采用變形鏡的拼接干涉檢測非球面面形的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用變形鏡的拼接干涉檢測非球面 面形的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 干涉檢測技術(shù)是常用的面形檢測技術(shù)，它是待測面與參考面的相對檢測。參考面 一般都是平面或球面，用它們檢測拋光后的平面和球面時不會出現(xiàn)較多的干涉條紋，而用 球面參考面檢測非球面，當(dāng)非球面的斜率較大時干涉條紋密度也較多。當(dāng)干涉條紋密度超 過干涉儀探測器的奈奎斯特頻率時，干涉條紋無法被探測器分辨，導(dǎo)致非球面無法被測量。 針對斜率較大的非球面，采用子孔徑拼接干涉檢測方法，將斜率較大的非球面劃分為多個 小口徑的子孔徑，使得各子孔徑中的干涉條紋可被探測分辨。
[0003] 但當(dāng)非球面口徑斜率過大時，從中心到邊緣的各子孔徑可被檢測的面積越來越 小，此時需要較多的子孔徑才能覆蓋整個非球面，降低了檢測效率，增加了機械誤差、檢測 時間和數(shù)據(jù)處理量等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種采用變形鏡的拼接干涉檢測非球面面形的裝置及方 法，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的檢測效率低、機械誤差大、檢測時間長和數(shù)據(jù)處理量大的問題。結(jié) 合變形鏡技術(shù)與環(huán)形子孔徑拼接干涉檢測法，可有效地減少覆蓋全口徑所需的子孔徑數(shù) 目，增加各子孔徑有效面積，解決了由于重疊區(qū)小而影響拼接精度的難題。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的采用變形鏡的拼接干涉檢測非球面面形的裝置包括變 形鏡補償系統(tǒng)、干涉檢測系統(tǒng)、機械調(diào)整機構(gòu)和計算機數(shù)據(jù)處理模塊；
[0006] 所述計算機數(shù)據(jù)處理模塊包括變形鏡控制單元、多維調(diào)整臺控制單元、干涉圖采 集處理單元、回程誤差校正單元和子孔徑拼接算法單元；
[0007] 待檢測非球面固定在所述機械調(diào)整機構(gòu)上，所述干涉檢測系統(tǒng)通過變形鏡補償系 統(tǒng)補償與待檢測非球面反射光的光程差，所述干涉圖采集處理單元和干涉檢測系統(tǒng)中的探 測器連接；
[0008] 所述干涉圖采集處理單元與所述變形鏡控制單元和回程誤差校正單元連接，變形 鏡控制單元根據(jù)干涉圖對變形鏡的調(diào)節(jié)進行閉環(huán)反饋，控制多維調(diào)整臺控制單元對多維調(diào) 整臺的運動進行閉環(huán)反饋控制，探測器采集到的各個子孔徑干涉圖經(jīng)所述干涉圖采集處理 單元處理，得到各個子孔徑返回波前相位，各個子孔徑返回波前相位經(jīng)回程誤差校正單元 得到各個子孔徑面形信息，各個子孔徑面形信息經(jīng)子孔徑拼接算法單元處理得到全口徑面 形信息。
[0009] 所述機械調(diào)整機構(gòu)包括夾持機構(gòu)和多維調(diào)整臺，所述待檢測非球面通過夾持機構(gòu) 固定在所述多維調(diào)整臺上。
[0010] 所述干涉檢測系統(tǒng)為泰曼-格林型干涉儀或菲索型干涉儀。
[0011] 采用變形鏡的拼接干涉檢測非球面面形的方法包括以下步驟：
[0012] 步驟一:搭建采用變形鏡的拼接干涉檢測非球面面形的裝置；
[0013] 步驟二:系統(tǒng)建模，劃分子孔徑，并制作各個子孔徑的參考文件，具體為：
[0014] 1)根據(jù)待檢測非球面的最佳擬合球的曲率半徑、最佳擬合球的口徑、參考球面的 曲率半徑、參考球面的口徑和子孔徑重疊區(qū)域進行子孔徑規(guī)劃；
[0015] 2)根據(jù)檢測裝置中非球面干涉檢測系統(tǒng)的具體器件的參數(shù)，在光學(xué)設(shè)計軟件中對 非球面干涉檢測系統(tǒng)進行建模，得到系統(tǒng)模型；
[0016] 3)根據(jù)步驟1)對子孔徑進行的規(guī)劃在步驟2)中得到的系統(tǒng)模型中進行子孔徑劃 分；
[0017] 4)通過干涉儀檢測面形誤差ε已知的高精度球面，得到高精度球面面形的測量值 Wsphere-test;在Zemax光學(xué)設(shè)計軟件中模擬理想?yún)⒖记蛎鎸Ω呔惹蛎孢M行檢測，高精度球面 面形精度檢測結(jié)果為WsPhere-ldeal，通過公式（1)得到干涉儀系統(tǒng)誤差E〗和準直鏡制造裝配誤 差Ef:
[001 8] Ei+Ef - ffsphere-teat-ffsphere-ideal-2 ￡ (1)
[0019] 5)通過系統(tǒng)模型模擬檢測理想非球面任意一個子孔徑面形Wasphere-ldeal;將任意一 個子孔徑面形Wasph_-ld(3al作為非球面偏離參考球面造成的誤差，根據(jù)公式(2)得到子孔徑 的參考相位:
[0020] Wreference - ffasphere-ideal+ffsphere-test-ffsphere-ideal-2 ￡ ( 2 )；
[0021] 步驟三:根據(jù)子孔徑劃分得出檢測各子孔徑所需多維調(diào)整臺各軸的運動量對非球 面進行準確定位，并根據(jù)系統(tǒng)模型和干涉條紋調(diào)整變形鏡面形或折射率，直到干涉條紋圖 滿足檢測要求；
[0022] 步驟四：通過干涉圖采集處理單元采集各個子孔徑干涉圖，利用解包裹算法進行 干涉圖相位解調(diào)，得到實驗中探測器接收到的各子孔徑波前相位Wasphere-test;
[0023] 步驟五:在根據(jù)公式(3)計算得到各個子孔徑面形easph_:
[0024]
[0025] ：Wasphere-test乃丁扎狂奴ΗΙΜ???
