CN110715619B - 基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法 - Google Patents

基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法 Download PDF

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基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，结构简单、通用性较强、可测较高非球面度自由曲面，且可以测量未加工完成的光学自由曲面的面形误差，实现高精度、非接触、高速度、全口径的测量。方法包括：获取待测光学自由曲面面形标称值；获取可变形镜的口径；设计部分补偿器的初始结构并获取参数；在光学仿真软件中建立虚拟干涉仪***；在虚拟干涉仪中，设置可变形镜面形可变，优化并获得最终结构；构建部分补偿器实物并建立包含部分补偿器的最终结构的实际干涉仪***；在实际干涉仪***中，根据干涉条纹密集程度自适应调节可变形镜面形，获取实际干涉图；获取实际干涉仪***中可变形镜的面形；求解待测光学自由曲面面形误差。

Description

基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法
技术领域
本发明涉及光电检测的技术领域，尤其涉及一种基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法。
背景技术
光学自由曲面是指不具有旋转对称性的光学表面，是一种特殊的非球面。由于光学自由曲面具有较高的设计自由度，可以有效改善光学***性能并简化***结构，因此光学自由曲面在各类光学***中广泛应用。随着精密光学加工制造技术的发展，亟须解决高精度测量光学自由曲面面形误差问题。光学自由曲面面形的标称值与测量值的差值，即为光学自由曲面的面形误差。
目前光学自由曲面面形误差测量方法主要分为两种，分别是接触法与非接触法。接触法多采用探头与被测光学自由曲面相接触，获得面形测量值，从而实现光学自由曲面面形误差的测量。该类方法测量精度高，但是在测量过程中探头易划伤被测面，而且测量速度慢。非接触法多为干涉法，利用非准直的测量光束与准直的参考光束发生干涉时产生的干涉条纹，实现光学自由曲面面形误差的测量。该类方法具有测量精度高、非接触、测量速度快的优点。在干涉法中，非零干涉法由于允许存在剩余波前，***设计及加工难度降低，且具有一定的通用性，因此在实现光学自由曲面面形误差测量中具有一定优势。
但是，目前该方法仅限于测量非球面度较低的光学自由曲面的面形误差，且被测光学自由曲面为加工成品，即已完成所有加工步骤，实际面形与标称面形较为接近。
可变形镜是波前校正器的一种，其工作原理为：通过控制附着在硅基底上的有序排列的致动器的控制电压，控制致动器的位移变化，从而改变附着在致动器表面的柔性反射面的面形。目前可变形镜多用于自适应光学***中，用于矫正大气湍流等扰动导致的波前畸变。
目前，光学自由曲面面形误差测量的难点在于研究一种结构简单、通用性较强、可测较高非球面度自由曲面，且可以测量未加工完成的光学自由曲面的面形误差的高精度测量方法，用于指导光学加工过程。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其结构简单、通用性较强、可测较高非球面度自由曲面，且可以测量未加工完成的光学自由曲面的面形误差，实现高精度、非接触、高速度、全口径的测量。
本发明的技术方案是：这种基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其包括以下步骤：
(1)获取待测光学自由曲面面形标称值；
(2)获取可变形镜的口径；
(3)根据待测光学自由曲面面形标称值及可变形镜口径，设计部分补偿器的初始结构，并获取其相关参数；
