CN106918303B - 光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统，包括自由曲面非零位干涉检测系统、自适应数据处理与控制系统，其中自由曲面非零位干涉检测系统包括稳频激光器、准直系统、分束器、参考平面镜、成像镜、探测器、可变形反射镜DM、反射镜、消球差镜；自适应数据处理与控制系统包括系统光线追迹模块、理论面形分解模块、DM形变控制模块、干涉图匹配处理模块、被测波前拟合模块和回程误差校正模块。本发明利用连续可变形反射镜DM可以实现不同Zernike低阶像差的补偿，通过系统光线追迹模型指导可变形反射镜形变，使得大曲率变化自由曲面的高精度通用化检测成为现实。

Description

光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统

技术领域

本发明涉及光学自由曲面检测系统领域，具体是一种光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统。

背景技术

光学自由曲面因其表面自由度较大，可以针对性地提供或矫正不同的轴上或轴外像差，同时满足现代光学系统高性能，轻量化和微型化的要求，从而逐渐开始成为现代光学工程领域的新宠。虽然在设计，加工，检测等方面稳步发展，然而成像领域对于光学元件面形的高精度要求却限制了自由曲面的大规模应用。尤其，自由曲面的检测技术已经成为制约其应用的最重要因素。

目前光学自由曲面的检测方法主要分为接触式和非接触式。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实现。光学自由曲面的非接触式检测方法主要有夏克-哈特曼传感器法，相位偏折术，干涉测量法等。夏克-哈特曼传感器虽然可以达到一个很高的测量精度但其动态范围受到微透镜尺寸限制，而且对于大偏离量的自由曲面检测能力不足。相位偏折术对于工业自由曲面的检测能力较强，而对于高精度光学自由曲面的检测精度依然有限。干涉测量法作为目前精度最高的检测手段之一，已经在光学平面，球面乃至非球面的检测领域得到了一致公认。借助于专门设计的补偿器，可以实现高精度的零位干涉检测，但是零位补偿器的设计、检测和装调都会引入误差。而对于那些非规则、非旋转对称的光学自由曲面，则根本无法通过传统的零位补偿器进行补偿，必须使用专门的CGH，而CGH元件加工的高成本，高难度和较难于调整等特性使其测量范围和测量精度均受到限制。基于上述难题，人们将目光转向了子孔径拼接技术，虽然CSSI和ASSI在大口径球面和中度非球面的检测中呈现出高检测精度的特点，但是由于其子孔径特征，使得其在非旋转对称的自由曲面检测中的应用依然没有实质性的突破。而自适应光学元件的使用可以针对性的校正由自由曲面所导致的系统像差，例如自由曲面的自适应零位检测中采用可变形反射镜对不同的自由曲面实施零位补偿，但是该检测方法是利用随机梯度下降算法来对干涉条纹进行处理，对可变形反射镜进行反馈控制，仅能降低干涉条纹密度，并不能真正实现“零位”补偿，并且该方法需要使用光栅投影轮廓仪对可变形反射镜进行形变测量，不仅增加了系统复杂程度，而且不能满足高精度光学元件的检测精度要求。更重要的是目前可变形镜的加工工艺影响，其对低阶像差的补偿精度较高，但对于高阶像差的补偿精度则差强人意，要求其实现任意自由曲面的零位补偿是不现实的。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统，以解决现有技术光学自由曲面检测存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统，其特征在于：包括自由曲面非零位干涉检测系统、自适应数据处理与控制系统，其中：

