CN101034034A - 非球面镜衍射图像检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非球面镜衍射图像检测方法和装置，它包括五自由度运动调整平台以及装设于平台上的CCD相机、激光点光源、半透半反镜以及被测非球面镜、含有面形重构算法程序的主控计算机。利用CCD相机，以被测镜定点曲率半径为原点，拍摄不同位置上离焦衍射光强图片，并记录位置参数，将拍摄的衍射光强图片、位置参数以及被测镜相关参数输入计算机，由计算机按镜面面形重构算法，对拍摄到的多幅衍射图像进行波面重构计算，得到被测镜面的面形误差分布，从而实现低成本、高精度、高效率的非球面镜中高频误差检测。

Description

非球面镜衍射图像检测方法与装置

技术领域

本发明属于光学测试技术领域，特别是涉及一种针对的凹面非球面反射镜的检测方法和装置。

背景技术

随着光学加工和检测技术的不断发展，以非球面镜为关键部件的光学系统在天文、空间光学和军事等领域得到了愈来愈广泛的应用，而且所需非球面镜口径和相对口径越来越大。大口径非球面镜的制造需要相应的检测技术。然而，对大口径非球面镜进行高精度检测仍然存在很多挑战。

在大口径非球面镜的抛光加工阶段，通常的定量检测方法有无像差点法和补偿器零检验法。无像差点法仅适用于二次曲面的检测，除凹椭球面不用辅助镜可实现独立检验和扁球面没有无像差点之外，其余二次曲面无像差点检验均要用一辅助镜；然而对于大口径非球面镜所需的高精度辅助镜通常制造困难且价格昂贵。

补偿器零检验法是广泛使用的一种大口径非球面镜的检测方法，该方法的实质是借助补偿器把平面或球面波前转换为与被测非球面镜理论形状重合的非球面波前，由补偿器出射的波前，可以看作是叠在被检非球面镜上的无接触样板，其最大优点在于所适用的辅助元件(补偿器)的直径比被检验镜直径小得多。为了对被测非球面镜作出可靠结论，补偿器必须具有所要求的面形质量，并相对于被检非球面正确地安装；因此补偿器的结构应该足够简单，例如单透镜、两片透镜、双胶合或双分离透镜组，它们的每个单片均可用通常的方法以必要的精度检验，利用各结构元素的分别检验来保证补偿器整体检验的可靠性。然而，随着被测非球面镜相对口径的增大，补偿器可能将具有的复杂的结构，并且对其制造和装调精度也将提出更苛刻的要求，这使得这一检测技术在检测大相对口径非球面镜时存在很多困难，其应用受到一定限制。朱秋东、郝群、刘惠兰在中国专利申请号“200410068823”“一种用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法”中的实施方案中提出用部分补偿器代替零补偿器，允许有不大于50个波长的剩余波差，将传统的小波差(不大于10个波长)干涉测量系统变为大波差(不大于50个波长)干涉测量系统，其被测波面和理论波面进行比较，采用数字莫尔移相干涉法进行测量。其优点在于简化了补偿透镜的结构，降低了补偿透镜的设计、加工难度，同时对某一补偿镜而言可扩展其测量范围。但是部分补偿后的剩余波像差较大，需要使用高分辫率的CCD来采集实际得到的高密度干涉条纹，CCD的分辨率直接关系到部分补偿透镜的复杂性、补偿程度和补偿范围。

除了补偿法，子孔径拼接法也是干涉测量非球面镜的另一种技术途径。Lju.YM等在“Subaperture testing of aspheres with annularzones”，Ying-Moh Liu，George N.Lawrence，Christ L.Koliopoulos，Applied Optics，27(21)：p504-4513，1988中提出了一种无需辅助元件就能检测大口径非球面镜的环形子孔径测试技术，该检测技术大大降低了检验成本，同时可以消除辅助元件的设计、制造和调整误差对检测精度的影响；此外，非球面镜的加工进程也将不会受到辅助元件加工进程的影响。但是对于大相对口径深型非球面，所需环形子孔径数目较多，测量时间较长，在检测过程中容易受到环境因素等的影响，同时多个子孔径的“拼接”处理会造成误差的累积和传递，影响到最终的检测精度。

