CN108548499A - 高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测装置与方法。本发明采用了一种新型检测结构，利用自适应光学元件：可变形镜（Deformable mirror，DM）承担自由曲面引入的低阶像差，并同时通过夏克哈特曼波前传感器实时监测DM形变波前；再利用特殊设计的光路结构将包含自由曲面面形误差的高阶波前相位传送至干涉仪内进行检测，既降低干涉仪的检测压力，增大了检测动态范围，又保证了高阶像差的检测精度，有效地解决了自由曲面检测中动态范围与检测精度不可兼得的矛盾。

Description

高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测装置与方法

技术领域

本发明涉及光学曲面检测领域，具体是一种高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测装置与方法。

背景技术

光学自由曲面元件因其表面自由度较大，可以针对性地平衡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，逐渐成为现代光学研究领域和工业及商业领域的新宠。狭义的光学自由曲面指的是口径内各处曲率半径各不相同的非回转对称非球面，很难在全口径内使用统一的数学方程描述其面形。由于光学自由曲面一般具有不规则形状，可以提供较高的像差自由度，或者复杂的光线出射方向以及照度分布，因此对于照明、显示和成像等领域具有极大的吸引力。自20世纪90年代起，照明光学系统和投影显示等领域中已经开始广泛采用自由曲面进行光束整形和像差平衡。近年来，在成像光学领域中也广泛出现了自由曲面的身影，小至渐进式隐形眼镜中的复曲面，大至欧洲南方天文台超大望远镜中的光谱仪象散镜等，均属于自由曲面范畴。可见，随着人们对于光学系统的高性能、轻量化和微型化的不断追求，光学自由曲面的时代序幕已全面拉开。

在过去的几十年中，非球面的设计、加工和检测均获得了长足进步，而自由曲面设计、加工和检测则发展相对缓慢，尤其是面形检测技术已经成为制约其应用的最重要因素。目前相当一部分光学自由曲面的检测依然在沿用非球面检测方法，但是囿于自由曲面的非旋转对称性，其检测难度远大于非球面。传统接触式测量的逐点扫描方式受限于其检测精度、速度和检测范围等因素，应用范围大打折扣；结构光三维测量法虽然系统简单，但受其标定精度限制，目前仅限于工业自由曲面的三维轮廓重建，很难满足抛光阶段的光学自由曲面的面形检测精度要求；而公认精度最高的干涉检测技术需要配合“一对一”的零位补偿器计算全息图(Computer generated hologram,CGH)才能完成非旋转对称的自由曲面检测，极大的增加了检测成本，而CGH的加工装调精度和难度也极大地限制了检测的通用性(弹性范围)。面对日益增长的光学自由曲面应用需求，研究一种高精度通用化的自由曲面检测技术已经势在必行。而从上述分析看出，自由曲面检测的难点主要在于传统干涉仪对于大像差非旋转对称波前检测的能力略显不足，而采用其他波前检测技术则需要损失检测精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测装置与方法，以解决传统干涉仪对于非旋转对称自由曲面反射的非旋转对称相位波前的检测难点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测装置，其特征在于：包括非零位干涉检测系统、自适应偏振补偿系统、波前监测系统、DM控制与面形误差重构系统和光路夹持与装调系统，其中：

所述的非零位干涉检测系统包括He-Ne稳频偏振激光器和准直扩束系统，He-Ne稳频偏振激光器出射的偏振细光束经准直扩束系统被扩束为宽光束平行光，平行光向前传播至普通分束器处被分为反射和透射两路光，反射光传播至参考平面镜后原路返回作为参考波；另一路透射光向前传播至自适应偏振补偿系统，经由自适应偏振补偿系统返回的波前重新进入非零位干涉检测系统作为检测波；参考波与检测波在非零位干涉检测系统的分束器处发生干涉，经成像镜成像于探测器处；