(4)根据待测光学自由曲面面形标称值及部分补偿器的初始结构的相关参数，在光学仿真软件中建立虚拟干涉仪***；
(5)在虚拟干涉仪中，设置可变形镜面形可变，对虚拟干涉仪***进行优化并获得部分补偿器的最终结构；
(6)根据部分补偿器的最终结构构建部分补偿器实物，并建立包含部分补偿器的最终结构的实际干涉仪***；
(7)在实际干涉仪***中，根据干涉条纹密集程度自适应调节可变形镜面形使干涉条纹满足面形误差求解算法的要求，获取实际干涉图；
(8)获取实际干涉仪***中可变形镜的面形；
(9)求解待测光学自由曲面面形误差。
本发明部分补偿器仅由透镜或透镜组及一个可变形镜构成，所以结构简单；部分补偿器包含可变形镜，可变形镜可提供较为复杂的面形，可以测量非球面度较高的光学自由曲面并实现一对多的测量，具有较强的通用性；可变形镜可以根据待测光学自由曲面的面形对自身面形进行自适应调整，可以测量未加工完成的光学自由曲面，用于指导光学加工过程；该方法属于非零干涉法，可实现高精度、非接触、高速度、全口径的测量。
附图说明
图1是根据本发明的基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法的流程图。
图2是虚拟干涉仪***光路图。
图3是实际干涉仪***光路图。
图4为实际干涉仪***干涉图。
其中，1—CCD探测器，2—成像透镜，3—准直激光，4—分光镜，5—参考镜，6—透镜，7—可变形镜，8—光学自由曲面(标称值)，9-光学自由曲面(实际值)。
具体实施方式
如图1所示，这种基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其包括以下步骤：
(1)获取待测光学自由曲面面形标称值；
(2)获取可变形镜的口径；
(3)根据待测光学自由曲面面形标称值及可变形镜口径，设计部分补偿器的初始结构，并获取其相关参数；
(4)根据待测光学自由曲面面形标称值及部分补偿器的初始结构的相关参数，在光学仿真软件中建立虚拟干涉仪***，光学仿真软件可采用但不限于ZEMAX；
(5)在虚拟干涉仪中，设置可变形镜面形可变，对虚拟干涉仪***进行优化并获得部分补偿器的最终结构；
(6)根据部分补偿器的最终结构构建部分补偿器实物，并建立包含部分补偿器的最终结构的实际干涉仪***；
(7)在实际干涉仪***中，根据干涉条纹密集程度自适应调节可变形镜面形使干涉条纹满足面形误差求解算法的要求，获取实际干涉图；
(8)获取实际干涉仪***中可变形镜的面形；
(9)求解待测光学自由曲面面形误差。
本发明部分补偿器仅由透镜或透镜组及一个可变形镜构成，所以结构简单；部分补偿器包含可变形镜，可变形镜可提供较为复杂的面形，可以测量非球面度较高的光学自由曲面并实现一对多的测量，具有较强的通用性；可变形镜可以根据待测光学自由曲面的面形对自身面形进行自适应调整，可以测量未加工完成的光学自由曲面，用于指导光学加工过程；该方法属于非零干涉法，可实现高精度、非接触、高速度、全口径的测量。
优选地，所述步骤(1)中标称值包括：待测光学自由曲面的口径、面形表征相关参数。由于自由曲面的面形表征形式较多，因此根据不同的面形表征形式需要获取不同的相关参数，用于表征光学自由曲面面形。
优选地，所述步骤(3)中部分补偿器的初始结构由两部分组成，分别为透镜或透镜组及面形为平面的可变形镜；部分补偿器的初始结构的相关参数包括：透镜的口径、各面的曲率半径、厚度和材料，以及可变形镜的口径。
优选地，所述步骤(5)中，根据光学仿真软件要求，将虚拟干涉仪中的可变形镜面形设置为面形可变；将最小化***剩余波前为优化目标，对***进行优化从而获得最终结构。
优选地，所述步骤(5)可以采用但不限于通过为可变形镜添加附加Zernike系数的方式，设置可变形镜的面形可变。
优选地，所述步骤(6)加工获得部分补偿器最终结构中的透镜实物，可以采用但不限于利用神经网络控制实际干涉仪***中的可变形镜的面形与部分补偿器的最终结构中的可变形镜的面形一致，包括以下步骤：
