本發(fā)明涉及光學(xué)波前檢測的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于聯(lián)合探測和相位擬合的波前檢測儀。

背景技術(shù)：

隨著光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率提高，傳統(tǒng)幾何像差、光學(xué)傳遞函數(shù)和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)等已經(jīng)無法滿足高分辨率光學(xué)成像系統(tǒng)像差描述的需求，波像差成為評價(jià)高精度光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量更嚴(yán)格的評價(jià)手段。同時(shí)，高精度波前檢測對于光學(xué)系統(tǒng)超精密裝調(diào)、光束質(zhì)量診斷以及大口徑光學(xué)加工等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。

隨著波前檢測技術(shù)的發(fā)展，各種波前檢測儀應(yīng)運(yùn)而生。從檢測原理上可以分成兩類：一類是根據(jù)幾何光學(xué)原理，測定波前幾何象差或面形誤差，包含有哈特曼一夏克(hartmann-shack)波前檢測儀；另一類是基于干涉檢測原理，檢測波前不同部分的干涉性以獲取波前信息，包含有相位差波前檢測儀。

盡管上述哈特曼波前檢測儀的檢測范圍可以根據(jù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是哈特曼波前傳感器的檢測誤差會隨著波前檢測范圍的增大而增大；而相位差波前檢測儀雖然可省去標(biāo)準(zhǔn)的參考光學(xué)表面，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，具有較高的檢測靈敏度和精度，但是，其對檢測環(huán)境較為敏感，受限于動態(tài)檢測范圍。

可見，不管是哈特曼波前檢測儀還是相位差波前檢測儀均無法滿足用戶對被測波面誤差進(jìn)行大動態(tài)范圍檢測和高精度檢測的雙重需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有波前檢測設(shè)備不能無法同時(shí)滿足用戶對被測波面誤差進(jìn)行大動態(tài)范圍檢測和高精度檢測的雙重需求，提供一種基于聯(lián)合探測和相位擬合的波前檢測儀，實(shí)現(xiàn)大動態(tài)范圍內(nèi)高精度檢測波前。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于聯(lián)合探測和相位擬合的波前檢測儀，該波前檢測儀包括哈特曼波前傳感器、相位差波前傳感器、波前復(fù)原控制器和波前擬合器；通過第一光路將哈特曼波前傳感器、波前復(fù)原控制器和波前擬合器依次連接，形成第一檢測鏈路；通過第二光路將相位差波前傳感器、波前復(fù)原控制器和波前擬合器依次連接，形成第二檢測鏈路；該波前檢測儀分為三步工作：

第一步：利用哈特曼波前傳感器具備大動態(tài)范圍檢測波前的特性，對被測波前進(jìn)行波前檢測，波前復(fù)原控制器根據(jù)哈特曼波前傳感器對被測波前檢測的結(jié)果控制波前擬合器進(jìn)行空間迭代擬合處理，以使得波前擬合器處理得到的第一擬合殘差等于第一穩(wěn)定值的第一穩(wěn)定擬合面；

第二步：利用相位差波前傳感器具有高精度檢測小波前誤差的特性，對被測波前和第一穩(wěn)定擬合面疊加后的第一擬合殘差進(jìn)行波前檢測；波前復(fù)原控制器根據(jù)相位差波前傳感器對第一擬合殘差檢測的結(jié)果控制波前擬合器進(jìn)行空間迭代擬合處理，以使得波前擬合器處理得到的第二擬合殘差等于第二穩(wěn)定值的第二穩(wěn)定擬合面；

第三步：波前復(fù)原控制器對第二穩(wěn)定擬合面進(jìn)行取反處理，從而實(shí)現(xiàn)大動態(tài)范圍內(nèi)高精度檢測被測波前。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

