CN116577931B - 基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学元件拼接检测技术领域，尤其涉及一种基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法，包括如下步骤：S1、基于待检镜的面形参数设计并制作球面测试板；S2、对球面测试板与待检镜进行子孔径规划；S3、对球面测试板的面形进行检测，并对检测的面形进行数据处理；S4、对干涉仪的仪器传递函数的标定；S5、对待检镜进行子孔径拼接检测，并基于仪器传递函数的标定结果，对子孔径拼接的重叠区域的权重进行调整。本发明采用球面测试板对干涉仪的仪器传递函数进行标定，并根据标定结果对子孔径拼接的重叠区域的权重进行调整，实现面形的精确检测。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件拼接检测技术领域，尤其涉及一种基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法。
背景技术
近些年来，随着大口径光学系统在军事侦察、天文光学、空间科学研究等高科技领域中的广泛应用，以及基础制造水平的高速发展，大口径光学元件的加工、制造技术水平有了很大的进步，使大口径光学系统实现了提高空间分辨率、集光能力、信噪比以及增大视场等技术目标，向着更高精度、更大口径的方向发展。为了保证光学系统有良好的性能指标，必须对其核心部件——大口径光学元件的面形进行检测。
子孔径拼接干涉检测作为一种有效的光学检测技术，因其具有拓展干涉仪的横向和纵向动态范围；无需其它辅助元件即可实现对大口径平面、球面、非球面的面形检测；成本低、分辨率高等优势对各个领域的检测应用研究有着十分重要的意义。
然而，由于光学元件本身的表面缺陷和实际加工过程中在元件表面残留的制造残差，会导致光学元件表面矢高的物理分布与光学设计理论面形存在不同程度的偏差，这些偏差在空间分布上体现为不同的空间频率。其中，低频段的误差来源于系统装调和镜面因制造残留的缓变误差，一般描述为系统的波像差，主要影响高分辨率成像系统的极限分辨率，同时由于低频误差的非对称性，使像面各方向差异较大，对系统分辨率存在较大影响，通常使用波前梯度均方根对其进行评价。中频段的误差会降低图像的对比度，并且由于小角度散射导致的能量均化导致表面平均能量减小，在像面产生鬼像、耀斑等问题，降低成像质量，通常使用波前功率谱密度进行评价。
而这些参数均需通过检测得到的波面结果计算获得，这就要求干涉仪具有良好的传递性能。在子孔径拼接仪进行检测过程中，检测区域由中心到边缘，对中高频信息的检测的准确度会逐渐降低，即仪器传递函数曲线在中高频区域会发生衰减，使得中高空间频率的面形特征模糊，因此边缘区域的检测结果会发生偏差。对高陡度球面或非球面镜而言，边缘区域的检测偏差尤其明显。
因此，在高陡度球面或非球面镜进行拼接检测时，简单的采取加权平均的方式处理重叠区域数据，并不能有效的对中高频信息进行保存，将会导致面形检测出现偏差。
发明内容
鉴于针对高陡度球面或非球面拼接检测过程中，边缘区域中高频检测信息质量较差的问题，本发明提出一种基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法，对子孔径拼接检测过程中的重叠区域加权权重进行调整，实现面形的精确检测。
本发明提供的基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法，包括如下步骤：
S1、基于待检镜的面形参数设计并制作球面测试板；其中，待检镜为高陡度球面镜或高陡度非球面镜；
S2、对球面测试板与待检镜进行子孔径规划；
S3、对球面测试板的面形进行检测，并对检测的面形进行数据处理；其中，对球面测试板的每个台阶进行采样，将台阶轮廓线绘制在散点图中，并取平均值作为台阶的实测轮廓；将台阶函数表示为阶跃函数，并将阶跃函数周期性延拓为方波函数；