所述的自适应偏振补偿系统包括偏振分束镜PBS、λ/4波片、可变形镜DM、普通分束镜、消球差镜和被测自由曲面；其中偏振分束镜PBS使得从非零位干涉检测系统出射的偏振平行光仅能透射、不能被反射；该透射偏振光穿过λ/4波片后到达可变形镜DM，可变形镜DM根据被测自由曲面标称参数的分解，提供相应的低价Zernike形变，该偏振光经过发生形变的可变形镜DM反射后，再次通过λ/4波片，此时该偏振光由于两次往返通过λ/4波片，其偏振方向发生90度偏转，当其回到偏振分束镜PBS时，不能透过偏振分束镜PBS，仅能被反射，该反射偏振光经过普通分束器后分为两路，一路透射光进入波前监测系统；另一路反射光经过消球差镜后到达被测自由曲面，经被测自由曲面反射后近似沿原路返回，到达偏振分束镜PBS，此时的偏振光偏振方向没有发生变化，其仍然只能被偏振分束镜PBS反射，反射光穿过λ/4波片后经可变形镜DM反射，再次穿过λ/4波片，偏振方向发生变化，因而透过偏振分束镜PBS，传输至非零位干涉检测系统，作为非零位干涉检测系统的检测波；

所述的波前监测系统包括缩束器和夏克哈特曼波前传感器，自适应偏振系统出射的光束经经过缩束器缩束后到达夏克哈特曼波前传感器，由夏克哈特曼波前传感器检测波前相位；

所述的DM控制与面形误差重构系统包括干涉图采集处理模块、波前拟合模块、理论面形分解模块、DM形变驱动模块、系统建模模块和优化函数模块；干涉图采集处理模块的输入为非零位干涉检测系统探测器接收的干涉图，其输出为波前离散相位，该离散相位进入波前拟合模块后，输出干涉检测波前参数Zernike系数，进入系统建模模块，作为最终优化目标；理论面形分解模块的输入为被测面标称参数即被测面面形理论方程，该模块输出面形理论方程中的低阶Zernike像差项，进入DM形变驱动模块，DM形变驱动模块根据输入的低阶Zernike像差项驱动DM发生形变，以提供光路中的低阶像差补偿；同时，非零位干涉检测系统和自适应偏振补偿系统的参数输入系统建模模块中，作为建模系统参数依据和优化不变量；将波前监测系统的输出参数：DM形变波前参数输入系统建模模块中，作为优化约束条件；将优化函数模块嵌入系统建模模块中，作为优化载体；最终，由系统建模模块输出面形误差；

所述的光路夹持与装调系统包括X、Y、Z轴导轨、X、Y方向俯仰台、Z轴旋转台、被测自由曲面夹持机构和气浮隔振平台；所述的非零位干涉检测系统、自适应偏振补偿系统和波前监测系统被固定在一块安装板上，该安装板被固定于Z轴导轨的滑块上，可随该滑块上下移动，也可锁紧与某一位置；Z轴导轨的方向与非零位干涉检测系统中激光器出射光方向一致，并垂直固定于气浮隔振平台上；X向导轨固定于Y向导轨的滑块上，Y向导轨水平固定于气浮隔振平台上，其方向与波前监测系统的光轴方向平行；同时，X、Y双向俯仰台固定在Z轴旋转台上，并将Z轴旋转台固定在X向导轨的滑块上；被测自由曲面夹持机构则固定在X、Y双向俯仰台上，从而使得其夹持的被测自由曲面可以实现X、Y轴平移和绕X、Y、Z方向的旋转。

所述的高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测装置，其特征在于：所述的可变形镜DM为电磁场驱动式连续面形可变薄膜，可实现精准的大波前畸变校正；受镜面形变驱动器控制，可由DM形变驱动模块驱动和控制其镜面形变形式和形变量，该形变量由输入DM形变驱动模块的被测面标称面形中的低阶Zernike像差项决定。

高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法，其特征在于：利用自适应偏振补偿系统补偿部分低阶像差，将剩余波前像差采送入传统干涉结构，形成非零位干涉检测系统，使得非零位干涉检测系统采集的干涉图密度下降，不至于超过干涉仪的动态范围；而自适应偏振补偿系统补偿的像差量则由波前监测系统中的夏克哈特曼波前传感器监控，从而，将本来难以检测的系统像差分为两个主体部分：一部分低阶像差，由波前监测系统检测，降低了非零位干涉仪的检测压力；另一部分高阶像差，由被非零位干涉检测系统所检测，检测精度高，被测自由曲面的面形误差即被测量包含在此部分像差中，通过DM控制与面形误差重构系统从该部分高阶像差中将被测面面形误差提取出来，达到检测目的。

