本發(fā)明涉及光學(xué)自由曲面精密測(cè)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(cè)方法及裝置，屬于光學(xué)測(cè)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(chǎng)角，還改善了成像的質(zhì)量，使其在越來(lái)越多的光學(xué)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。但是，無(wú)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(cè)是制約自由曲面技術(shù)發(fā)展的瓶頸技術(shù)。目前檢測(cè)自由曲面的方法主要采用輪廓儀檢測(cè)法和哈特曼檢測(cè)法，但這些方法的檢測(cè)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(cè)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(cè)，第三階段采用接觸式測(cè)量。然而，第三階段檢測(cè)精度要求最高，經(jīng)過(guò)拋光之后的光學(xué)自由曲面對(duì)于測(cè)量的超高精度要求以及在檢測(cè)過(guò)程中必須兼顧測(cè)量精度和測(cè)量范圍之間的矛盾，使得傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量已經(jīng)無(wú)法達(dá)到要求。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)光學(xué)自由曲面的檢測(cè)技術(shù)提出了不同的方法，但都存在一定的問(wèn)題。英國(guó)阿斯頓大學(xué)Fowler等人在傳統(tǒng)焦度計(jì)測(cè)量原理的基礎(chǔ)上提出了一種能夠測(cè)量自由曲面面型的檢測(cè)方法，但該方法測(cè)量過(guò)程繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)。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(cè)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(guò)小孔的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)待測(cè)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(xiàn)追跡法可計(jì)算出被測(cè)自由曲面的像差。有些專(zhuān)家也提出了運(yùn)用CGH(Computer Generated Hologram)作為零位補(bǔ)償器來(lái)檢測(cè)一個(gè)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)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(cè)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(guò)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(chēng)大尺寸光學(xué)自由曲面的非接觸無(wú)損檢測(cè)方法存在的問(wèn)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(guò)設(shè)計(jì)時(shí)被測(cè)自由曲面的公式與STL模型結(jié)合，將被測(cè)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(guò)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(guò)程實(shí)現(xiàn)區(qū)域生長(zhǎng)，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(cè)自由曲面所劃分的區(qū)域Ι,ΙΙ,...，分別通過(guò)已知的被測(cè)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(guò)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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)自由曲面的曲率其中m為被測(cè)自由曲面劃分區(qū)域的個(gè)數(shù)；d_i為被測(cè)自由曲面第i個(gè)合成區(qū)域的曲率，可通過(guò)合成曲率來(lái)計(jì)算；A_i為被測(cè)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(cè)自由曲面曲率對(duì)整體被測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)觀測(cè)ZYGO干涉儀上的PV值、RMS值和Strehl比值，可以得知所檢測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(guò)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(cè)自由曲面上，光經(jīng)被測(cè)自由曲面發(fā)射產(chǎn)生測(cè)試光，所述測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)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(cè)試光干涉形成干涉光，所述干涉光經(jīng)過(guò)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(cè)量自由曲面面型的方法相比誤差??；由于子孔徑拼接法測(cè)量時(shí)存在移動(dòng)，本發(fā)明測(cè)量過(guò)程中光學(xué)元件固定不動(dòng)，具有較高的測(cè)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(cè)自由曲面面型的方法相比，該方法可以兼顧測(cè)量精度和測(cè)量范圍，這是現(xiàn)有檢測(cè)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(cè)自由曲面的方法，可以使檢測(cè)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(kāi)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(cè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)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(cè)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(shuō)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(cè)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(cè)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(guò)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(guò)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(cè)自由曲面7上，經(jīng)被測(cè)自由曲面7反射產(chǎn)生測(cè)試光，所述測(cè)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(guò)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(guò)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(guò)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(cè)試光干涉形成干涉光，所述干涉光經(jīng)過(guò)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(cè)方法，基于上述針對(duì)大口徑深矢高的自由曲面檢測(cè)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(cè)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(guò)設(shè)計(jì)時(shí)被測(cè)自由曲面7的公式與STL模型結(jié)合，將被測(cè)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(guò)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(xiàn)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)棰颍貜?fù)以上過(guò)程實(shí)現(xiàn)區(qū)域生長(zhǎng)，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(cè)自由曲面7所劃分的區(qū)域Ι,ΙΙ,...，分別通過(guò)已知的被測(cè)自由曲面7公式對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行被測(cè)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(guò)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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)自由曲面7的曲率其中m為被測(cè)自由曲面7劃分區(qū)域的個(gè)數(shù)；d_i為被測(cè)自由曲面7第i個(gè)合成區(qū)域的曲率，可通過(guò)合成曲率來(lái)計(jì)算；A_i為被測(cè)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(cè)自由曲面7曲率對(duì)整體光學(xué)被測(cè)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(guò)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(guò)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(cè)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(guò)觀測(cè)ZYGO干涉儀上的PV值、RMS值和Strehl比值可以得知所檢測(cè)的自由曲面是否合格、準(zhǔn)確。