美国QED公司在“An automated subaperture stitchinginterferometer workstation for spherical and aspherical surfaces”，P.E.Murphy，and G.W.Forbes，Proc.SPIE，Vol.5188，p296-307，2003和美国专利“US 6956657B2”中提出一种非球面镜面形误差检测的子孔径拼接方法，将被测非球面镜划分为若干更小口径的子孔径，子孔径的测量范围可以覆盖全口径，并且各子孔径间稍有重叠；通过6轴运动平台调整被测非球面镜或干涉仪，对子孔径进行零位干涉检测，然后采用拼接算法得到全口径的检测结果，算法主要补偿了干涉仪成像畸变误差、参考波面误差以及子孔径之间的倾斜、离焦误差。算法不需迭代，由硬件精度保证可靠性。这种方法主要用于200mm口径以下的非球面镜检测，对于大口径大相对孔径非球面镜，由于运动调整平台的行程增大，而精度要求不变；并且负载增大，光路也加长了，光路和结构设计较为复杂，成本投入较高。

基于光波衍射图像测量光学镜面是一种较为新颖的光学测试手段。它的原理是根据相干光波在自由空间衍射传播的理论，当一束光沿光轴传播时，入射光波面的复振幅分布决定了出射光波面的复振幅分布。并且如果入射光波面的相位分布发生变化，会造成相应的出射光波面强度分布的变化。衍射图像测量技术就是通过测量出射光波面的强度来反算入射波面相位的一种方法。

同样对于汇聚入射的球面波，如果其波面面形存在误差，会在焦点附近前后形成相应的强度分布。这些焦点前后附近的衍射光强图像包含了入射光波面的相位信息。利用这些强度图像并通过一定的软件算法处理可以准确地对入射光波面进行重构。利用此原理美国航天局(NASA)在“PhaseRetrieval Camera Optical Testing of the Advanced Mirror SystemDemonstrator”，Proc.SPIE，Vol.5487，p1744-1756，2004中提出利用基于衍射光强图像的相位重构法测量球面镜的检测系统。此方法结构简单，成本低，且不易受振动和环境干扰。

但基于光波衍射图像测量光学镜面的方法在检验非球面镜时，同样遇到非球面度造成的相差太大，造成软件算法处理的数据量过大，如果采用补偿镜进行像差补偿，将面临与干涉测量相同的技术问题。因而障碍了此技术在非球面镜测量中的应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种非球面镜衍射图像检测方法与装置。通过本发明的方法和装置可以实现低成本、高精度、高效率的非球面镜中高频误差检测。

本发明提供的非球面镜衍射图像检测方法包括以下步骤：

第一步：将激光点光源设置于其光源中心轴线与被测镜面轴线重合并处在被测镜的定点曲率半径处的位置；

第二步：在激光点光源和被测镜面之间设置和调整半透半反镜，使得反 射光束能够从垂直于被测镜面轴线的方向射出；

第三步：将CCD相机置于出射光束的焦点附近，并使出射光束在焦点附近的衍射图像完全成像在CCD相机的靶面上；

第四步：前后移动CCD相机，以被测镜定点曲率半径为原点，拍摄不同位置上离焦衍射光强图片，并记录位置参数，在拍摄时注意保持CCD相机靶面垂直于出射光束方向；

第五步：将拍摄的衍射光强图片、位置参数以及被测镜相关参数输入计算机，由计算机按镜面面形重构算法对拍摄到的多幅衍射图像进行波面重构计算，得到被测镜面的面形误差分布。

本发明提供的用于上述检测方法的装置包括：用于发出球面波的激光点光源、将被测镜的反射光波分光的半透半反镜、记录由半透半反镜分光的被测镜的反射光波场强的CCD相机、安装CCD相机的调整平台、与CCD相机输出端相连的含有面形重构算法程序的主控计算机；所述激光点光源设置于其光源中心轴线与被测镜面轴线重合并处在被测镜的定点曲率半径处的位置；半透半反镜设置在激光点光源和被测镜面之间，使得反射光束能够从垂直于被测镜面轴线的方向射出；CCD相机置于出射光束的焦点附近，并使出射光束在焦点附近的衍射图像完全成像在CCD相机的靶面上。

调整平台主要用于固定CCD相机和调整CCD相机的工作位置，最好采用五自由度运动调整平台，它包括沿Z轴的平动和两维分别绕X轴和Y轴转动以及分别沿X轴和Y轴的平动组成。其中X轴和Y轴的平动和转动可以微调的Z轴平动平台的空间位姿，CCD相机安装在Z轴平动平台上，可以做往复运动，精度要求达到微米级。

激光点光源在被测镜的顶点曲率半径处发出球面波，经半透半反照射于被测镜。被测镜将测量光束反射回来。形成含有非球面波像差的反射光波。反射光经过半透半反镜，一部分光分出来进入CCD相机。

