离轴抛物面反射镜干涉测量面形投影畸变的修正方法技术

一种修正离轴抛物面反射镜干涉测量面形投影畸变的方法。本发明专利技术根据已知离轴抛物面母镜、离轴子镜与干涉仪三者之间的位置关系，通过坐标投影变换计算并结合相应的标定方法，可以简便快速的实现对离轴抛物面反射镜干涉测量投影畸变的修正，为高精度离轴抛物面的加工奠定了基础。

A correction method for the distortion of the projection of an off-axis paraboloid mirror

【技术实现步骤摘要】
离轴抛物面反射镜干涉测量面形投影畸变的修正方法
本专利技术涉及光学加工，特别是一种修正离轴抛物面反射镜(以下简称离轴抛物面反射镜)干涉测量面形投影畸变的方法。
技术介绍
啁啾脉冲放大技术是实现超强、超短激光脉冲输出的关键技术，随着离轴抛物面反射镜的应用越来越广泛，加工技术越来越成熟，利用高质量的大口径离轴抛物面反射镜构成静态干涉场曝光光路制作高功率啁啾脉冲放大系统中的脉冲压缩光栅成为一种可行的新方法。因此，离轴抛物面反射镜的加工质量将最终影响激光输出能力。但在离轴抛物面反射镜的加工检测过程中，使用干涉仪检测离轴抛物面时,干涉仪产生标准球面波经离轴抛物面反射镜反射，利用平面反射镜将产生的平行光返回后与球面标准镜形成干涉，由于离轴抛物面反射镜表面的曲率随着镜面坐标的变化而变化，致使被检镜面坐标系与干涉仪的测量坐标系之间并非简单的线性关系，这种坐标系之间的非线性对应关系称作投影畸变。尤其是对于大口径、小F数的离轴抛物面，畸变更为严重，这将造成面形特征的位置和尺寸误差，影响数控加工的准确性。目前，畸变校正方法按照原理大致可以分为光学校正和图像校正两种：光学校正是指用中继镜头校正检测系统的畸变，然而对于商业干涉仪，其设计和安装存在困难。图像校正通常需要在镜面前放置基准蒙片，经检测系统成像后，通过对基准及其像进行测量和标定，采用最小二乘拟合确定物像分布函数从而校正畸变。其中拟合多项式需根据测量对象合理选择。对于大口径非球面，基准蒙片的制作及其位置的标定较为繁琐，同时其安装存在风险。而采用光学软件进行追迹同时结合面形匹配的方法，需要较强的光学设计能力且算法实现复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于提供一种离轴抛物面反射镜干涉测量面形投影畸变的修正方法。本专利技术根据已知离轴抛物面母镜、离轴子镜与干涉仪三者之间的位置关系，通过坐标投影变换计算并结合相应的标定方法，可以简便快速地实现对离轴抛物面反射镜干涉测量投影畸变的修正，为高精度离轴抛物面的加工奠定了基础。由于无需采用基准蒙片及复杂的数据拟合，且面形畸变修正计算简单便捷，易于编程实现，因而具有检测成本低、效率高、计算简单准确的特点。为实现上述技术目的，本专利技术的技术解决方案如下：一种离轴抛物面反射镜干涉测量面形的投影畸变修正方法，其特点在于，包括以下步骤：步骤1)标定：利用三坐标测量机和记号笔在离轴抛物面反射镜待测面的中心位置作标记点称为中心标记点；在有效口径边缘位置处作均布的四个标记点，称为边缘标记点；步骤2)搭建自准直干涉检测光路：①初调：在激光平面干涉仪的出光位置安装光阑，调整离轴抛物面反射镜和标准平面反射镜的位置，使所述的激光平面干涉仪的出射光束经所述的光阑中心通光孔对准所述的离轴抛物面反射镜的中心标记点反射后，经所述的标准平面反射镜返回，经所述的离轴抛物面反射镜反射后通过所述的光阑的中心通光孔，即所述的激光平面干涉仪的光轴与所述的离轴抛物面反射镜中心光线初步重合；②精调：将所述的光阑换成球面标准镜头，调整所述的离轴抛物面反射镜和标准平面反射镜，使所述的激光平面干涉仪测得的面形误差最小；③调整所述的激光平面干涉仪位置，根据该激光平面干涉仪测量获得的实时干涉条纹图，观察条纹图上的离轴抛物面反射镜的中心标记点，使所述的离轴抛物面反射镜的中心标记点位于所述的激光平面干涉仪的中心，即投影畸变最小，完成测量光路调整；步骤3)投影畸变修正：步骤3.1)建立坐标系：以干涉测量光路中离轴抛物面反射镜的母镜中心点O建立坐标系OXYZ，设干涉仪局部坐标系OcXcYcZc的原点Oc，即激光平面干涉仪的中心点，位于母镜坐标系下的(xc0，yc0，zc0)处，而离轴抛物面反射镜局部坐标系O’X’Y’Z’的原点O’，即离轴抛物面反射镜的中心点，位于母镜上一点(x0，y