哈特曼波前檢測儀的檢測范圍可以根據(jù)系統(tǒng)的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是哈特曼波前傳感器的檢測誤差會隨著波前檢測范圍的增大而增大；而相位差波前檢測儀雖然可省去標(biāo)準(zhǔn)的參考光學(xué)表面，結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，具有較高的檢測靈敏度和精度，但是，其對檢測環(huán)境較為敏感，受限于動態(tài)檢測范圍。均無法滿足用戶對被測波面誤差進(jìn)行大動態(tài)范圍檢測和高精度檢測的雙重需求。本發(fā)明利用波前復(fù)原控制器通過波前擬合器將哈特曼波前傳感器和相位差波前傳感器結(jié)合起來，在實(shí)現(xiàn)大動態(tài)范圍波前檢測的同時(shí)滿足高精度檢測的需求，實(shí)用性較佳。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實(shí)施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例中的第一檢測鏈路閉環(huán)工作示意圖；

圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例中的第二檢測鏈路閉環(huán)工作示意圖；

圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種基于聯(lián)合探測和相位擬合的波前檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例中的基于相位差法的點(diǎn)目標(biāo)重建實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

主要元件符號說明：1為被測波前；2為波前擬合器；3為第一擬合殘差；4為哈特曼波前傳感器；5為相位差波前傳感器；6為波前復(fù)原控制器；7為第二擬合殘差；8為第一穩(wěn)定擬合面；9為第二穩(wěn)定擬合面；10為反射鏡；11為分光鏡；12為被測件；13為共軛面匹配單元。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實(shí)施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計(jì)。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實(shí)施例。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

用于天文觀測的大口徑光電望遠(yuǎn)鏡的主鏡口徑直接決定著系統(tǒng)的集光能力和分辨力，因此主鏡的加工和檢測是大口徑光電望遠(yuǎn)鏡的核心技術(shù)之一。通常主鏡的加工和檢測過程分為細(xì)磨成型、拋光和精度提升三個(gè)階段，主鏡面型誤差從20微米下降到1微米和0.05微米，受到光學(xué)檢測設(shè)備的性能限制(主要是動態(tài)范圍和精度的限制)，每個(gè)階段需要采用不同的檢測方法，即跟蹤儀檢測、紅外干涉儀檢測和可見光干涉儀檢測。由于主鏡的單個(gè)“加工-檢測”的周期直接決定和主鏡的加工時(shí)間。目前的多段檢測方案在加工過程中需要更換檢測設(shè)備、調(diào)試和工裝復(fù)雜，會嚴(yán)重影響主鏡的加工周期。

如圖1-2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于聯(lián)合探測和相位擬合的波前檢測儀，該波前檢測儀包括哈特曼波前傳感器4、相位差波前傳感器5、波前復(fù)原控制器6和波前擬合器2；通過第一光路將哈特曼波前傳感器4、波前復(fù)原控制器6和波前擬合器2依次連接，形成第一檢測鏈路；通過第二光路將相位差波前傳感器5、波前復(fù)原控制器6和波前擬合器2依次連接，形成第二檢測鏈路；該波前檢測儀分為三步工作：

第一步：利用哈特曼波前傳感器4具備大動態(tài)范圍檢測波前的特性，對被測波前1進(jìn)行波前檢測，波前復(fù)原控制器6根據(jù)哈特曼波前傳感器4對被測波前1檢測的結(jié)果控制波前擬合器2進(jìn)行空間迭代擬合處理，以使得波前擬合器2處理得到的第一擬合殘差3等于第一穩(wěn)定值的第一穩(wěn)定擬合面8；

第二步：利用相位差波前傳感器5具有高精度檢測小波前誤差的特性，對被測波前1和第一穩(wěn)定擬合面8疊加后的第一擬合殘差3進(jìn)行波前檢測；波前復(fù)原控制器6根據(jù)相位差波前傳感器5對第一擬合殘差3檢測的結(jié)果控制波前擬合器2進(jìn)行空間迭代擬合處理，以使得波前擬合器2處理得到的第二擬合殘差7等于第二穩(wěn)定值的第二穩(wěn)定擬合面9；

第三步：波前復(fù)原控制器6對第二穩(wěn)定擬合面9進(jìn)行取反處理，從而實(shí)現(xiàn)大動態(tài)范圍內(nèi)高精度檢測被測波前1。