CCD相机在运动调整平台的带动下对准反射光的方向，并沿光束传播方向运动，选取不同的位置拍摄衍射光强图片。拍摄的衍射图片的位置不能相距太近，也不要太靠近焦点，一般在聚焦区域前后各拍摄2～3张图片即可。

当镜面存在误差时，反射光场会在汇聚点附近产生相对应的不同的衍射光强分布。利用这一现象，以多幅光强图像作为输入信号，通过波面重构算法即可恢复出面形误差。首先，把全口径的非球面误差用一组多项式参数表达，将面形误差衍射到CCD接收平面形成仿真衍射图像。将仿真衍射图像与实测的衍射图像作对比，使用优化搜索算法即可找到最符合测量数据的多项式参数。

波面重构计算中需要进行衍射计算。球面波的衍射计算容易实现，但当被测镜中存在较陡的非球面度时，反射光波面的非球面波像差太大，使得光场空间变化太快。直接对波面进行采样计算，需要太多的采样数据，超出一般PC机的存储和计算能力。为了解决光场衍射的快速计算问题，把非球面镜分为几个环带，每个环带用一个最佳椭球面拟合。椭球面的一个焦点在点光源处，另一个焦点是此环带反射光的聚焦点。每个环带可以按球面波进行衍射计算。将各个环带计算出的衍射光场相加可得到全口径的衍射光场。这样在普通PC机上即可完成面形重构算法，速度快，效率高。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明所构建的检测系统无需辅助光学器件和设备就可以检测各种面形参数的非球面镜；

2、本发明所构建的检测装置简单，只需一个CCD相机和简单的运动调节平台即可，设备成本投入低；

3、本发明的所构建的检测系统操作简单，只需拍摄几张图片，然后输入计算机运算即可完成；

4、本发明的所构建的检测软件处理算法无需高性能的计算机，普通PC计算上即可完成运算处理；

5、本发明的所构建的检测系统不易受振动和空气扰动影响，可以用于加工中的在线在位测量。

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

图1是本发明非球面镜衍射图像检测装置示意图；

图2是CCD相机的五自由度运动调整平台示意图；

图3是面形重构算法流程示意图；

图4是非球面镜点光源反射光线示意图；

图5是非球面镜中心区域检测的模拟条纹图；

图6是非球面镜环带区域划分图；

图7是非球面镜环带拟合示条纹意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明的非球面镜衍射图像检测装置，包括五自由度运动调整平台5以及装设于平台上的CCD相机4、激光点光源1、半透半反镜2以及被测非球面镜3、数据处理计算机6。激光点光源在被测镜的顶点曲率半径发出球面波照亮被测镜，被测镜将光束发射回来并汇聚。当镜面存在误差时，反射光场的相位会携带镜面误差，并在汇聚点附近产生不同的衍射光强分布。CCD相机接收这些衍射光场的光强，然后交与数据处理计算机进行算法处理，得到镜面的面形误差分布7。

如图2所示，五自由度运动调整平台5包括沿Z轴的平动51和两维分别绕X轴和Y轴转动52、53以及分别沿X轴和Y轴的平动54、55组成。其中X轴和Y轴的平动和转动可以微调的Z轴平动平台51的空间位姿，使Z轴平动平台能够对准光轴方向。CCD相机4安装在Z轴平动平台上，安装时CCD的面阵法线方向与Z轴运动方向平行。CCD可以在Z轴上做往复运动，精度要求达到微米级。

CCD相机在运动调整平台的带动下对准反射光的方向，并沿光束传播方向运动，选取不同的位置拍摄衍射光强图片。图像数据处理算法使用拍摄到的多幅衍射图像进行波面重构计算，计算出被测镜的面形误差。拍摄的衍射图片的位置不能相距太近，也不要太靠近焦点，一般在聚焦区域前后各拍摄2～3张图片即可。

图3为镜面面形重构算法。首先把全口径的非球面误差用一组多项式参数表达，如用Zernike多项式表示。由多项式计算出二维误差面形数据，将此面形误差数据通过衍射计算，衍射到CCD接收平面形成仿真的衍射图像。将仿真衍射图像与实测的衍射图像作对比，产生光强误差。以光强误差最小为目标，使用优化搜索算法即可找到最符合实测衍射图像数据的多项式参数。此多项式参数即为误差波面的最佳拟合。面形多项式参数的优化计算可以选用遗传算法等多种优化搜索方法实现。

波面重构计算需要进行衍射计算。球面波的衍射计算可以参考Sziklas和Siegman在“Diffraction Calculations Using Fast Fourier TransformMethods”，Proceedings of the IEEE，MARCH 1974，p410-412中提出的基于FFT的坐标变换衍射计算方法。此方法能够使用较少的采样点数快速精确地计算球面波的衍射光场。

