CN114353696B - 小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统及检测方法，涉及自由曲面光学检测技术领域，本发明为解决小陡度凹凸面光学自由曲面的全频段像差检测中动态范围与检测精度不可兼得这一矛盾，进而解决小陡度凹凸面光学自由曲面高精度检测问题。基于相位恢复算法和子孔径拼接算法的横向平移差异相位恢复和计算机辅助逆哈特曼法协同测量小陡度凹凸面光学自由曲面全频段像差检测方法。本发明将高频段像差测量比较准确的计算机辅助反向哈特曼检测法和中低频段像差测量比较准确的横向平移差异相位恢复法相结合，通过Zernike多项式拟合的方式进行小陡度凹凸面光学自由曲面全频段像差检测，从而弥补现在小陡度凹凸面光学自由曲面全频段像差检测方法的不足。

Description

小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及自由曲面光学检测技术领域，具体涉及一种小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统及检测方法。

背景技术

由于光学自由曲面具有强大矫正像差和优化系统结构的能力，已逐渐成为国防、航空航天、军事等领域高速发展不可缺少的关键光学元件，其应用广度、生产发展的速度，已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。然而，对于光学自由曲面高精度、高性能的要求增加了其加工和检测的难度，特别是加工制造过程中检测的难度，远比球面镜的加工与检测复杂和困难：高精度自由曲面光学关键元件的成功制造，不单单依赖数控机床的精度、先进光学设计、加工工艺，更有赖于自由曲面光学检测技术的综合考虑以及庞大复杂的数据演算和大量试验数据验证，才得以提高光学自由曲面的加工及检测质量；此外，光学自由曲面是一类非轴对称、不规则、随意构造的曲面，其形状比较复杂，精度要求很高，其没有一个明确的基准面，因此能否实现自由曲面的基准面和测量面之间的最佳匹配问题是自由曲面检测的关键，自由曲面面形精密检测仍是主要障碍，一些关键科学问题和技术瓶颈仍没有得到很好的解决，迄今为止仍没有统一成形的检测技术。所以，光学自由曲面加工及检测技术成为制约其应用和发展的最重要因素。

对光学自由曲面高精度、高性能的要求增加了其加工和检测的难度，该难度远比球面镜的加工和检测复杂与困难。特别在研磨阶段及研磨向抛光过渡阶段的检测还存在较多局限：测量精度不够、技术不够成熟、检测周期过长、动态范围过小、无法进行全口径在位检测等。如现有技术：(1)三坐标测量机采用逐点扫描的方式进行测量，测量速度慢，无法一次性得到被测元件的全场面形数据；轮廓仪只能测量面形与球面基或非球面基偏离度较小的自由曲面(局部梯度与全局梯度的偏离小于5°才可测)。(2)摆臂式轮廓扫描法也面临着测量效率偏低及整体面形拼接过程中存在误差等问题，且目前只能测量离轴非球面类型的自由曲面，关于测量形状复杂、局部梯度变化大、面形数学表达较难的高自由度自由曲面的研究未见报道。(3)夏克-哈特曼波前检测法具有测量速度快、测量精度高及动态测量范围大等优势，但受透镜尺寸的限制以及大梯度自由曲面测量时光斑交叠的影响，该方法的横向测量分辨率不高，相应的测量精度易受分辨率的影响，而且不能进行研磨到抛光阶段的检测。(4)计算全息技术面临的问题是：一对一的补偿测量模式造成其测量通用性较差，从而检测成本较高；针对梯度较大的曲面元件，作为补偿器的CGH需要通过密度很高的衍射结构来实现大梯度波面的输出，因此计算全息的刻线密度受限于目前的微结构加工工艺水平。(5)部分零位补偿技术面临的问题是：测试光路越偏离零位条件光路，回程误差就越大，这为被检面形高精度恢复带来了很大难题；在部分零位补偿法检测自由曲面的过程中，待测件的对准较为困难，影响其面形检测精度；自由曲面非旋转对称性会导致干涉图产生非旋转对称形变，影响面形恢复精度。目前，对于更复杂的大梯度变化自由曲面，其成功应用案例较少。(6)倾斜波面技术测量大口径自由曲面时，需要使用大口径标准补偿镜头，大口径标准补偿镜头的加工非常困难，限制了系统的测量口径。