所述的高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法，其特征在于：非零位干涉检测系统为典型的泰曼格林干涉系统，其主要检测经过自适应偏振补偿系统补偿后的系统高阶像差，为了保证最终检测系统中探测器接收的干涉图对比度，其中普通分束器的反射/透射比为0.4：0.6；40％光能的准直平行光穿过该普通分束器，输入自适应偏振补偿系统；该准直平行光偏振方向与激光器出射细光束偏振方向一致，在自适应偏振补偿系统中，该偏振准直光经过偏振分束镜PBS后，全部透过该偏振分束镜PBS，到达可变形镜DM，经可变形镜DM反射后重新达到偏振分束镜PBS，期间往返穿过同一片λ/4波片两次，偏振方向发生90度偏转，因而全部被偏振分束镜PBS反射，传输至另一块普通分束器，该普通分束器的反射/透射比为0.9：0.1，90％光能被该普通分束器反射，10％光能透过该普通分束器，二者强度不同，但波前像差一致；分束器反射的偏振光经过一消球差镜后到达被测自由曲面，经自由曲面反射后，再由上述普通分束器将90％光能反射回偏振分束镜PBS；由于偏振方向未改变，该偏振光将由偏振分束镜PBS再次反射至可变形镜DM，再被可变形镜DM反射回偏振分束镜PBS，同样期间往返穿过同一片λ/4波片两次，偏振方向再次发生90度偏转，因而全部透过偏振分束镜PBS，返回所述非零位干涉检测系统，作为检测光与非零位干涉检测系统中的参考光发生干涉，并由探测器采集干涉图。

所述的高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法，其特征在于：自适应偏振补偿系统中的可变形镜DM主要根据被测面的标称方程，补偿其低阶像差，减轻非零位干涉检测系统的检测压力，同时可变形镜DM可以针对不同被测面动态地提供不同的像差补偿，极大地增加了系统的检测动态范围；非零位干涉检测系统中的出射光在自适应偏振补偿系统中被被测自由曲面反射一次，被可变形镜DM反射两次，其中第一次反射的波前像差被普通分束器分出10％的光能，进入波前监测系统，由波前监测系统监控可变形镜DM第一次反射的波前像差，从而高精度地监控可变形镜DM的形变量。

所述的高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法，其特征在于：波前监测系统监控由缩束器和夏克哈特曼波前传感器构成，由于进入波前监控系统的光束是经过非零位干涉检测系统中的扩束器扩束后的光束，口径较大，而通常夏克哈特曼波前传感器的口径较小，因此需要先通过缩束器进行缩束，再利用夏克哈特曼波前传感器进行波前监测。

所述的高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法，其特征在于：DM控制与面形误差控制系统主要实现两部分功能：1)DM形变驱动和2)自由曲面面形误差重构。

DM形变驱动功能主要是：DM控制和面形误差重构系统中的理论面形分解模块对被测自由曲面的标称面形参数进行分解，提取出低阶像差项，以此控制DM形变驱动模块改变自适应偏振补偿系统中DM的形变量，从而实现像差补偿；

自由曲面面形误差重构功能指的是：利用非零位干涉检测系统和自适应偏振补偿系统的自身系统参数，输入系统建模模块，建立整体检测系统模型，同时将优化函数模块嵌入系统模型；将非零位干涉检测系统中探测器接收的干涉图输入干涉图采集处理模块，得到波前离散相位信息，将该离散相位信息输入波前拟合模块，得到干涉检测波前参数即波前Zernike37项系数，将该37项系数输入系统建模模块中，作为优化函数的优化目标；将系统模型中非零位干涉检测系统部分对应的波前Zernike37项系数作为因变量，模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数作为自变量；将波前监控系统输出的DM形变波前参数输入至系统建模模块中，作为优化约束，可以精确控制系统模型中DM的形变量；运行优化函数，迭代地改变模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数即自变量，直到系统模型中非零位干涉检测系统部分对应的作为因变量的波前Zernike37项系数等于实验输入的干涉检测波前参数即作为优化目标的波前Zernike37项系数；此时认为模型中被测自由曲面面形误差与实际一致，可输出模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数，以表征被测面面形误差。

所述的高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法，其特征在于：被测自由曲面可以通过光路夹持与装调系统调整其与整体检测系统的相对位置关系。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明装置和方法采用了一种新型检测结构，利用自适应光学元件：可变形镜(DM)承担自由曲面引入的低阶像差，并同时通过夏克哈特曼波前传感器实时监测DM形变波前；再利用特殊设计的光路结构将包含自由曲面面形误差的高阶波前相位传送至干涉仪内进行检测，既降低干涉仪的检测压力，增大了检测动态范围，又保证了高阶像差的检测精度，有效地解决了自由曲面检测中动态范围与检测精度不可兼得的矛盾。

