形的干涉测量，能够克服现有子孔径干涉拼接因大尺寸镜面长时间测量时，温度、压强和湿度等环境变化带来的角度测量不稳定等问题，提高大尺寸自由面形子孔径拼接测量的精确度。

附图说明

图1是根据本发明实施例的用于自由面形子孔径拼接测量的系统结构示意图。

图2是根据本发明实施例的子孔径面形数据分布结构示意图。

图3是根据本发明实施例的用于自由面形子孔径拼接测量的方法流程图。

图4是根据本发明实施例的一维子孔径干涉拼接示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。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。

图1示出了根据本发明实施例的用于自由面形子孔径拼接测量的系统结构示意图。如图1所示，该系统主要包括：子孔径面形测量干涉仪1、角度测量仪2、移动平台3，以及上位机(图中未示出)。

其中，移动平台3用于放置待测自由面形反射镜5，并具有位置和姿态运动调整机构，以在上位机的控制下沿着一个或者多个方向带动待测自由面形反射镜5移动至多个位置。例如，移动平台3可以采用气浮高精度阻尼拼接平移台或带光栅尺的闭环平移台。

子孔径面形测量干涉仪1用于产生相干光，并根据相干光之间因待测自由面形反射镜镜面导致的光程差来获取每一位置的子孔径面形数据。具体地，子孔径面形测量干涉仪1可以采用白光干涉仪或激光干涉仪，而且可以采用大口径干涉仪或显微干涉仪。例如，可以Zygo^TM公司的NewView 6300型白光干涉仪。

角度测量仪2包括至少两个测量单元，其中一个测量单元设置在移动平台3上并随其一起移动，另一个测量单元固定设置(例如设置在气浮隔振平台4上或其它固定位置处)而不随移动平台3一起移动(并且，两个测量单元可以位于待测自由面形反射镜5的不同侧面或者相同侧面)，每个测量单元分别用于测量移动平台3在每个位置处(移动到该位置处且静止后)第一方向(X轴方向)和第二方向(Y轴方向)上的角度值。例如，角度测量仪2可以采用地震仪、Tiltmeter和Autocollimator等仪器。对于一维测量，优选使用Autocollimator，而二维测量优选使用Tiltmeter。

上位机基于每个位置的角度值对所有子孔径面形数据进行校正，根据校正之后的子孔径面形数据完成整个镜面的子孔径干涉拼接。

为了减小测量环境中的震动对测量结果造成影响，该系统还可以包括气浮隔振平台4，子孔径面形测量干涉仪1、角度测量仪2中的一个测量单元、以及移动平台3均固定设置在同一个气浮隔振平台4上。

图2是根据本发明实施例的子孔径面形数据分布结构示意图，其示出了采用子孔径干涉测量过程中所测量到的子孔径面形数据的分布结构。测量过程中，待测自由面形反射镜5放置在移动平台3上，移动平台3从初始拼接位置开始向X轴方向和Y轴方向各移动至多个位置，在每个位置处用子孔径面形测量干涉仪1对待测自由面形反射镜5的镜面进行测量，将每次测量获取的子孔径面形数据7按照顺序编号为Si,j，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，m和n分别为在X轴方向和Y轴方向上的子孔径面形数据测量数，将每个编号的子孔径面形数据与该位置拼接平移台的位置同步保存。移动平台3在X轴方向移动的距离d可以根据待测自由面形反射镜5的待测量面积和干涉仪口径大小来设定。例如，子孔径面形测量干涉仪1的孔径直径为D，则重叠率为设定相邻子孔径测量面形的重叠率为30％后，可以根据设定的重叠率和孔径直径自动计算每次移动平台的位移量，通过上位机控制干涉仪姿态和位移平台的移动，自动化完成所有子孔径面形数据的测量，并自动保存所有位置的坐标和子孔径干涉测量数据到与上位机连接的存储器中。