在本申请人已经授权的专利(ZL201911155752.4)中，虽然解决了部分上述问题但针对凹凸全面形类的自由曲面全频段高精度检测问题仍未解决，本发明采用基于相位恢复算法(Phase Retrieval,PR)和子孔径拼接算法(Sub-aperture Stitching,SAS)的横向平移差异相位恢复(Transverse Translation Diversity Phase Retrieval,TTDPR)和计算机辅助逆哈特曼法协同测量小陡度凹凸面光学自由曲面的全频段像差检测方法，设计一种兼顾高精度和大测量范围的小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，解决小陡度凹凸面光学自由曲面的全频段像差检测这一技术难题，指导自由曲面光学元件在研磨阶段的面形加工，最终为高精度、高性能的光学自由曲面加工及检测提供技术支持。本发明的目的将为光学自由曲面检测技术研究提供理论参考和技术支撑，将推动我国在高精度和大动态范围光学自由曲面检测技术领域的发展，促进高性能光电产品加工方面的进步，为打破国外在高精度自由曲面检测仪器和高性能光电产品加工上的垄断做出贡献，具有重要的科学意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统及检测方法，以解决小陡度凹凸面光学自由曲面的全频段像差检测中动态范围与检测精度不可兼得的矛盾和光学自由曲面的检测问题。

小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，包括凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统，凹凸面自由曲面高频段像差检测系统，计算机处理系统和光路夹持与装调系统；所述光路夹持与装调系统用于对凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统，凹凸面自由曲面高频段像差检测系统进行调整；首先对所述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统进行系统标定，然后再根据装调好的待测凹凸面自由曲面装调凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统；

所述凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统包括中低频信息采集系统和光瞳图像监视系统；

所述中低频信息采集系统包括激光器、准直扩束系统、分束器、成像镜和第二相机；

所述光瞳图像监视系统由分光棱镜、可调节孔径光阑、激光振镜、准直缩束光学系统和第一相机构成；

所述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统包括待测凹凸面自由曲面、发光屏和第三相机；在标定过程中，使第三相机的光轴和待测凹凸面自由曲面的光轴重合，且待测凹凸面自由曲面的光轴与发光屏的屏幕垂直；将第三相机调焦在待测凹凸面自由曲面的表面；

所述激光器出射的光束经准直扩束系统被扩束为平行光束经分束器反射和透射；所述透射光经所述光瞳图像监视系统，经由光瞳图像监视系统返回的波前再次进入中低频信息采集系统经成像镜成像于第二相机处，将所述第二相机采集的在焦以及离焦图像送入计算机处理系统的TTDPR模块，获得待测凹凸面自由曲面的中低频段面形信息；

经所述中低频信息采集系统采集的光束经光瞳图像监视系统的分光棱镜后进入激光振镜，经所述激光振镜出射的光束经待测凹凸面自由曲面表面反射后返回到激光振镜上，再经过可调节孔径光阑进入分光棱镜分光，其中一路原路返回，另一路进入准直缩束系统，成像于第一相机处，通过对光斑图像分析，调整激光振镜，使反射光束平行；

所述发光屏出射的光线经待测凹凸面自由曲面反射后由第三相机接收，所述第三相机将获得的图像采用计算机处理系统的SCOTS模块处理，获得待测凹凸面自由曲面的高频段面形信息；

所述计算机处理系统对接收的待测凹凸面自由曲面的中低频段面形信息和高频段面形信息进行全频段融合检测，即：通过Zernike多项式拟合方式进行分解，Zernike多项式按阶数从低到高进行排列，采用基于测量误差先验的统计数据融合方法再结合基于测量误差先验的统计数据融合方法，根据中低频段像差测量精度高的TTDPR法与高频段像差测量精度高的SCOTS法对不同阶像差的测量先验精度的方差来设定融合权值，最终获得待测凹凸面自由曲面的全频段面形信息。