附图说明

图1为高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法意图

图2为高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测装置硬件示意图。。

图3为自适应偏振补偿系统光束偏振方向与传输方向示意图。

图4为非零位干涉检测系统中探测器接收到的干涉图。

图5为自适应偏振补偿系统检测的DM形变反射波前像差图。

图6为最终自由曲面面形误差检测结果。

具体实施方式

本发明结合图1至图6说明具体实施方式。

图1和图2所示为高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法图和装置硬件示意图，高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测系统主要由非零位干涉检测系统A1、自适应偏振补偿系统A2、波前监测系统A3、DM控制与面形误差重构系统A4和光路夹持与装调系统A5组成。

非零位干涉检测系统A1由He-Ne稳频偏振激光器L1出射的偏振细光束经准直扩束系统L2被扩束为宽光束平行光(约20mm)，该平行光向前传播至普通分束器L3处被分为反射和透射两路光。反射光传播至参考平面镜L4后原路返回作为参考波；另一路透射光向前传播至自适应偏振补偿系统A2，经由自适应偏振补偿系统A2返回的波前重新进入非零位干涉检测系统A1作为检测波。参考波与检测波在非零位干涉检测系统A1的分束器L3处发生干涉，经成像镜L6成像于探测器L7处。参考平面镜L4固定在压电陶瓷L5上，用于移相。

非零位干涉检测系统中普通分束器L3的反射/透射比为0.4:0.6。

图3所示为自适应偏振补偿系统光束偏振方向传输方向示意图，自适应偏振补偿系统A2主要包括偏振分束镜(PBS)L8、λ/4波片L9、DM L10、普通分束器L11、消球差镜L12和被测自由曲面L13组成。其中PBS L8使得从非零位干涉检测系统A1出射的偏振平行光(平面波)仅能透射，不能被反射。该透射偏振光穿过λ/4波片L9后到达DM L10，DM L10根据被测自由曲面L13标称参数的分解，提供相应的低价Zernike形变，该偏振光经过发生形变的DML10反射后，再次通过λ/4波片L9，此时该偏振光由于两次往返通过λ/4波片L9，其偏振方向发生90度偏转，当其回到PBS L8时，不能透过PBS L8，仅能被反射，该反射偏振光经过普通分束器L11后分为两路，一路透射光进入波前监测系统A3；另一路反射光经过消球差镜L12后到达被测自由曲面L13，经被测自由曲面L13反射后近似沿原路返回，再次到达PBS L8，此时的偏振光偏振方向没有发生变化，其仍然只能被PBS L8反射，反射光穿过λ/4波片L9后经DM L10反射，再次穿过λ/4波片L9，偏振方向发生变化，因而透过PBS L8，传输至非零位干涉检测系统A1，作为非零位干涉检测系统A1的检测波；

自适应偏振补偿系统A2中的普通分束器L11的反射/透射比为0.9:0.1。

DM L10为电磁场驱动式连续面形可变薄膜，包含88个驱动器，口径20mm，可实现连续形变以调制连续波前，波前调制量可达60μm，表面质量RMS<7nm,表面粗糙度小于1nm,可实现精准的大波前畸变校正。受镜面形变驱动器控制，可由DM形变驱动模块驱动和控制其镜面形变形式和形变量，该形变量由输入DM形变驱动模块的被测面L13的标称面形中低阶Zernike像差项决定。

非零位干涉检测系统A1中的出射光在自适应偏振补偿系统A2中被被测自由曲面L13反射一次，被DM L10反射两次，其中第一次反射的波前像差被普通分束器L11分出10％的光能，进入波前监测系统A3，由波前监测系统A3监控DM L10第一次反射的波前像差，从而高精度地监控DM L10的形变量。

波前监测系统A3主要包括缩束器L14和夏克哈特曼波前传感器L15。由自适应偏振系统A2出射的光束经经过缩束器L14缩束后到达夏克哈特曼波前传感器L15，由夏克哈特曼波前传感器L15检测波前相位。

