CN109059802B - 基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统的误差标定方法 - Google Patents

基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统的误差标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统的误差标定方法，步骤如下：第一步，搭建基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统，第二步，调整tip/tilt镜的空间位置及姿态，设定初始位置，第三步，绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线；第四步，得到泽尼克前36项各项系数在tip/tilt镜不同偏摆方向及不同偏摆角度下的系数值；第五步，利用第四步所获得的结果，得到该系统中tip/tilt镜在任意偏摆状态下，系统的输出波前信息，从而实现对系统误差的标定。该方法具有动态、高效、通用性强等优点。

Description

基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统的误差标定方法
技术领域
本发明属于自由曲面元件面形高精度检测技术领域，具体涉及一种基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统的误差标定方法。
背景技术
非零位干涉由于其较强的系统通用性，广泛用于复杂面形的测量中。多重倾斜波面干涉法，根据被检面的表面梯度分布，在干涉光路中利用透镜阵列产生不同角度的补偿波面对被检元件不同区域进行补偿，从而完成干涉测量。它集合了夏克-哈特曼波前传感与干涉测量的优点，大大增加了干涉系统的动态测量范围，适合大梯度变化的面形测量。但同时该方法也存在一定的问题，固定化的透镜阵列固化了其能够补偿的角度范围，无法满足对任意梯度变化的自由曲面的梯度补偿需求；每个子透镜均有入射光源，计量级激光器无法满足其能力需求，使得测量时对光能的利用率低。针对上述问题，基于tip/tilt镜的动态角度调制干涉测量技术，其基本原理为通过在测试光路中引入动态分时倾斜载频的tip/tilt镜，根据被测表面的梯度分布，使其产生不同倾角的轴外干涉源用于补偿被检面的各个局部区域的梯度，很好的解决了现有倾斜波面干涉法中透镜阵列系统导致的干涉点源阵列的空间尺寸收到固话的问题、系统的通用性受到限制的问题、系统光能损失的问题。
然而，作为本方法的关键器件，Tip/Tilt镜的动态角度调制会引入一个动态系统误差，因为实际光学透镜存在像差，不同视场的光引入的像差也不同。为了消除这种动态系统误差，需要建立一个统一的系统误差模型。利用采集到的系统误差数据对建立起来的系统误差模型进行验证和计算训练，完善系统误差模型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统的误差标定方法，运用泽尼克多项式表征波前像差，建立统一的误差模型，能够有效解决基于tip/tilt镜的动态角度调制干涉测量技术中，由于引入tip/tilt镜而有的动态系统误差。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统的误差标定方法，方法步骤如下：
步骤一、搭建基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统：
所述基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统包括激光光源、扩束镜、第一分光板、参考镜、Tip/tilt镜、第二分光板、标准透镜组，标准球面、成像透镜和成像系统；
共第一光轴依次设置激光光源、扩束镜、第一分光板、参考镜，共第二共轴依次设置Tip/tilt镜、第二分光板、标准透镜组，标准球面，其中Tip/tilt镜位于第一分光板的反射光路上，且第二分光板、成像透镜和成像系统依次设置在参考镜的反射光路上，其中第一光轴和第二光轴平行，参考镜的反射光路与第二光轴垂直；成像系统位于成像透镜的焦平面上；
激光光源发出的光，经过扩束镜的扩束、准直，以平行光入射在第一分光板处分成一束参考光与一束测试光，参考光经第一分光板透射至参考镜，再由参考镜反射经第二分光板透射至成像透镜，再进入成像系统；测试光由第一分光板反射，经由Tip/tilt 镜反射至第二分光板，经第二分光板透射至标准透镜组后入射至标准球面，经标准球面反射的测试光透过标准透镜组并由第二分光板反射经成像透镜进入成像系统，参考光及测试光在成像系统中形成干涉条纹并被采集；
第二步，调整tip/tilt镜的空间位置及姿态，至视场内出现稀疏零条纹，此时Tip/Tilt镜的位置为初始位置；
第三步，使tip/tilt镜沿其x轴方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线；
使tip/tilt镜沿y=x方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线；