小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测方法，该方法由以下步骤实现：

步骤1、对高频段像差检测系统和中低频像差检测系统进行搭建和装调；

步骤2、采用装调后的高频段像差检测系统和中低频像差检测系统分别对待测凹凸面自由曲面进行图像信息的采集；

步骤3、采用计算机分别对采集的图像信息进行高频段和中低频段像差进行处理，获得待测凹凸面自由曲面的全面形信息。

本发明的有益的效果：本发明突破传统非球面检测方法，探索融合测量新方法，建立理论模型并开展数值模拟研究，实现基于两种测量方法进行协同测量光学自由曲面的检测系统实验验证，以解决高精度小陡度凹凸面光学自由曲面全频段高精度检测这一技术难题，指导自由曲面光学元件在研磨阶段的面形加工；实现精研磨阶段尽可能多的去除面形残差，提高了光学自由曲面的加工收敛效率，最终为高精度、高性能的光学自由曲面加工及检测提供了技术支持，具有非常重要的科学意义。此外，我国学者以国家需求为牵引，加工出的高精度、高性能光学自由曲面元件在航天、军事等领域获得广泛的应用，为提高我国精密光学仪器加工及检测的国际地位打下良好基础。

本发明所述的检测系统和检测方法采用了一种基于相位恢复算法(PhaseRetrieval,PR)和子孔径拼接算法(Sub-aperture Stitching,SAS)的横向平移差异相位恢复(Transverse Translation Diversity Phase Retrieval,TTDPR)和计算机辅助逆哈特曼法协同测量小陡度凹凸面光学自由曲面全频段面形检测方法。根据TTDPR对于中低阶像差的测量具有较高的精度，而对于高阶像差测量精度较低。计算机辅助反向哈特曼测量方法对于高阶像差的测量具有较高的精度，而对于低阶测量精度较低。本发明解决现有技术存在的检测问题，不但增大了检测动态范围，又保证了高阶像差的检测精度，而且能进行全阶像差检测。

本发明将高频段像差测量比较准确的计算机辅助反向哈特曼检测法和中低频段像差测量比较准确的横向平移差异相位恢复法相结合，通过Zernike多项式拟合的方式进行小陡度凹凸面光学自由曲面全频段像差检测，从而弥补现在小陡度凹凸面光学自由曲面全频段检测方法的不足。

本发明所述的检测系统结构简单，造价便宜，解决了小陡度凹凸面光学自由曲面面形测量问题，测量精度高，测量斜率的动态范围大，而且空间分辨率高，可以测量干涉仪和哈特曼检测无法测量的大数值斜率问题。

附图说明

图1为本发明所述的小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统原理图；

图2为小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统示意图；

图3为小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统中硬件结构示意图。

图中，1、激光器，2、扩束系统，3、分光棱镜，4、分光棱镜，5、可调节光阑，6、激光振镜，7、缩束系统，8、第一相机，9、成像镜，10、第二相机，11、待测凹凸面自由曲面，12、发光屏，13、第三相机，14、针孔，15、相机透镜，16、靶面，17、安装板，18、Y向导轨，19、Z向导轨，20、工装件，21、X、Y、Z轴旋转台，22、气浮隔振平台，M1、高精度小型位移台，M2、五自由度位移台，D1、调整架，D2、偏摆、俯仰二维调整架。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，包括凹凸面自由曲面中低频像差检测系统A1、凹凸面自由曲面高频段像差检测系统A2、计算机处理系统A3和光路夹持与装调系统A4；

凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统A1包括中低频信息采集系统A11和光瞳图像监视系统A12组成。

所述中低频信息采集系统A11由He-Ne激光器1出射的细光束经准直扩束系统2被扩束为宽光束平行光(约20mm)，该平行光向前传播至分束器3处被分为反射和透射两路光。一路透射光向前传播至光瞳图像监视系统A12，经由光瞳图像监视系统A12返回的波前重新进入中低频信息采集系统A11经成像镜9成像于第二相机10处。激光器1放置在迷你调整架D1(四维复合调整架)上，迷你调整架D1可以为该激光器1提供俯仰以及偏摆二个方向的角度自由度。前后调整激光器1，通过对调整架D1进行精密调整，使得出射光线为平行光(采用剪切干涉仪测量光束质量)。第二相机10通过转接元件固定在五自由度位移台M2上，转接元件与第二相机10、五自由度位移台M2之间采用螺钉连接，可以通过调节螺钉预应力实现第二相机10位姿的微调。前后移动五自由位移台M2，可以在大范围内实现焦点搜寻以及离焦图像的采集，将采集后的在焦以及离焦图像送入计算机处理TTDPR模块，求解得到待测凹凸面自由曲面11的面形。