夏克哈特曼波前传感器L15口径为4.8mm*4.8mm，其配备的微透镜阵列中微透镜个数为50*50。

缩束器L14为一倒置的准直扩束器，其缩束比例为5:1。

如图2所示，被测自由曲面L13通过光路夹持与装调系统A5调整其与非零位干涉检测系统A1、自适应偏振补偿系统A2(除被测自由曲面)和波前监测系统A3的相对位置关系。非零位干涉检测系统A1、自适应偏振补偿系统A2(除被测自由曲面)和波前监测系统A3均被固定在一块安装板L20上，该安装板L20被固定于Z轴导轨L21的滑块上，可随该滑块上下移动，也可锁紧与某一位置。Z轴导轨L21的方向与非零位干涉检测系统A1中激光器L1出射光方向一致，并垂直固定于气浮隔振平台L22上。X向导轨L18固定于Y向导轨L19的滑块上，Y向导轨L19水平固定于气浮隔振平台L22上，其方向与波前监测系统A3的光轴方向平行。同时，X，Y双向俯仰台L16固定在Z轴旋转台L17上，并将Z轴旋转台L17固定在X向导轨的滑块上。被测自由曲面夹持机构则固定在X，Y双向俯仰台L16上，从而使得其夹持的被测自由曲面L3可以实现X,Y轴平移和绕X,Y,Z方向的旋转。

DM控制与面形误差重构系统A4主要由干涉图采集处理模块、波前拟合模块、理论面形分解模块、DM形变驱动模块、系统建模模块和优化函数模块组成。其主要实现两部分功能：1)DM形变驱动和2)自由曲面面形误差重构。

DM形变驱动的方法是：DM控制和面形误差重构系统A4中的理论面形分解模块对被测自由曲面L13的标称面形参数进行分解，提取出低阶像差项，以此控制DM形变驱动模块改变自适应偏振补偿系统A2中DM L10的形变量，从而实现像差补偿。

自由曲面面形误差重构步骤为：

1)首先利用非零位干涉检测系统A1和自适应偏振补偿系统A2的自身系统参数，输入系统建模模块，建立整体检测系统模型；

2)建立优化函数模块，同时将优化函数模块嵌入系统模型；

3)由非零位干涉检测系统A1中压电陶瓷L5实现四部移相，干涉图采集处理模块的输入为非零位干涉检测系统A1的探测器L7接收的移相干涉图，如图4所示，经过解调与解包裹后，其输出为波前离散相位,该离散相位进入波前拟合模块中进行Zernike拟合，输出干涉检测波前参数(Zernike37项系数)，将该37项系数输入系统建模模块，作为最终优化目标；该37项Zernike37项系数表征的波前像差是由非零位干涉检测系统A1测得，被测面面形误差便包含在此部分波前像差中；

4)将系统模型中非零位干涉检测系统部分对应的波前Zernike37项系数作为因变量，模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数作为自变量；

5)将波前监控系统A3输出的DM形变波前参数输入至系统建模模块中，作为优化约束，可以精确控制系统模型中DM的形变量。此部分波前由波前监控系统A3测得，表征DM L10的形变状态，如图5所示；

6)运行优化函数，迭代地改变模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数(自变量)直到系统模型中非零位干涉检测系统部分对应的波前Zernike37项系数作为(因变量)等于实验输入的干涉检测波前参数(波前Zernike37项系数，优化目标)。此时认为模型中被测自由曲面L13面形误差与实际一致，可输出模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数，以表征被测面面形误差，如图6所示。