非零位干涉检测系统包括稳频激光器、准直系统、分束器、参考平面镜、成像镜、探测器、可变形反射镜DM、反射镜、消球差镜；所述准直系统、分束器、可变形反射镜DM依次设置在稳频激光器出射光的光路上，参考平面镜设置在分束器垂直于稳频激光器出射光光路方向上的一侧，成像镜、探测器依次设置在分束器垂直于稳频激光器出射光光路方向上的另一侧，且探测器与自适应数据处理与控制系统连接，反射镜与可变形反射镜DM平行设置，消球差镜设置在反射镜的反射光路上，消球差镜透射光路上设有被测自由曲面；稳频激光器的出射光经准直系统准直后入射至分束器，部分光被分束器反射至参考平面镜后沿原路返回至分束器形成参考波，其余部分光透射过分束器后入射至可变形反射镜DM，再经可变形反射镜DM、反射镜依次反射以及消球差镜透射后入射至被测自由曲面，最后经被测自由曲面反射后沿原路返回至分束器形成检测波，参考波与检测波在分束器发生干涉，干涉图像经成像镜成像至探测器，并由探测器将干涉图像输出至自适应数据处理与控制系统；

自适应数据处理与控制系统包括理论面形分解模块、系统光线追迹模块、DM形变控制模块、干涉图匹配处理模块、被测波前拟合模块和回程误差校正模块；其中理论面形分解模块将自由曲面理论面形进行Zernike多项式拟合以得到Zernike系数，并将Zernike系数输出至系统光线追迹模块；光线追迹模块输出相应的DM形变参数，进入DM形变控制模块；DM形变控制模块根据Zernike系数控制非零位干涉检测系统中的可变形反射镜DM出现相应的形变，提供补偿自由曲面的低阶像差，实现非零位检测；干涉图匹配处理模块接收非零位干涉检测系统中探测器输出的干涉图像，并将该干涉图与光线追击模型中的干涉图进行匹配，并处理得到被测面波前数据，被测面波前数据被输出至被测面波前拟合模块；被测面波前数据经被测面波前拟合模块Zernike拟合处理后得到调整误差，若调整误差小于设定阈值，则被测面波前拟合模块输出被测波前Zernike系数到回程误差校正模块中，输出面形误差，若调整误差大于设定阈值，则被测面波前拟合模块将调整误差输出至DM形变控制模块，DM形变控制模块重新控制非零位干涉检测系统中的可变形反射镜DM出现相应的形变，以补偿该调整误差，直至调整误差小于设定阈值，再由被测波前拟合模块输出被测波前Zernike系数到回程误差校正模块中，最终输出面形误差。

所述的光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统，DM所提供的形变仅仅补偿被测自由曲面所导致的系统低阶像差，实施有保留的补偿。其剩余像差所导致检测最终的回程误差由回程误差校正模块进行校正。

所述的光线追迹模块，利用光线追迹软件对光学自由曲面非零位干涉检测系统进行建模，系统光线追迹模型中各器件参数由实验系统中实际器件的参数决定。

所述的干涉图匹配处理模块，过辨别光线追迹模型得到的干涉图像和非零位干涉检测系统中探测器所接收到的干涉图像的差异，将两个干涉图像进行叠加，并判别二者叠加所得的莫尔条纹数，当莫尔条纹数小于设置的阈值时，则认为两干涉图像一致，否则绕光轴旋转光线追迹模型中的被测面旋转位姿，直至其产生的干涉图与实验干涉图叠加产生的莫尔条纹数小于设置的阈值，此时认为系统光线追迹模型和非零位干涉检测系统中的自由曲面旋转位姿一致；进而采集4n幅移相干涉图，利用四步移相算法解调干涉图，输出为被测面波前数据。

所述的回程误差校正模块，是将实验所得被测波前的Zernike系数减去光线追迹模型的理论被测波前的Zernike系数，进而将二者之差拟合为连续波面，使得回程误差得到校正，再将该连续波面除以2，最终得到被测面面形误差。

所述的光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统，参考平面镜与一个压电装置固定，压电装置可推动参考平面镜在参考平面镜光轴方向实现平移，使得探测器采集到4n幅相位差π/2的干涉图以实现移相。

