CN108061514B - 一种利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法，使用zemax软件搭建干涉仪模型，在干涉仪模型中，利用matlab软件模拟驱动待测非球面镜轴向移动，对光线进行追迹、拟合和逆追迹，消除镜头畸变对光线追迹效果的影响，最终建立起待测非球面镜与CCD像元之间的物像关系，从而得到随着扫描的进行不断变化的一系列干涉图，提高了仿真的科学性。

Description

一种利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法

技术领域

本发明属于面形检测领域，具体涉及一种利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法。

背景技术

现代科技的进步也推动了光学技术的发展，非球面在光学系统的应用方面尤为突出。较之球面光学元件构成的系统，非球面系统在校正相差、扩大视场角、简化系统结构等方面有更大的优势。然而，高精度、高质量的非球面加工和检测技术一直是制约非球面进一步广泛应用的瓶颈。某种程度上，实现非球面高效率、高精度加工的关键在于是否提供可靠的、行之有效的检测来指导加工。因此，精确、快速的光学非球面元件检测显得尤为重要。

干涉测量技术是高精度非球面面形检测时广泛采用的方法，它通过解包裹高精度的参考波前与待测波前的干涉条纹得出待测件的面形信息，常用的干涉测量方法包括间接测量和直接测量。间接测量时通常配合补偿器等辅助元件同时使用，使用补偿器可以在顶点曲率中心检测时将被测元件的像差部分或者全部校正，使其在干涉仪的测量范围内。全部补偿和部分补偿都是一种有效的检测非球面的方法，但是补偿镜头、补偿器件的设计、制造和装调过程中容易引入额外的误差，进而影响非球面检测的结果。而在直接测量时，非球面镜的检测不同于球面镜检测，非球面元件有较大的陡度，难以通过单次的直接测量完成对整个面型的检测，需要配合非球面的轴向扫描完成整个过程。在利用轴向扫描干涉检测非球面时，非球面沿轴按预定的路径移动，得到各个子孔径的波前信息，通过相位连接算法连接各个子孔径，恢复出非球面面形。通常，用zemax软件建立轴向扫描光干涉法检测非球面动态仿真模型时，由于干涉仪镜头畸变效应的影响，难以获得到达探测器具体某个像元的光程，从而造成仿真与真实实验有较大的偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法，能够消除镜头畸变对追迹效果的影响，可获得与理想实验结果一致的干涉图。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法，方法步骤如下：

步骤一、搭建干涉仪模型：

用zemax软件搭建干涉仪模型，所述干涉仪模型包括偏振片、光源扩束镜、偏振分光镜、四分之一波片、准直透镜组、标准球面透镜组、待测非球面镜、小孔小孔光阑、成像透镜组和CCD；共光轴依次设置CCD、成像透镜组、小孔小孔光阑、偏振分光镜、四分之一波片、准直透镜组、标准球面透镜组和待测非球面镜，光源扩束镜位于偏振分光镜的入射光路上；标准球面透镜组中与待测非球面镜相邻的标准球面透镜出射面上镀有半透半反膜。

经偏振片和光源扩束镜扩束后的激光光源被偏振分光镜反射，反射光透过四分之一波片和准直透镜组出射后形成平面光波，平面光波入射至标准球面透镜组，经标准球面透镜组中的半透半反膜，一部分光线经反射后原路返回，依次经过准直透镜组、四分之一波片、偏振分光镜、小孔光阑、成像透镜组，到达CCD靶面上，形成参考光；另一部分光线经透射后，到达待测非球面镜，光线经待测非球面镜反射后，再依次经过标准球面透镜组、四分之一波片、准直透镜组、偏振分光镜、小孔光阑、成像透镜组，到达CCD靶面上，形成测试光。

步骤二、建立通信：

对matlab软件与zemax软件建立通信，将待测非球面镜放在光轴上的初始位置。

步骤三、用zemax软件对待追迹的光线进行追迹：

在经过光源扩束镜之前的入射光源平面上建立xy坐标系，然后确定待追迹的光线数目，用zemax软件对光线进行追迹，分别得到光线经过参考光路和测试光路到达CCD靶面上的位置（x＇，y＇）。

步骤四、拟合：

对于参考光路和待测光路，分别拟合，得到：

参考光路关系式 x=F（x＇，y＇） （1）

待测光路关系式 y=G（x＇，y＇） （2）；

步骤五、逆追迹：

根据CCD的尺寸和分辨率，重新定义得到每个像素点的像面坐标（x＇，y＇），将像素点坐标分别代入上述式（1）和式（2），得到点在入射光源平面上的位置（X,Y），即从入射光源平面上的点（X,Y）出发的光线经过参考光路或测试光路，打到CCD上的像素点（x＇，y＇）处。

步骤六、再次追迹：

对入射光源平面上的点（X,Y）再次追迹，得到光线打到标准球面镜组中与待测非球面镜相邻的标准球面透镜的位置（Ra, Rb）、光线打到待测非球面镜上的位置（Ta，Tb）、光线经过参考光路打到CCD上所走过的光程以及待测光路打到CCD上所走过的光程。