实施例

本发明应用于高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法的实例描述如下。

被测自由曲面L13为双曲率面，x方向曲率半径为251mm；y方向曲率半径为248mm。其标称面形可分解为Zernike像散和球差项。

非零位干涉检测系统A1由He-Ne稳频偏振激光器L1出射的偏振细光束经准直扩束系统L2被扩束为宽光束平行光(20mm)，λ＝632.8nm。如图3所示，该平行光偏振方向平行于纸面，记为s光。该平行s光向前传播至普通分束器L3处被分为反射和透射两路光，反射/透射比为0.4:0.6。反射光传播至参考平面镜L4后原路返回作为参考波；另一路透射光向前传播至自适应偏振补偿系统A2，经过PBS L8使得从非零位干涉检测系统A1出射的s偏振平行光仅能透射，不能被反射。该s透射偏振光穿过λ/4波片L9后到达DM L10，DM L10根据被测自由曲面L13标称参数的分解提供约15λ的Zernike像散补偿，该偏振光经过发生形变的DML10反射后，再次通过λ/4波片L9，此时该偏振光由于两次往返通过λ/4波片L9，其偏振方向发生90度偏转，变为p光，当其回到PBS L8时，不能透过PBS L8，仅能被反射，该反射偏振光经过普通分束器L11(反射/透射比为0.9:0.1)后分为两路，一路透射光进入波前监测系统A3，经过缩束器L14将口径缩小为4mm，进入夏克哈特曼波前传感器L15，测得DM L10的一次反射波前像差峰谷值为15.12λ，如图5所示；另一路反射光经过消球差镜L12后到达被测自由曲面L13，经被测自由曲面L13反射后近似沿原路返回，再次到达PBS L8，此时的偏振光偏振方向没有发生变化，为p光，其仍然只能被PBS L8反射，反射光穿过λ/4波片L9后经DM L10反射，再次穿过λ/4波片L9，偏振方向发生变化，成为s光，因而透过PBS L8，传输至非零位干涉检测系统A1，作为非零位干涉检测系统A1的检测波；参考波与检测波在非零位干涉检测系统A1的分束器L3处发生干涉，经成像镜L6成像于探测器L7处，干涉图如图4所示。

DM L10为电磁场驱动式连续面形可变薄膜，包含88个驱动器，口径20mm，可实现连续形变以调制连续波前，波前调制量可达60μm，表面质量RMS<7nm,表面粗糙度小于1nm。

夏克哈特曼波前传感器L15口径为4.8mm*4.8mm，其配备的微透镜阵列中微透镜个数为50*50。

缩束器L14为一倒置的准直扩束器，其缩束比例为5:1。

如图2所示，被测自由曲面L13通过光路夹持与装调系统A5调整其与非零位干涉检测系统A1、自适应偏振补偿系统A2(除被测自由曲面)和波前监测系统A3的相对位置关系。非零位干涉检测系统A1、自适应偏振补偿系统A2(除被测自由曲面)和波前监测系统A3均被固定在一块安装板L20上，该安装板L20被固定于Z轴导轨L21的滑块上，可随该滑块上下移动，也可锁紧与某一位置。Z轴导轨L21的方向与非零位干涉检测系统A1中激光器L1出射光方向一致，并垂直固定于气浮隔振平台L22上。X向导轨L18固定于Y向导轨L19的滑块上，Y向导轨L19水平固定于气浮隔振平台L22上，其方向与波前监测系统A3的光轴方向平行。同时，X，Y双向俯仰台L16固定在Z轴旋转台L17上，并将Z轴旋转台L17固定在X向导轨的滑块上。被测自由曲面夹持机构则固定在X，Y双向俯仰台L16上，从而使得其夹持的被测自由曲面L3可以实现X,Y轴平移和绕X,Y,Z方向的旋转。

最后，进行自由曲面面形误差重构：

1)首先利用非零位干涉检测系统A1和自适应偏振补偿系统A2的自身系统参数，如表1所示，输入系统建模模块，建立整体检测系统模型；

表1建模参数表

2)建立优化函数模块，同时将优化函数模块嵌入系统模型；

3)由非零位干涉检测系统A1中压电陶瓷L5实现四部移相，干涉图采集处理模块的输入为非零位干涉检测系统A1的探测器L7接收的移相干涉图，如图4所示，经过解调与解包裹后，其输出为波前离散相位,该离散相位进入波前拟合模块中进行Zernike拟合，输出干涉检测波前参数(Zernike37项系数)，将该37项系数输入系统建模模块，作为最终优化目标；该37项Zernike37项系数表征的波前像差是由非零位干涉检测系统A1测得。被测面面形误差便包含在此部分波前像差中；

4)将系统模型中非零位干涉检测系统部分对应的波前Zernike37项系数作为因变量，模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数作为自变量；

5)将波前监控系统A3输出的DM形变波前参数(图5)输入至系统建模模块中，作为优化约束，可以精确控制系统模型中DM的形变量。此部分波前由波前监控系统A3测得，表征DM L10的形变状态，如图5所示；