(6.1)获取训练集：利用可变形镜控制***控制可变形镜，给定可变形镜各致动器不同组合方式的电压，测量不同组合方式下变形镜的对应面形，将该数据集作为训练集；
(6.2)利用训练集训练神经网络：在训练过程中，把致动器不同组合方式的电压作为神经网络的输入，把致动器不同组合方式的电压所对应的可变形镜面形作为神经网络的输出；通过训练集对神经网络进行大量训练，最终获得完成训练的神经网络；
(6.3)控制可变形镜面形：将所需的可变形镜的面形作为神经网络的输入，获得对应的各致动器组合方式的电压，利用该电压控制可变形镜的致动器，获得所需可变形镜的面形，完成可变形镜面形控制。
优选地，所述步骤(7)中，利用实际干涉仪***获取干涉图，分析干涉条纹的密集程度，自适应调节可变形镜的面形使得干涉图中较为密集的条纹变稀疏，直至全口径内的干涉条纹较为稀疏。
优选地，所述步骤(8)中，利用神经网络获取可变形镜的面形是通过如下方式实现的(可采用但是不限于该方式)：获取实际干涉仪***中可变形镜各致动器的相应组合方式的电压，并将其作为神经网络的输入，获得神经网络的输出为对应的可变形镜的面形。
优选地，所述步骤(9)中，可采用但不限于数字莫尔移相干涉技术，求解待测光学自由曲面的面形误差。
如图2、3所示，还提供了一种光学自由曲面面形误差的测量装置，其包括虚拟干涉仪***和实际干涉仪***；
在虚拟干涉仪***中，光传播的路径为：由虚拟干涉仪发出的准直激光光束经过分光镜透射后入射至参考镜，在参考镜处发生反射和透射，其中，反射光作为参考光，透射光作为测量光；参考光经分光镜反射并传播至成像透镜；测量光依次经过透镜透射及可变形镜反射后入射至面形为标称值的光学自由曲面，经其反射后依次经过可变形镜、透镜及参考镜，最终到达成像透镜；此时，参考光与测量光发生干涉现象并产生干涉条纹，利用CCD探测器采集干涉图；
在实际干涉仪***中，光传播的路径为：由实际干涉仪发出的准直激光光束经过分光镜透射后入射至参考镜，在参考镜处发生反射和透射，其中，反射光作为参考光，透射光作为测量光；参考光经分光镜反射并传播至成像透镜；测量光依次经过透镜透射及可变形镜反射后入射至面形为实际值的光学自由曲面，经其反射后依次经过可变形镜、透镜及参考镜，最终到达成像透镜，但实际干涉仪***中的光学自由曲面面形为处于加工过程中的实际值，该面形与标称值存在偏差。
以下详细说明本发明的一个具体实施例。
基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，流程如图1所示，具体实施步骤为：
步骤一：获取待测光学自由曲面面形标称值。
标称值包括待测光学自由曲面的口径、非球面系数、顶点曲率半径、附加Zernike系数。
口径2D＝132mm；非球面系数c＝-1.3；顶点曲率半径R＝500mm；附加Zernike系数：Z8＝Z9＝Z12＝Z14＝Z15＝2E-4。
步骤二：获取可变形镜的口径。
变形镜口径2D＝50mm。
步骤三：根据待测光学自由曲面面形标称值，设计部分补偿器的初始结构，获取其相关参数。
部分补偿器的初始结构由透镜和面形为平面的可变形镜构成。
透镜的相关参数包括透镜L的口径、第一面曲率半径、第二面曲率半径、厚度和材料，可依据专利ZL201510809765.4“一种基于可变形镜的准万能补偿镜及设计方法”设计部分补偿器初始结构。透镜L的口径为2D＝90mm，第一面曲率半径为R1＝157.89mm，第二面曲率半径为R2＝4610.35mm，厚度为d＝56.80mm，材料为H-K9L。
设定可变形镜面形为平面，即可变形镜曲率半径为RDM＝Infinity。
步骤四：根据待测光学自由曲面面形标称值及部分补偿器的初始结构的相关参数，在光学仿真软件中建立虚拟干涉仪***。
在光学仿真软件Zemax中建立虚拟干涉仪***，其光路结构如图2所示。
