CN106767522B - 一种针对大口径深矢高的光学自由曲面检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种大口径深矢高的自由曲面检测方法及装置，属于光学测量技术领域，为了解决现有技术对非对称大尺寸光学自由曲面的非接触无损检测方法存在的问题，该方法是通过设计时被测自由曲面的公式与STL模型结合，将被测自由曲面用一系列三角面片离散地近似构成三维区域曲面；然后根据曲率划分区域，再通过已知的被测自由曲面公式对各个区域进行计算，绘图得到八位灰度图，再对ZYGO干涉仪的光束进行编码，编码方式与绘制八位灰度方式相对应；通过对ZYGO干涉仪的光束编码后可使液晶空间光调制器对其相应的区域进行测量；本发明检测效率高、成本低、并且具有体积小、精度高、便于控制等优点；该方法将在大型的光学系统检测中具有广泛的应用前景。

Description

一种针对大口径深矢高的光学自由曲面检测方法及装置

技术领域

本发明涉及光学自由曲面精密测量技术，特别是涉及一种大口径深矢高的光学自由曲面检测方法及装置，属于光学测量技术领域。

背景技术

在光学系统中，自由曲面元件相对于球面元件不仅扩大了系统的视场角，还改善了成像的质量，使其在越来越多的光学系统中得到应用。但是，无论是制作成本还是加工精度都远不能与传统的非球面相比。面型的精密检测是制约自由曲面技术发展的瓶颈技术。目前检测自由曲面的方法主要采用轮廓仪检测法和哈特曼检测法，但这些方法的检测精度较低。

光学自由曲面的加工分为铣削、研磨、抛光三个阶段，根据各阶段要求精度的不同，分别采用不同的检测手段。通常，第一阶段和第二阶段分别使用三坐标机和面形轮廓仪进行检测，第三阶段采用接触式测量。然而，第三阶段检测精度要求最高，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达到要求。

目前，国内外对光学自由曲面的检测技术提出了不同的方法，但都存在一定的问题。英国阿斯顿大学Fowler等人在传统焦度计测量原理的基础上提出了一种能够测量自由曲面面型的检测方法，但该方法测量过程繁琐，耗时较长。意大利Castellini等人利用哈特曼地图法对渐进的自由曲面进行测量，用平行的激光光束照明带孔的哈特曼板或者微透镜阵列，通过小孔的光线经过待测镜片发生偏转，在观察屏上形成一个点阵图，根据点阵图的位置差用光线追迹法可计算出被测自由曲面的像差。有些专家也提出了运用CGH(ComputerGenerated Hologram)作为零位补偿器来检测一个非旋转对称的三次位相板，利用计算全息图作为零位补偿器去检测光学自由曲面，省去了复杂的迭代算法，但是零位CGH与光学自由曲面存在成本较高，并且当被检面斜率过大时，CGH位相板加工误差增大，精度下降。

发明内容

本发明为了解决现有技术对非对称大尺寸光学自由曲面的非接触无损检测方法存在的问题，提出了一种针对大口径、深矢高的光学自由曲面检测方法和装置。

实现本发明的技术方案是提供一种针对大口径深矢高的光学自由曲面检测方法及装置，在考虑局部的自由曲面的精度的同时也对整体的精度进行测量。

本发明的具体技术方案如下：

一种针对大口径深矢高的光学自由曲面检测方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

步骤一，将ZYGO干涉仪、标准平面参考镜、光阑、第一分光镜和第二分光镜依次同轴放置，第一分光镜和第二分光镜倾斜45°；第一零位补偿透镜和被测自由曲面依次同轴放置在第一分光镜的反射光路上；第二零位补偿透镜、偏振片和液晶空间光调制器依次同轴设置在第二分光镜的反射光路上；ZYGO干涉仪与PC相连；PC与液晶空间光调制器相连；

