本發(fā)明涉及光學(xué)自由曲面精密測量技術(shù)，特別是涉及一種大口徑深矢高的光學(xué)自由曲面檢測方法及裝置，屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在光學(xué)系統(tǒng)中，自由曲面元件相對(duì)于球面元件不僅擴(kuò)大了系統(tǒng)的視場角，還改善了成像的質(zhì)量，使其在越來越多的光學(xué)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。但是，無論是制作成本還是加工精度都遠(yuǎn)不能與傳統(tǒng)的非球面相比。面型的精密檢測是制約自由曲面技術(shù)發(fā)展的瓶頸技術(shù)。目前檢測自由曲面的方法主要采用輪廓儀檢測法和哈特曼檢測法，但這些方法的檢測精度較低。

光學(xué)自由曲面的加工分為銑削、研磨、拋光三個(gè)階段，根據(jù)各階段要求精度的不同，分別采用不同的檢測手段。通常，第一階段和第二階段分別使用三坐標(biāo)機(jī)和面形輪廓儀進(jìn)行檢測，第三階段采用接觸式測量。然而，第三階段檢測精度要求最高，經(jīng)過拋光之后的光學(xué)自由曲面對(duì)于測量的超高精度要求以及在檢測過程中必須兼顧測量精度和測量范圍之間的矛盾，使得傳統(tǒng)的接觸式測量已經(jīng)無法達(dá)到要求。

目前，國內(nèi)外對(duì)光學(xué)自由曲面的檢測技術(shù)提出了不同的方法，但都存在一定的問題。英國阿斯頓大學(xué)Fowler等人在傳統(tǒng)焦度計(jì)測量原理的基礎(chǔ)上提出了一種能夠測量自由曲面面型的檢測方法，但該方法測量過程繁瑣，耗時(shí)較長。意大利Castellini等人利用哈特曼地圖法對(duì)漸進(jìn)的自由曲面進(jìn)行測量，用平行的激光光束照明帶孔的哈特曼板或者微透鏡陣列，通過小孔的光線經(jīng)過待測鏡片發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在觀察屏上形成一個(gè)點(diǎn)陣圖，根據(jù)點(diǎn)陣圖的位置差用光線追跡法可計(jì)算出被測自由曲面的像差。有些專家也提出了運(yùn)用CGH(Computer Generated Hologram)作為零位補(bǔ)償器來檢測一個(gè)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的三次位相板，利用計(jì)算全息圖作為零位補(bǔ)償器去檢測光學(xué)自由曲面，省去了復(fù)雜的迭代算法，但是零位CGH與光學(xué)自由曲面存在成本較高，并且當(dāng)被檢面斜率過大時(shí)，CGH位相板加工誤差增大，精度下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)對(duì)非對(duì)稱大尺寸光學(xué)自由曲面的非接觸無損檢測方法存在的問題，提出了一種針對(duì)大口徑、深矢高的光學(xué)自由曲面檢測方法和裝置。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種針對(duì)大口徑深矢高的光學(xué)自由曲面檢測方法及裝置，在考慮局部的自由曲面的精度的同時(shí)也對(duì)整體的精度進(jìn)行測量。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種針對(duì)大口徑深矢高的光學(xué)自由曲面檢測方法，其特征是，該方法包括以下步驟：

步驟一，將ZYGO干涉儀、標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡、光闌、第一分光鏡和第二分光鏡依次同軸放置，第一分光鏡和第二分光鏡傾斜45°；第一零位補(bǔ)償透鏡和被測自由曲面依次同軸放置在第一分光鏡的反射光路上；第二零位補(bǔ)償透鏡、偏振片和液晶空間光調(diào)制器依次同軸設(shè)置在第二分光鏡的反射光路上；ZYGO干涉儀與PC相連；PC與液晶空間光調(diào)制器相連；

步驟二，通過設(shè)計(jì)時(shí)被測自由曲面的公式與STL模型結(jié)合，將被測自由曲面用一系列三角面片離散地近似構(gòu)成三維區(qū)域曲面；通過微積分可以求出各曲面的斜率k₁，k₂,...,k_n，從中心依次取出三角形面片，以δ為閾值，當(dāng)三角形面片區(qū)域曲面的斜率與相鄰三角形面片斜率的偏差為±δ時(shí)，將其融合到與之相鄰的區(qū)域中；元區(qū)域?yàn)镽₀，記錄該區(qū)域的所有三角形編號(hào)為I；繼續(xù)取出其它三角形面片，當(dāng)三角形面片斜率與相鄰三角形面片斜率的偏差大于±δ時(shí)，標(biāo)記該三角形面片區(qū)域?yàn)棰?，重?fù)以上過程實(shí)現(xiàn)區(qū)域生長，直到所有的三角形都被歸入相應(yīng)的區(qū)域Ι,ΙΙ,...；