所述的光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统，探测器输出的干涉图像经过干涉图匹配处理模块的解调处理后，再被被测面波前拟合模块的Zernike拟合得到Zernike多项式，Zernike多项式中的低阶Zernike系数即为调整误差系数。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明利用连续可变形反射镜(Deformable mirror，DM)可以实现不同Zernike低阶像差的补偿，从而实现不同像差的非零位检测，极大地拓展了系统检测动态范围。通过系统光线追迹模型指导可变形反射镜形变，以实现对于光学自由曲面低阶像差的自适应补偿，避免了辅助性测量系统(光栅投影轮廓仪)的使用，实现自动化全口径非零位检测，使得大曲率变化自由曲面的高精度通用化检测成为现实。

附图说明

图1为光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统示意图。

图2为非零位干涉检测系统探测器接收到的初步干涉图。

图3为不断旋转光线追迹模型中的自由曲面旋转位姿所得干涉图和实验干涉图叠加所得的莫尔条纹变化状态。

图4为自适应非零位检测干涉图。

图5为最终干涉图。

具体实施方式

图1所示为一种光学自由曲面自适应非零位干涉检测装置示意图，其主要由自由曲面非零位干涉检测系统和自适应数据处理与控制系统组成。

非零位干涉检测系统由稳频激光器L1出射的细光束经准直系统L2被扩束为宽光束平行光，平行光向前传播至分束器L3处被分为两路光。一路传播至参考平面镜L4后原路返回作为参考波；另一路传播至与光轴呈45°放置的可变形反射镜DML8，经可变形反射镜DML8反射后，在经过一片与可变形反射镜DM平行放置的反射镜L10将光轴变为原方向，经过该反射镜L10反射的光束透过消球差镜L11后被被测自由曲面L12反射后近似沿原路返回，形成检测波。参考波与检测波在分束器L3处发生干涉，经成像镜L6成像于探测器L7处，探测器L7将所得干涉图像输入至自适应数据处理与控制系统L13处，完成光学自由曲面的自适应干涉检测。

参考平面镜L4与压电装置PZT L5固定，压电装置PZT L5可推动参考平面镜L4在参考平面镜L4的光轴方向实现平移，使得探测器L7采集到4n幅相位差π/2的干涉图，实现移相。

自适应数据处理与控制系统L13由理论面形分解模块、系统光线追迹模块、DM形变控制模块、干涉图匹配处理模块与被测波前拟合模块组成。通过理论面形分解模块将被测面理论面形矢高分解为Zernike多项式组合形式，并将得到的Zernike低阶系数输入光线追系模块；系统光线追迹模块根据非零位干涉检测系统参数，利用光学仿真软件ZEMAX对其进行建模，根据理论面形分解模块输入的低阶像差进行逆向光线追迹，得到相应的DM形变参数，进入DM形变控制模块；DM形变控制模块根据DM形变参数控制非零位干涉检测系统中的可变形反射镜DM L8出现相应的形变，提供补偿自由曲面的低阶像差，实现非零位检测；

干涉图匹配处理模块的输入端为非零位干涉检测系统的探测器采集的干涉图，将光线追迹模型得到的干涉图像和非零位干涉检测系统中探测器所接收到的干涉图像进行叠加，并判别二者叠加所得的莫尔条纹数，当莫尔条纹数小于设置的阈值时，则认为两干涉图像一致，否则绕光轴旋转光线追迹模型中的被测面旋转位姿，直至其产生的干涉图与实验干涉图叠加产生的莫尔条纹数小于设置的阈值，此时认为系统光线追迹模型和非零位干涉检测系统中的自由曲面旋转位姿一致；进而采集4n幅移相干涉图，利用四步移相算法解调干涉图，输出为被测面波前数据。被测面波前数据进入被测面波前拟合模块，输出调整误差。

被测面波前拟合模块输出的调整误差若小于设定阈值，则将被测波前的拟合系数直接输出到回程误差校正模块；若其输出的调整误差系数若大于设定阈值，则将调整误差系数重新输入光线追迹模块，通过光线追迹修正DM应补偿的形变参数，输入DM形变控制模块，重新控制非零位干涉检测系统中的可变形反射镜DM L8出现相应的形变，以补偿该调整误差，直至调整误差系数小于设定阈值，将该实验被测波前系数输入到回程误差校正模块中。

