一種提高平面面形子孔徑拼接檢測精度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及平面面形子孔徑拼接干涉檢測領域，特別是一種用于提高平面面形子 孔徑拼接檢測精度的方法。
【背景技術】
[0002] 子孔徑拼接干涉測量技術能夠以低成本實現大口徑光學元件的測量，同時保留了 小口徑測量的高精度。1982年美國Arizona大學光學中心的C. J. Kim首先提出子孔徑拼 接干涉測量的概念（1·【C. Kim, J. Wyant. Subaperture test of a large at on a fast aspheric surface [J] · Opt. Soc. Am.，1981，71:1587】）。1985 年 T. W. Stuhlinger 提出離散 相位法，用在子孔徑上分布的大量離散點的光學相位測量值來描述波前，該思想是子孔徑 測試發展的一個新的里程碑，是后來子孔徑測試方法的雛形（2.【Tilman W. Stuhlinger. Subaperture optical testing:experimental verification[C]. SPIE, 1986, 656:118 ~ 127】）。1997年M.Bray研制的拼接干涉儀成功應用于國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF)和Laser Mega Joule等ICF系統中，并將功率譜密度（(PSD)概念引入 到拼接干涉儀特性分析中（3.【M.Bray. Stiching interferometer for large piano optics using a standard interferometer[C]· SPIE, 1997,3134:39 ~50】和 4.【M.Bray. Stitching Interferometry:Side effects and PSD[C]. SPIE, 1999,3782:443 ~452】）。 2003年后，美國QED公司，英國Zeeko公司相繼開發出商用的子孔徑拼接工作站，能夠測 量平面、球面、非球面面形，測量口徑可達到200mm(5.【Marc Tricard, Greg Forbes, Paul Murphu.Subaperture metrology technologies extend capabilities in optics manufacturing. Proc. of SPIE, 5965:0B1 ~0B11】和 6.【Christopher W. King, Matthew Bibby. Development of a metrology workstation for full-aperture and subaperture stitching measurements[C]· Procedia CIRP, 2014, 359 ~364】）。在國內，子孔徑測試技 術的研宄開始于上個世紀90年代初，多家科研單位對其做了大量研宄和實驗，主要用于大 口徑平面光學元件的檢測。張蓉竹等人對最小二乘法兩兩拼接進行了研宄，并搭建起子孔 徑拼接檢測系統（7.【張蓉竹，石琪凱，蔡邦維，等.子孔徑拼接干涉檢測實驗研宄[J]. 光學技術，2004, 30(2) : 173~175】）。張明意等人，對子孔徑拼接過程中的傾斜的影響進 行了研宄，并提出了一種消除傾斜的方法（8.【張明意，李新男.子孔徑拼接檢驗法中傾斜 的影響及消除方法[J]·光電工程，2006, 33(8) : 117~122】）。
[0003] 對于平面面形子孔徑拼接檢測，其拼接精度受干涉儀拼接累積誤差影響， 并不能夠媲美大口徑干涉儀，這也影響了平面子孔徑拼接系統的商用化。針對該 問題，Bray提出一種剪切干涉的方法，對參考鏡鏡面形進行標定（9.【Michael Bray, MBO-Metrology, Stitching Interferometry: The practical side of things[C]. SPIE，2009,7426:74260Q-1 ~74260Q-9】）、Arizona光學中心（10.