步骤七、获得干涉图：

根据上述干涉仪模型追迹所得光程求得光程差，得到干涉图，用于恢复非球面面形。

步骤八、matlab软件驱动zemax软件，将待测非球面镜轴向移动到扫描路径的下一个位置，重复上述步骤三至七，直到扫描覆盖待测非球面镜的整个非球面面形。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）通过追迹、拟合、逆追迹和再次追迹能够消除镜头畸变效应对追迹效果的影响；

（2）通过逆追迹之后的再次追迹，能够建立从CCD上的像素点到标准球面镜或像素点到待测非球面镜的一一对应关系。

附图说明

图1为本发明利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法的流程图。

图2为本发明的干涉仪模型的光路示意图。

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2，一种利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法，方法步骤如下：

步骤一、搭建干涉仪模型：

用zemax软件搭建干涉仪模型，所用激光光源波长为632.8nm，所述干涉仪模型包括偏振片1、光源扩束镜2、偏振分光镜3、四分之一波片4、准直透镜组5、标准球面透镜组6、待测非球面镜7、小孔光阑8、成像透镜组9和CCD10；共光轴依次设置CCD10、成像透镜组9、小孔光阑8、偏振分光镜3、四分之一波片4、准直透镜组5、标准球面透镜组6和待测非球面镜7，光源扩束镜2位于偏振分光镜3的入射光路上；标准球面透镜组6中与待测非球面镜7相邻的标准球面透镜出射面上镀有半透半反膜。

经偏振片1和光源扩束镜2扩束后的激光光源被偏振分光镜3反射，反射光透过四分之一波片4和准直透镜组5出射后形成平面光波，平面光波入射至标准球面透镜组6，经标准球面透镜组6中的半透半反膜，一部分光线经反射后原路返回，依次经过准直透镜组5、四分之一波片4、偏振分光镜3、小孔光阑8、成像透镜组9，到达CCD10靶面上，形成参考光；另一部分光线经透射后，到达待测非球面镜7，光线经待测非球面镜7反射后，再依次经过标准球面透镜组6、四分之一波片4、准直透镜组5、偏振分光镜3、小孔光阑8、成像透镜组9，到达CCD10靶面上，形成测试光。

步骤二、建立通信：

对matlab软件与zemax软件建立通信，将待测非球面镜7放在光轴上的初始位置。

步骤三、用zemax软件对待追迹的光线进行追迹：

在经过光源扩束镜2之前的入射光源平面上建立xy坐标系，然后确定待追迹的光线数目，用zemax软件对光线进行追迹，分别得到光线经过参考光路和测试光路到达CCD10靶面上的位置（x＇，y＇）；

步骤四、拟合：

对于参考光路和待测光路，分别拟合，得到：

参考光路关系式 x=F（x＇，y＇） （1）

待测光路关系式 y=G（x＇，y＇） （2） 。

步骤五、逆追迹：

根据CCD10的尺寸和分辨率，重新定义得到每个像素点的像面坐标（x＇，y＇），将像素点坐标分别代入上述式（1）和式（2），得到点在入射光源平面上的位置（X,Y），即从入射光源平面上的点（X,Y）出发的光线经过参考光路或测试光路，打到CCD10上的像素点（x＇，y＇）处。

步骤六、再次追迹：

对入射光源平面上的点（X,Y）再次追迹，得到光线打到标准球面镜组6中与待测非球面镜7相邻的标准球面透镜的位置（Ra, Rb）、光线打到待测非球面镜7上的位置（Ta，Tb）、光线经过参考光路打到CCD10上所走过的光程以及待测光路打到CCD10上所走过的光程。

步骤七、获得干涉图：

根据上述干涉仪模型追迹所得光程求得光程差，得到干涉图，用于恢复非球面面形；

步骤八、matlab软件驱动zemax软件，将待测非球面镜7轴向移动到扫描路径的下一个位置，重复上述步骤三至七，直到扫描覆盖待测非球面镜7的整个非球面面形。

利用轴向扫描的方法检测待测非球面镜7，实际上就是对待测非球面镜7进行环形子孔径划分的过程，每个环形子孔径的零位环对应光轴上一点，环形边界划分的截至条件是条纹密度为十分之一个波长每像素，且相邻环带有二分之一的重叠率。

上述步骤二中，光轴上的初始位置指待测非球面镜7顶点曲率半径位置与干涉光路猫眼位置重合时待测非球面镜7所在的位置。上述步骤八中，所述待测非球面镜7的轴向移动路径，即为按照子孔径划分的结果，每个子孔径所对应的光轴上的位置。上述步骤八中，扫描覆盖整个待测非球面镜7面形，即待测非球面镜7移动到待测非球面镜7上最外层的子孔径时，所对应的光轴上的位置。

基于本发明利用轴向扫描的光干涉检测非球面的动态过程建模方法所建立的物像对应关系，表现在上述步骤中为（Ra, Rb）或（Ta，Tb）与打到CCD10上的像素点（x＇，y＇）的对应关系。