使tip/tilt镜沿x=0方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线；
使tip/tilt镜沿y=-x方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线；
第四步，根据第三步，分别得到泽尼克前36项各项系数在tip/tilt镜不同偏摆方向及不同偏摆角度下的系数值；
第五步，利用第四步所获得的偏摆角度与36项泽尼克系数关系，得到该系统中tip/tilt镜在任意偏摆状态下的输出波前信息，从而实现对系统误差的标定。
所述tip/tilt镜的x方向倾斜和y方向倾斜是相互独立的，将tip/tilt镜的任意偏转角度看成是x方向和y方向倾斜的叠加。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）以泽尼克多项式表征像差，通过分析各项系数变化与调制角度的关系，即可建立角度调制下的误差模型。
（2）解决了系统的通用性受到限制的问题。
（3）在现有的干涉测量装置基础上搭建，装置简单易实现。
附图说明
图1为实现本发明的装置结构示意图。
图2为泽尼克系数zfr_1随tip/tilt镜沿x轴方向偏摆的拟合关系曲线。
图3为泽尼克系数zfr_2随tip/tilt镜沿x轴方向偏摆的拟合关系曲线。
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1，一种基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统的误差标定方法，步骤如下：
步骤一、搭建基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统：
所述基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统包括激光光源1、扩束镜2、第一分光板3、参考镜4、Tip/tilt镜5、第二分光板6、标准透镜组7，标准球面8、成像透镜9及成像系统10。
共第一光轴依次设置激光光源1、扩束镜2、第一分光板3、参考镜4，共第二共轴依次设置Tip/tilt镜5、第二分光板6、标准透镜组7，标准球面8，其中Tip/tilt镜5位于第一分光板3的反射光路上，且第二分光板6、成像透镜9和成像系统10依次设置在参考镜4的反射光路上，其中第一光轴和第二光轴平行，参考镜4的反射光路与第二光轴垂直；成像系统10位于成像透镜9的焦平面上。
激光光源1发出的光，经过扩束镜2的扩束、准直，以平行光入射在45°放置的第一分光板3处分成一束参考光与一束测试光，参考光由第一分光板3的透射至参考镜4，再由参考镜4反射透过45°放置的第二分光板6及成像透镜9进入成像系统10；测试光由第一分光板3反射，经由Tip/tilt 镜5反射透过第二分光板6，经过标准透镜组7后入射至标准球面8，经标准球面8反射的测试光透过标准透镜组7并由第二分光板6反射经成像透镜9进入成像系统10，参考光及测试光在成像系统中形成干涉条纹并被采集，通过面形解算算法得出测试光波前信息。
第二步，调整tip/tilt镜5的空间位置及姿态，至视场内出现稀疏零条纹，此时Tip/Tilt镜的位置为初始位置。
第三步，利用tip/tilt镜控制软件使tip/tilt镜5沿其x轴方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线。
使tip/tilt镜5沿y=x方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线。
使tip/tilt镜5沿x=0方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线。
使tip/tilt镜5沿y=-x方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线。
第四步，根据第三步所获得的结果，分别得到泽尼克前36项各项系数在tip/tilt镜5不同偏摆方向及不同偏摆角度下的系数值。
第五步，利用第四步所获得的偏摆角度与36项泽尼克系数关系，得到该系统中tip/tilt镜5在任意偏摆状态下的输出波前信息，从而实现对系统误差的标定。
所述tip/tilt镜5的x方向倾斜和y方向倾斜是相互独立的，将tip/tilt镜的任意偏转角度看成是x方向和y方向倾斜的叠加。
实例说明：tip/tilt镜5沿x轴方向偏摆，以泽尼克36项系数中表示x方向倾斜的zfr_1及表示y方向倾斜的zfr_2为例说明。
tip/tilt镜以0.1mrad为间隔采样，采样点作为特征点。沿x轴方向依次偏摆，分别计算得到每一个偏摆角度下泽尼克系数值zfr_1和zfr_2，然后分别对系数值zfr_1、zfr_2和角度关系曲线进行拟合，如图2、图3。其中zfr_1随着x倾斜变化斜率为-30.83，zfr_2随x倾斜变化斜率为。
由以上实验数据结果，系数zfr_2与系数zfr_1相差约16个数量级，可忽略不计。数据分析可初步得出： tip/tilt镜x方向倾斜于y方向倾斜相互独立，tip/tilt镜的任意偏转角度可看成x方向和y方向倾斜的叠加，x倾斜和y倾斜对波面的影响等价。