S4、选取合适的窗函数对每个台阶的采样数据进行加窗；再对方波函数进行傅里叶变换，得到实测面形的功率谱密度，将实测面形的功率谱密度与理想面形的功率谱密度相比，得到球面测试板的每个台阶处的仪器传递函数，实现对干涉仪的仪器传递函数的标定；
S5、对待检镜进行子孔径拼接检测，并基于仪器传递函数的标定结果，对子孔径拼接的重叠区域的权重进行调整。
优选地，步骤S1具体包括如下步骤：
S11、基于待检镜的面形参数确定球面测试板的面形参数；其中，球面测试板的面形参数包括口径和曲率半径；
S12、确定球面测试板的表面结构为环形台阶，基于干涉仪的参数及后续采样分析要求计算环形台阶的间距；
S13、基于球面测试板的面形参数及环形台阶的间距，采用超精密车削方式进行加工，形成带有环形台阶的球面测试板。
优选地，在步骤S11中，当待检镜为高陡度球面镜时，球面测试板的口径及曲率半径与高陡度球面镜的口径及曲率半径保持一致；当待检镜为高陡度非球面镜时，先对高陡度非球面镜进行离散化取值获得离散化数据，再对离散化数据进行求解获得最接近球面参数，最后根据最接近球面参数确定球面测试板的口径及曲率半径。
优选地，在步骤S12中，基于干涉仪计算环形台阶的间距的步骤如下：
S121、计算干涉仪的像元尺寸，通过干涉仪的像素数以及检测光束的口径，计算单位像素对应的实际距离，环形台阶的间距需保证台阶两侧具有足够的像素数以便进行后期采样分析；
S122、根据干涉成像像差理论，通过仿真球面测试板的检测光路，计算球面测试板的台阶在干涉仪CCD成像面上的离焦量及成像时的影响域；
S123、根据影响域的大小，确定环形台阶的间距的合理性。
优选地，在步骤S5中，在对待检镜进行子孔径拼接检测时，对检测数据进行非共路误差消除、畸变校正、全局坐标统一以及拼接系数计算。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明采用球面测试板对干涉仪的仪器传递函数进行标定，并根据标定结果对子孔径拼接的重叠区域的权重进行调整，实现面形的精确检测。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法的流程示意图；
图2是根据本发明实施例提供的球面测试板的结构示意图；
图3是根据本发明实施例提供的球面测试板与待检镜的子孔径规划示意图；
图4是根据本发明实施例提供的干涉仪的检测光路示意图；
图5是根据本发明实施例提供的周期性延拓示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法的流程。
如图1所示，本发明实施例提供的基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法，包括如下步骤：
S1、基于待检镜的面形参数设计并制作球面测试板；其中，待检镜为高陡度球面镜或高陡度非球面镜。
本发明需要根据对待检镜拼接检测的需求，对球面测试板进行规划设计，选取合适的台阶结构。
步骤S1具体包括如下步骤：
S11、基于待检镜的面形参数确定球面测试板的面形参数；其中，球面测试板的面形参数包括口径和曲率半径。
在检测待检镜时，需根据待检镜的面形参数选取合适F数的球面标准镜，而不同F数的球面标准镜会对干涉仪的仪器传递函数产生一定影响，因此球面测试板的面形参数需根据待检镜的面形进行确定。对于高陡度球面镜，球面测试板的口径与曲率半径应与其保持一致；对于高陡度非球面镜，先对高陡度非球面镜进行离散化取值获得离散化数据，随后对离散化数据进行最接近球面求解，根据最接近球面参数，确定球面测试板的口径与曲率半径。
S12、确定球面测试板的表面结构为环形台阶，基于干涉仪的参数及后续采样分析要求计算环形台阶的间距。
在选取球面测试板的表面结构时，根据不同空间频率台阶阵列板以及标准台阶测试板的可实现程度，选取标准台阶结构进行设计。使用超精密车削的方式对球面测试板进行加工，结合车削轨迹及球面测试板的面形特点，环形台阶结构既可以保证加工质量，又可以降低加工难度。
在确定球面测试板的表面结构后，需对环形台阶的间距进行设计。本发明通过干涉仪的参数及后续采样分析要求计算环形台阶的间距，具体包括如下步骤：