【Peng Su，James H. Burge, Robert E. Parks. Application of maximum likelihood reconstruction of subaperture data for measurement of large flat mirrors[J]. APPLIED OPTICS, 2010, 49(1) :21 ~31】）、QED 公司（11.【Donald Golini，Greg Forbes, Murphy. Method for self-calibrated sub-aperture stitching for surface figure measurement. 2003,US0117632A1】）、Zeeko 公司（12.【Christopher W. King. An Automated Metrology Workstation for the Measurement of Large Diameter Convex Surfaces[C].Optical Fabrication and Testing，2014,0Th3B.2】）米用類似旋轉平 移絕對檢驗技術的方式在拼接過程中通過Zernike多項式擬合參考鏡面形。但是基于 絕對檢驗技術實際上無法準確標定參考面離焦項（13.【Miao Erhong, Su Dongqi, Peng Shijun. High precise absolute flat Calibration[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2014, 51 (5) :051203】），而離焦正是拼接累積誤差的重要來源。Rayleigh(14. 【L.Rayleigh. Interference Bands and their Applications. Nature, 1893, 48:212 ~ 214】）提出將液體平面看作理想平面，可以標定完整的平面面形，但是液體平面 易受干擾，我國長春光機所的采用液面法（13.【Miao Erhong, Su Dongqi, Peng Shijun. High precise absolute flat Calibration[J]. Laser & Optoelectronics Progress，2014, 51 (5) : 051203】）精確檢測平面參考面的離焦對實驗系統環境提出了很高 的要求。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種提高平面面形子孔徑拼接檢測精度的方法。該方法能夠 在拼接過程中計算并去除參考面離焦，不需要增加額外的輔助部件或標定流程，具有易實 現、精度高、不增加系統成本的優點。
[0005] 本發明的技術解決方案如下：
[0006] 一種提高平面面形子孔徑拼接檢測精度的方法，該方法所使用的工具包括：斐索 干涉儀（1)，參考鏡（2)，待測平面光學元件（3)，拼接位移臺（4)。斐索干涉儀（1)發出的光 穿過參考鏡（2)，經待測平面光學元件（3)反射，光沿原路返回；參考鏡（2)裝夾在所述水 平放置的斐索干涉儀（1)的參考鏡調整架上；待測平面光學元件（3)水平裝夾在拼接位移 臺（4)上；所述的提高平面面形子孔徑拼接檢測精度的方法的特征在于包含如下的步驟：
[0007] ①調整參考鏡（2)，使其與斐索干涉儀（1)的光軸對準；
[0008] ②控制拼接位移臺（4)運動至待測光學元件（3)的預設子孔徑位置之一，利用斐 索干涉儀（1)，對待測光學元件（3)的該部分面形進行測量，得到子孔徑面形數據Mi α = 1，2, 3,…，為子孔徑的個數），并保存；
[0009] ③重復進行上述步驟②，完成全部子孔徑的測量，實現待測平面光學元件（3)的 子孔徑測量；
[0010] ④計算參考鏡（2)的中心在子孔徑中的坐標：由于在上述步驟②中參考鏡（2) 固定，因此其中心位置在每個子孔徑面形數據M iQ = 1，2, 3，···，為子孔徑的個數）中的 坐標是相同的，利用斐索干涉儀（1)，得到參考鏡（2)的中心在子孔徑面形數據MiQ = 1，2,3，"*，為子孔徑的個數）中的坐標〇^，7。）；
[0011] ⑤計算拼接累積誤差：將子孔徑面形數據％依次按照最小二乘法兩兩拼接（參見 在先技術7)得到全口徑面形M，過y = ytl對M進行橫向采樣，得到全口徑面形M的一維橫 向采樣線，該采樣線的PV值（峰谷值）即為累積誤差Λ ;