步驟三，將步驟二中被測自由曲面所劃分的區(qū)域Ι,ΙΙ,...，分別通過已知的被測自由曲面公式對(duì)各個(gè)區(qū)域Ι,ΙΙ,...進(jìn)行計(jì)算，即由高斯公式和澤尼克多項(xiàng)式的公式可以得到各個(gè)區(qū)域Ι,ΙΙ,...的澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)，把澤尼克多項(xiàng)式的系數(shù)取共軛，再將數(shù)據(jù)輸入到Matlab中，通過調(diào)用Matlab中的澤尼克函數(shù)便可繪圖得到八位灰度圖；再對(duì)ZYGO干涉儀的光束進(jìn)行編碼，編碼方式與自由曲面區(qū)域Ι,ΙΙ,...繪制八位灰度方式相對(duì)應(yīng)；通過對(duì)ZYGO干涉儀的光束編碼后可使液晶空間光調(diào)制器對(duì)其相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行測量；當(dāng)PC顯示3-5條穩(wěn)定、清晰的干涉條紋時(shí)，記錄ZYGO干涉儀的測量結(jié)果中的PV值、RMS值和Strehl比值；

步驟四，先計(jì)算擬合后整體被測自由曲面的曲率其中m為被測自由曲面劃分區(qū)域的個(gè)數(shù)；d_i為被測自由曲面第i個(gè)合成區(qū)域的曲率，可通過合成曲率來計(jì)算；A_i為被測自由曲面第i個(gè)的區(qū)域的面積；借助Matlab和已算出的被測自由曲面曲率對(duì)整體被測自由曲面進(jìn)行擬合，并得到相應(yīng)的澤尼克多項(xiàng)式；將澤尼克多項(xiàng)式的系數(shù)取共軛，將數(shù)據(jù)輸入到Matlab中，通過調(diào)用Matlab中的澤尼克函數(shù)便可繪圖得到八位灰度圖；再通過PC與液晶空間光調(diào)制器相連將生成的八位灰度圖顯示在調(diào)制器上，便可實(shí)現(xiàn)光路中對(duì)自由曲面的零位校正；通過觀測ZYGO干涉儀上的PV值、RMS值和Strehl比值，可以得知所檢測的自由曲面是否合格、準(zhǔn)確。

一種針對(duì)大口徑深矢高的光學(xué)自由曲面檢測裝置，該裝置由ZYGO干涉儀、標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡、光闌、第一分光鏡、第二分光鏡、第一零位補(bǔ)償透鏡、第二零位補(bǔ)償透鏡、偏振片、液晶空間光調(diào)制器和PC組成；其特征是，

ZYGO干涉儀、標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡、光闌、第一分光鏡和第二分光鏡依次同軸放置，第一分光鏡和第二分光鏡傾斜45°；第一零位補(bǔ)償透鏡和被測自由曲面依次同軸放置在第一分光鏡的反射光路上；第二零位補(bǔ)償透鏡、偏振片和液晶空間光調(diào)制器依次同軸設(shè)置在第二分光鏡的反射光路上；ZYGO干涉儀與PC相連；PC與液晶空間光調(diào)制器相連。

ZYGO干涉儀發(fā)出的激光入射至標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡上，激光經(jīng)所述標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡透射后經(jīng)過光闌，然后入射至第一分光鏡上，激光經(jīng)所述第一分光鏡分成一束透射光和一束反射光；

經(jīng)過第一分光鏡的反射光入射至第一零位補(bǔ)償透鏡上，光經(jīng)第一零位補(bǔ)償透鏡透射后入射至被測自由曲面上，光經(jīng)被測自由曲面發(fā)射產(chǎn)生測試光，所述測試光經(jīng)第一零位補(bǔ)償透鏡反射后返回至第一分光鏡上；

經(jīng)過分光鏡的透射光入射至第二分光鏡，經(jīng)第二分光鏡反射后入射至第二零位補(bǔ)償透鏡上，經(jīng)第二零位補(bǔ)償透鏡入射至偏振片上，光經(jīng)偏振片透射后入射至液晶空間光調(diào)制器上，光經(jīng)過液晶空間光調(diào)制器相位調(diào)制并反射后獲得參考光，所述參考光經(jīng)過偏轉(zhuǎn)片、零位補(bǔ)償透鏡和第二分光鏡反射后返回至第一分光鏡上；

