CN107167299A - 一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪，由哈特曼波前传感器、相位差波前传感器、波前复原控制器和波前拟合器组成；波前复原控制器通过波前拟合器将哈特曼波前传感器和相位差波前传感器结合起来；首先波前复原控制器通过哈特曼波前传感器的检测结果控制波前拟合器大动态范围的迭代拟合被测波前，得到一个小量的拟合残差；然后波前复原控制器利用相位差波前传感器精确检测拟合残差并控制波前拟合器精确拟合被测波前；最后波前复原控制器对波前拟合器的补偿面型进行取反处理，从而得到被测波前；本发明的优点是在实现大动态范围波前检测的同时满足高精度检测的需求，实用性较佳。

Description

一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪

技术领域

本发明涉及光学波前检测的技术领域，具体涉及一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪。

背景技术

随着光学成像系统分辨率提高，传统几何像差、光学传递函数和点扩散函数等已经无法满足高分辨率光学成像系统像差描述的需求，波像差成为评价高精度光学系统成像质量更严格的评价手段。同时，高精度波前检测对于光学系统超精密装调、光束质量诊断以及大口径光学加工等领域有重要应用价值。

随着波前检测技术的发展，各种波前检测仪应运而生。从检测原理上可以分成两类：一类是根据几何光学原理，测定波前几何象差或面形误差，包含有哈特曼一夏克(Hartmann-Shack)波前检测仪；另一类是基于干涉检测原理，检测波前不同部分的干涉性以获取波前信息，包含有相位差波前检测仪。

尽管上述哈特曼波前检测仪的检测范围可以根据系统的需求进行设计，但是哈特曼波前传感器的检测误差会随着波前检测范围的增大而增大；而相位差波前检测仪虽然可省去标准的参考光学表面，结构简单稳定，具有较高的检测灵敏度和精度，但是，其对检测环境较为敏感，受限于动态检测范围。

可见，不管是哈特曼波前检测仪还是相位差波前检测仪均无法满足用户对被测波面误差进行大动态范围检测和高精度检测的双重需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有波前检测设备不能无法同时满足用户对被测波面误差进行大动态范围检测和高精度检测的双重需求，提供一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪，实现大动态范围内高精度检测波前。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪，该波前检测仪包括哈特曼波前传感器、相位差波前传感器、波前复原控制器和波前拟合器；通过第一光路将哈特曼波前传感器、波前复原控制器和波前拟合器依次连接，形成第一检测链路；通过第二光路将相位差波前传感器、波前复原控制器和波前拟合器依次连接，形成第二检测链路；该波前检测仪分为三步工作：

第一步：利用哈特曼波前传感器具备大动态范围检测波前的特性，对被测波前进行波前检测，波前复原控制器根据哈特曼波前传感器对被测波前检测的结果控制波前拟合器进行空间迭代拟合处理，以使得波前拟合器处理得到的第一拟合残差等于第一稳定值的第一稳定拟合面；

第二步：利用相位差波前传感器具有高精度检测小波前误差的特性，对被测波前和第一稳定拟合面叠加后的第一拟合残差进行波前检测；波前复原控制器根据相位差波前传感器对第一拟合残差检测的结果控制波前拟合器进行空间迭代拟合处理，以使得波前拟合器处理得到的第二拟合残差等于第二稳定值的第二稳定拟合面；

第三步：波前复原控制器对第二稳定拟合面进行取反处理，从而实现大动态范围内高精度检测被测波前。

本发明与现有技术相比有如下优点：

哈特曼波前检测仪的检测范围可以根据系统的需求进行设计，但是哈特曼波前传感器的检测误差会随着波前检测范围的增大而增大；而相位差波前检测仪虽然可省去标准的参考光学表面，结构简单稳定，具有较高的检测灵敏度和精度，但是，其对检测环境较为敏感，受限于动态检测范围。均无法满足用户对被测波面误差进行大动态范围检测和高精度检测的双重需求。本发明利用波前复原控制器通过波前拟合器将哈特曼波前传感器和相位差波前传感器结合起来，在实现大动态范围波前检测的同时满足高精度检测的需求，实用性较佳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例中的第一检测链路闭环工作示意图；

图2示出了本发明实施例中的第二检测链路闭环工作示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪的结构示意图；

图4示出了本发明实施例中的基于相位差法的点目标重建实验结果图。

主要元件符号说明：1为被测波前；2为波前拟合器；3为第一拟合残差；4为哈特曼波前传感器；5为相位差波前传感器；6为波前复原控制器；7为第二拟合残差；8为第一稳定拟合面；9为第二稳定拟合面；10为反射镜；11为分光镜；12为被测件；13为共轭面匹配单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

用于天文观测的大口径光电望远镜的主镜口径直接决定着系统的集光能力和分辨力，因此主镜的加工和检测是大口径光电望远镜的核心技术之一。通常主镜的加工和检测过程分为细磨成型、抛光和精度提升三个阶段，主镜面型误差从20微米下降到1微米和0.05微米，受到光学检测设备的性能限制(主要是动态范围和精度的限制)，每个阶段需要采用不同的检测方法，即跟踪仪检测、红外干涉仪检测和可见光干涉仪检测。由于主镜的单个“加工-检测”的周期直接决定和主镜的加工时间。目前的多段检测方案在加工过程中需要更换检测设备、调试和工装复杂，会严重影响主镜的加工周期。