所述光瞳图像监视系统A12由分光棱镜4、可调节孔径光阑5、激光振镜6、缩束系统7和第一相机8构成。从中低频信息采集系统A11出射平行光经过分光棱镜4后进入高精度二维激光振镜6，从二维激光振镜6出射的光束打在待测凹凸面自由曲面11表面上，经待测凹凸面自由曲面11反射后的光束能够返回到二维激光振镜6上，再经过可调节孔径光阑5进入分光棱镜4分光，其中一路原路返回，另一路进入准直缩束光学系统7，成像于第一相机8处，通过对图像分析，微调激光振镜，使得反射光束尽量平行。准直缩束光学系统7通过螺纹连接固定在偏摆、俯仰二维调整架D2上，第一相机8采用大像元数小像元尺寸进行高精度光斑分析，实现光路的准直，第一相机8通过转接板固定在高精度小型位移台M1上，方便调节光路。

所述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统A2包括待测凹凸面自由曲面11、发光屏12和第三相机13；所述发光屏12出射的光线经待测凹凸面自由曲面11反射镜由第三相机13接收，所述第三相机13将获得的图像由计算机处理，得到待测凹凸面自由曲面11的面形信息。

本实施方式中，由于凹凸面自由曲面高频段像差检测系统A2难点在于系统的标定，所以先装调好凹凸面自由曲面高频段像差检测系统A2，然后再根据已调好的待测凹凸面自由曲面11来装调中低频像差检测系统A1。根据装调的先后顺序阐述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统A2和凹凸面自由曲面中低频像差检测系统A1的具体实施过程：

所述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统A2以发光屏作为光源，发光屏12上显示的是光强编码的相移条纹图通过待测凹凸面自由曲面11后，经过相机针孔14投射到相应的相机焦平面16上，从而得到对应光线的位置，根据光学系统的几何关系计算波前斜率，重构出波前面形，以此计算出波像差。

由于检测系统中的离轴配置，它对系统几何的校准要求较高，因此计算辅助优化模块进行标校的过程在已经授权专利(ZL201911155752.4)中有具体过程：1、搭建中高频段像差检测的实验系统，进行预标校系统几何参数；2、在光迹追踪软件中建立系统模型；3、在逆向Hartmann测量系统中获得波前像差W1；4、优化系统几何参数；5、在系统模型中进行光线追迹，获得更新的波前像差W2；6、利用正交多项式拟合W1和W2，更新目标函数；7、若目标函数小于阈值ε，输出测量面形误差Wsurf，反之，继续优化系统几何参数，重复步骤4至步骤7。

所述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统A2的具体装调(标定)过程为：

首先，在发光屏12上生成一组水平和竖直方向的正弦相移条纹图；

由于需要确定发光屏12上像素位置与它照明的待测凹凸面自由曲面11位置之间的对应关系，所以需要用光强对屏幕像素位置进行编码，选择正弦条纹图进行显示。根据发光屏12的屏幕尺寸和分辨率，选择正弦条纹一个周期的像素数，确定一个周期条纹对应的实际尺寸(单位毫米)。利用相移技术，选择相移条纹的相移步数为二，利用Matlab编程得到由光强调制的相移条纹图。

其次，将发光屏12、相机13和待测凹凸面自由曲面11构成的系统进行准直和标定，得到它们的空间坐标位置；

由于本发明为解决小陡度凹凸面自由曲面全面形高精度检测问题，与已经授权专利(ZL201911155752.4)中的发光屏12与相机13和待测凹凸面自由曲面位置关系有所不同，导致校准装调难度加大。

第三相机13由焦平面16、相机透镜15和外置针孔14组成，外置针孔14被安装在靠近CCD相机镜头的外部，用来消除光瞳像差对系统的影响(不同视场的光线都会经过透镜的可调节光阑中心，由于光瞳像差的存在，在入瞳位置处各视场主光线将不再会聚于一点，这将影响到斜率的计算)，对发光屏12、外置针孔的第三相机13和待测凹凸面自由曲面11进行准直，使第三相机13和待测凹凸面自由曲面11的光轴重合，且待测凹凸面自由曲面与发光屏12平行放置。将第三相机13调焦在待测凹凸面自由曲面11的表面。在对测量系统结构参数初步标定的基础上，利用计算机辅助光线追迹测量方法，对包括待测面在内的系统元件偏移以及倾斜参量进行逆向优化，进而实现对标定误差的有效校正。标定测量得到发光屏12、外置针孔14和待测凹凸面自由曲面11之间的距离。