但当被测镜中存在较陡的非球面度时，非球面度造成的像差波面并不在一个焦点汇聚，而是不同的区域汇聚在光轴的不同的点上，如图4所示。从光场相位的角度上讲，可以理解为非球面度造成相位在空间中的变化较快，如图5所示。将顶点曲率半径处视为测试波面的球心时，像差波面周边的相位条纹密度太高。要正确地进行衍射计算需要太多的采样数据，超出一般PC机的存储和计算能力。

为了能够解决非球面镜的光场衍射计算问题，可以把非球面镜分为几个环带，如图6所示，各个环带8、9、10之间无需重合。每个环带用一个最佳椭球面拟合。一个椭球面有两个焦点，由椭球面的性质可知，在椭球面的一个焦点上放置点光源，发出球面波，反射回来的光也是球面波，并汇聚到另一个焦点。由此可以将点光源放置在非球面镜的定点曲率半径处，也就是将每个环带区域的一个焦点全部置于点光源处，而每个环带的第二焦点是此环带反射光的聚焦点。

这样设计每个拟合椭球面的两焦点之间的距离，就能够找到一个最佳拟合椭球面代表此环带。使得此环带上的非球面面形与椭球面面形合合误差很小，一般小于1～2个波长即可，如图7所示。图7中演示了两个不同环带拟合的情况，条纹展宽的地方为拟合区域。因而每个环带的反射光可以看作是椭球面反射的球面波，可以按球面波进行衍射计算。

将各个环带计算出的衍射光场综合起来可得到全口径的衍射光场。当面形重构算法计算出面形误差后，从中减去拟合误差即可得到正确的非球面镜误差。

本发明的检测方法步骤如下：

第一步：安装被测非球面镜，将激光点光源设置于其光源中心轴线与被测镜面轴线重合并处在被测镜的定点曲率半径处的位置；

第二步：在激光点光源和被测镜面之间设置和调整半透半反镜，使得反射光束能够从垂直于被测镜面轴线的方向射出；

第三步：将CCD相机置于出射光束的焦点附近，并使出射光束在焦点附近的衍射图像完全成像在CCD相机的靶面上；

第四步：前后移动CCD相机，以被测镜定点曲率半径为原点，拍摄不同位置上离焦衍射光强图片，并记录位置参数，在拍摄时注意保持CCD相机靶面垂直于出射光束方向；

第五步：将拍摄的衍射光强图片、位置参数以及被测镜相关参数输入计算机，由计算机按图3算法流程处理，对拍摄到的多幅衍射图像进行波面重构计算，得到被测镜面的面形误差分布。

Claims (3)

1、一种非球面镜衍射图像检测方法，包括以下步骤：

第一步：将激光点光源设置于其光源中心轴线与被测镜面轴线重合并处在被测镜的定点曲率半径处的位置；

第二步：在激光点光源和被测镜面之间设置和调整半透半反镜，使得反射光束能够从垂直于被测镜面轴线的方向射出；

第三步：将CCD相机置于出射光束的焦点附近，并使出射光束在焦点附近的衍射图像完全成像在CCD相机的靶面上；

第四步：前后移动CCD相机，以被测镜定点曲率半径为原点，拍摄不同位置上离焦衍射光强图片，并记录位置参数，在拍摄时注意保持CCD相机靶面垂直于出射光束方向；

第五步：将拍摄的衍射光强图片、位置参数以及被测镜相关参数输入计算机，由计算机按镜面面形重构算法对拍摄到的多幅衍射图像进行波面重构计算，得到被测镜面的面形误差分布。

2、一种用于权利要求1所述方法的装置，其特征是包括用于发出球面波的激光点光源、将被测镜的反射光波分光的半透半反镜、记录由半透半反镜分光的被测镜的反射光波场强的CCD相机、安装CCD相机的调整平台、与CCD相机输出端相连的含有面形重构算法程序的主控计算机；所述激光点光源设置于其光源中心轴线与被测镜面轴线重合并处在被测镜的定点曲率半径处的位置；半透半反镜设置在激光点光源和被测镜面之间，使得反射光束能够从垂直于被测镜面轴线的方向射出；CCD相机置于出射光束的焦点附近，并使出射光束在焦点附近的衍射图像完全成像在CCD相机的靶面上。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征是所述调整平台为五自由度运动调整平台，它包括沿Z轴的平动和两维分别绕X轴和Y轴转动以及分别沿X轴和Y轴的平动组成。

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