6)运行优化函数，迭代地改变模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数(自变量)直到系统模型中非零位干涉检测系统部分对应的波前Zernike37项系数作为(因变量)等于实验输入的干涉检测波前参数(波前Zernike37项系数，优化目标)。此时认为模型中被测自由曲面L13面形误差与实际一致，可输出模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数，以表征被测面面形误差，如图6所示。

Claims (6)

1.高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测装置，其特征在于：包括非零位干涉检测系统、自适应偏振补偿系统、波前监测系统、DM控制与面形误差重构系统和光路夹持与装调系统，其中：

所述的非零位干涉检测系统包括He-Ne稳频偏振激光器和准直扩束系统，He-Ne稳频偏振激光器出射的偏振细光束经准直扩束系统被扩束为宽光束平行光，平行光向前传播至普通分束器处被分为反射和透射两路光，反射光传播至参考平面镜后原路返回作为参考波；另一路透射光向前传播至自适应偏振补偿系统，经由自适应偏振补偿系统返回的波前重新进入非零位干涉检测系统作为检测波；参考波与检测波在非零位干涉检测系统的分束器处发生干涉，经成像镜成像于探测器处；

所述的自适应偏振补偿系统包括偏振分束镜PBS、λ/4波片、可变形镜DM、普通分束镜、消球差镜和被测自由曲面；其中偏振分束镜PBS使得从非零位干涉检测系统出射的偏振平行光仅能透射、不能被反射；该透射偏振光穿过λ/4波片后到达可变形镜DM，可变形镜DM 根据被测自由曲面标称参数的分解，提供相应的低价Zernike形变，该偏振光经过发生形变的可变形镜DM反射后，再次通过λ/4波片，此时该偏振光由于两次往返通过λ/4波片，其偏振方向发生90度偏转，当其回到偏振分束镜PBS时，不能透过偏振分束镜PBS，仅能被反射，该反射偏振光经过普通分束器后分为两路，一路透射光进入波前监测系统；另一路反射光经过消球差镜后到达被测自由曲面，经被测自由曲面反射后近似沿原路返回，到达偏振分束镜PBS，此时的偏振光偏振方向没有发生变化，其仍然只能被偏振分束镜PBS反射，反射光穿过λ/4波片后经可变形镜DM反射，再次穿过λ/4波片，偏振方向发生变化，因而透过偏振分束镜PBS，传输至非零位干涉检测系统，作为非零位干涉检测系统的检测波；

所述的波前监测系统包括缩束器和夏克哈特曼波前传感器，自适应偏振系统出射的光束经经过缩束器缩束后到达夏克哈特曼波前传感器，由夏克哈特曼波前传感器检测波前相位；

所述的DM控制与面形误差重构系统包括干涉图采集处理模块、波前拟合模块、理论面形分解模块、DM形变驱动模块、系统建模模块和优化函数模块；干涉图采集处理模块的输入为非零位干涉检测系统探测器接收的干涉图，其输出为波前离散相位，该离散相位进入波前拟合模块后，输出干涉检测波前参数Zernike系数，进入系统建模模块，作为最终优化目标；理论面形分解模块的输入为被测面标称参数即被测面面形理论方程，该模块输出面形理论方程中的低阶Zernike像差项，进入DM形变驱动模块，DM形变驱动模块根据输入的低阶Zernike像差项驱动DM发生形变，以提供光路中的低阶像差补偿；同时，非零位干涉检测系统和自适应偏振补偿系统的参数输入系统建模模块中，作为建模系统参数依据和优化不变量；将波前监测系统的输出参数：DM形变波前参数输入系统建模模块中，作为优化约束条件；将优化函数模块嵌入系统建模模块中，作为优化载体；最终，由系统建模模块输出面形误差。

2.根据权利要求1所述的高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测装置，其特征在于：所述的可变形镜DM为电磁场驱动式连续面形可变薄膜，可实现精准的大波前畸变校正；受镜面形变驱动器控制，可由DM形变驱动模块驱动和控制其镜面形变形式和形变量，该形变量由输入DM形变驱动模块的被测面标称面形中的低阶Zernike像差项决定。

3.高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法，其特征在于：利用自适应偏振补偿系统补偿部分低阶像差，将剩余波前像差采送入传统干涉结构，形成非零位干涉检测系统，使得非零位干涉检测系统采集的干涉图密度下降，不至于超过干涉仪的动态范围；而自适应偏振补偿系统补偿的像差量则由波前监测系统中的夏克哈特曼波前传感器监控，从而，将本来难以检测的系统像差分为两个主体部分：一部分低阶像差，由波前监测系统检测，降低了非零位干涉仪的检测压力；另一部分高阶像差，由被非零位干涉检测系统所检测，检测精度高，被测自由曲面的面形误差即被测量包含在此部分像差中，通过DM控制与面形误差重构系统从该部分高阶像差中将被测面面形误差提取出来，达到检测目的。

