一種高精度非球面組合干涉檢測裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高精度非球面組合干涉檢測裝置與方法。本發(fā)明包括包括非球面非零位干涉檢測系統(tǒng)、位移測量干涉系統(tǒng)和計算機數(shù)據(jù)處理模塊；具體包括如下步驟：步驟1.選擇部分零位鏡，搭建高精度非球面組合干涉檢測裝置；步驟2.系統(tǒng)建模，并劃分子孔徑；步驟3.檢測裝置中非球面的定位；步驟4.子孔徑干涉圖采集處理；步驟5.子孔徑回程誤差校正；步驟6.全口徑面形拼接。本發(fā)明結合非球面部分零位補償法與環(huán)形子孔徑拼接干涉檢測法，可有效地減少覆蓋全口徑所需的子孔徑數(shù)目，增加各環(huán)帶子孔徑和重疊區(qū)寬度，有效地解決了由于重疊區(qū)很小而影響拼接精度的難題。
【專利說明】一種高精度非球面組合干涉檢測裝置與方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高精度非球面組合干涉檢測裝置與方法。
【背景技術】
[0002]非球面面形精密檢測一直存在技術難點，傳統(tǒng)干涉檢測受分辨率和口徑限制，無法檢測大口徑深度非球面。上世紀80年代，子孔徑拼接干涉檢測技術應運而生，通過將被測面或波前分割為不同的子孔徑區(qū)域分別檢測，克服了傳統(tǒng)干涉儀的檢測限制。其中，環(huán)形子孔徑拼接干涉檢測技術被廣泛應用于檢測旋轉對稱非球面。其主要采用透射球面鏡產生不同曲率半徑的參考球面波，用來匹配被測面不同子孔徑區(qū)域，使得每個環(huán)形子孔徑區(qū)域返回的波前可以被探測器分辨，再利用相應的拼接算法將每個子孔徑的檢測數(shù)據(jù)拼接得到全口徑面形信息。該方法的關鍵在于，相鄰的環(huán)形子孔徑區(qū)域存在一定的重疊區(qū)，用以拼接時校正每個子孔徑的相對調整誤差。重疊區(qū)越大，則拼接精度越高。然而，該方法只適合中小口徑且非球面度較小的非球面。當被測面口徑或非球面度較大時，檢測所需的子孔徑必然很多，各個子孔徑寬度相應下降，尤其是邊緣區(qū)域的子孔徑寬度極小，很難產生足夠的重疊區(qū)域參與調整誤差校正，給子孔徑拼接帶來很大的不確定性，一直是影響子孔徑拼接精度的重要因素。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種高精度非球面組合干涉檢測裝置與方法。本發(fā)明結合非球面部分零位補償法與環(huán)形子孔徑拼接干涉檢測法，可有效地減少覆蓋全口徑所需的子孔徑數(shù)目，增加各環(huán)帶子孔徑和重疊區(qū)寬度，有效地解決了由于重疊區(qū)很小而影響拼接精度的難題。
[0004]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案如下:
[0005]一種高精度非球面組合干涉檢測裝置，包括非球面非零位干涉檢測系統(tǒng)、位移測量干涉系統(tǒng)和計算機數(shù)據(jù)處理模塊；
[0006]非球面非零位干涉檢測系統(tǒng)，包括穩(wěn)頻激光器、準直擴束系統(tǒng)、分光板、參考平面鏡、壓電陶瓷、成像鏡、探測器、部分零位鏡、非球面、夾持機構、導軌；穩(wěn)頻激光器出射的細光束經準直擴束系統(tǒng)被擴束為寬光束平行光，寬光束平行光向前傳播至分光板處被分為兩路；其中一路經分光板反射傳播至參考平面鏡后原路返回作為參考波；另一路經分光板透射向前傳播至部分零位鏡后先會聚后發(fā)散，發(fā)散光經非球面反射后再次經過部分零位鏡后，形成檢測波；參考波和檢測波在分光板處發(fā)生干涉，經成像鏡成像于探測器處；壓電陶瓷設置在參考平面鏡的反面，用于移相；非球面固定在夾持機構上，夾持機構安裝于導軌上，計算機數(shù)據(jù)處理模塊能夠驅動夾持機構沿導軌上下移動，移動距離由位移測量干涉系統(tǒng)控制；