步骤五：在虚拟干涉仪中，设置可变形镜面形可变，对虚拟干涉仪***进行优化并获得部分补偿器的最终结构。
在虚拟干涉仪***中为可变形镜添加附加Zernike系数，用于表征可变形镜的可变化的面形。设定优化目标为最小化虚拟干涉仪***的剩余波前，优化函数包括REAY、MNCG、MNCA、SPHA、ASTI等，优化变量为可变形镜的附加Zernike系数。
优化后的变形镜相关参数如下：曲率半径为RDM＝Infinity，附加Zernike系数(Z4-Z25)为Z4＝2.51E-3，Z5＝2.05E-3，Z6＝9.88E-4，Z7＝3.53E-3，Z8＝1.25E-3，Z9＝2.52E-4，Z10＝1.43E-3，Z11＝1.11E-3，Z12＝2.99E-4，Z13＝5.65E-4，Z14＝1.40E-3，Z15＝2.83E-4，Z16＝-2.763-4，Z17＝2.89E-4，Z18＝2.42E-4，Z19＝4.66E-4，Z20＝2.21E-4，Z21＝-2.67E-4，Z22＝8.21E-5，Z23＝3.27E-5，Z24＝-7.58E-5，Z25＝-1.19E-5。
步骤六：根据部分补偿器的最终结构构建部分补偿器，并建立包含部分补偿器的最终结构的实际干涉仪***。
加工出透镜的实物，利用神经网络控制可变形镜实现步骤五当中的面形，根据图3所示光路建立实际干涉仪***。
步骤七：在实际干涉仪***中，利用实际干涉仪***获取干涉图，根据干涉条纹的密集程度自适应调节可变形镜面形使得干涉图中较为密集的条纹变稀疏，直至全口径内的干涉条纹较为稀疏，所获取的实际干涉图如图4所示。
步骤八：获取实际干涉仪***中可变形镜的面形。
将实际干涉仪***中可变形镜的各致动器的相应组合方式的电压作为神经网络的输入，获得神经网络的输出为对应的可变形镜的面形的Zernike系数，从而获得可变形镜的面形。实际干涉仪***中可变形镜的面形所对应的Zernike系数(Z4-Z25)为：Z4＝7.36E-3，Z5＝4.86E-3，Z6＝6.92E-3，Z7＝0.01E-3，Z8＝5.95E-3，Z9＝3.05E-3，Z10＝4.92E-3，Z11＝5.07E-3，Z12＝1.44E-3，Z13＝4.03E-3，Z14＝5.22E-3，Z15＝1.94E-3，Z16＝-2.25E-4，Z17＝9.88E-5，Z18＝2.13E-3，Z19＝1.60E-3，Z20＝1.47E-3，Z21＝-3.78E-4，Z22＝2.88E-4，Z23＝7.02E-5，Z24＝-1.66E-4，Z25＝-4.02E-5。
步骤九：求解待测光学自由曲面面形误差。
根据专利CN201810067710.4“基于两步载波拼接法的数字莫尔移相干涉测量方法”，求解待测光学自由曲面的面形误差。面形误差对应的Zernike系数为：Z8＝2.51E-4，Z9＝6.33E-4，Z10＝9.40E-5，Z11＝3.65E-4，Z12＝-0.83E-4，Z13＝6.14E-4，Z14＝5.07E-4，Z15＝5.31E-4。
综合上述步骤，可实现自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量。
本发明的结构简单，部分补偿器仅包含透镜和可变形镜，设计难度较低，有效缩短了部分补偿器的设计周期。部分补偿器中包含可变形镜，可变形镜的可实现较为复杂的面形变化，可以对非球面度较高的光学自由曲面实现一对多的测量，具有较强的通用性。在实际干涉仪***中可以根据实际被测光学自由曲面的面形自适应调整可变形镜的面形，具有较强的灵活性，可用于测量未加工完成的光学自由曲面，从而指导光学加工过程。该方法的测量原理基于非零干涉的测量，可以对光学自由曲面进行高精度、非接触、高速度、全口径的测量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)获取待测光学自由曲面面形标称值；
(2)获取可变形镜的口径；