步骤二，通过设计时被测自由曲面的公式与STL模型结合，将被测自由曲面用一系列三角面片离散地近似构成三维区域曲面；通过微积分可以求出各曲面的斜率

k₁，k₂,...,k_n，从中心依次取出三角形面片，以δ为阈值，当三角形面片区域曲面的斜率与相邻三角形面片斜率的偏差为±δ时，将其融合到与之相邻的区域中；元区域为R₀，记录该区域的所有三角形编号为I；继续取出其它三角形面片，当三角形面片斜率与相邻三角形面片斜率的偏差大于±δ时，标记该三角形面片区域为Ⅱ，重复以上过程实现区域生长，直到所有的三角形都被归入相应的区域Ι,ΙΙ,...；

步骤三，将步骤二中被测自由曲面所划分的区域Ι,ΙΙ,...，分别通过已知的被测自由曲面公式对各个区域Ι,ΙΙ,...进行计算，即由高斯公式和泽尼克多项式的公式可以得到各个区域Ι,ΙΙ,...的泽尼克多项式系数，把泽尼克多项式的系数取共轭，再将数据输入到Matlab中，通过调用Matlab中的泽尼克函数便可绘图得到八位灰度图；再对ZYGO干涉仪的光束进行编码，编码方式与自由曲面区域Ι,ΙΙ,...绘制八位灰度方式相对应；通过对ZYGO干涉仪的光束编码后可使液晶空间光调制器对其相应的区域进行测量；当PC显示3-5条稳定、清晰的干涉条纹时，记录ZYGO干涉仪的测量结果中的PV值、RMS值和Strehl比值；

步骤四，先计算拟合后整体被测自由曲面的曲率

其中m为被测自由曲面划分区域的个数；d_i为被测自由曲面第i个合成区域的曲率，可通过合成曲率来计算；A_i为被测自由曲面第i个的区域的面积；借助Matlab和已算出的被测自由曲面曲率对整体被测自由曲面进行拟合，并得到相应的泽尼克多项式；将泽尼克多项式的系数取共轭，将数据输入到Matlab中，通过调用Matlab中的泽尼克函数便可绘图得到八位灰度图；再通过PC与液晶空间光调制器相连将生成的八位灰度图显示在调制器上，便可实现光路中对自由曲面的零位校正；通过观测ZYGO干涉仪上的PV值、RMS值和Strehl比值，可以得知所检测的自由曲面是否合格、准确。

一种针对大口径深矢高的光学自由曲面检测装置，该装置由ZYGO干涉仪、标准平面参考镜、光阑、第一分光镜、第二分光镜、第一零位补偿透镜、第二零位补偿透镜、偏振片、液晶空间光调制器和PC组成；其特征是，

ZYGO干涉仪、标准平面参考镜、光阑、第一分光镜和第二分光镜依次同轴放置，第一分光镜和第二分光镜倾斜45°；第一零位补偿透镜和被测自由曲面依次同轴放置在第一分光镜的反射光路上；第二零位补偿透镜、偏振片和液晶空间光调制器依次同轴设置在第二分光镜的反射光路上；ZYGO干涉仪与PC相连；PC与液晶空间光调制器相连。

ZYGO干涉仪发出的激光入射至标准平面参考镜上，激光经所述标准平面参考镜透射后经过光阑，然后入射至第一分光镜上，激光经所述第一分光镜分成一束透射光和一束反射光；

经过第一分光镜的反射光入射至第一零位补偿透镜上，光经第一零位补偿透镜透射后入射至被测自由曲面上，光经被测自由曲面发射产生测试光，所述测试光经第一零位补偿透镜反射后返回至第一分光镜上；

经过分光镜的透射光入射至第二分光镜，经第二分光镜反射后入射至第二零位补偿透镜上，经第二零位补偿透镜入射至偏振片上，光经偏振片透射后入射至液晶空间光调制器上，光经过液晶空间光调制器相位调制并反射后获得参考光，所述参考光经过偏转片、零位补偿透镜和第二分光镜反射后返回至第一分光镜上；

参考光和测试光干涉形成干涉光，所述干涉光经过光阑和标准平面参考镜透射后，入射到ZYGO干涉仪的成像系统。

本发明的有益效果是：

1、本发明对ZYGO干涉仪的光束进行编码，与现有子孔径拼接法测量自由曲面面型的方法相比误差小；由于子孔径拼接法测量时存在移动，本发明测量过程中光学元件固定不动，具有较高的测量精度。