[0007]位移測量干涉系統(tǒng)，包括干涉儀主機、半透半反棱鏡、線性反射棱鏡、測量反射鏡；位移測量干涉系統(tǒng)的主光軸與非球面非零位干涉檢測系統(tǒng)主光軸平行，測量反射鏡與夾持機構固定，即測量反射鏡與被測的非球面一起沿各自光軸方向移動，非球面移動距離即測量反射鏡的移動距離；干涉儀主機出射的激光經半透半反棱鏡后，一部分經半透半反棱鏡反射至線性反射棱鏡，被反射回半透半反棱鏡；另一部分經半透半反棱鏡透射至測量反射鏡，同樣被反射回半透半反棱鏡，兩束反射光發(fā)生干涉；
[0008]計算機數(shù)據(jù)處理模塊，包括導軌驅動控制單元、干涉圖采集處理單元、回程誤差校正單元、子孔徑拼接單元；干涉圖采集處理單元與探測器相連接，探測器采集到的圖像經干涉圖采集處理單元處理后，輸出至回程誤差校正單元，再經過子孔徑拼接單元，能得到全口徑面形信息。
[0009]所述的導軌驅動控制單元通過位移測量干涉系統(tǒng)的干涉條紋計數(shù)對導軌的移動進行閉環(huán)反饋控制；干涉圖采集處理單元的輸入為探測器采集到各子孔徑干涉圖，輸出為各子孔徑返回波前相位；回程誤差校正單元的輸入為各子孔徑返回波前相位，輸出為各個子孔徑面形信息；各個子孔徑面形信息經子孔徑拼接單元后能得到全口徑面形信息；
[0010]所述的測量反射鏡能夠沿光軸方向移動，其移動距離直接表現(xiàn)為兩束反射光干涉條紋的變化，通過干涉條紋計數(shù)能精確測量其移動距離；干涉儀主機直接與導軌驅動控制單元連接，通過導軌驅動控制單元實時顯示被測非球面的移動距離。
[0011]一種高精度非球面組合干涉檢測方法，具體包括如下步驟:
[0012]步驟1.選擇部分零位鏡，搭建高精度非球面組合干涉檢測裝置；
[0013]步驟2.系統(tǒng)建模，并劃分子孔徑；
[0014]步驟3.檢測裝置中非球面的定位；
[0015]步驟4.子孔徑干涉圖采集處理；
[0016]步驟5.子孔徑回程誤差校正；
[0017]步驟6.全口徑面形拼接。
[0018]所述的步驟2具體如下:
[0019]2-1.根據(jù)檢測裝置中非球面非零位干涉檢測系統(tǒng)的具體器件的參數(shù)，在光線追跡軟件中對非球面非零位干涉檢測系統(tǒng)進行建模；
[0020]2~2.系統(tǒng)建|旲完成后，在系統(tǒng)|旲型中進彳丁環(huán)帶子孔徑劃分
[0021]2-2-1.首先確定中心環(huán)帶寬度，通過系統(tǒng)模型中非球面的試探性移動，進行光線追跡并計算非球面返回波前的斜率，直至非球面中心某一圓形區(qū)域返回的波前斜率小于等于Nyquist采樣頻率,從而確定該圓形區(qū)域為中心環(huán)帶；
[0022]2-2-2.對于外圍環(huán)帶，先以上一環(huán)帶的上邊界為該環(huán)帶的下邊界，通過步驟2-2-1中的試探性移動方法確定該環(huán)帶的上邊界，獲得臨時的環(huán)帶寬度，再確定該環(huán)帶與前
一環(huán)帶重疊區(qū)大小。
