基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置与方法，包括依次水平设置的干涉仪(L1)、混合补偿系统(L2)和被测自由曲面(L3)。本发明专利技术采用双级联变形反射镜(DM)进行像差补偿，利用一种级联DM解耦平均技术，可以在不降低总体像差补偿量的同时实现无耦合的像差平均分配，它对于自由曲面中非旋转对称偏离部分的覆盖范围扩大到160μm，这是迄今为止报道的最大覆盖范围；同时采用可调谐波片的时分监测(TDM)技术，避免了DM表面监测的复杂结构，使得配置更加紧凑。

An optical free-form surface detection device and method for unknown depth based on cascaded compensator

【技术实现步骤摘要】
基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置与方法
本专利技术涉及光学领域，具体涉及一种基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置与方法。
技术介绍
光学自由曲面具有良好的像差校正、照明整形等性能。然而，其精密计量技术仍是一个巨大的挑战。在各种精密非接触式测量技术中，干涉法在球面和非球面的检测中取得了长足的发展，在自由曲面的检测中也得到了广泛的应用。许多非球面干涉测量的思想，如零位测试、非零位测试和子孔径拼接方法，都被移植到自由曲面干涉测量中。但对于未知面形的自由曲面，例如加工过程中的自由曲面，则需要一个大动态范围的像差补偿器以适应加工的不同阶段。国内外一些可变零位补偿器已经应运而生。然而，这些补偿器产生的像差仅局限于几个低阶像差，灵活性有限。近年来，自适应光学补偿器得到研究者们的关注，如空间光调制器(SLM)和变形反射镜(DM)，理论二者上可以产生任何类型的像差。薛帅等人在基于SLM的非球面和自由曲面大动态范围检测方面做了一系列出色的工作。然而，最大的挑战是SLM的相位控制精度。目前检测精度仅达到1/30λ均方根(rms)。此外，由于SLM的动态范围有限，目前报道的对于非旋转对称偏离的最大测量范围约20μm峰谷(PV)值。因此，SLMs在精度和灵活性方面的性能有待进一步提高。作为一种替代方案，DM具有良好的像差校正性能。商业化的DM具有非常简单的控制程序和日益增长的像差校正能力。比如ALPAO公司的系列DM，已经被少数研究者应用于自由曲面检测。最新研究结果表明，目前DM精度和覆盖范围(对于非旋转对称偏离)分别为0.002λ和80λ。显然，它比SLMs有更好的性能。如果需要更大的覆盖率，则需要更高级的DM和SLM。即使是薛帅等人声称的具有4096×2160分辨率(4k)和3.74μm像素间距的SLM也只能覆盖约60μm偏离度。虽然DM的覆盖范围大于SLM，但对于更大的偏离度(例如100μm的非旋转对称偏离度)仍然无能为力。也就是说基于DM的深度自由曲面检测仍然是一个重要技术缺失。同时，基于DM的自由曲面干涉检测仍然存在一定的缺点，由于一般的DMs都是针对天文望远镜等自适应成像系统开发的，其表面控制精度(5％PV误差)不能满足高精度光学测试的要求。此时，DM自身的性能甚至比SLM更差。所以在目前基于DM的自由曲面检测技术中，DM表面必须通过某些设备或结构进行精确监测。2014年,Fuerschbach进行φ多项式反射镜测量中，DM的表面提前使用Zygo干涉仪测量。2016年,黄磊在自由曲面干涉检测系统中使用了一套相位偏折系统来实时监测DM表面。2018年，我们将DM监控配置集成到干涉仪中，采用偏振设计进行DM的干涉监测。可见在这种情况下，DM监控配置是不可避免的，这使得整个系统的配置更加复杂，标定也更加麻烦。即使有更大的覆盖范围的DM可用，一般干涉仪和波前传感器的监测方法却无法监测其表面形变。这正是基于DM的自适应干涉检测的另一个重要的不足之处。
技术实现思路
本专利技术基于现有技术的不足，提出了一种基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置与方法。本专利技术采用的技术方案是：一种基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置，其特征在于：包括依次水平设置的干涉仪、混合补偿系统(HCS)和被测自由曲面；所述混合补偿系统(HCS)包括两个级联的变形反射镜(DM)、一个部分补偿器(PNO)、一个偏振分束器(PBS)、两个可调谐波片(TWP)，所述两个可调谐波片对称设置在偏振分束器的上、下两侧光路上，所述偏振分束器的上、下两侧光路上位于可调谐波片的外侧对称设有变形反射镜；所述部分补偿器给旋转对称像差补偿，变形反射镜给非旋转对称像差补偿；所述干涉仪通常是一个菲索结构或泰曼格林结构(这里以泰曼格林结构为例)，干涉仪包括依次水平设置的激光器、扩束器、分束器(BS)，所述分束器的上侧光路上设置有参考反射镜，所述分束器的下侧光路上依次设置有成像透镜、CCD；以下为了便于描述，将两个级联的变形反射镜分别记为DM1、DM2，两个可调谐波片分别记为TWP1、TWP2。