图3示出了根据本发明实施例的用于自由面形子孔径拼接测量的方法的流程图。下文结合具体示例对其包括主要步骤进行详细说明。

步骤101：移动平台带动待测自由面形反射镜分别在第一方向和第二方向各移动至多个位置，并在每个位置处获取子孔径面形数据

例如，移动平台在上位机的控制下分别在X轴方向和Y轴方向各移动至m、n个位置，则获取的子孔径面形数据可以记为Si,j，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n。

步骤102：移动平台到达每个位置并静止后，获取至少两组在第一方向和第二方向上的角度值

例如，角度测量仪中的每个测量单元可以分别获取一组X轴方向和Y轴方向上移动平台的角度值，并且按照移动平台移动到每个位置的顺序，依次将第一测量单元获取的第一组角度值表示为(α1i,j,β1i,j)，第二测量单元获取的第二组角度值表示为(α2i,j,β2i,j)，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n。

步骤103：基于每个位置的角度值对每个子孔径面形数据进行校正

首先，依次根据获取的每组角度值，计算移动平台分别在X轴方向和Y轴方向上倾斜改变的角度。例如，前后相邻两次获取的角度差值为αi,j为X轴方向上每个位置处移动平台发生倾斜改变的角度，βi,j为Y轴方向上每个位置处移动平台倾斜改变的角度。

进一步，基于每个位置处移动平台倾斜改变的角度，计算在每个方向上相对于参考基础位置的倾斜角度差。设定第一个位置为参考基础位置，则其后序列测量位置与参考基础位置的相对倾斜角度差可以表示为其中，Δαi,j为X轴方向上每个位置处相对于参考基础位置的倾斜角度差，Δβi,j为Y轴方向上每个位置处相对初值位置的倾斜角度差。

然后，利用相邻两次测量的倾斜角度差对子孔径面形数据进行倾斜校正。具体地，S′i,j＝Si,j+Ox·Δαij+Oy·Δβij，Ox为子孔径面形测量干涉仪单次测量输出的X轴方向坐标值，Oy为干涉仪单次测量输出的Y轴方向坐标值，S′i,j为根据角度差对子孔径测量数据Si,j校正后的结果。

步骤104：根据校正之后的子孔径面形数据完成整个镜面的子孔径干涉拼接

例如，根据储存的角度值，依次对每个子孔径面形数据重复步骤103进行校正，根据校正之后的全部子孔径面形数据完成整个待测自由面形反射镜镜面的子孔径干涉拼接。

为了进一步降低温度、湿度和压强等环境变化对测量结果的影响，在进行上述各测量步骤之前，可以将整套测量系统至于单独的隔离房间，封闭6小时以上等待环境稳定。

在各种实施例中，本发明提供的基于双测角仪通过测量角度差实现自由面形子孔径拼接测量方法和系统，不仅适用于需要二维干涉拼接测量的天文望远镜等大型非球面镜面，也非常适合国家同步辐射光源中只需要一维干涉测量的X-Ray反射镜面面形纳米精度测量。

图4示出了根据本发明实施例的一维子孔径干涉拼接示意图。一维自由面形子孔径拼接测量时，因位移平台只在X轴方向上移动，故i＝1,2,…,m，j＝1。其中，相邻两次测量的子孔径面形侧面视线表示为8和9，图中虚线为根据相邻两个子孔径面形数据所拟合曲面的侧视图(最优化共点平面)。以前一次测量位置(对应子孔径面形8)为参考基础位置，则后一位置(对应子孔径面形9)相对于参考基础位置的倾斜角度差Δα，则可通过对子孔径面形9旋转Δα以与子孔径面形8匹配，从而实现对子孔径面形的校正，校正后的子孔径面形数据Si′＝Si+Ox·Δαi。

与一维子孔径干涉拼接类似，当涉及多个方向维度时，分别在各个方向维度上重复上述步骤直到完成整个镜面的子孔径干涉拼接，能够避免长时间子孔径面形测量时环境温度的漂移，减小测量误差，提高整个镜面的测量精度。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。