[0023]所述的具體器件的參數(shù)包括:穩(wěn)頻激光器出射的激光波長，準直擴束系統(tǒng)的通光口徑及放大倍數(shù)，分光板的口徑及厚度，參考平面鏡的口徑，成像鏡的口徑和表面曲率半徑以及厚度，部分零位鏡的口徑和表面曲率半徑以及厚度，被測非球面的名義面形方程和口徑；所述的光線追跡軟件為Zemax軟件,是由美國Radiant Zemax公司開發(fā)的光學設計軟件；所述的重疊區(qū)寬度設置為該環(huán)帶寬度的0.25倍，能夠確定該環(huán)帶新的下邊界，進而通過2-2-1中的試探性移動方法重新確定上邊界，依次類推，直至某一子孔徑上邊界超過被測面口徑。[0024]所述的步驟3具體如下:
[0025]根據(jù)系統(tǒng)模型中各個環(huán)帶子孔徑對應的非球面與部分零位鏡間距，檢測裝置中非球面進行定位，具體包括測量中心環(huán)帶時非球面的定位和測量外圍環(huán)帶時非球面的定位；測量中心環(huán)帶時，能夠通過波前的離焦系數(shù)對比法進行精確定位；測量外圍環(huán)帶時，能夠根據(jù)位移測量干涉系統(tǒng)精確控制此時非球面與測量中心環(huán)帶時非球面位置的相對移動量進行定位；
[0026]所述的離焦系數(shù)對比法，即系統(tǒng)模型中非球面返回波前的離焦系數(shù)實際探測器接收波前的離焦系數(shù)的對比；其中，系統(tǒng)模型中非球面返回波前的離焦系數(shù)為光線追跡軟件Zemax自帶；實際探測器接收波前的離焦系數(shù)可通過干涉圖采集處理單元對干涉圖解調，并對解調所得的波前進行Zernike多項式擬合得到；在裝置中不斷移動非球面，直至二者的離焦系數(shù)一致，則認為此時非球面定位準確。
[0027]所述的步驟4具體如下:
[0028]通過干涉圖采集處理單元采集各個環(huán)帶子孔徑干涉圖，并利用相移算法進行干涉圖相位解調，得到實驗中探測器接收到的各環(huán)形子孔徑返回波前相位。
[0029]所述的步驟5具體如下:
[0030]在系統(tǒng)模型中，采集非球面位于每一子孔徑測量位置時探測器接收到的的理論環(huán)帶波前數(shù)據(jù)，設某一環(huán)帶子孔徑返回的理論波前數(shù)據(jù)為W，則W可表示為:
[0031]W = Wret,(I)
[0032]其中Wret即為該環(huán)帶子孔徑的回程誤差；步驟4中所得實驗中該子孔徑返回波前數(shù)據(jù)f表示為:
[0033]r = 2ffasp+ffret+ffadj,(2)
[0034]其中Wasp表示子孔徑面形，Wadj表示調整誤差；由(2)式減去(I)式可校正子孔徑回程誤差，
[0035]r -W = 2ffasp+ffadj,(3)
[0036]從而得到環(huán)形子孔徑區(qū)域的面形信息，
【權利要求】
1.一種高精度非球面組合干涉檢測裝置，其特征在于包括非球面非零位干涉檢測系統(tǒng)、位移測量干涉系統(tǒng)和計算機數(shù)據(jù)處理模塊； 非球面非零位干涉檢測系統(tǒng)，包括穩(wěn)頻激光器、準直擴束系統(tǒng)、分光板、參考平面鏡、壓電陶瓷、成像鏡、探測器、部分零位鏡、非球面、夾持機構、導軌；穩(wěn)頻激光器出射的細光束經準直擴束系統(tǒng)被擴束為寬光束平行光，寬光束平行光向前傳播至分光板處被分為兩路；其中一路經分光板反射傳播至參考平面鏡后原路返回作為參考波；另一路經分光板透射向前傳播至部分零位鏡后先會聚后發(fā)散，發(fā)散光經非球面反射后再次經過部分零位鏡后，形成檢測波；參考波和檢測波在分光板處發(fā)生干涉，經成像鏡成像于探測器處；壓電陶瓷設置在參考平面鏡的反面，用于移相；非球面固定在夾持機構上，夾持機構安裝于導軌上，計算機數(shù)據(jù)處理模塊能夠驅動夾持機構沿導軌上下移動，移動距離由位移測量干涉系統(tǒng