再次，拍下经过待测凹凸面自由曲面11偏折后的发光屏12上显示的相移条纹图，移去待测凹凸面自由曲面11后再拍一组水平和竖直相移条纹图作为参考；

发光屏12逐次显示一组相移条纹图，第三相机13同步进行拍摄。移去待测凹凸面自由曲面11后再拍一组水平和竖直相移条纹图。拍多组相移条纹图进行平均来消除环境的影响。

最后，将拍到的相移条纹图结合计算机进行相位展开、计算斜率并恢复波前，根据恢复的待测镜面形信息分析波前像差。

通过相移算法计算出发光屏12各像素位置对应的相位值。对拍到的相移条纹图进行相位展开，得到待测凹凸面自由曲面11各部分对应的屏幕像素位置并计算斜率。得到的斜率可以与理想待测镜的波前斜率进行对比。最后由斜率数据恢复波前，从而进行像差分析。根据发光屏12在世界坐标系下的位姿情况以及发光屏12的像素尺寸，将相位值转化为世界坐标值。

本实施方式中，在系统标定时，将待测凹凸面自由曲面11与发光屏12平面保持平行。发光屏12上的某个点光源S(x_s,y_s,z_s)发出的光线被对应的待测镜面M(x_m,y_m,z_m)点反射后，通过第三相机13的外置针孔C(x_c,y_c,z_c)点，最后在第三相机13的靶面16上得到其对应的像。也可以认为相机靶面16上某个像素点“发出”的光线经过外置针孔14，接着被待测凹凸面自由曲面11上的M点反射到发光屏12上的S点。待测凹凸面上的各个M点就是被相机像素划分所形成的子孔径或“镜像素”。

以待测凹凸面的中心位置O为原点，待测凹凸面在O点的切平面为xOy面(称为标定平面)，建立世界坐标系。当待测镜的面形形状w(x_m,y_m)远小于标定平面与第三相机13或发光屏12之间的距离时，即w(x_m,y_m)＜＜z_m2s及w(x_m,y_m)＜＜z_m2c，根据三角测量原理，待测凹凸面自由曲面11上M点的斜率可通过下式得到：

式中z_m2s和z_m2c分别是标定平面到发光屏12上像素点和第三相机13的外置针孔14的z方向距离。由于在计算斜率时需要提供一个较好的初始值，通常可以采用一个理想的表面形状模型或者使用其他检测方法得到的面形来提供一个较好的初始面形估计w₀(x_m,y_m)，将w₀(x_m,y_m)代替公式中的w(x_m,y_m)便可得到(x_m,y_m)处的x、y向斜率数据，再将由斜率计算得到的面形w₁(x_m,y_m)代替公式中的w(x_m,y_m)进而得到另外一组斜率，依此类推，通过反复迭代计算波前斜率，重构出波前面形，以此计算出波像差，从而可以得到被检面形。

所述计算机处理系统A3对所述凹凸面自由曲面中低频段检测系统A1的处理过程：利用中低频信息采集系统A11和光瞳图像监视系统A12自身系统参数，输入系统建模模块，建立整体检测系统模型；将中低频段像差检测系统中相机接收的在焦和离焦图像输入图像采集处理模块，得到波前相位信息，将该相位信息输入波前拟合模块，得到拟合后的离散参数，将该参数输入系统建模模块中，作为优化函数的优化目标；将光瞳图像监控系统输出的光瞳图像信息输入至系统建模模块中，将光瞳图像监测系统获得的光瞳图像作为参考调节振镜的参数进入振镜调节模块，以便实时进行激光振镜调节，可以精确控制反射光束完全返回到中低频段像差检测系统的相机，通过移动第二相机10，实现在焦图像以及离焦图像的采集，通过横向平移差异相位恢复算法求解待测区域的面形误差；以上是从一个小孔径返回光束到达面形检测系统所测量面形误差的流程，移动Y向导轨与Z向导轨，使光束指向新的待测区域且与上一区域保持同一重叠率，并调整激光振镜角度实现光束准直，重复以上检测过程实现新的待测区域面形误差的测量；多次移动Y向导轨与Z向导轨直到覆盖整个待测区域，对测量得到的三维面形误差数据采用匹配拼接SAS法得到整个待测面形的数据。