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪，该波前检测仪包括哈特曼波前传感器4、相位差波前传感器5、波前复原控制器6和波前拟合器2；通过第一光路将哈特曼波前传感器4、波前复原控制器6和波前拟合器2依次连接，形成第一检测链路；通过第二光路将相位差波前传感器5、波前复原控制器6和波前拟合器2依次连接，形成第二检测链路；该波前检测仪分为三步工作：

第一步：利用哈特曼波前传感器4具备大动态范围检测波前的特性，对被测波前1进行波前检测，波前复原控制器6根据哈特曼波前传感器4对被测波前1检测的结果控制波前拟合器2进行空间迭代拟合处理，以使得波前拟合器2处理得到的第一拟合残差3等于第一稳定值的第一稳定拟合面8；

第二步：利用相位差波前传感器5具有高精度检测小波前误差的特性，对被测波前1和第一稳定拟合面8叠加后的第一拟合残差3进行波前检测；波前复原控制器6根据相位差波前传感器5对第一拟合残差3检测的结果控制波前拟合器2进行空间迭代拟合处理，以使得波前拟合器2处理得到的第二拟合残差7等于第二稳定值的第二稳定拟合面9；

第三步：波前复原控制器6对第二稳定拟合面9进行取反处理，从而实现大动态范围内高精度检测被测波前1。

只采用单套仪器就可以实现对从主镜细磨到抛光再到精度提升的整个过程进行全面检测，是大口径主镜加工的需求，本实施方案通过结合哈特曼波前传感器、相位差波前传感器以及液晶波前拟合器，实现了的一种新型检测设备，如图3所示。点源激光器出射光经透镜准直后形成平行光，平行光经起偏器后形成线偏振光入射到被侧面上，被侧面的反射波前经波前拟合器反射后分别进入哈特曼波前传感器和相位差波前传感器中。其中，通过两套共轭面匹配单元使得被测面、波前拟合器、哈特曼波前传感器和相位差波前传感器处的波前均处与共轭位置。

哈特曼波前传感器的测量范围可以根据系统的需求设计，但是哈特曼波前传感器的测量误差会随着波前测量范围的增大而增大，因此哈特曼波前传感器可以作为保证系统动态范围的第一级使用；而相位差波前传感器虽然受限于动态范围，但由于其采集的数据中所包含的较多信息量，具有较高的探测灵敏度和精度，从图4的实验结果可以得知通过迭代校正的方式，其测量精度可以达到λ/100以上。

本实施例系统工作分为标定阶段和测量阶段。其中，标定阶段主要是标定系统参数和系统像差；而测量阶段是在标定的基础上完成被测件面型的测量。

标定阶段分为两步：

第一步标定系统参数：通过绝对球面波标定的方法，对哈特曼传感器的物理参数进行标校。其基本原理是通过点光源产生理想的球面波，并且通过哈特曼传感器对该点光源产生的球面波进行测量，而后移动点光源的位置，产生多组不同曲率半径的球面波并被哈特曼传感器测量。通过对比多次的测量结果，获得哈特曼传感器的物理参数。

第二步标定系统像差：在被测件处安放一高精度平面镜(面型精度优于λ/50)，此时进入哈特曼波前传感器和相位差传感器的波前即为系统固有像差，波前控制器首先读取哈特曼波前传感器探测得到的波前误差数据，通过控制运算后，加载到波前拟合器上形成共轭像差从而校正系统像差，此时，哈特曼波前传感器处测量得到的系统像差残差会逐步减小，当残差降低到哈特曼波前传感器的测量精度附近时，波前控制器开始读取相位差波前传感器输出的波前误差数据，进一步控制波前拟合器校正系统像差直到相位差波前传感器的精度极限，记下此时波前控制器控制参数就可以反算出系统像差采用绝对标校(旋转+平移)的方法可以进一步提高系统固有像差的测量精度。

测量阶段：测量阶段与标定阶段相类似，只是需要将高精度平面镜替换为被测件。被测件的面型误差会直接导入系统中，系统同样分别采用哈特曼波前传感器和相位差波前传感器输出的波前信号控制波前拟合器直到精度极限，通过对波前控制器控制参数就可以反算出测量像差根据波前相位叠加的原理，可以得到被测件的面型为

Claims (1)

1.一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪，其特征在于：包括哈特曼波前传感器(4)、相位差波前传感器(5)、波前复原控制器(6)和波前拟合器(2)；通过第一光路将哈特曼波前传感器(4)、波前复原控制器(6)和波前拟合器(2)依次连接，形成第一检测链路；通过第二光路将相位差波前传感器(5)、波前复原控制器(6)和波前拟合器(2)依次连接，形成第二检测链路；该波前检测仪分为三步工作：

第一步：利用哈特曼波前传感器(4)具备大动态范围检测波前的特性，对被测波前(1)进行波前检测，波前复原控制器(6)根据哈特曼波前传感器(4)对被测波前(1)检测的结果控制波前拟合器(2)进行空间迭代拟合处理，以使得波前拟合器(2)处理得到的第一拟合残差(3)等于第一稳定值的第一稳定拟合面(8)；

第二步：利用相位差波前传感器(5)具有高精度检测小波前误差的特性，对被测波前(1)和第一稳定拟合面(8)叠加后的第一拟合残差(3)进行波前检测；波前复原控制器(6)根据相位差波前传感器(5)对第一拟合残差(3)检测的结果控制波前拟合器(2)进行空间迭代拟合处理，以使得波前拟合器(2)处理得到的第二拟合残差(7)等于第二稳定值的第二稳定拟合面(9)；

第三步：波前复原控制器(6)对第二稳定拟合面(9)进行取反处理，从而实现大动态范围内高精度检测被测波前(1)。