回程误差校正模块同时接受光线追迹模块输出的理论被测波前系数和被测面波前拟合模块输出实际实验波前系数，进而将二者之差拟合为连续波面，使得回程误差得到校正，再将该连续波面除以2，最终得到被测面面形误差。

实施例

本发明应用于光学自由曲面自适应非零位干涉检测的实例描述如下。

被测自由曲面为双曲率面，x方向曲率半径为388mm；y方向曲率半径为386mm。

图1为自由曲面自适应干涉检测装置图，激光波长为λ＝632.8nm，稳频激光器L1出射的细光束经准直系统L2被扩束为宽光束平行光，平行光向前传播至分束器L3处被分为两路光。一路向前传播至参考平面镜L4后原路返回作为参考波；另一路向前传播至与光轴呈45°放置的可变形反射镜DML8，经可变形反射镜DML8反射后，在经过一片与可变形反射镜DM平行放置的反射镜L10将光轴变为原方向，经过该反射镜L10反射的光束透过消球差镜L11后被被测自由曲面L12反射后近似沿原路返回，形成检测波。参考波与检测波在分束器L3处发生干涉，经成像镜L6成像于探测器L7处。此时得到的干涉图如图2所示，可见干涉图中存在较大像散。

利用光学仿真软件ZEMAX对非零位干涉检测系统进行建模，并不断旋转该光线追迹模型中被测面旋转位姿，直到干涉图模型中干涉图与图2所示的实验干涉图叠加得到的局部莫尔条纹数小于1，其过程如图3所示。经仿真可知其，对应图3的最后一幅摩尔条纹图，二叠加干涉图旋转角度小于1.5°，此时认为光线追迹模型和实验中的被测自由曲面L12旋转位姿一致。

通过理论面形分解模块将被测面理论面形矢高分解为Zernike多项式组合形式，此时得到的Zernike成分为像散成分，即Zernike多项式第5项，其系数为1.58λ。将得到的Zernike系数1.58λ输入系统光线追迹模块，通过光线追迹计算DM形变参数为1.022λ，通过DM形变控制模块以控制非零位干涉检测系统中的可变形反射镜DML8出现相应的形变，提供补偿自由曲面L12的像差，此时非零位干涉检测系统中探测器L7接受到的干涉图如图4所示，可见像散已基本消除，得到的为自适应非零位干涉图。但图中条纹仍残余两条直条纹，其明显为调整误差，通过压电装置PZT L5驱动参考平面镜L4在光轴方向实现平移，探测器L7将采集的16幅(4个周期的)相位差π/2的干涉图输入干涉图匹配处理模块中，干涉图解调后的所得波前数据输入被测波前拟合模块中拟合为Zernike多项式形式，其中第2、3项系数分别表征其调整误差：2.1λ，0.3λ。将该系数重新输入自适应数据处理与控制系统L13中的系统光线追迹模块，计算的DM修正形变约整体倾斜1.1λ，通过DM形变控制模块重新调整可变形反射镜DM L8的形变量以补偿调整误差，最终探测器L7接受到的干涉图如图5所示，实现非零位检测。重新采集16幅干涉图(图5)并输入干涉图匹配处理模块，此时被测面调整误差已经得到补偿，其直接对16幅干涉图进行四步移相解调，输入波前数据至被测波前拟合模块，拟合所得实验波前数据，得到15项Zernike系数，输入回程误差校正模块，同时将光线追迹模块中的理论被测波前15项Zernike系数输入回程误差校正模块，二者系数如表1所示。

表1实验波前15项Zernike系数与光线追迹模块中的理论被测波前15项Zernike系数

将实验波前15项Zernike系数与光线追迹模块中的理论被测波前15项Zernike系数相减，再除以2即输出被测自由曲面面形误差。

Claims (4)