所述计算机处理系统A3对中低频段检测系统A1获得的待测凹凸面自由曲面11中低频段面形信息和标定后的高频段检测系统A2获得的待测凹凸面自由曲面11高频段面形信息后，实现全频段融合检测方法是：根据自由曲面的面形可以通过Zernike多项式拟合方式进行分解，Zernike多项式按阶数从低到高进行排列。采用基于测量误差先验的统计数据融合方法再结合基于测量误差先验的统计数据融合方法，根据中低频段像差测量精度高的TTDPR法与高频段像差测量精度高的SCOTS法对不同阶像差的测量先验精度的方差来设定融合权值，从而降低测量结果的均方误差。

本实施方式中，小陡度凹凸面自由曲面全频段融合测量特点是通过TTDPR与计算机调制光学检测系统(Software Configurable Optical Test System,SCOTS)两种方式实现精度互相验证以及不同频段信息融合，进而实现数据融合，最终实现凹凸面自由曲面全频段的检测。

本实施方式中，所述光路夹持与装调系统A4由大尺寸二维精密位移台带动自由曲面光学测量系统实现在整个面型区域的子孔径拼接，辅以高精度振镜微调，实现对凹凸面自由曲面全频段系统装调，对凹凸面自由曲面中低频段检测系统A1装调和凹凸面自由曲面高频段检测系统A2装调。

所述光路夹持与装调系统A4包括安装板17、Y向导轨18，Z向导轨19，X、Y、Z轴旋转台21，气浮隔振平台22，高精度小型位移平台M1，五自由度位移台M2，调整架D1和偏摆、俯仰二维调整架D2；

所述中低频信息采集系统A11和光瞳图像监视系统A12固定在安装板17上，所述安装板17固定于Z向导轨19的滑块上，随该滑块上下移动或锁紧于Z向导轨19的某一位置；Z向导轨19的方向与中低频信息采集系统A11的激光器1出射光方向平行，并垂直固定于气浮隔振平台22上；Z向导轨19垂直固定于Y向导轨18的滑块上，Y向导轨18水平固定于气浮隔振平台22上，Y向导轨18与中低频信息采集系统A11的激光器1出射光方向垂直。

所述第三相机13和待测凹凸面自由曲面11的光轴重合，且待测凹凸面自由曲面11的光轴与发光屏2的屏幕垂直，通过三坐标机获得所述发光屏12、第三相机13和待测凹凸面自由曲面11的空间位置坐标，将第三相机13调焦在待测凹凸面自由曲面11的表面，采用计算机处理系统A3进行标定误差的有效校正；其中，X、Y、Z轴旋转台21固定在工装件20上；工装件20垂直固定于气浮隔振平台22上，待测凹凸面自由曲面11夹持机构固定在X、Y、Z轴旋转台21上，实现待测凹凸面自由曲面11绕X、Y、Z方向的旋转。

具体实施方式二、本实施方式基于具体实施方式一所述的小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统实现，该检测方法由以下步骤实现：

步骤1、对高频段像差检测系统和中低频像差检测系统进行搭建和装调；

步骤2、采用装调后的高频段像差检测系统和中低频像差检测系统分别对待测凹凸面自由曲面11进行图像信息的采集；

步骤3、采用计算机分别对采集的图像信息进行高频段和中低频段像差进行处理，获得待测凹凸面自由曲面11的全面形信息。

Claims (8)

1.小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，包括凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统（A1），凹凸面自由曲面高频段像差检测系统（A2），计算机处理系统（A3）和光路夹持与装调系统（A4）；所述光路夹持与装调系统（A4）用于对凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统（A1），凹凸面自由曲面高频段像差检测系统（A2）进行调整；其特征是：首先对所述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统（A2）进行系统标定，然后再根据装调好的待测凹凸面自由曲面（11）装调凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统（A1）；

所述凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统（A1）包括中低频信息采集系统（A11）和光瞳图像监视系统（A12）；