Claims (2)

1.一种基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统的误差标定方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤一、搭建基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统：
所述基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统包括激光光源（1）、扩束镜（2）、第一分光板（3）、参考镜（4）、Tip/tilt镜（5）、第二分光板（6）、标准透镜组（7），标准球面（8）、成像透镜（9）和成像系统（10）；
共第一光轴依次设置激光光源（1）、扩束镜（2）、第一分光板（3）、参考镜（4），共第二共轴依次设置Tip/tilt镜（5）、第二分光板（6）、标准透镜组（7），标准球面（8），其中Tip/tilt镜（5）位于第一分光板（3）的反射光路上，且第二分光板（6）、成像透镜（9）和成像系统（10）依次设置在参考镜（4）的反射光路上，其中第一光轴和第二光轴平行，参考镜（4）的反射光路与第二光轴垂直；成像系统（10）位于成像透镜（9）的焦平面上；
激光光源（1）发出的光，经过扩束镜（2）的扩束、准直，以平行光入射在第一分光板（3）处分成一束参考光与一束测试光，参考光经第一分光板（3）透射至参考镜（4），再由参考镜（4）反射经第二分光板（6）透射至成像透镜（9），再进入成像系统（10）；测试光由第一分光板（3）反射，经由Tip/tilt 镜（5）反射至第二分光板（6），经第二分光板（6）透射至标准透镜组（7）后入射至标准球面（8），经标准球面（8）反射的测试光透过标准透镜组（7）并由第二分光板（6）反射经成像透镜（9）进入成像系统（10），参考光及测试光在成像系统中形成干涉条纹并被采集；
第二步，调整tip/tilt镜（5）的空间位置及姿态，至视场内出现稀疏零条纹，此时Tip/Tilt镜（5）的位置为初始位置；
第三步，使tip/tilt镜（5）沿其x轴方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线；
使tip/tilt镜（5）沿y=x方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线；
使tip/tilt镜（5）沿x=0方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线；
使tip/tilt镜（5）沿y=-x方向，在量程范围内以0.1mrad为间隔采样依次偏摆，采样点作为特征点，利用干涉仪结合泽尼克分析方法，获取每次偏摆所获得的波前信息，通过对波前离散点数据的分析、拟合，得到每次调整角度后的前36项Zernike系数，分别绘制泽尼克前36项各项系数与偏摆角度的关系曲线；
第四步，根据第三步，分别得到泽尼克前36项各项系数在tip/tilt镜（5）不同偏摆方向及不同偏摆角度下的系数值；
第五步，利用第四步所获得的偏摆角度与36项泽尼克系数关系，得到该系统中tip/tilt镜（5）在任意偏摆状态下的输出波前信息，从而实现对系统误差的标定。
2.根据权利要求1所述的基于Tip\Tilt镜的动态角度调制干涉系统的误差标定方法，其特征在于：tip/tilt镜（5）x方向倾斜和y方向倾斜是相互独立的，将tip/tilt镜（5）的任意偏转角度看成是x方向和y方向倾斜的叠加。
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