1.光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统，其特征在于：包括非零位干涉检测系统、自适应数据处理与控制系统，其中：

非零位干涉检测系统包括稳频激光器、准直系统、分束器、参考平面镜、成像镜、探测器、可变形反射镜DM、反射镜、消球差镜；所述准直系统、分束器、可变形反射镜DM依次设置在稳频激光器出射光的光路上，参考平面镜设置在分束器垂直于稳频激光器出射光光路方向上的一侧，成像镜、探测器依次设置在分束器垂直于稳频激光器出射光光路方向上的另一侧，且探测器与自适应数据处理与控制系统连接，反射镜与可变形反射镜DM平行设置，消球差镜设置在反射镜的反射光路上，消球差镜透射光路上设有被测自由曲面；稳频激光器的出射光经准直系统准直后入射至分束器，部分光被分束器反射至参考平面镜后沿原路返回至分束器形成参考波，其余部分光透射过分束器后入射至可变形反射镜DM，再经可变形反射镜DM、反射镜依次反射以及消球差镜透射后入射至被测自由曲面，最后经被测自由曲面反射后沿原路返回至分束器形成检测波，参考波与检测波在分束器发生干涉，干涉图像经成像镜成像至探测器，并由探测器将干涉图像输出至自适应数据处理与控制系统；

自适应数据处理与控制系统包括理论面形分解模块、系统光线追迹模块、DM形变控制模块、干涉图匹配处理模块、被测波前拟合模块和回程误差校正模块；其中理论面形分解模块将自由曲面理论面形进行Zernike多项式拟合以得到Zernike系数，并将Zernike系数输出至系统光线追迹模块；光线追迹模块输出相应的DM形变参数，进入DM形变控制模块；DM形变控制模块根据Zernike系数控制非零位干涉检测系统中的可变形反射镜DM出现相应的形变，提供补偿自由曲面的低阶像差，实现非零位检测；干涉图匹配处理模块接收非零位干涉检测系统中探测器输出的干涉图像，并将该干涉图与光线追击模型中的干涉图进行匹配，并处理得到被测面波前数据，被测面波前数据被输出至被测面波前拟合模块；被测面波前数据经被测面波前拟合模块Zernike拟合处理后得到调整误差，若调整误差小于设定阈值，则被测面波前拟合模块输出被测波前Zernike系数到回程误差校正模块中，进行回程误差校正；若调整误差大于设定阈值，则被测面波前拟合模块将调整误差输出至DM形变控制模块，DM形变控制模块重新控制非零位干涉检测系统中的可变形反射镜DM出现相应的形变，以补偿该调整误差，直至调整误差小于设定阈值，再由被测波前拟合模块输出被测波前Zernike系数到回程误差校正模块中，最终输出面形误差。

2.根据权利要求1所述的光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统，其特征在于：可变形反射镜的形变由系统光线追迹模型提供反馈式控制，通过对被测面形的Zernike矢高分解，提取其中的低阶项，通过系统光线追迹得到需要补偿这些低阶Zernike像差所需要的被测面形变。

3.根据权利要求1所述的光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统，其特征在于：通过对实际实验所得波前的调整误差系数判别，由系统光线追迹模型对可变形镜进行反馈式控制，补偿被测自由曲面调整误差。

4.根据权利要求2所述的光学自由曲面自适应非零位干涉检测系统，其特征在于：干涉图匹配处理模块通过辨别光线追迹模型得到的干涉图像和非零位干涉检测系统中探测器所接收到的干涉图像的差异判断实验与光线追迹模块中的自由曲面旋转位姿差异，其方法为将两个干涉图像进行叠加，并判别二者叠加所得的莫尔条纹数，当莫尔条纹数小于设置的阈值时，则认为两干涉图像一致，此时认为系统光线追迹模型和非零位干涉检测系统中的自由曲面旋转位姿一致，否则重新调整光线追迹模块中的自由曲面旋转位姿，直至叠加莫尔条纹数小于阈值。