4.根据权利要求3所述的高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法，其特征在于：非零位干涉检测系统为典型的泰曼格林干涉系统，其主要检测经过自适应偏振补偿系统补偿后的系统高阶像差，为了保证最终检测系统中探测器接收的干涉图对比度，其中普通分束器的反射/透射比为0.4：0.6；40%光能的准直平行光穿过该普通分束器，输入自适应偏振补偿系统；该准直平行光偏振方向与激光器出射细光束偏振方向一致，在自适应偏振补偿系统中，该偏振准直光经过偏振分束镜PBS后，全部透过该偏振分束镜PBS，到达可变形镜DM，经可变形镜DM反射后重新达到偏振分束镜PBS，期间往返穿过同一片λ/4波片两次，偏振方向发生90度偏转，因而全部被偏振分束镜PBS反射，传输至另一块普通分束器，该普通分束器的反射/透射比为0.9：0.1，90%光能被该普通分束器反射，10%光能透过该普通分束器，二者强度不同，但波前像差一致；分束器反射的偏振光经过一消球差镜后到达被测自由曲面，经自由曲面反射后，再由上述普通分束器将90%光能反射回偏振分束镜PBS；由于偏振方向未改变，该偏振光将由偏振分束镜PBS再次反射至可变形镜DM，再被可变形镜DM反射回偏振分束镜PBS，同样期间往返穿过同一片λ/4波片两次，偏振方向再次发生90度偏转，因而全部透过偏振分束镜PBS，返回所述非零位干涉检测系统，作为检测光与非零位干涉检测系统中的参考光发生干涉，并由探测器采集干涉图。

5.根据权利要求3所述的高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法，其特征在于：自适应偏振补偿系统中的可变形镜DM主要根据被测面的标称方程，补偿其低阶像差，减轻非零位干涉检测系统的检测压力，同时可变形镜DM可以针对不同被测面动态地提供不同的像差补偿，极大地增加了系统的检测动态范围；非零位干涉检测系统中的出射光在自适应偏振补偿系统中被被测自由曲面反射一次，被可变形镜DM反射两次，其中第一次反射的波前像差被普通分束器分出10%的光能，进入波前监测系统，由波前监测系统监控可变形镜DM第一次反射的波前像差，从而高精度地监控可变形镜DM的形变量。

6.根据权利要求3所述的高精度、大动态范围的光学自由曲面干涉检测方法，其特征在于：DM控制与面形误差控制系统主要实现两部分功能：1）DM形变驱动和2）自由曲面面形误差重构；

DM形变驱动功能主要是：DM控制和面形误差重构系统中的理论面形分解模块对被测自由曲面的标称面形参数进行分解，提取出低阶像差项，以此控制DM形变驱动模块改变自适应偏振补偿系统中DM的形变量，从而实现像差补偿；

自由曲面面形误差重构功能指的是：利用非零位干涉检测系统和自适应偏振补偿系统的自身系统参数，输入系统建模模块，建立整体检测系统模型，同时将优化函数模块嵌入系统模型；将非零位干涉检测系统中探测器接收的干涉图输入干涉图采集处理模块，得到波前离散相位信息，将该离散相位信息输入波前拟合模块，得到干涉检测波前参数即波前Zernike37项系数，将该37项系数输入系统建模模块中，作为优化函数的优化目标；将系统模型中非零位干涉检测系统部分对应的波前Zernike37项系数作为因变量，模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数作为自变量；将波前监控系统输出的DM形变波前参数输入至系统建模模块中，作为优化约束，可以精确控制系统模型中DM的形变量；运行优化函数，迭代地改变模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数即自变量，直到系统模型中非零位干涉检测系统部分对应的作为因变量的波前Zernike37项系数等于实验输入的干涉检测波前参数即作为优化目标的波前Zernike37项系数；此时认为模型中被测自由曲面面形误差与实际一致，可输出模型中被测自由曲面面形误差的37项Zernike系数，以表征被测面面形误差。