)控制；位移測量干涉系統(tǒng)，包括干涉儀主機、半透半反棱鏡、線性反射棱鏡、測量反射鏡；位移測量干涉系統(tǒng)的主光軸與非球面非零位干涉檢測系統(tǒng)主光軸平行，測量反射鏡與夾持機構固定，即測量反射鏡與被測的非球面一起沿各自光軸方向移動，非球面移動距離即測量反射鏡的移動距離；干涉儀主機出射的激光經半透半反棱鏡后，一部分經半透半反棱鏡反射至線性反射棱鏡，被反射回半透半反棱鏡；另一部分經半透半反棱鏡透射至測量反射鏡，同樣被反射回半透半反棱鏡，兩束反射光發(fā)生干涉； 計算機數(shù)據(jù)處理模塊，包括導軌驅動控制單元、干涉圖采集處理單元、回程誤差校正單元、子孔徑拼接單元；干涉圖采集處理單元與探測器相連接，探測器采集到的圖像經干涉圖采集處理單元處理后，輸出至回程誤差校正單元，再經過子孔徑拼接單元，能得到全口徑面形信息。
2.如權利要求1所述的一種高精度非球面組合干涉檢測裝置，其特征在于所述的導軌驅動控制單元通過位移 測量干涉系統(tǒng)的干涉條紋計數(shù)對導軌的移動進行閉環(huán)反饋控制；干涉圖采集處理單元的輸入為探測器采集到各子孔徑干涉圖，輸出為各子孔徑返回波前相位；回程誤差校正單元的輸入為各子孔徑返回波前相位，輸出為各個子孔徑面形信息；各個子孔徑面形信息經子孔徑拼接單元后能得到全口徑面形信息； 所述的測量反射鏡能夠沿光軸方向移動，其移動距離直接表現(xiàn)為兩束反射光干涉條紋的變化，通過干涉條紋計數(shù)能精確測量其移動距離；干涉儀主機直接與計算機數(shù)據(jù)處理模塊中導軌驅動控制單元連接，通過導軌驅動控制單元實時顯示被測非球面的移動距離。
3.一種使用權利要求1所述裝置的高精度非球面組合干涉檢測方法，其特征在于具體包括如下步驟: 步驟1.選擇部分零位鏡，搭建高精度非球面組合干涉檢測裝置； 步驟2.系統(tǒng)建模，并劃分子孔徑； 步驟3.檢測裝置中非球面的定位； 步驟4.子孔徑干涉圖采集處理； 步驟5.子孔徑回程誤差校正； 步驟6.全口徑面形拼接。
4.如權利要求3所述的一種高精度非球面組合干涉檢測方法，其特征在于步驟2具體如下: 2-1.根據(jù)檢測裝置中非球面非零位干涉檢測系統(tǒng)的具體器件的參數(shù)，在光線追跡軟件中對非球面非零位干涉檢測系統(tǒng)進行建模； 2-2.系統(tǒng)建模完成后，在系統(tǒng)模型中進行環(huán)帶子孔徑劃分 2-2-1.首先確定中心環(huán)帶寬度，通過系統(tǒng)模型中非球面的試探性移動，進行光線追跡并計算非球面返回波前的斜率，直至非球面中心某一圓形區(qū)域返回的波前斜率小于等于Nyquist采樣頻率,從而確定該圓形區(qū)域為中心環(huán)帶； 2-2-2.對于外圍環(huán)帶，先以上一環(huán)帶的上邊界為該環(huán)帶的下邊界，通過步驟2-2-1中的試探性移動方法確定該環(huán)帶的上邊界，獲得臨時的環(huán)帶寬度，再確定該環(huán)帶與前一環(huán)帶重疊區(qū)大小。
5.如權利要求4所述的一種高精度非球面組合干涉檢測方法，其特征在于所述的具體器件的參數(shù)包括:穩(wěn)頻激光器出射的激光波長，準直擴束系統(tǒng)的通光口徑及放大倍數(shù)，分光板的口徑及厚度，參考平面鏡的口徑，成像鏡的口徑和表面曲率半徑以及厚度，部分零位鏡的口徑和表面曲率半徑以及厚度，被測非球面的名義面形方程和口徑；所述的光線追跡軟件為Zemax軟件,是由美國Radiant Zemax公司開發(fā)的光學設計軟件；所述的重疊區(qū)寬度設置為該環(huán)帶寬度的0.25倍，能夠確定該環(huán)帶新的下邊界，進而通過2-2-1中的試探性移動方法重新確定上邊界，依次類推，直至某一子孔徑上邊界超過被測面口徑。