2、本发明与现有的零位校正、非零位校正和子孔径拼接等检测自由曲面面型的方法相比，该方法可以兼顾测量精度和测量范围，这是现有检测自由曲面面型方法所做不到的。

3、本发明基于液晶空间光调制器检测自由曲面的方法，可以使检测效率大大提高；用液晶空间光调制器代替现有的CGH位相板，大大节约了成本。

4、本发明的光路设计方式可以大大减小结构空间，具有体积小、便于二次开发、便于控制等优点。

本发明将在大型的光学系统检测中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1：本发明一种针对大口径深矢高的光学自由曲面检测装置示意图。

图2：本发明所述自由曲面的区域划分示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种针对大口径深矢高的光学自由曲面检测装置，其是由ZYGO干涉仪1、标准平面参考镜2、光阑3、第一分光镜4、第二分光镜5、第一零位补偿透镜6、第二零位补偿透镜8、偏振片9、液晶空间光调制器10和PC(计算机)11组成。

ZYGO干涉仪1、标准平面参考镜2、光阑3、第一分光镜4和第二分光镜5依次同轴设置，第一分光镜4和第二分光镜5倾斜45°放置；第一零位补偿透镜6和被测自由曲面7依次同轴设置在第一分光镜4的反射光路上；第二零位补偿透镜8、偏振片9和液晶空间光调制器10依次同轴设置在第二分光镜5的反射光路上；ZYGO干涉仪1与PC 11相连，用于控制ZYGO干涉仪1；PC 11与液晶空间光调制器10相连，用于将八位灰度图呈现于液晶空间光调制器10上。

ZYGO干涉仪1发出的632.8nm的激光入射至标准平面参考镜2上，激光经所述标准平面参考镜2透射后经过光阑3，然后入射至第一分光镜4上，激光经所述第一分光镜4分成一束透射光和一束反射光。

经过第一分光镜4的反射光入射至第一零位补偿透镜6上，光经第一零位补偿透镜6透射后入射至被测自由曲面7上，经被测自由曲面7反射产生测试光，所述测试光经第一零位补偿透镜6反射后返回至第一分光镜4上。

经过第一分光镜4的透射光入射至第二分光镜5，经第二分光镜5反射后入射至第二零位补偿透镜8上，经第二零位补偿透镜8上入射至偏振片9上，光经偏振片9透射后入射至液晶空间光调制器10上，光经过液晶空间光调制器10相位调制并反射后获得参考光，所述参考光经过偏转片9、零位补偿透镜8和第二分光镜5反射后返回至第一分光镜4上。

参考光和测试光干涉形成干涉光，所述干涉光经过光阑3和标准平面参考镜2透射后，入射到ZYGO干涉仪1的成像系统。

本发明述针对大口径深矢高的光学自由曲面检测方法，基于上述针对大口径深矢高的自由曲面检测装置，该方法包括以下步骤：

步骤一，将ZYGO干涉仪1、标准平面参考镜2、光阑3、第一分光镜4和第二分光镜5依次同轴设置，第一分光镜4和第二分光镜5倾斜45°放置；第一零位补偿透镜6和被测自由曲面7依次同轴设置在第一分光镜4的反射光路上；第二零位补偿透镜8、偏振片9和液晶空间光调制器10依次同轴设置在第二分光镜5的反射光路上；ZYGO干涉仪1与PC 11相连，用于控制ZYGO干涉仪1；PC 11与液晶空间光调制器10相连，用于将八位灰度图呈现于液晶空间光调制器10上。