(3)根据待测光学自由曲面面形标称值及可变形镜口径，设计部分补偿器的初始结构，并获取其相关参数；
(4)根据待测光学自由曲面面形标称值及部分补偿器的初始结构的相关参数，在光学仿真软件中建立虚拟干涉仪***；
(5)在虚拟干涉仪中，设置可变形镜面形可变，对虚拟干涉仪***进行优化并获得部分补偿器的最终结构；
(6)根据部分补偿器的最终结构构建部分补偿器实物，并建立包含部分补偿器的最终结构的实际干涉仪***；
(7)在实际干涉仪***中，根据干涉条纹密集程度自适应调节可变形镜面形使干涉条纹满足面形误差求解算法的要求，获取实际干涉图；
(8)获取实际干涉仪***中可变形镜的面形；
(9)求解待测光学自由曲面面形误差。
2.根据权利要求1所述的基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中标称值包括：待测光学自由曲面的口径、面形表征相关参数。
3.根据权利要求2所述的基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中部分补偿器的初始结构由两部分组成，分别为透镜或透镜组及面形为平面的可变形镜；部分补偿器的初始结构的相关参数包括：透镜的口径、各面的曲率半径、厚度和材料，以及可变形镜的口径。
4.根据权利要求3所述的基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其特征在于：所述步骤(5)中，根据光学仿真软件要求，将虚拟干涉仪中的可变形镜面形设置为面形可变；将最小化***剩余波前为优化目标，对***进行优化从而获得最终结构。
5.根据权利要求4所述的基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其特征在于：所述步骤(5)采用通过为可变形镜添加附加Zernike系数的方式，设置可变形镜的面形可变。
6.根据权利要求5所述的基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其特征在于：所述步骤(6)加工获得部分补偿器最终结构中的透镜实物，通过神经网络控制可变形镜面形，包括以下步骤：
(6.1)获取训练集：利用可变形镜控制***控制可变形镜，给定可变形镜各致动器不同组合方式的电压，测量不同组合方式下变形镜的对应面形，将数据集作为训练集；
(6.2)利用训练集训练神经网络：在训练过程中，把致动器不同组合方式的电压作为神经网络的输入，把致动器不同组合方式的电压所对应的可变形镜面形作为神经网络的输出；通过训练集对神经网络进行大量训练，最终获得完成训练的神经网络；
(6.3)控制可变形镜面形：将所需的可变形镜的面形作为神经网络的输入，获得对应的各致动器组合方式的电压，利用该电压控制可变形镜的致动器，获得所需可变形镜的面形，完成可变形镜面形控制。
7.根据权利要求6所述的基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其特征在于：所述步骤(7)中，利用实际干涉仪***获取干涉图，分析干涉条纹的密集程度，自适应调节可变形镜的面形使得干涉图中较为密集的条纹变稀疏，直至全口径内的干涉条纹较为稀疏。
8.根据权利要求7所述的基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其特征在于：所述步骤(8)中，利用神经网络获取可变形镜的面形是通过如下方式实现的：获取实际干涉仪***中可变形镜各致动器的相应组合方式的电压，并将其作为神经网络的输入，获得神经网络的输出为对应的可变形镜的面形。
9.根据权利要求8所述的基于自适应非零干涉法的光学自由曲面面形误差测量方法，其特征在于：所述步骤(9)中，利用数字莫尔移相干涉技术，求解待测光学自由曲面的面形误差。
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