[0012] ⑥計算離焦系數：利用下列公式計算參考鏡面形誤差的離焦系數a4:
[0013] β4 =Δ - --- (2 n L + nw + (2 + (n-2)(n+l))AL-2nL,) w -
[0014] 其中&2和a i為重疊區邊界值，Λ L為拼接距離，L子孔徑的長度為，L JPL2為參 與運算的重疊區的邊界，w = L2-L1S重疊區寬度，η為拼接次數；
[0015] ⑦在每一個子孔徑面形數據MiQ = 1，2,3，···，為子孔徑的個數）中，減去系數為 a4的離焦面形：a 4 (2 (x2+y2)-1)，其中，X，y為子孔徑面形數據的坐標，得到去除離焦后的子 孔徑面形數據M/ (i = 1，2, 3，···，為子孔徑的個數）；
[0016] ⑧將子孔徑面形數據M/ (i = 1，2, 3，···，為子孔徑的個數）依次按照最小二乘法 兩兩拼接（參見在先技術7)得到全口徑面形Μ'，去傾斜和平移（參見在先技術8)得到全 口徑面形Μ"。
[0017] 所述的步驟⑥中的計算參考鏡面形誤差離焦系數a4的公式推導過程如下：
[0018] 在進行子孔徑拼接時，進行最小二乘運算，在子孔徑2中引入傾斜和平移，使兩個 子孔徑重合區域的差值最小。進行一次拼接，重合區域的殘差可表示為，
[0019] Residual = _a4 (4 Δ Lx+Δ L2)，
[0020] 由最小二乘擬合得到傾斜 Aal= j^-aD/w，平移 Acl= -(afaj (w_2L2)/w。
[0021] 對子孔徑2進行校正，拼接結果的邊界坐標為L，因此，拼接累積誤差Λ i為，
【主權項】
1. 一種提高平面面形子孔徑拼接檢測精度的方法，利用面形子孔徑拼接檢測精度裝 置，該裝置包括：斐索干涉儀（1)，參考鏡（2)，待測平面光學元件（3)和拼接位移臺（4);所 述的參考鏡（2)裝夾在水平放置的斐索干涉儀（1)的參考鏡調整架上，待測平面光學元件 (3)水平裝夾在所述的拼接位移臺（4)上，使斐索干涉儀（1)發出的光穿過參考鏡（2)，經 待測平面光學元件（3)反射后，沿原路返回；其特征在于，該方法包含如下的步驟： ① 調整參考鏡（2)，使其與斐索干涉儀（1)的光軸對準； ② 控制拼接位移臺（4)運動至待測光學元件（3)的預設子孔徑位置I，其中，i= 1，2, 3,…，i為子孔徑的個數，利用斐索干涉儀（1)，對待測光學元件（3)各子孔徑位置的面 形依次進行測量，得到各子孔徑面形數據Mi; ③ 利用斐索干涉儀（1)得到參考鏡（2)在子孔徑面形數據％的中心坐標（X(l，ytl); ④ 計算拼接累積誤差A: 將各子孔徑面形數據％依次按照最小二乘法兩兩拼接得到全口徑面形M，過y= y(l對 全口徑面形M進行橫向采樣，得到全口徑面形M的一維橫向采樣線，該一維橫向采樣線的峰 谷值即為拼接累積誤差A; ⑤ 計算參考鏡面形誤差的離焦系數a4，公式如下：
其中，adPai為選定的重疊區過（x^yj的橫向采樣線的兩端端點值，AL為拼接距離 等于相鄰子孔徑間距，L為每個子孔徑的長度，LJPL2為參與運算的重疊區的邊界位置坐 標，w= 1^2-1^為重疊區寬度，n為拼接次數； ⑥ 在每一個子孔徑面形數據％中，減去系數為a4的離焦面形：a4 (2 (x2+y2) -1)，其中，X， y為子孔徑面形數據的坐標，得到去除離焦后的子孔徑面形數據M/ ; ⑦ 將子孔徑面形數據M/依次按照最小二乘法兩兩拼接得到全口徑面形M'，去傾斜和 平移得到全口徑面形M"。
【專利摘要】一種提高平面面形子孔徑拼接檢測精度的方法，首先對待測平面光學元件進行子孔徑拼接干涉測量，得到子孔徑面形數據，直接拼接得到全口徑面形；其次過參考鏡中心對全口徑面形橫向采樣，計算得到拼接累積誤差，然后根據本發明提出的方法計算參考鏡離焦；最后在子孔徑測量結果中去除計算得到的離焦面形，再拼接得到去離焦后的全口徑面形。本發明能夠準確標定參考鏡離焦，消除累積誤差，提高拼接精度，并且不需要增加額外的輔助部件或標定流程，具有易實現、精度高、不增加系統成本的優點。
【IPC分類】G01B11-24
【公開號】CN104776812
【申請號】CN201510173537
【發明人】李永, 唐鋒, 王向朝, 李 杰, 吳飛斌
【申請人】中國科學院上海光學精密機械研究所
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月14日