CN106017306B - 基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法，基于矢量光学理论对长焦透镜零位干涉测试系统构建了三维光线追迹仿真系统，利用仿真系统将干涉标准件面形偏差从长焦透镜测试结果中分离，解决了干涉标准件面形偏差在最终的长焦透镜测量结果中引入误差信息的问题，实现长焦透镜透射波前的GRMS和PSD1高精度测量。在误差分离的过程中，关键是找到三维光线追迹仿真系统中干涉标准件的空间姿态与干涉仪检测时的姿态一致处，即干涉标准件的空间姿态匹配问题。提出利用最小二乘原理，通过不断旋转三维光线追迹仿真系统中干涉标准件的空间姿态，使得仿真系统输出波前与干涉仪测试波前差值最小，完成姿态匹配。

Description

基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法
技术领域
本发明属于光学元件面形检测领域，具体涉及一种基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法。
背景技术
高功率固体激光驱动器采用多路大口径结构，通光口径大、承载激光能量高、系统中使用了大量大口径、高精度的光学元件。高功率固体激光驱动器中光学元件的中频段空间频率成分将导致光束的高频调制与系统的非线性增长，造成光学元件的丝状破坏和降低光束的可聚焦功率。其关于光学元件的评价指标主要有PSD和GRMS，其中PSD是一种基于频谱分析的评价指标，描述面形误差的频率分布，其主要用来评价中频段的波纹差，可以满足光学元件在中频段的质量要求；GRMS是针对元件低频波前的一个关键参数，最终影响系统的聚焦性能。空间滤波透镜、打靶透镜等长焦(8m-30m)透镜的透射波前的GRMS和PSD1会影响激光焦斑分布、激光过孔等系统指标，需要严格控制和精密测量。
在长焦透镜透射波前的干涉检测过程中，大口径的干涉标准件的面形偏差难以控制，其面形偏差会在最后的测量结果中引入误差信息。由于在长焦透镜透射波前的检测过程中，最后由干涉场得到的波前不仅仅是被测透镜的透射波前，还包括了干涉标准件的波前误差。因此，要利用自准直零位干涉检测法(原理如图1所示)实现高精度的长焦透镜透射波前GRMS和PSD1的测量，必须研究如何从最终的测量结果中分离干涉标准件的GRMS和PSD1的数学方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法，解决了干涉标准件面形偏差在最终的长焦透镜测量结果中引入误差信息的问题，实现长焦透镜透射波前的GRMS和PSD1高精度测量。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法，方法步骤如下：
步骤1，基于矢量光学理论对长焦透镜零位干涉测试系统构建三维光线追迹仿真系统，向上述三维光线追迹仿真系统输入长焦透镜的参数。
步骤2，利用干涉仪对上述长焦透镜和干涉标准件组合进行测量，获得实际透射波前Wtest；同时利用干涉仪对上述干涉标准件进行测量，获得干涉标准件的实际面形WS，将实际透射波前Wtest、干涉标准件的实际面形WS输入上述三维光线追迹仿真系统。
步骤3，三维光线追迹仿真系统对长焦透镜零位干涉测试系统进行光线追迹，并输出带有干涉标准件面形误差的仿真透射波前Wt1。
步骤4，不断旋转干涉标准件的空间姿态，即旋转干涉标准件的实际面形WS，利用最小二乘法找到三维光线追迹仿真系统中干涉标准件的姿态与干涉仪中相匹配的姿态，即当三维光线追迹仿真系统输出仿真透射波前Wt1与干涉仪测量的实际透射波前Wtest相减的差值最小时，说明二者姿态相匹配。
步骤5，输出与干涉标准件相匹配时对应的干涉系统仿真透射波前W＇S，从干涉仪实际测量结果中分离得到长焦透镜的透射波前WT0＝Wtest-W＇S，即为干涉标准件面形误差分离后的结果。
上述干涉标准件为球面反射镜。
上述步骤1长焦透镜的参数包括长焦透镜的口径、曲率半径、二次项系数和焦距。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)将传统零位干涉测量与三维光线追迹仿真系统相结合进行干涉标准件误差分离，提高了测量精度。
(2)误差分离过程使用最小二乘法进行空间姿态匹配，同时兼顾干涉标准件误差分离速度与精度，使得分离速度更快与精度更高。
附图说明
图1为本发明的基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法的流程图。
图2为本发明的长焦透镜零位干涉测试系统检测原理图。
图3为本发明的实施例1中长焦透镜误差分离后波前WT0结果图。
图4为本发明的实施例1中长焦透镜误差分离后波前WT0与真实波前的残差波前。
图5为本发明的实施例误差分离后波前一维PSD曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1和图2，一种基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法，方法步骤如下：
步骤1，基于矢量光学理论对长焦透镜零位干涉测试系统构建三维光线追迹仿真系统，向上述三维光线追迹仿真系统输入长焦透镜的参数；
步骤2，利用干涉仪对上述长焦透镜和干涉标准件组合进行测量，获得实际透射波前Wtest；同时利用干涉仪对上述干涉标准件进行测量，获得干涉标准件的实际面形WS，将实际透射波前Wtest、干涉标准件的实际面形WS输入上述三维光线追迹仿真系统；
步骤3，三维光线追迹仿真系统对长焦透镜零位干涉测试系统进行光线追迹，并输出带有干涉标准件面形误差的仿真透射波前Wt1；
步骤4，不断旋转干涉标准件的空间姿态，即旋转干涉标准件的实际面形WS，利用最小二乘法找到三维光线追迹仿真系统中干涉标准件的姿态与干涉仪中相匹配的姿态，即当三维光线追迹仿真系统输出仿真透射波前Wt1与干涉仪测量的实际透射波前Wtest相减的差值最小时，说明二者姿态相匹配；
步骤5，输出与干涉标准件相匹配时对应的干涉系统仿真透射波前W′S，从干涉仪实际测量结果中分离得到长焦透镜的透射波前WT0＝Wtest-W′S，即为干涉标准件面形误差分离后的结果。
上述干涉标准件为球面反射镜。
上述步骤1长焦透镜的参数包括长焦透镜的口径、曲率半径、二次项系数、焦距。
实施例1
结合图1和图2，一种基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法，方法步骤如下：
步骤1，基于矢量光学理论对长焦透镜零位干涉测试系统构建三维光线追迹仿真系统，向上述三维光线追迹仿真系统输入长焦透镜的参数；
步骤2，利用干涉仪对上述长焦透镜和干涉标准件组合进行测量，获得实际透射波前Wtest；同时利用干涉仪对上述干涉标准件进行测量，获得干涉标准件的实际透射波前WS，将干涉标准件的实际透射波前WS输入上述三维光线追迹仿真系统；
步骤3，三维光线追迹仿真系统对长焦透镜零位干涉测试系统进行光线追迹，并输出带有干涉标准件面形误差的仿真透射波前Wt1；
步骤4，不断旋转干涉标准件的空间姿态，利用最小二乘法找到三维光线追迹仿真系统中干涉标准件的姿态与干涉仪中相匹配的姿态，即当三维光线追迹仿真系统输出仿真透射波前Wt1与干涉仪测量的实际透射波前Wtest相减的差值最小时，说明二者姿态相匹配；
步骤5，输出与干涉标准件相匹配时对应的干涉标准件仿真透射波前W′S，从干涉仪实际测量结果中分离得到长焦透镜的透射波前WT0＝Wtest-W′S(如图3)，即为干涉标准件面形误差分离后的结果。
将本方法的误差分离后透射波前与长焦透镜实际透射波前相减得到残差波前(如图4)，残差波前的PV值为0.0750λ(其中λ＝632.8nm)。对最终的误差分离后波前进行评价，中频波前均方根RMS值为1.1561nm，低频波前梯度均方根GRMS值为5.0650nm/cm，一维PSD1曲线(如图5)。