步骤二，通过设计时被测自由曲面7的公式与STL模型结合，将被测自由曲面7用一系列三角面片离散地近似构成三维区域曲面。通过微积分可以求出各曲面的斜率

k₁，k₂,...,k_n，从中心依次取出三角形面片，以δ为阈值，当三角形面片区域曲面的斜率与相邻三角形面片斜率的偏差为±δ时，将其融合到与之相邻的区域中。元区域为R₀，最后扩展为如图2所示粗黑线框边界所围成的区域，记录该区域的所有三角形编号为I。继续取出其它三角形面片，当三角形面片斜率与相邻三角形面片斜率的偏差大于±δ时，标记该三角形面片区域为Ⅱ，重复以上过程实现区域生长，直到所有的三角形都被归入相应的区域Ι,ΙΙ,...。图2中假设被分为三个区域标记为I、Ⅱ、Ш。

步骤三，将步骤一中被测自由曲面7所划分的区域Ι,ΙΙ,...，分别通过已知的被测自由曲面7公式对各个区域进行被测自由曲面7的局部计算，即由高斯公式和泽尼克多项式的公式可以得到各个区域Ι,ΙΙ,...的泽尼克多项式系数，把泽尼克多项式的系数取共轭，再将数据输入到Matlab中，通过调用Matlab中的泽尼克函数便可绘图得到八位灰度图。再对ZYGO干涉仪1的光束进行编码，编码方式与自由曲面区域Ι,ΙΙ,...绘制八位灰度方式相对应。通过对ZYGO干涉仪1的光束编码后可使液晶空间光调制器10对其相应的区域进行测量。由于对ZYGO干涉仪1的光束进行编码，使得相邻的自由曲面区域Ι,ΙΙ,...不会互相干扰。当PC 11显示3-5条稳定、清晰的干涉条纹时，记录ZYGO干涉仪1的测量结果中的PV值、RMS值和Strehl比值。

步骤四，先计算拟合后整体被测自由曲面7的曲率

其中m为被测自由曲面7划分区域的个数；d_i为被测自由曲面7第i个合成区域的曲率，可通过合成曲率来计算；A_i为被测自由曲面7第i个的区域的面积。借助Matlab和已算出的被测自由曲面7曲率对整体光学被测自由曲面7进行拟合，并得到相应的泽尼克多项式。将泽尼克多项式的系数取共轭，将数据输入到Matlab中，通过调用Matlab中的泽尼克函数便可绘图得到八位灰度图。再通过PC 11与液晶空间光调制器10相连将生成的八位灰度图显示在调制器上，便可实现光路中对自由曲面的零位校正。为了观测自由曲面校正是否准确，将液晶空间光调制器10与PC 11相连，ZYGO干涉仪1与PC 11相连。通过观测ZYGO干涉仪上的PV值、RMS值和Strehl比值可以得知所检测的自由曲面是否合格、准确。/>

Claims (3)

1.一种针对大口径深矢高的光学自由曲面检测方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

步骤一，将ZYGO干涉仪(1)、标准平面参考镜(2)、光阑(3)、第一分光镜(4)和第二分光镜(5)依次同轴放置，第一分光镜(4)和第二分光镜(5)倾斜45°；第一零位补偿透镜(6)和被测自由曲面(7)依次同轴放置在第一分光镜(4)的反射光路上；第二零位补偿透镜(8)、偏振片(9)和液晶空间光调制器(10)依次同轴设置在第二分光镜(5)的反射光路上；ZYGO干涉仪(1)与PC(11)相连；PC(11)与液晶空间光调制器(10)相连；

步骤二，通过设计时被测自由曲面(7)的公式与STL模型结合，将被测自由曲面(7)用一系列三角面片离散地近似构成三维区域曲面；通过微积分可以求出各曲面的斜率

k₁，k₂,...,k_n，从中心依次取出三角形面片，以δ为阈值，当三角形面片区域曲面的斜率与相邻三角形面片斜率的偏差为±δ时，将其融合到与之相邻的区域中；元区域为R₀，记录该区域的所有三角形编号为I；继续取出其它三角形面片，当三角形面片斜率与相邻三角形面片斜率的偏差大于±δ时，标记该三角形面片区域为Ⅱ，重复以上过程实现区域生长，直到所有的三角形都被归入相应的区域Ι,ΙΙ,...；