參考光和測試光干涉形成干涉光，所述干涉光經(jīng)過光闌和標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡透射后，入射到ZYGO干涉儀的成像系統(tǒng)。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明對(duì)ZYGO干涉儀的光束進(jìn)行編碼，與現(xiàn)有子孔徑拼接法測量自由曲面面型的方法相比誤差??；由于子孔徑拼接法測量時(shí)存在移動(dòng)，本發(fā)明測量過程中光學(xué)元件固定不動(dòng)，具有較高的測量精度。

2、本發(fā)明與現(xiàn)有的零位校正、非零位校正和子孔徑拼接等檢測自由曲面面型的方法相比，該方法可以兼顧測量精度和測量范圍，這是現(xiàn)有檢測自由曲面面型方法所做不到的。

3、本發(fā)明基于液晶空間光調(diào)制器檢測自由曲面的方法，可以使檢測效率大大提高；用液晶空間光調(diào)制器代替現(xiàn)有的CGH位相板，大大節(jié)約了成本。

4、本發(fā)明的光路設(shè)計(jì)方式可以大大減小結(jié)構(gòu)空間，具有體積小、便于二次開發(fā)、便于控制等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明將在大型的光學(xué)系統(tǒng)檢測中具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1：本發(fā)明一種針對(duì)大口徑深矢高的光學(xué)自由曲面檢測裝置示意圖。

圖2：本發(fā)明所述自由曲面的區(qū)域劃分示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，一種針對(duì)大口徑深矢高的光學(xué)自由曲面檢測裝置，其是由ZYGO干涉儀1、標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡2、光闌3、第一分光鏡4、第二分光鏡5、第一零位補(bǔ)償透鏡6、第二零位補(bǔ)償透鏡8、偏振片9、液晶空間光調(diào)制器10和PC(計(jì)算機(jī))11組成。

ZYGO干涉儀1、標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡2、光闌3、第一分光鏡4和第二分光鏡5依次同軸設(shè)置，第一分光鏡4和第二分光鏡5傾斜45°放置；第一零位補(bǔ)償透鏡6和被測自由曲面7依次同軸設(shè)置在第一分光鏡4的反射光路上；第二零位補(bǔ)償透鏡8、偏振片9和液晶空間光調(diào)制器10依次同軸設(shè)置在第二分光鏡5的反射光路上；ZYGO干涉儀1與PC 11相連，用于控制ZYGO干涉儀1；PC 11與液晶空間光調(diào)制器10相連，用于將八位灰度圖呈現(xiàn)于液晶空間光調(diào)制器10上。

ZYGO干涉儀1發(fā)出的632.8nm的激光入射至標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡2上，激光經(jīng)所述標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡2透射后經(jīng)過光闌3，然后入射至第一分光鏡4上，激光經(jīng)所述第一分光鏡4分成一束透射光和一束反射光。

經(jīng)過第一分光鏡4的反射光入射至第一零位補(bǔ)償透鏡6上，光經(jīng)第一零位補(bǔ)償透鏡6透射后入射至被測自由曲面7上，經(jīng)被測自由曲面7反射產(chǎn)生測試光，所述測試光經(jīng)第一零位補(bǔ)償透鏡6反射后返回至第一分光鏡4上。

經(jīng)過第一分光鏡4的透射光入射至第二分光鏡5，經(jīng)第二分光鏡5反射后入射至第二零位補(bǔ)償透鏡8上，經(jīng)第二零位補(bǔ)償透鏡8上入射至偏振片9上，光經(jīng)偏振片9透射后入射至液晶空間光調(diào)制器10上，光經(jīng)過液晶空間光調(diào)制器10相位調(diào)制并反射后獲得參考光，所述參考光經(jīng)過偏轉(zhuǎn)片9、零位補(bǔ)償透鏡8和第二分光鏡5反射后返回至第一分光鏡4上。

參考光和測試光干涉形成干涉光，所述干涉光經(jīng)過光闌3和標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡2透射后，入射到ZYGO干涉儀1的成像系統(tǒng)。

