用於傾斜波面非零位幹涉系統的自由曲面面形重構方法

2023-06-26 14:19:56 1

用於傾斜波面非零位幹涉系統的自由曲面面形重構方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於傾斜波面非零位幹涉系統的自由曲面面形重構方法，該方法基於微擾理論及哈密爾頓特徵函數對傾斜波面非零位幹涉系統測試光路的分析，提出了一種回程誤差逆向消除算法，同時將計算生成虛擬波面技術應用於傾斜波面非零位幹涉系統，解決了通過採集的陣列幹涉圖如何高精度反演待測件面形的問題。在求解實際待測件面形過程中，提出了一種迭代算法用於面形的最終求解。
【專利說明】用於傾斜波面非零位幹涉系統的自由曲面面形重構方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於光學精密測試領域，具體涉及一種用於傾斜波面非零位幹涉系統的自由曲面面形重構方法，可以從傾斜波面非零位幹涉系統獲得的幹涉條紋高精度的計算和重構自由曲面的面形。
【背景技術】
[0002]光學自由曲面元件在校正各類像差的同時還能簡化光學系統的結構，使光學系統的性能得到顯著提升，因此在照明領域、顯示領域、生物醫學領域等被大量使用。但其過多的「自由度」，使得高精度加工和檢測該類元件變得非常困難，制約了它在成像領域的應用推廣。自由曲面光學元件的面形精密檢測問題已經成為世界光學領域的一個研究熱點。2007年德國斯圖加特大學Osten教授團隊首先提出傾斜波面非零位幹涉法(Tilted-ffave-1nterferometer, TffI)針對大梯度非球面元件面形檢測提出了一種給測試波前預載傾斜量的非零位幹涉檢測方法。該方法已經成功應用於表面梯度變化達到土 14°的非球面面形測量，測量精度優於λ /30 (RMS值)。但是由於傾斜波面幹涉法是針對大梯度非球面面形檢測提出的，要將其應用於光學自由曲面面形檢測，需要解決眾多關鍵技術。
[0003]傾斜波面非零位幹涉系統由於採用了軸外球面波點源產生多束傾斜波面，該幹涉系統在光路形式上是不滿足零位幹涉條件的，造成了幹涉條紋的相位與待測件面形偏差之間的關係不再那麼直接。同時，非零位幹涉光路在測量過程中還會給幹涉條紋引入較大的回程誤差。因此，從幹涉條紋中如何高精度的計算和重構自由曲面面形是研究傾斜波面非零位幹涉系統的核心問題。
[0004]目前，國際上只有德國斯圖加特大學針對傾斜波面非零位幹涉系統提出了待測件面形的重構方法。該方法的基本思想就是研究傾斜波面非零位幹涉系統採集到的幹涉條紋的相位與待測件面形表達式的係數之間的數學關係，建立數學模型。每次測量時，首先計算得到幹涉圖的相位，然後通過建立的數學模型，得到待測件面形表達多項式的實際係數，然後再通過多項式係數設計值與實際值的差值計算待測件的面形偏差。該方法的前提基礎是待測件的面形可以用多項式精確表述。由於該方法是針對大梯度非球面測量提出的，而非球面面形都可以用多項式進行精確表述，所以在非球面測量中可以完全適用。但是面對光學自由曲面，特別是那些無法用多項式精確描述的曲面，該方法的使用就受到了限制。
[0005]如果能夠像傳統幹涉系統一樣，從傾斜波面非零位幹涉系統採集到的幹涉條紋的相位直接計算重構出待測件面形，那麼就能適合自由曲面的面形測量。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在於從傾斜波面非零位幹涉系統獲得的幹涉條紋中高精度的計算和重構被測自由曲面面形。
[0007]技術方案為:
[0008]第一步、根據矢量光學理論建立非旋轉對稱空間的傾斜波面非零位幹涉系統的光線追跡模型，生成虛擬波面，獲得待測件是理想面形時傾斜波面幹涉系統中CCD採集到的波面WM，使用傾斜波面非零位幹涉系統測量得到實際待測件時CCD採集到的幹涉波面
W.」 rea ?
[0009]第二步、根據微擾理論及哈密爾頓特徵函數，得到理想幹涉系統中，面形偏差引起的入射至待測面的光線長度變化加上由待測面反射的光線長度變化SraJ e)的數學表達式，即:
[0010]δ 0PL (G)=Wrea-Wrom⑴
[0011]第三步、根據回程誤差逆向消除算法，消除在實際傾斜波面非零位幹涉系統中存在的回程誤差:
[0012]3-1) δ opL (E理論表達式為:
[0013]
【權利要求】
1.一種用於傾斜波面非零位幹涉系統的自由曲面面形重構方法，其特徵在於，方法步驟如下: 第一步、根據矢量光學理論建立非旋轉對稱空間的傾斜波面非零位幹涉系統的光線追跡模型，生成虛擬波面，獲得待測件是理想面形時傾斜波面幹涉系統中CCD採集到的波面Wnoffl,使用傾斜波面非零位幹涉系統測量得到實際待測件時CCD採集到的幹涉波面Wra ；第二步、根據微擾理論及哈密爾頓特徵函數，得到理想幹涉系統中，面形偏差引起的入射至待測面的光線長度變化加上由待測面反射的光線長度變化Sopl( e )的數學表達式，即:
2.根據權利要求1所述用於傾斜波面非零位幹涉系統的自由曲面面形重構方法，其特徵在於:第三步，回程誤差逆向消除算法使理想情況和實際情況下的反射光線到達CCD的同一位置，即式(I)的波面點對點相減具有物理意義。
【文檔編號】G01B11/24GK103852030SQ201410098162
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月17日 優先權日:2014年3月17日
【發明者】沈華, 李嘉, 朱日宏, 王念, 陳磊, 高志山 申請人:南京理工大學