基于系統(tǒng)建模的非球面非零位環(huán)形子孔徑拼接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于系統(tǒng)建模的非球面非零位環(huán)形子孔徑拼接方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，子孔徑拼接干涉檢測(cè)技術(shù)常被用于大口徑深度非球面檢測(cè)。在各種拼接方 法中，環(huán)形子孔徑拼接方法因其檢測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而被廣泛用于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面的檢測(cè)。其利 用透射球面鏡產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)球面波作為參考波前，匹配不同檢測(cè)位置處非球面的不同環(huán)帶區(qū) 域，使各個(gè)匹配區(qū)域達(dá)到近似零位檢測(cè)條件，再利用子孔徑拼接算法拼接出全口徑面形誤 差。然而由于被測(cè)非球面各個(gè)環(huán)帶區(qū)域的曲率半徑各不相同，利用球面波作為參考波前很 難使各個(gè)環(huán)形子孔徑的測(cè)量完全符合零位條件，從而造成回程誤差；同時(shí)，檢測(cè)中每次對(duì)非 球面位置的移動(dòng)難免造成調(diào)整誤差，使得各個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)難以統(tǒng)一基準(zhǔn)。因此，在子孔徑數(shù) 據(jù)的拼接中必須對(duì)各個(gè)子孔徑的回程誤差和調(diào)整誤差進(jìn)行校正。這也是各種子孔徑拼接算 法的難點(diǎn)所在。
[0003] Liu等人提出了最早的基于Zernike多項(xiàng)式的非球面環(huán)形子孔徑拼接方法，利用 商用干涉儀測(cè)得的各個(gè)子孔徑面形Zernike系數(shù)計(jì)算全口徑面形Zernike系數(shù)。隨后， Melozzi和Granados-Agustin分別提出了基于重疊區(qū)域的逐次拼接和全局拼接方法，針對(duì) 重疊區(qū)域面形一致的特點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合，用以校正子孔徑之間的相對(duì)調(diào)整誤差。侯溪 等人基于環(huán)形Zernike多項(xiàng)式提出了更為精確的全口徑面形系數(shù)的計(jì)算方法；陳善勇等還 提出了交互的進(jìn)行重疊區(qū)計(jì)算和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的迭代拼接算法。然而，上述算法均需依賴 復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算公式或重疊區(qū)擬合，而且對(duì)于每個(gè)子孔徑的回程誤差校正并不精確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于系統(tǒng)建模的非球面非零位環(huán) 形子孔徑拼接方法，使用光線追跡軟件中對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)建模，通過實(shí)驗(yàn)中測(cè)量所得子孔徑波 前像差系數(shù)對(duì)全口徑面形誤差進(jìn)行逆向優(yōu)化求解。該方法利用光線迭代追跡代替了復(fù)雜的 拼接算法，而且不需要子孔徑間的重疊區(qū)。
[0005] 基于系統(tǒng)建模的非球面非零位環(huán)形子孔徑拼接方法，利用多重結(jié)構(gòu)模型約束的逆 向優(yōu)化，從各個(gè)環(huán)形子孔徑波前的Zernike系數(shù)直接得到表征全口徑面形誤差的Zernike 系數(shù)。
[0006] 所述的多重結(jié)構(gòu)模型是根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)建立的多個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)模型的組合，每一個(gè) 子孔徑測(cè)量位置對(duì)應(yīng)一重結(jié)構(gòu)，每重結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的被測(cè)面的位置不同，即每一個(gè)子孔徑測(cè)量 位置對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)模型。
[0007] 所述的多重結(jié)構(gòu)模型約束的逆向優(yōu)化是利用有嚴(yán)格約束的全局優(yōu)化函數(shù)來執(zhí)行 的；該全局優(yōu)化函數(shù)以實(shí)驗(yàn)所得的各個(gè)環(huán)帶Zernike系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)；以模型中各個(gè)環(huán)帶 波前Zernike系數(shù)為因變量，被測(cè)面全口徑面形誤差為自變量；通過執(zhí)行全局優(yōu)化函數(shù)，使 得模型中各個(gè)環(huán)帶波前Zernike系數(shù)逐漸逼近實(shí)驗(yàn)中各個(gè)環(huán)帶波前Zernike系數(shù)；當(dāng)全局 優(yōu)化函數(shù)執(zhí)行完畢，模型中的被測(cè)面全口徑面形誤差與實(shí)驗(yàn)中的被測(cè)面全口徑面形誤差一 致；其中，全局優(yōu)化函數(shù)的約束條件為各個(gè)子孔徑之間的相對(duì)距離；自變量（全口徑面形誤 差）和因變量（環(huán)帶波前Zernike系數(shù)）的函數(shù)關(guān)系由光線追跡來定義和執(zhí)行。
[0008] 基于系統(tǒng)建模的非球面非零位環(huán)形子孔徑拼接方法，具體步驟如下：
[0009] 步驟1、搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；