[0026]Wreference為子孔徑的參考相位；
[0027] 步驟六:根據(jù)步驟五中得到的各子孔徑面形easphe3re3,通過拼接算法減少機械誤差 對拼接結(jié)果的影響，最終將各子孔徑面形數(shù)據(jù)拼接，得出全口徑面形。
[0028]所述干涉檢測系統(tǒng)為泰曼-格林型干涉儀或菲索型干涉儀。
[0029]步驟三中所述的根據(jù)系統(tǒng)模型和干涉條紋調(diào)整變形鏡面形或折射率，直到干涉條 紋圖滿足檢測要求的具體步驟為：
[0030]1)根據(jù)在光學(xué)設(shè)計軟件中仿真檢測得到的探測器處的澤爾尼克像差，當(dāng)干涉檢測 系統(tǒng)選用泰曼-格林干涉儀時，將變形鏡的面形設(shè)置為澤爾尼克像差的1/2;當(dāng)干涉檢測系 統(tǒng)選用菲索干涉儀時，采用"倒置"的方法計算出補償非球面所需的折射率分布，計算補償 非球面所需的相位，P為非球面上的任意一點，過P做非球面的法線，交變形鏡后表面為M;光 線PM經(jīng)變形鏡衍射后，交變形鏡前表面為N，再折射最后匯聚點為F;其中變形鏡的折射率為 ng，周圍空氣的折射率為na;非球面距變形鏡后表面的距離為dl，變形鏡厚度為d，F(xiàn)距變形 鏡前表面的距離為d2;
[0031] 根據(jù)費馬原理，要使非球面上任意一點沿法線出射的光線都匯聚到點F，則有：
[0032]na |PM| +ng |MN| +na |NF| =nadi+ngd+nad2
[0033] 由公式(4)計算出變形鏡折射率ng:
[0034]
(4)
[0035] 2)通過干涉檢測系統(tǒng)檢測子孔徑，得到干涉條紋圖；
[0036]3)根據(jù)步驟2)中得到的干涉條紋圖對變形鏡進行步驟1)中的反饋調(diào)節(jié)，直到干涉 條紋圖滿足檢測要求，變形鏡調(diào)節(jié)完成。
[0037]步驟六中所述的拼接算法具體為：
[0038] 1)根據(jù)公式(5)計算引入補償量后子孔徑面形.
[0039]
[0040] 其中：fk(x，y)為子孔徑的補償因式；
[0041]L為補償因式的個數(shù)；
[0042]&如《^為步驟五得到的第i個子孔徑的面形；
[0043]Flk為子孔徑補償因式的補償系數(shù)，由公式(6)所示的最小二乘法求出各子孔徑的 補償系數(shù)Flk;
[0044]
[0045] 其中，N為子孔徑的個數(shù)；
[0046] 子孔徑從零開始計數(shù)，即第0個子孔徑為中心子孔徑； ./Π/·.
[0047] Σ表示僅對與第1個子孔徑有重疊區(qū)域的第j個子孔徑進行計算；
[0048]2)根據(jù)步驟1)得到的各個子孔徑面形拼接得到全口徑面形，即將所有 相加，重疊區(qū)域的面形取各子孔徑數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值，權(quán)重與測量數(shù)據(jù)的準確性相 關(guān)。
[0049]所述光學(xué)設(shè)計軟件為Zemax軟件。
[0050]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明結(jié)合變形鏡與子孔徑拼接干涉檢測法，利用變形鏡 產(chǎn)生非球面波前匹配被測面不同子孔徑區(qū)域，使得檢測全口徑所需的子孔徑數(shù)目大大減 少，增加了子孔徑面積，從而增加了相鄰子孔徑的重疊區(qū)，減少檢測時間、機械誤差的累積， 提高檢測的效率和精度。有效地解決了由于子孔徑面積過低造成的拼接精度低的問題，同 時增加了拼接效率。
【附圖說明】
[0051] 圖1為本發(fā)明的采用變形鏡的拼接干涉檢測非球面面形的裝置中采用泰曼-格林 型干涉儀時結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052] 圖2為本發(fā)明的采用變形鏡的拼接