S121、计算干涉仪的像元尺寸，通过干涉仪的像素数以及检测光束的口径，计算单位像素对应的实际距离，环形台阶的间距保证台阶两侧具有足够的像素数以便进行后续采样分析。
单位像素对应的实际距离是指干涉仪成像的单位像素在实际待检镜上对应的区域大小。
在后续采样分析时，需采集足够的像素数进行分析，所以需要通过单位像素对应的实际距离乘以采样像素的数量得到采样对应的实际距离，让设计的台阶间距大于该采样区域对应的实际距离。
S122、根据干涉成像像差理论，通过仿真球面测试板的检测光路（如图4所示），计算球面测试板的台阶在干涉仪CCD成像面上的离焦量及成像时的影响域。
其中，为影响域，Z为离焦量，n为周期数。
S123、根据影响域的大小，确定环形台阶的间距的合理性。
在干涉仪检测时，台阶切面处的检测结果并不是锐利的台阶面形，由于衍射效应的影响，台阶相位会存在震荡区域，此震荡区域亦被称作影响域，影响域的检测数据并不能真实的反映台阶面形，因此采样区域需远大于影响域，以此降低影响域对后续数据分析的影响。
S13、基于球面测试板的面形参数及环形台阶的间距，采用超精密车削方式进行加工，形成带有环形台阶的球面测试板。
使用超精密车削的方式对球面测试板表面的台阶结构进行加工，与传统十字台阶结构和单一台阶结构相比，环形台阶结构更符合球面测试板的特征以及超精密车削的加工轨迹，在实现台阶结构的同时，也进一步降低了加工难度，加工后的球面测试板如图2所示。
S2、对球面测试板与待检镜进行子孔径规划。
为避免不同球面标准镜给仪器传递函数的计算带来误差，选取同拼接检测待检镜相同的球面标准镜，即参数符合的球面标准镜，其中，/>为球面标准镜的F数，/>为球面测试板的半径，f为球面标准镜的焦距，D为球面标准镜的口径，R为球面测试板的曲率半径，d为球面测试板的口径。
根据各相邻子孔径之间的重叠区域面积大于子孔径面积的1/4、规划子孔径实现对待检镜的全口径覆盖等子孔径规划的原则，对球面测试板及待检镜进行子孔径规划，且二者的子孔径规划一致，如图3所示。
在进行子孔径检测时，相邻子孔径之间需要有重叠区域，即子孔径的检测范围需要有一个交叉，这个交叉区域的面积要大于子孔径本身面积的1/4。
S3、对球面测试板的面形进行检测，并对检测的面形进行数据处理；其中，对球面测试板的每个台阶进行采样，将台阶轮廓线绘制在散点图中，并取平均值作为台阶的实测轮廓；为消除由于台阶有限宽度而引起的误差，在数学上将台阶函数表示为阶跃函数，并将阶跃函数周期性延拓为方波函数。
在球面测试板设计加工后，选取合适F数的标准镜对球面测试板进行面形检测，并对检测面形进行数据处理。对同一台阶进行多次采样，并将其台阶轮廓绘制到散点图中，进行平均处理，将所得结果作为球面台阶测试板在该处台阶的实测轮廓，以降低加工检测过程中偶然性误差产生的影响。
同时为了消除有限台阶宽度所带来的边缘效应在仪器传递函数计算中的影响，采取周期性延拓的方法（如图5所示，-x0和x0为单个台阶的坐标），将台阶函数表示为阶跃函数，并延拓为方波函数：
其中，k为延拓的周期数。
S4、选取合适的窗函数对每个台阶的采样数据进行加窗；再对方波函数进行傅里叶变换，得到实测面形的功率谱密度，将实测面形的功率谱密度与理想面形的功率谱密度相比，得到球面测试板的每个台阶处的仪器传递函数，实现对干涉仪的仪器传递函数的标定。
球面测试板的每个台阶处的仪器传递函数：
其中，表示每个台阶处的仪器传递函数，/>表示实测面形的功率谱密度，/>表示理想面形的功率谱密度。
窗函数需要最大可能保证能量集中于主瓣旁瓣，并且尽可能地使其旁瓣的高度最小，从而减小旁瓣的泄露；同时也要尽量保证主瓣宽度最窄，这样就可保证在产生平滑作用的同时不至于降低分辨率。海明窗和汉宁窗具有较小的旁瓣值和较大的衰减速度，虽然主瓣较宽，但在窗函数实际应用中利用率很高。目前综合考虑频域中主瓣频率宽度及旁瓣高度后，对时域数据加汉宁窗是较为理想的处理方法。
S5、对待检镜进行子孔径拼接检测，并基于仪器传递函数的标定结果，对子孔径拼接的重叠区域的权重进行调整。