[0010] 步驟2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)建立模型并劃分子孔徑：根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng) 建模，根據(jù)探測(cè)器分辨率完成環(huán)帶子孔徑劃分，記錄各個(gè)環(huán)帶對(duì)應(yīng)的被測(cè)面在光軸上的位 置參數(shù)，設(shè)劃分后的子孔徑數(shù)量為N，N為自然數(shù)；
[0011] 所述的建模軟件為光線追跡軟件；
[0012] 步驟3、建立多結(jié)構(gòu)模型：根據(jù)子孔徑劃分參數(shù)，建立多結(jié)構(gòu)模型，每一重結(jié)構(gòu)對(duì) 應(yīng)一個(gè)子孔徑測(cè)量位置，即非球面環(huán)帶數(shù)與多結(jié)構(gòu)模型中的結(jié)構(gòu)數(shù)均為N，每重結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的 被測(cè)面的位置不同，即每一個(gè)子孔徑測(cè)量位置對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)模型；
[0013] 3-1、根據(jù)多結(jié)構(gòu)模型中的基準(zhǔn)環(huán)帶子孔徑對(duì)應(yīng)的非球面與部分零位鏡間距，通過 多結(jié)構(gòu)模型中該基準(zhǔn)環(huán)帶返回波前的離焦系數(shù)進(jìn)行精確定位；
[0014] 3-2、通過干涉圖采集模塊采集基準(zhǔn)環(huán)帶子孔徑干涉圖，在計(jì)算機(jī)中利用相移算法 進(jìn)行干涉圖位相解調(diào)，得到實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器接收到的基準(zhǔn)環(huán)帶子孔徑返回波前相位；
[0015] 3-3、根據(jù)多結(jié)構(gòu)模型中的其他環(huán)帶子孔徑與基準(zhǔn)子孔徑之間的相對(duì)位置，通過位 移測(cè)量干涉儀精確控制非球面與基準(zhǔn)環(huán)帶測(cè)量位置的相對(duì)移動(dòng)量進(jìn)行定位；
[0016] 3-4、通過干涉圖采集模塊采集其他環(huán)帶子孔徑干涉圖，在計(jì)算機(jī)中利用相移算法 進(jìn)行干涉圖位相解調(diào)，得到實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器接收到的其他環(huán)帶子孔徑返回波前相位；
[0017] 3-5、重復(fù)步驟3-3和3-4,直至所有的其他環(huán)帶子孔徑定位以及其對(duì)應(yīng)的干涉圖 解調(diào)完成；
[0018] 步驟4、環(huán)帶子孔徑波前擬合：根據(jù)所有環(huán)帶子孔徑的波前位相，進(jìn)行Zernike環(huán) 帶擬合，得到所有子孔徑的環(huán)帶Zernike系數(shù)；
[0019] 步驟5、全口徑面形優(yōu)化拼接：將每個(gè)子孔徑的環(huán)帶Zernike系數(shù)前四項(xiàng)剔除，然 后以所有子孔徑的環(huán)帶Zernike系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，以多結(jié)構(gòu)模型中所有環(huán)帶波前Zernike 系數(shù)為因變量，被測(cè)面全口徑面形誤差為自變量；通過多結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊使得模型中各個(gè)環(huán) 帶波前Zernike系數(shù)逐漸逼近實(shí)驗(yàn)中各個(gè)環(huán)帶波前Zernike系數(shù)，其中自變量（全口徑面 形誤差）和因變量（環(huán)帶波前Zernike系數(shù)）的函數(shù)由光線追跡來執(zhí)行；從而使得模型中 的被測(cè)面全口徑面形誤差與實(shí)驗(yàn)中的被測(cè)面全口徑面形誤差一致。
[0020] 在非球面非零位環(huán)形子孔徑拼接干涉檢測(cè)系統(tǒng)中，利用光線追跡軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)干涉 系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)應(yīng)不同環(huán)帶的非球面位置建立多結(jié)構(gòu)模型，基于多結(jié)構(gòu)模型建立優(yōu)化函 數(shù)，以實(shí)際測(cè)得的各個(gè)環(huán)帶波前Zernike系數(shù)同時(shí)作為優(yōu)化目標(biāo)，以模型中各個(gè)環(huán)帶波前 Zernike系數(shù)為因變量，以非球面全口徑面形誤差為自變量。以各個(gè)非球面環(huán)帶對(duì)應(yīng)的被測(cè) 面位置作為約束條件（位置參數(shù)由精密位移導(dǎo)軌控制），執(zhí)行優(yōu)化函數(shù)使得模型中各環(huán)帶 波前Zernike系數(shù)趨近于實(shí)際測(cè)量值，則認(rèn)為模型中被測(cè)面全口徑面形誤差接近實(shí)際被測(cè) 值，從而得到被測(cè)面全口徑面形誤差。
[0021] 所述的非球面非零位環(huán)形子孔徑拼接干涉檢測(cè)系統(tǒng)由穩(wěn)頻激光器出射的細(xì)光束 經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)被擴(kuò)束為寬光束平行光，平行光向前傳播至分光板處被分為兩路光。一路向前 傳播至參考平面鏡后原路返回作為參考波；另一路向前傳播至部分零位鏡后先會(huì)聚后發(fā) 散，發(fā)散光近似垂直入射被測(cè)非球面后返回，再次經(jīng)過部分零位鏡后入形成檢測(cè)波。二者在 分光板處發(fā)生干涉，經(jīng)成像鏡成像于探測(cè)器處。其中，被測(cè)非球面由夾持機(jī)構(gòu)安裝于導(dǎo)軌， 可沿導(dǎo)軌（光軸）方向移動(dòng)，使其不同環(huán)帶返回的波前與參考光的干涉條紋可被探測(cè)器分 辨，直到環(huán)帶覆蓋被測(cè)面全口徑。
[0022] 所述的部分零位鏡為非零位干涉檢測(cè)系統(tǒng)中常用元件，類似于零位檢測(cè)中的標(biāo)準(zhǔn) 鏡。部分零位鏡產(chǎn)生的非球面波前作為參考波前，用以補(bǔ)償大部分非球面法線像差。非球 面在光軸不同位置處將產(chǎn)生不同密度的干涉條紋，正因?yàn)椴糠至阄荤R只能補(bǔ)償被測(cè)面的