一种高精度平面子孔径拼接检测方法技术

一种高精度平面子孔径拼接检测方法，包含搭建子孔径拼接检测装置；对待测光学元件的该部分面形进行测量，得到该子孔径面形数据并保存；计算重叠区域局部斜率差：利用重叠区域局部斜率差通过第4项和第6项Zernike像差拟合准参考镜面形；减去所拟合的准参考镜面形，得到去除准参考镜面形的子孔径面形数据；去倾斜和平移得到全口径面形。本发明专利技术能够有效去除x方向和y方向两种拼接累积误差，同时保证拼接连续而没有拼接痕迹，提高了平面面形子孔径拼接检测的精度，不需要增加额外的辅助部件或标定流程，具有易实现、精度高、不增加系统成本的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及大口径平面光学元件面形检测领域，特别是高精度平面子孔径拼接检测领域。
技术介绍
子孔径拼接干涉测量技术能够以低成本实现大口径光学元件的测量，同时保留了小口径测量的高精度。1982年美国Arizona大学光学中心的C.J.Kim首先提出子孔径拼接干涉测量的概念(1.【C.Kim,J.Wyant.Subaperture test of a large flat ora fast aspheric surface[J].Opt.Soc.Am.,1981,71:1587】)。1985年T.W.Stuhlinger提出离散相位法，用在子孔径上分布的大量离散点的光学相位测量值来描述波前，该思想是子孔径测试发展的一个新的里程碑，是后来子孔径测试方法的雏形(2.【TilmanW.Stuhlinger.Subapertureopticaltesting:experimentalverification[C].SPIE,1986,656:118～127】)。1997年M.Bray研制的拼接干涉仪成功应用于国家点火装置(NationalIgnitionFacility,NIF)和LaserMegaJoule等ICF系统中，并将功率谱密度(PSD)概念引入到拼接干涉仪特性分析中(3.【M.Bray.Stichinginterferometerforlargeplanoopticsusingastandardinterferometer[C].SPIE,1997,3134:39～50】和4.【M.Bray.StitchingInterferometry:SideeffectsandPSD[C].SPIE,1999,3782:443～452】)。2003年后，美国QED公司，英国Zeeko公司相继开发出商用的子孔径拼接工作站，能够测量平面、球面、非球面面形，测量口径可达到200mm(5.【MarcTricard,GregForbes,PaulMurphu.Subaperturemetrologytechnologiesextendcapabilitiesinopticsmanufacturing.Proc.ofSPIE,5965:0B1～0B11】和6.【Christopher W.King,MatthewBibby.Developmentofametrologyworkstationforfull-apertureandsubaperturestitchingmeasurements[C].ProcediaCIRP,2014,359～364】)。在国内，子孔径测试技术的研究开始于上个世纪90年代初，多家科研单位对其做了大量研究和实验，主要用于大口径平面光学元件的检测。张蓉竹等人对最小二乘法两两拼接进行了研究，并搭建起子孔径拼接检测系统(7.【张蓉竹,石琪凯,蔡邦维,等.子孔径拼接干涉检测实验研究[J].光学技术,2004,30(2):173～175】)。张明意等
人，对子孔径拼接过程中的倾斜的影响进行了研究，并提出了一种消除倾斜的方法(8.【张明意,李新男.子孔径拼接检验法中倾斜的影响及消除方法[J].光电工程,2006,33(8):117～122】)。对于平面面形子孔径拼接检测，其拼接精度受干涉仪拼接累积误差影响，并不能够媲美大口径干涉仪，这也影响了平面子孔径拼接系统的商用化。针对该问题，Bray提出一种剪切干涉的方法，对参考镜镜面形进行标定(9.【MichaelBray,MBO-Metrology,Stitching Interferometry:The practical side ofthings[C].SPIE,2009,7426:74260Q-1～74260Q-9】)、Arizona光学中心(10.【PengSu,JamesH.Burge,Robert E.Parks.Application of maximum likelihoodreconstructionof subaperture data for measurement of large flatmirrors[J].APPLIEDOPTICS,2010,49(1):21～31】)、QED公司(11.【DonaldGolini,Greg Forbes,Murphy.Method for self-calibrated sub-aperture stitching forsurface figuremeasurement.2003,US0117632A1】)、Zeeko公司(12.【ChristopherW.King.AnAutomated Metrology Workstation for the Measurement of LargeDiameter ConvexSurfaces[C].Optical Fabrication and Testing,2014,OTh3B.2】)采用类似旋转平移绝对检验技术的方式在拼接过程中通过Zernike多项式拟合参考镜面形。