激光器出射的细光束被扩束器扩束后，经分束器(BS)将扩束器传输的准直光束分为两部分。其中一路被BS反射，然后再被参考镜反射后再次到达BS作为参考光束。另一路透过BS继续传输，到达HCS。经过HCS像差校正后的波前能够与被测自由曲面的表面匹配。然后，该波束将被被测自由曲面反射，再次到达HCS。当波再次经过HCS时，将接受另一次像差校正，变成近似的准直波束。最后，该准直波束返回干涉仪，作为测试光束。测试光束和参考光束在BS处发生干涉，通过成像透镜将干涉图成像到CCD上。通过CCD接受的干涉图对HCS进行解耦反馈控制，以产生干涉仪可分辨的稀疏干涉图，用以测量未知自由曲面面形。所述的HCS中的光路传播方式如下，干涉仪的p偏振光进入PBS后被全部反射,穿过TWP1(λ/4波片状态)到达DM1。经过DM1反射后，光束再次通过TWP1，成为s偏振光。因此,所有光束全部透过PBS，穿过TWP2(λ/4波片状态)后到达DM2。经DM2反射后，再次通过TWP2，重新成为p偏振光。因此，该p偏振光全部由PBS反射，穿过PNO后到达被测自由曲面，并被自由曲面反射回HCS。其反射光束将按入射光路原路返回至干涉仪。HCS不改变入射和反射光束的偏振方向。所述的DM1和DM2分别提供非旋转对称像差中的低阶和高阶像差补偿。典型的商用DM，如ALPAO公司的DMs，可以提供20μm～40μm像差补偿(按像差类型)。也就是说，两个DM可以提供最大像差补偿为80μmPV值。光束通过HCS两次，因此最大像差覆盖率约为160μmPV值。一种基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置的检测方法，其特征在于：包括级联DM解耦平均技术和DM时分监测技术，其中级联DM解耦平均技术用于防止变形反射镜(S11)和变形反射镜(S13)出现像差矫正耦合，并且用于实现像差平均分担；DM时分监测技术用于避免单独设置DM监测系统，直接使用干涉仪本身实现DM表面监测。所述的级联DM解耦平均技术步骤如下：(1)利用成熟的随机并行梯度下降(SPGD)算法实现DM1和DM2的反馈控制，将SPGD算法中DM1和DM2的电压控制信号矢量Vw和Vt(下标w和t意义为woofer和tweeter，是对低阶和高阶像差承担者DM1和DM2的代称)转换为Zernike系数控制信号矢量Aw和At，如公式(1)所示，其中转换矩阵Tw和Tt一般由DM制造商提供或者自行标定。(2)将Aw和At分别定义为低阶像差系数和高阶像差系数，如公式(2)所示其中q的值决定了DM1和DM2的具体分工界定。将Zernike系数控制信号矢量Aw和At作为优化控制变量。(3)将Aw和At迭代地添加微扰，如式(3)所示其中上标i表示第i次迭代；γ为每次迭代的步长；为干涉图中不可分辨的区域像素数，是优化目标；δ表示相应变量在迭代中的变换量，具体的其中和是具有相同振幅的伯努利分布随机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置，其特征在于：包括依次水平设置的干涉仪(L1)、混合补偿系统(L2)和被测自由曲面(L3)；所述混合补偿系统(L2)包括两个级联的变形反射镜(S11)和(S13)、一个部分补偿器(S14)、一个偏振分束器(S9)、两个可调谐波片(S10)和(S12)，所述两个可调谐波片(S10)和(S12)对称设置在偏振分束器(S9)的上、下两侧光路上，所述偏振分束器(S9)的上、下两侧光路上位于可调谐波片(S10)和(S12)的外侧对称设有变形反射镜(S11)和(S13)；所述部分补偿器(S14)给旋转对称像差补偿，变形反射镜(S11)和(S13)给非旋转对称像差补偿；所述干涉仪(L1)的p偏振光进入所述混合补偿系统(L2)的偏振分束器(S9)后被全部反射，穿过可调谐波片(S10)到达变形反射镜(S11)，经过变形反射镜(S11)反射后，光束再次通过可调谐波片(S10)，成为s偏振光，所有光束全部透过偏振分束器(S9)，穿过可调谐波片(S12)后到达变形反射镜(S13)，经变形反射镜(S13)反射后，再次通过可调谐波片(S12)，重新成为p偏振光，所述新的p偏振光全部由偏振分束器(S9)反射，穿过部分补偿器(S14)后到达被测自由曲面(L3)，并被被测自由曲面(L3)反射回所述混合补偿系统(L2)，其反射光束按入射光路原路返回至干涉仪(L1)。/n...