在对待检镜进行子孔径拼接检测时，对检测数据进行非共路误差消除、畸变校正、全局坐标统一以及拼接系数计算。
非共路误差消除等一系列操作是子孔径拼接检测的算法操作，作用是使各个子孔径检测结果更好的拼接，呈现出待检镜的整体面形结果。
如图3所示，在相邻子孔径拼接的重叠区域进行处理时， a点的检测数据共有两组，分别为中心子孔径的边缘检测数据以及边缘子孔径的中心检测数据，根据仪器传递函数的标定结果，对重叠区域的权重进行调整，实现面形的精确检测。
重叠区域是子孔径规划检测时重复检测的区域，重叠区域可能在第一个子孔径里位于检测边缘，在第二个子孔径里位于中心检测区域。
随着检测区域从中心到边缘的推移，仪器传递函数会发生衰减，检测区域越靠近检测孔径边缘，仪器传递函数的衰减程度越重，即检测到的中高频信息就越少。因此在进行重叠区域信息处理时，根据每个子孔径在此处的仪器传递函数的衰减程度，决定每个子孔径在此处的信息取值比重，衰减越轻，信息比重越高。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基于待检镜的面形参数设计并制作球面测试板；其中，所述待检镜为高陡度球面镜或高陡度非球面镜；
步骤S1具体包括如下步骤：
S11、基于待检镜的面形参数确定球面测试板的面形参数；其中，所述球面测试板的面形参数包括口径和曲率半径；
S12、确定所述球面测试板的表面结构为环形台阶，基于干涉仪的参数及采样分析要求计算所述环形台阶的间距；
S13、基于所述球面测试板的面形参数及所述环形台阶的间距，采用超精密车削方式进行加工，形成带有环形台阶的球面测试板；
S2、对所述球面测试板与所述待检镜进行子孔径规划；
S3、对所述球面测试板的面形进行检测，并对检测的面形进行数据处理；其中，对球面测试板的每个台阶进行采样，将台阶轮廓线绘制在散点图中，并取平均值作为台阶的实测轮廓；将台阶函数表示为阶跃函数，并将阶跃函数周期性延拓为方波函数；
S4、选取窗函数对每个台阶的采样数据进行加窗；再对所述方波函数进行傅里叶变换，得到实测面形的功率谱密度，将所述实测面形的功率谱密度与理想面形的功率谱密度相比，得到所述球面测试板的每个台阶处的仪器传递函数，实现对干涉仪的仪器传递函数的标定；
S5、对所述待检镜进行子孔径拼接检测，并基于所述仪器传递函数的标定结果，对子孔径拼接的重叠区域的权重进行调整；
在进行重叠区域信息处理时，根据每个子孔径在此处的仪器传递函数的衰减程度，决定每个子孔径在此处的信息权重，衰减越轻，权重越高。
2.根据权利要求1所述的基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法，其特征在于，在步骤S11中，当待检镜为高陡度球面镜时，所述球面测试板的口径及曲率半径与所述高陡度球面镜的口径及曲率半径保持一致；当待检镜为高陡度非球面镜时，先对所述高陡度非球面镜进行离散化取值获得离散化数据，再对所述离散化数据进行求解获得最接近球面参数，最后根据所述最接近球面参数确定所述球面测试板的口径及曲率半径。
3.根据权利要求1所述的基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法，其特征在于，在步骤S12中，基于干涉仪的参数及采样分析要求计算所述环形台阶的间距的步骤如下：
S121、计算干涉仪的像元尺寸，通过干涉仪的像素数以及检测光束的口径，计算单位像素对应的实际距离，环形台阶的间距需保证台阶两侧的像素数足以进行采样分析；
S122、根据干涉成像像差理论，通过仿真所述球面测试板的检测光路，计算所述球面测试板的台阶在干涉仪CCD成像面上的离焦量及成像时的影响域；
S123、根据所述影响域的大小，确定环形台阶的间距的合理性。
4.根据权利要求1所述的基于仪器传递函数的光学元件拼接检测方法，其特征在于，在步骤S5中，在对所述待检镜进行子孔径拼接检测时，对检测数据进行非共路误差消除、畸变校正、全局坐标统一以及拼接系数计算。
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