但是基于绝对检验技术实际上无法准确标定参考面离焦项(13.【MiaoErhong,Su Dongqi,PengShijun.High precise absolute flat Calibration[J].Laser&OptoelectronicsProgress,2014,51(5):051203】)。Rayleigh(14.【L.Rayleigh.Interference Bands and their Applications.Nature,1893,48:212～214】)提出将液体平面看作理想平面，可以标定完整的平面面形，但是液体平面易受干扰，我国长春光机所的采用液面法(13.【Miao Erhong,Su Dongqi,PengShijun.Highprecise absolute flat Calibration[J].Laser&OptoelectronicsProgress,2014,51(5):051203】)精确检测平面参考面的离焦对实验系统环境提出了很高的要求。上海光机所李永等人对最小二乘拼接子孔径所产生的拼接累积误差进行了研究，提出一种降低平面子孔径拼接累积误差的方法(9.【李永,唐锋,卢云君,王向朝,等.一种降低平面子孔径拼接累积误差的方法[J].中国激光,2015,42(7):0708006.】)，但是没有考虑到直流偏差的累积和垂直于拼接方向的局部斜率差对拼接的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种提高平面面形子孔径拼接检测精度的方法。该方法能够在拼接过程中计算并去除参考面局部斜率差，不需要增加额外的辅助部件或标定流程，具有易实现、精度高、不增加系统成本的优点。本专利技术的技术解决方案如下：一种高精度平面子孔径拼接检测方法，利用由斐索干涉仪、参考镜和供待测平面光学元件放置的拼接位移台搭建的子孔径拼接检测装置实现高精度平面子孔径拼接检测，该方法包含如下的步骤：①搭建子孔径拼接检测装置：将所述的参考镜装夹在斐索干涉仪的参考镜调整架上，调整参考镜，使其与斐索干涉仪的光轴对准；将待测平面光学元件水平装夹在所述的拼接位移台本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度平面子孔径拼接检测方法，利用由斐索干涉仪(1)、参考镜(2)和供待测平面光学元件(3)放置的拼接位移台(4)搭建的子孔径拼接检测装置实现高精度平面子孔径拼接检测，其特征在于，该方法包含如下的步骤：①搭建子孔径拼接检测装置：将所述的参考镜(2)装夹在斐索干涉仪(1)的参考镜调整架上，调整参考镜(2)，使其与斐索干涉仪(1)的光轴对准；将待测平面光学元件(3)水平装夹在所述的拼接位移台(4)上，使斐索干涉仪(1)发出的光穿过参考镜(2)，经待测平面光学元件(3)反射后，沿原路返回；②控制拼接位移台(4)运动至待测光学元件(3)的初始子孔径的位置，利用斐索干涉仪(1)，对待测光学元件(3)的该部分面形进行测量，得到该子孔径面形数据并保存；③控制拼接位移台(4)运动至待测光学元件(3)的下一子孔径的位置；利用斐索干涉仪(1)，对待测光学元件(3)的该部分面形进行测量，得到该子孔径面形数据并保存；④重复进行上述步骤③，完成全部子孔径面形数据Wi的测量，i＝1,2,3,…，为子孔径的个数，即实现待测平面光学元件(3)的子孔径测量；⑤计算重叠区域局部斜率差：从相邻子孔径重叠区域中取出一部分作差，利用最小二乘法计算这部分差值图的斜率，然后取平均，得到重叠区域的局部斜率差；⑥利用重叠区域局部斜率差通过第4项和第6项Zernike像差拟合准参考镜面形，计算公式如下：c4＝kx/tilt_x,c6＝ky/tilt_y其中，c4是第4项Zernike像差的系数，c6是第6项Zernike像差的系数，kx是所测相邻子孔径x方向局部斜率差的平均值，ky是所测相邻子孔径y方向局部斜率差的平均值，tilt_x是第4项Zernike系数为1时该像差拼接重叠区域的x方向局部斜率差，tilt_y是第6项Zernike系数为1时该像差拼接重叠区域的y方向局部斜率差；⑦从每一个子孔径面形数据Wi中减去所拟合的准参考镜面形，得到去除准参考镜面形的子孔径面形数据Wi’；⑧将去除准参考镜面形的子孔径面形数据Wi’依次按照最小二乘法两两拼接得到全口径面形W，去倾斜和平移得到全口径面形W’。...

【技术特征摘要】
1.一种高精度平面子孔径拼接检测方法，利用由斐索干涉仪(1)、参考镜(2)和供待测平面光学元件(3)放置的拼接位移台(4)搭建的子孔径拼接检测装置实现高精度平面子孔径拼接检测，其特征在于，该方法包含如下的步骤：①搭建子孔径拼接检测装置：将所述的参考镜(2)装夹在斐索干涉仪(1)的参考镜调整架上，调整参考镜(2)，使其与斐索干涉仪(1)的光轴对准；将待测平面光学元件(3)水平装夹在所述的拼接位移台(4)上，使斐索干涉仪(1)发出的光穿过参考镜(2)，经待测平面光学元件(3)反射后，沿原路返回；②控制拼接位移台(4)运动至待测光学元件(3)的初始子孔径的位置，利用斐索干涉仪(1)，对待测光学元件(3)的该部分面形进行测量，得到该子孔径面形数据并保存；③控制拼接位移台(4)运动至待测光学元件(3)的下一子孔径的位置；利用斐索干涉仪(1)，对待测光学元件(3)的该部分面形进行测量，得到该子孔径面形数据并保存；④重复进行上述步骤③，完成全部子孔径面形数据Wi的测量，i＝1,2,3,…，为子孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱鹏辉，唐锋，卢云君，王向朝，方伟，李杰，彭尝哲，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31