【技术特征摘要】
1.基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置，其特征在于：包括依次水平设置的干涉仪(L1)、混合补偿系统(L2)和被测自由曲面(L3)；所述混合补偿系统(L2)包括两个级联的变形反射镜(S11)和(S13)、一个部分补偿器(S14)、一个偏振分束器(S9)、两个可调谐波片(S10)和(S12)，所述两个可调谐波片(S10)和(S12)对称设置在偏振分束器(S9)的上、下两侧光路上，所述偏振分束器(S9)的上、下两侧光路上位于可调谐波片(S10)和(S12)的外侧对称设有变形反射镜(S11)和(S13)；所述部分补偿器(S14)给旋转对称像差补偿，变形反射镜(S11)和(S13)给非旋转对称像差补偿；所述干涉仪(L1)的p偏振光进入所述混合补偿系统(L2)的偏振分束器(S9)后被全部反射，穿过可调谐波片(S10)到达变形反射镜(S11)，经过变形反射镜(S11)反射后，光束再次通过可调谐波片(S10)，成为s偏振光，所有光束全部透过偏振分束器(S9)，穿过可调谐波片(S12)后到达变形反射镜(S13)，经变形反射镜(S13)反射后，再次通过可调谐波片(S12)，重新成为p偏振光，所述新的p偏振光全部由偏振分束器(S9)反射，穿过部分补偿器(S14)后到达被测自由曲面(L3)，并被被测自由曲面(L3)反射回所述混合补偿系统(L2)，其反射光束按入射光路原路返回至干涉仪(L1)。


2.根据权利要求1所述的基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置，其特征在于：所述干涉仪(L1)为菲索结构或泰曼格林结构干涉仪。


3.根据权利要求2所述的基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置，其特征在于：所述干涉仪(L1)为泰曼格林结构干涉仪，包括依次水平设置的激光器(S1)、扩束器(S2)、分束器(S3)，所述分束器(S3)的上侧光路上设置有参考反射镜(S4)，所述分束器(S3)的下侧光路上依次设置有成像透镜(S7)、CCD(S8)；
所述激光器(S1)出射的细光束被扩束器(S2)扩束后，经分束器(S3)将扩束器(S2)传输的准直光束分为两部分，其中一路被分束器(S3)反射，然后在被参考反射镜(S4)反射后再次到达分束器(S3)作为参考光束；另一路透过分束器(S3)继续传输，到达混合补偿系统(L2)，经过混合补偿系统(L2)的像差校正后的波形与被测自由曲面(L3)的表面匹配，该路波束被被测自由曲面(L3)反射，再次到达混合补偿系统(L2)；当波再次经过混合补偿系统(L2)时，将接受另一次像差校正，变成近似的准直波束，准直波束返回干涉仪(L1)，作为测试光束；所述测试光束和参考光束在分束器(S3)处发生干涉，通过成像透镜(S7)将干涉图成像到CCD(S8)上，通过CCD(S8)接收的干涉图对混合补偿系统(L2)进行解耦反馈控制，以产生干涉仪可分辨的稀疏干涉图，用以测量被测自由曲面(L3)的面形。


4.一种基于权利要求1所述的基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测装置的检测方法，其特征在于：包括级联DM解耦平均技术和DM时分监测技术，其中级联DM解耦平均技术用于防止变形反射镜(S11)和变形反射镜(S13)出现像差矫正耦合，并且用于实现像差平均分担；DM时分监测技术用于避免单独设置DM监测系统，直接使用干涉仪本身实现DM表面监测。


5.根据权利要求4所述的基于级联补偿器的未知深度光学自由曲面检测方法，其特征在于：所述级联DM解耦平均技术包括以下步骤：
(1)利用成熟的随机并行梯度下降算法实现变形反射镜(S11)和变形反射镜(S13)的反馈控制，将随机并行梯度下降算法中变形反射镜(S11)和变形反射镜(S13)的电压控制信号矢量Vw和Vt转换为Zernike系数控制信号矢量Aw和At，下标w和t意义为woofer和tweeter，是...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，张宇坤，黄小林，李劲松，俞本立，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34