综上所述，本发明通过光线的追迹与拟合，确定了严格的物像对应关系，不仅可以获得两束光路发生干涉时形成的干涉图，还可以得到具体打在CCD 10像元上参考光和待测光的光程差，减小了仿真与实测之间的误差，提高仿真精度。

Claims (7)

1.一种利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤一、搭建干涉仪模型：

用zemax软件搭建干涉仪模型，所述干涉仪模型包括偏振片（1）、光源扩束镜（2）、偏振分光镜（3）、四分之一波片（4）、准直透镜组（5）、标准球面透镜组（6）、待测非球面镜（7）、小孔光阑（8）、成像透镜组（9）和CCD（10）；共光轴依次设置CCD（10）、成像透镜组（9）、小孔光阑（8）、偏振分光镜（3）、四分之一波片（4）、准直透镜组（5）、标准球面透镜组（6）和待测非球面镜（7），光源扩束镜（2）位于偏振分光镜（3）的入射光路上；标准球面透镜组（6）中与待测非球面镜（7）相邻的标准球面透镜出射面上镀有半透半反膜；

经偏振片（1）和光源扩束镜（2）扩束后的激光光源被偏振分光镜（3）反射，反射光透过四分之一波片（4）和准直透镜组（5）出射后形成平面光波，平面光波入射至标准球面透镜组（6），经标准球面透镜组（6）中的半透半反膜，一部分光线经反射后原路返回，依次经过准直透镜组（5）、四分之一波片（4）、偏振分光镜（3）、小孔光阑（8）、成像透镜组（9），到达CCD（10）靶面上，形成参考光；另一部分光线经透射后，到达待测非球面镜（7），光线经待测非球面镜（7）反射后，再依次经过标准球面透镜组（6）、四分之一波片（4）、准直透镜组（5）、偏振分光镜（3）、小孔光阑（8）、成像透镜组（9），到达CCD（10）靶面上，形成测试光；

步骤二、建立通信：

对matlab软件与zemax软件建立通信，将待测非球面镜（7）放在光轴上的初始位置；

步骤三、用zemax软件对待追迹的光线进行追迹：

在经过光源扩束镜（2）之前的入射光源平面上建立xy坐标系，然后确定待追迹的光线数目，用zemax软件对光线进行追迹，分别得到光线经过参考光路和测试光路到达CCD（10）靶面上的位置（x＇，y＇）；

步骤四、拟合：

对于参考光路和待测光路，分别拟合，得到：

参考光路关系式 （X，Y）_参考= F（x＇，y＇） （1）

待测光路关系式 （X，Y）_测试= G（x＇，y＇） （2）；

步骤五、逆追迹：

根据CCD（10）的尺寸和分辨率，重新定义得到每个像素点的像面坐标（x＇，y＇），将像素点坐标分别代入上述式（1）和式（2），得到点在入射光源平面上的位置（X,Y），即从入射光源平面上的点（X,Y）出发的光线经过参考光路或测试光路，打到CCD（10）上的像素点（x＇，y＇）处；

步骤六、再次追迹：

对入射光源平面上的点（X,Y）再次追迹，得到光线打到标准球面镜组（6）中与待测非球面镜（7）相邻的标准球面透镜的位置（Ra, Rb）、光线打到待测非球面镜（7）上的位置（Ta，Tb）、光线经过参考光路打到CCD（10）上所走过的光程以及待测光路打到CCD（10）上所走过的光程；

步骤七、获得干涉图：

根据上述干涉仪模型追迹所得光程求得光程差，得到干涉图，用于恢复非球面面形；

步骤八、matlab软件驱动zemax软件，将待测非球面镜（7）轴向移动到扫描路径的下一个位置，重复上述步骤三至七，直到扫描覆盖待测非球面镜（7）的整个非球面面形。

2.根据权利要求1所述的利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法，其特征在于：上述步骤一中，激光光源波长为632.8nm。

3.根据权利要求1所述的利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法，其特征在于：上述步骤二中，光轴上的初始位置指待测非球面镜（7）顶点曲率半径位置与干涉光路猫眼位置重合时待测非球面镜（7）所在的位置。

4.根据权利要求1所述的利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法，其特征在于：上述步骤八中，所述待测非球面镜（7）的轴向移动路径，即为按照子孔径划分的结果，每个子孔径所对应的光轴上的位置，扫描覆盖整个待测非球面镜（7）面形，即待测非球面镜（7）移动到待测非球面镜（7）上最外层的子孔径所对应的光轴上的位置。

5.根据权利要求1所述的利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法，其特征在于：上述步骤三中，确定待追迹的光线数目后，当光线数目大于4万，对它们进行追迹时，对入射光源平面进行区域划分，采用分块追迹的方式进行追迹。

6.根据权利要求1所述的利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法，其特征在于：上述步骤四中，采用插值拟合法对函数关系式进行拟合。

7.根据权利要求1所述的利用轴向扫描光干涉法检测非球面的动态建模方法，其特征在于：上述步骤七中，采用子孔径拼接法或相位连接方法对待测非球面镜（7）面形进行恢复。

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