Claims (3)

1.一种基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤1，基于矢量光学理论对长焦透镜零位干涉测试系统构建三维光线追迹仿真系统，向上述三维光线追迹仿真系统输入长焦透镜的参数；
步骤2，利用干涉仪对上述长焦透镜和干涉标准件组合进行测量，获得实际透射波前Wtest；同时利用干涉仪对上述干涉标准件进行测量，获得干涉标准件的实际面形WS，将实际透射波前Wtest、干涉标准件的实际面形WS输入上述三维光线追迹仿真系统；
步骤3，三维光线追迹仿真系统对长焦透镜零位干涉测试系统进行光线追迹，并输出带有干涉标准件面形误差的仿真透射波前Wt1；
步骤4，不断旋转干涉标准件的空间姿态，即旋转干涉标准件的实际面形WS，利用最小二乘法找到三维光线追迹仿真系统中干涉标准件的姿态与干涉仪中相匹配的姿态，即当三维光线追迹仿真系统输出仿真透射波前Wt1与干涉仪测量的实际透射波前Wtest相减的差值最小时，说明二者姿态相匹配；
步骤5，输出与干涉标准件相匹配时对应的干涉系统仿真透射波前W＇S，从干涉仪实际测量结果中分离得到长焦透镜的透射波前WT0＝Wtest-W′S，即为干涉标准件面形误差分离后的结果。
2.根据权利要求1所述的基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法，其特征在于：上述干涉标准件为球面反射镜。
3.根据权利要求1所述的基于最小二乘旋转匹配的干涉标准件误差分离方法，其特征在于：上述步骤1长焦透镜的参数包括长焦透镜的口径、曲率半径、二次项系数和焦距。
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