步骤三，将步骤二中被测自由曲面(7)所划分的区域Ι,ΙΙ,...，分别通过已知的被测自由曲面(7)公式对各个区域Ι,ΙΙ,...进行计算，即由高斯公式和泽尼克多项式的公式可以得到各个区域Ι,ΙΙ,...的泽尼克多项式系数，把泽尼克多项式的系数取共轭，再将数据输入到Matlab中，通过调用Matlab中的泽尼克函数便可绘图得到八位灰度图；再对ZYGO干涉仪(1)的光束进行编码，编码方式与自由曲面区域Ι,ΙΙ,...绘制八位灰度方式相对应；通过对ZYGO干涉仪(1)的光束编码后可使液晶空间光调制器(10)对其相应的区域进行测量；当PC(11)显示3-5条稳定、清晰的干涉条纹时，记录ZYGO干涉仪(1)的测量结果中的PV值、RMS值和Strehl比值；

步骤四，先计算拟合后整体被测自由曲面(7)的曲率

其中m为被测自由曲面(7)划分区域的个数；d_i为被测自由曲面(7)第i个合成区域的曲率，可通过合成曲率来计算；A_i为被测自由曲面(7)第i个的区域的面积；借助Matlab和已算出的被测自由曲面(7)曲率对整体被测自由曲面(7)进行拟合，并得到相应的泽尼克多项式；将泽尼克多项式的系数取共轭，将数据输入到Matlab中，通过调用Matlab中的泽尼克函数便可绘图得到八位灰度图；再通过PC(11)与液晶空间光调制器(10)相连将生成的八位灰度图显示在调制器上，便可实现光路中对自由曲面的零位校正；通过观测ZYGO干涉仪(1)上的PV值、RMS值和Strehl比值，可以得知所检测的自由曲面是否合格、准确。

2.根据权利要求1所述的一种针对大口径深矢高的光学自由曲面检测方法，其特征在于，该方法所用的装置由ZYGO干涉仪(1)、标准平面参考镜(2)、光阑(3)、第一分光镜(4)、第二分光镜(5)、第一零位补偿透镜(6)、第二零位补偿透镜(8)、偏振片(9)、液晶空间光调制器(10)和PC(11)组成；

ZYGO干涉仪(1)、标准平面参考镜(2)、光阑(3)、第一分光镜(4)和第二分光镜(5)依次同轴放置，第一分光镜(4)和第二分光镜(5)倾斜45°；第一零位补偿透镜(6)和被测自由曲面(7)依次同轴放置在第一分光镜(4)的反射光路上；第二零位补偿透镜(8)、偏振片(9)和液晶空间光调制器(10)依次同轴设置在第二分光镜(5)的反射光路上；ZYGO干涉仪(1)与PC(11)相连；PC(11)与液晶空间光调制器(10)相连。

3.根据权利要求2所述的一种针对大口径深矢高的光学自由曲面检测方法，其特征在于，该方法所用的装置中ZYGO干涉仪(1)发出的激光入射至标准平面参考镜(2)上，激光经所述标准平面参考镜(2)透射后经过光阑(3)，然后入射至第一分光镜(4)上，激光经所述第一分光镜(4)分成一束透射光和一束反射光；

经过第一分光镜(4)的反射光入射至第一零位补偿透镜(6)上，光经第一零位补偿透镜(6)透射后入射至被测自由曲面(7)上，光经被测自由曲面(7)发射产生测试光，所述测试光经第一零位补偿透镜(6)反射后返回至第一分光镜(4)上；

经过分光镜(4)的透射光入射至第二分光镜(5)，经第二分光镜(5)反射后入射至第二零位补偿透镜(8)上，经第二零位补偿透镜(8)入射至偏振片(9)上，光经偏振片(9)透射后入射至液晶空间光调制器(10)上，光经过液晶空间光调制器(10)相位调制并反射后获得参考光，所述参考光经过偏转片(9)、零位补偿透镜(8)和第二分光镜(5)反射后返回至第一分光镜(4)上；

参考光和测试光干涉形成干涉光，所述干涉光经过光阑(3)和标准平面参考镜(2)透射后，入射到ZYGO干涉仪(1)的成像系统。

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