所述中低频信息采集系统（A11）包括激光器（1）、准直扩束系统（2）、分束器（3）、成像镜（9）和第二相机（10）；

所述光瞳图像监视系统（A12）由分光棱镜（4）、可调节孔径光阑（5）、激光振镜（6）、准直缩束光学系统（7）和第一相机（8）构成；

所述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统（A2）包括待测凹凸面自由曲面（11）、发光屏（12）和第三相机（13）；在标定过程中，使第三相机（13）的光轴和待测凹凸面自由曲面（11）的光轴重合，且待测凹凸面自由曲面（11）的光轴与发光屏（12）的屏幕垂直；将第三相机（13）调焦在待测凹凸面自由曲面（11）的表面；

所述激光器（1）出射的光束经准直扩束系统（2）被扩束为平行光束经分束器（3）反射和透射；透射光经所述光瞳图像监视系统（A12），经由光瞳图像监视系统（A12）返回的波前再次进入中低频信息采集系统（A11）经成像镜（9）成像于第二相机（10）处，将所述第二相机（10）采集的在焦以及离焦图像送入计算机处理系统（A3）的TTDPR模块，获得待测凹凸面自由曲面（11）的中低频段像差信息；

经所述中低频信息采集系统（A11）采集的光束经光瞳图像监视系统（A12）的分光棱镜（4）后进入激光振镜（6），经所述激光振镜（6）出射的光束经待测凹凸面自由曲面（11）表面反射后返回到激光振镜（6）上，再经过可调节孔径光阑（5）进入分光棱镜（4）分光，其中一路原路返回，另一路进入准直缩束光学系统（7），成像于第一相机（8）处，通过对光斑图像分析，调整激光振镜（6），使反射光束平行；

所述发光屏（12）出射的光线经待测凹凸面自由曲面（11）反射后由第三相机（13）接收，所述第三相机（13）将获得的图像采用计算机处理系统（A3）的SCOTS模块处理，获得待测凹凸面自由曲面（11）的高频段面形信息；

所述计算机处理系统（A3）对接收的待测凹凸面自由曲面（11）的中低频段像差信息和高频段面形信息进行全频段融合检测，即：通过Zernike多项式拟合方式进行分解，Zernike多项式按阶数从低到高进行排列，采用基于测量误差先验的统计数据融合方法再结合基于测量误差先验的统计数据融合方法，根据中低频段像差测量精度高的TTDPR法与高频段像差测量精度高的SCOTS法对不同阶像差的测量先验精度的方差来设定融合权值，最终获得待测凹凸面自由曲面（11）的全频段面形信息。

2.根据权利要求1所述的小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，其特征在于：对所述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统（A2）的具体标定过程为：

步骤A、在发光屏（12）上生成一组水平和竖直方向的正弦相移条纹图；

步骤B、将发光屏（12）、第三相机（13）和待测凹凸面自由曲面（11）构成的系统进行准直和标定，获得所述发光屏、相机和待测凹凸面自由曲面的空间位置坐标；

将第三相机（13）调焦在待测凹凸面自由曲面（11）的表面，采用计算机辅助优化模块进行标定误差的有效校正；获得标定测量的发光屏（12）、针孔（14）和待测凹凸面自由曲面（11）之间的距离；

步骤C、拍下经过待测凹凸面自由曲面（11）偏折后的发光屏（12）上显示的相移条纹图，移去待测凹凸面自由曲面（11）后再拍一组水平和竖直相移条纹图作为参考；

发光屏（12）逐次显示一组相移条纹图，第三相机（13）同步进行拍摄；移去待测凹凸面自由曲面（11）后再拍一组水平和竖直相移条纹图；拍多组相移条纹图进行平均来消除环境的影响；

步骤D、将拍到的相移条纹图采用计算机处理系统（A3）进行相位展开，计算斜率并恢复波前，根据恢复的待测镜面形信息分析波前像差，获得待测凹凸面自由曲面（11）的高频段面形信息。

3.根据权利要求2所述的小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，其特征在于：

步骤D中，所述计算机处理系统（A3）通过相移算法计算出发光屏（12）各像素位置对应的相位值，对拍到的相移条纹图进行相位展开，得到待测凹凸面自由曲面（11）各部分对应的屏幕像素位置并计算斜率，得到的斜率与理想待测镜的波前斜率进行对比，最后由斜率数据恢复波前，进行像差分析，根据发光屏（12）在世界坐标系下的位姿情况以及发光屏（12）的像素尺寸，将相位值转化为世界坐标值。

4.根据权利要求1所述的小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，其特征在于：所述计算机处理系统（A3）对凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统（A1）处理过程为：