本發(fā)明述針對(duì)大口徑深矢高的光學(xué)自由曲面檢測方法，基于上述針對(duì)大口徑深矢高的自由曲面檢測裝置，該方法包括以下步驟：

步驟一，將ZYGO干涉儀1、標(biāo)準(zhǔn)平面參考鏡2、光闌3、第一分光鏡4和第二分光鏡5依次同軸設(shè)置，第一分光鏡4和第二分光鏡5傾斜45°放置；第一零位補(bǔ)償透鏡6和被測自由曲面7依次同軸設(shè)置在第一分光鏡4的反射光路上；第二零位補(bǔ)償透鏡8、偏振片9和液晶空間光調(diào)制器10依次同軸設(shè)置在第二分光鏡5的反射光路上；ZYGO干涉儀1與PC 11相連，用于控制ZYGO干涉儀1；PC 11與液晶空間光調(diào)制器10相連，用于將八位灰度圖呈現(xiàn)于液晶空間光調(diào)制器10上。

步驟二，通過設(shè)計(jì)時(shí)被測自由曲面7的公式與STL模型結(jié)合，將被測自由曲面7用一系列三角面片離散地近似構(gòu)成三維區(qū)域曲面。通過微積分可以求出各曲面的斜率k₁，k₂,...,k_n，從中心依次取出三角形面片，以δ為閾值，當(dāng)三角形面片區(qū)域曲面的斜率與相鄰三角形面片斜率的偏差為±δ時(shí)，將其融合到與之相鄰的區(qū)域中。元區(qū)域?yàn)镽₀，最后擴(kuò)展為如圖2所示粗黑線框邊界所圍成的區(qū)域，記錄該區(qū)域的所有三角形編號(hào)為I。繼續(xù)取出其它三角形面片，當(dāng)三角形面片斜率與相鄰三角形面片斜率的偏差大于±δ時(shí)，標(biāo)記該三角形面片區(qū)域?yàn)棰?，重?fù)以上過程實(shí)現(xiàn)區(qū)域生長，直到所有的三角形都被歸入相應(yīng)的區(qū)域Ι,ΙΙ,...。圖2中假設(shè)被分為三個(gè)區(qū)域標(biāo)記為I、Ⅱ、Ш。

步驟三，將步驟一中被測自由曲面7所劃分的區(qū)域Ι,ΙΙ,...，分別通過已知的被測自由曲面7公式對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行被測自由曲面7的局部計(jì)算，即由高斯公式和澤尼克多項(xiàng)式的公式可以得到各個(gè)區(qū)域Ι,ΙΙ,...的澤尼克多項(xiàng)式系數(shù)，把澤尼克多項(xiàng)式的系數(shù)取共軛，再將數(shù)據(jù)輸入到Matlab中，通過調(diào)用Matlab中的澤尼克函數(shù)便可繪圖得到八位灰度圖。再對(duì)ZYGO干涉儀1的光束進(jìn)行編碼，編碼方式與自由曲面區(qū)域Ι,ΙΙ,...繪制八位灰度方式相對(duì)應(yīng)。通過對(duì)ZYGO干涉儀1的光束編碼后可使液晶空間光調(diào)制器10對(duì)其相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行測量。由于對(duì)ZYGO干涉儀1的光束進(jìn)行編碼，使得相鄰的自由曲面區(qū)域Ι,ΙΙ,...不會(huì)互相干擾。當(dāng)PC 11顯示3-5條穩(wěn)定、清晰的干涉條紋時(shí)，記錄ZYGO干涉儀1的測量結(jié)果中的PV值、RMS值和Strehl比值。

步驟四，先計(jì)算擬合后整體被測自由曲面7的曲率其中m為被測自由曲面7劃分區(qū)域的個(gè)數(shù)；d_i為被測自由曲面7第i個(gè)合成區(qū)域的曲率，可通過合成曲率來計(jì)算；A_i為被測自由曲面7第i個(gè)的區(qū)域的面積。借助Matlab和已算出的被測自由曲面7曲率對(duì)整體光學(xué)被測自由曲面7進(jìn)行擬合，并得到相應(yīng)的澤尼克多項(xiàng)式。將澤尼克多項(xiàng)式的系數(shù)取共軛，將數(shù)據(jù)輸入到Matlab中，通過調(diào)用Matlab中的澤尼克函數(shù)便可繪圖得到八位灰度圖。再通過PC 11與液晶空間光調(diào)制器10相連將生成的八位灰度圖顯示在調(diào)制器上，便可實(shí)現(xiàn)光路中對(duì)自由曲面的零位校正。為了觀測自由曲面校正是否準(zhǔn)確，將液晶空間光調(diào)制器10與PC 11相連，ZYGO干涉儀1與PC 11相連。通過觀測ZYGO干涉儀上的PV值、RMS值和Strehl比值可以得知所檢測的自由曲面是否合格、準(zhǔn)確。