只采用單套儀器就可以實(shí)現(xiàn)對從主鏡細(xì)磨到拋光再到精度提升的整個(gè)過程進(jìn)行全面檢測，是大口徑主鏡加工的需求，本實(shí)施方案通過結(jié)合哈特曼波前傳感器、相位差波前傳感器以及液晶波前擬合器，實(shí)現(xiàn)了的一種新型檢測設(shè)備，如圖3所示。點(diǎn)源激光器出射光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直后形成平行光，平行光經(jīng)起偏器后形成線偏振光入射到被側(cè)面上，被側(cè)面的反射波前經(jīng)波前擬合器反射后分別進(jìn)入哈特曼波前傳感器和相位差波前傳感器中。其中，通過兩套共軛面匹配單元使得被測面、波前擬合器、哈特曼波前傳感器和相位差波前傳感器處的波前均處與共軛位置。

哈特曼波前傳感器的測量范圍可以根據(jù)系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)，但是哈特曼波前傳感器的測量誤差會隨著波前測量范圍的增大而增大，因此哈特曼波前傳感器可以作為保證系統(tǒng)動態(tài)范圍的第一級使用；而相位差波前傳感器雖然受限于動態(tài)范圍，但由于其采集的數(shù)據(jù)中所包含的較多信息量，具有較高的探測靈敏度和精度，從圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知通過迭代校正的方式，其測量精度可以達(dá)到λ/100以上。

本實(shí)施例系統(tǒng)工作分為標(biāo)定階段和測量階段。其中，標(biāo)定階段主要是標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)和系統(tǒng)像差；而測量階段是在標(biāo)定的基礎(chǔ)上完成被測件面型的測量。

標(biāo)定階段分為兩步：

第一步標(biāo)定系統(tǒng)參數(shù)：通過絕對球面波標(biāo)定的方法，對哈特曼傳感器的物理參數(shù)進(jìn)行標(biāo)校。其基本原理是通過點(diǎn)光源產(chǎn)生理想的球面波，并且通過哈特曼傳感器對該點(diǎn)光源產(chǎn)生的球面波進(jìn)行測量，而后移動點(diǎn)光源的位置，產(chǎn)生多組不同曲率半徑的球面波并被哈特曼傳感器測量。通過對比多次的測量結(jié)果，獲得哈特曼傳感器的物理參數(shù)。

第二步標(biāo)定系統(tǒng)像差：在被測件處安放一高精度平面鏡(面型精度優(yōu)于λ/50)，此時(shí)進(jìn)入哈特曼波前傳感器和相位差傳感器的波前即為系統(tǒng)固有像差，波前控制器首先讀取哈特曼波前傳感器探測得到的波前誤差數(shù)據(jù)，通過控制運(yùn)算后，加載到波前擬合器上形成共軛像差從而校正系統(tǒng)像差，此時(shí)，哈特曼波前傳感器處測量得到的系統(tǒng)像差殘差會逐步減小，當(dāng)殘差降低到哈特曼波前傳感器的測量精度附近時(shí)，波前控制器開始讀取相位差波前傳感器輸出的波前誤差數(shù)據(jù)，進(jìn)一步控制波前擬合器校正系統(tǒng)像差直到相位差波前傳感器的精度極限，記下此時(shí)波前控制器控制參數(shù)就可以反算出系統(tǒng)像差采用絕對標(biāo)校(旋轉(zhuǎn)+平移)的方法可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)固有像差的測量精度。

測量階段：測量階段與標(biāo)定階段相類似，只是需要將高精度平面鏡替換為被測件。被測件的面型誤差會直接導(dǎo)入系統(tǒng)中，系統(tǒng)同樣分別采用哈特曼波前傳感器和相位差波前傳感器輸出的波前信號控制波前擬合器直到精度極限，通過對波前控制器控制參數(shù)就可以反算出測量像差根據(jù)波前相位疊加的原理，可以得到被測件的面型為