利用中低频信息采集系统（A11）和光瞳图像监视系统（A12）自身系统参数，输入计算机处理系统（A3）的系统建模模块，建立整体检测系统模型；将中低频段像差检测系统中第二相机（10）接收的在焦和离焦图像输入图像采集处理模块，获得波前相位信息，将该相位信息输入波前拟合模块，得到拟合后的离散参数，将该参数输入系统建模模块中，作为优化函数的优化目标；

将光瞳图像监控系统输出的光瞳图像信息输入至系统建模模块中，将光瞳图像监视系统获得的光瞳图像作为参考调节振镜的参数进入振镜调节模块，以便实时进行激光振镜调节，精确控制反射光束完全返回到第二相机（10），通过移动第二相机（10），实现在焦图像以及离焦图像的采集，通过横向平移差异相位恢复算法求解待测区域的面形误差；

调整光路夹持与装调系统（A4）中的Y向导轨（18）与Z向导轨（19），使光束指向新的待测区域且与上一区域保持同一重叠率，并调整激光振镜（6）角度实现光束准直，重复以上检测过程实现新的待测区域面形误差的测量；多次移动Y向导轨（18）与Z向导轨（19）直到覆盖整个待测区域，对测量得到的三维面形误差数据采用匹配拼接SAS法得到整个待测面形的数据。

5.根据权利要求4所述的小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，其特征在于：所述光路夹持与装调系统（A4）包括安装板（17）、Y向导轨（18），Z向导轨（19）， X、Y、Z轴旋转台（21），气浮隔振平台（22），高精度小型位移台（M1），五自由度位移台（M2），调整架（D1）和偏摆、俯仰二维调整架（D2）；

所述中低频信息采集系统（A11）和光瞳图像监视系统（A12）固定安装安装板（17）上，所述安装板（17）固定于Z向导轨（19）的滑块上，随该滑块上下移动或锁紧于Z向导轨（19）的某一位置；Z向导轨（19）的方向与中低频信息采集系统（A11）的激光器（1）出射光方向平行，并垂直固定于气浮隔振平台（22）上；Z向导轨（19）垂直固定于Y向导轨（18）的滑块上，Y向导轨（18）水平固定于气浮隔振平台（22）上， Y向导轨（18）与中低频信息采集系统（A11）的激光器（1）出射光方向垂直；

所述X、Y、Z轴旋转台（21）固定在工装件（20）上；工装件（20）垂直固定于气浮隔振平台（22）上，待测凹凸面自由曲面（11）夹持机构固定在X、Y、Z轴旋转台（21）上，实现待测凹凸面自由曲面（11）绕X、Y、Z方向的旋转。

6.根据权利要求5所述的小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，其特征在于：所述激光器（1）放置在调整架（D1）上，所述调整架（D1）为激光器（1）提供俯仰以及偏摆二个方向的角度自由度；前后调整激光器（1），通过对调整架（D1）进行精密调整，使出射光线为平行光；所述第二相机（10）通过转接元件固定在五自由度位移台（M2）上，转接元件与第二相机（10）以及五自由度位移台（M2）之间采用螺钉连接，通过调节螺钉预应力实现第二相机（10）位姿的微调；前后移动五自由度位移台（M2），实现在大范围内的焦点搜寻以及离焦图像的采集，将采集后的在焦以及离焦图像送入计算机处理系统（A3），获得待测凹凸面自由曲面（11）中低频段的面形。

7.根据权利要求5所述的小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，其特征在于：所述准直缩束光学系统（7）通过螺纹连接固定在偏摆、俯仰二维调整架（D2）上，第一相机（8）采用大像元数小像元尺寸进行高精度光斑分析，实现光路的准直，第一相机（8）通过转接板固定在高精度小型位移台（M1）上，便于调节光路。

8.小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测方法，该方法基于权利要求1-7任意一项所述的小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统实现，该方法由以下步骤实现：

步骤1、对高频段像差检测系统和中低频段像差检测系统进行搭建和装调；

步骤2、采用装调后的高频段像差检测系统和中低频段像差检测系统分别对待测凹凸面自由曲面（11）进行图像信息的采集；

步骤3、采用计算机分别对采集的图像信息进行高频段和中低频段像差进行处理，获得待测凹凸面自由曲面（11）的全面形信息。

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