6.如權利要求3所述的一種高精度非球面組合干涉檢測方法，其特征在于步驟3具體如下: 根據(jù)系統(tǒng)模 型中各個環(huán)帶子孔徑對應的非球面與部分零位鏡間距，檢測裝置中非球面進行定位，具體包括測量中心環(huán)帶時非球面的定位和測量外圍環(huán)帶時非球面的定位；測量中心環(huán)帶時，能夠通過波前的離焦系數(shù)對比法進行精確定位；測量外圍環(huán)帶時，能夠根據(jù)位移測量干涉系統(tǒng)精確控制此時非球面與測量中心環(huán)帶時非球面位置的相對移動量進行定位； 所述的離焦系數(shù)對比法，即系統(tǒng)模型中非球面返回波前的離焦系數(shù)實際探測器接收波前的離焦系數(shù)的對比；其中，系統(tǒng)模型中非球面返回波前的離焦系數(shù)為光線追跡軟件Zemax自帶；實際探測器接收波前的離焦系數(shù)可通過干涉圖采集處理單元對干涉圖解調，并對解調所得的波前進行Zernike多項式擬合得到；在裝置中不斷移動非球面，直至二者的離焦系數(shù)一致，則認為此時非球面定位準確。
7.如權利要求3所述的一種高精度非球面組合干涉檢測方法，其特征在于步驟4具體如下:通過干涉圖采集處理單元采集各個環(huán)帶子孔徑干涉圖，并利用相移算法進行干涉圖相位解調，得到實驗中探測器接收到的各環(huán)形子孔徑返回波前相位。
8.如權利要求3所述的一種高精度非球面組合干涉檢測方法，其特征在于步驟5具體如下: 在系統(tǒng)模型中，采集非球面位于每一子孔徑測量位置時探測器接收到的的理論環(huán)帶波前數(shù)據(jù)，設某一環(huán)帶子孔徑返回的理論波前數(shù)據(jù)為W，則W可表示為: w = Wret,(I) 其中Iet即為該環(huán)帶子孔徑的回程誤差；步驟4中所得實驗中該子孔徑返回波前數(shù)據(jù)W'表示為: r = 2Wasp+ffret+ffadJ,(2) 其中Wasp表示子孔徑面形，Wadj表示調整誤差；由(2)式減去(I)式可校正子孔徑回程誤差， W' -W= 2ffasp+ffadJ,(3) 從而得到環(huán)形子孔徑區(qū)域的面形信息，
9.如權利要求3所述的一種高精度非球面組合干涉檢測方法，其特征在于步驟6具體如下:在子孔徑拼接單元中，利用全局拼接算法，剔除外圍子孔徑與中心子孔徑的相對調整誤差，并拼接各個環(huán)形子孔徑數(shù)據(jù)成為連續(xù)面形數(shù)據(jù)；再將拼接所得的連續(xù)面形數(shù)據(jù)擬合為Zernike多項式形式= 1，2，…，37，式中，Bi和Zi分別為第i項擬合系數(shù)和第i項Zernike多項式；剔除前四項系數(shù):位移項系數(shù)B1, x方向傾斜項系數(shù)B2, y方向傾斜項系數(shù)B3,離焦項系數(shù)B4,從而校正中心子孔徑的調整誤差，得到被測非球面全口徑面形。
10.如權利要求3所述的一種高精度非球面組合干涉檢測方法，其特征在于所述的步驟4和步驟3是交叉進行的，即一次非球面定位對應一次干涉圖采集處理。
【文檔編號】G01B11/24GK103776389SQ201410012476
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月10日 優(yōu)先權日:2014年1月10日
【發(fā)明者】楊甬英, 劉 東, 張磊, 師途, 卓永模 申請人:浙江大學