0，z0)处，令标准球面镜头及干涉仪的光学系统的组合焦距fs的初始值为标准球面镜头焦距；步骤3.2)CCD坐标变换：根据激光平面干涉仪测得的干涉仪局部坐标系OcXcYcZc下的面形数据点Wc(xc，yc，zc)变换得到离轴抛物面反射镜母镜坐标系OXYZ下面形数据点为Wi(xi，yi，zi)，公式如下：其中，其中，f为离轴抛物面反射镜的焦距，θ为离轴抛物面反射镜的离轴角；步骤3.3)面形数据投影：将步骤3.2)得到的离轴抛物面反射镜母镜坐标系OXYZ下面形数据点Wi(xi，yi，zi)，投影到离轴抛物面反射镜上，获得离轴抛物面反射镜的投影面形数据点Wj(xj，yj，zj)，公式如下：xj2+yj2＝4f×zj(4)其中，xf＝yf＝0，zf＝f，(xf，yf，zf)为离轴抛物面反射镜的焦点坐标；步骤3.4)获取子镜坐标下的面形数据点W’(x’，y’，z’)，公式如下：其中，d为离轴抛物面反射镜的离轴量，α为离轴抛物面反射镜的离轴角，x0＝d，y0＝0，步骤3.5)标定：选取子镜坐标下的面形数据点W’(x’，y’，z’)中最边缘的四个角点作为面形边缘点，当各面形边缘点与对应的边缘标记点之间的距离小于边缘标记点的半径，则认为面形边缘点与边缘标记点重合，即完成组合焦距fs标定；否则，加或减标准球面镜头及干涉仪的光学系统的组合焦距fs初始值，重复步骤3.2)、3.3)、3.4)、3.5)，直至面形边缘点与边缘标记点重合。步骤3.6)根据标定后的组合焦距fs，重复步骤3.2)、步骤3.3)、步骤3.4)完成将全口径数据变换，最终实现全口径面形数据的投影畸变修正。若有效口径为圆形，则边缘标记点为上下左右四点；若有效口径为长方形，则四个角点作为边缘标记点。所述的激光平面干涉仪的测量分辨率为δmm/pix，一般取5～10pix，各标记点的直径为5δ～10δmm。本专利技术的优点在于：本专利技术无需采用基准蒙片及复杂的数据拟合，且面形畸变修正计算简单便捷，易于编程实现，因而具有检测成本低、效率高、计算简单准确的特点。附图说明图1是本专利技术中搭建的自准直干涉检测光路的示意图。图2是激光平面干涉仪测得的光强分布图。图3是面形误差分布图，其中，(a)为干涉仪测得的面形数据Wc，(b)为最终畸变修正后的面形数据W’，(c)为通过畸变修正后的面形，经过数控加工后的最终面形结果。具体实施方式下面参考附图和实施例对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。实施说明：表1离轴抛物面反射镜关键加工指标参见图1，本专利技术修正离轴抛物面反射镜干涉测量面形投影畸变的方法，包括以下步骤：1)利用三坐标测量机和记号笔在离轴抛物面反射镜的待测面的中心位置(0，0)作标记点；为避免全口径测量边角数据缺失影响标定，在(105，105)，(-105，105)，(-105，-105)，(105，-105)四点作标记；其中，干涉测量分辨率0.268mm，取10pix，则标记点大小约本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离轴抛物面反射镜干涉测量面形的投影畸变修正方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1)标定：利用三坐标测量机和记号笔在离轴抛物面反射镜待测面的中心位置作标记点称为中心标记点；在有效口径边缘位置处作均布的四个标记点，称为边缘标记点；/n步骤2)搭建自准直干涉检测光路：/n①初调：在激光平面干涉仪的出光位置安装光阑，调整离轴抛物面反射镜和标准平面反射镜的位置，使所述的激光平面干涉仪的出射光束经所述的光阑中心通光孔对准所述的离轴抛物面反射镜的中心标记点反射后，经所述的标准平面反射镜返回，经所述的离轴抛物面反射镜反射后通过所述的光阑的中心通光孔，即所述的激光平面干涉仪的光轴与所述的离轴抛物面反射镜中心光线初步重合；/n②精调：将所述的光阑换成球面标准镜头，调整所述的离轴抛物面反射镜和标准平面反射镜，使所述的激光平面干涉仪测得的面形误差最小；/n③调整所述的激光平面干涉仪位置，根据该激光平面干涉仪测量获得的实时干涉条纹图，观察条纹图上的离轴抛物面反射镜的中心标记点，使所述的离轴抛物面反射镜的中心标记点位于所述的激光平面干涉仪的中心，即投影畸变最小，完成测量光路调整；/n步骤3)投影畸变修正：/n步骤3.1)建立坐标系：以干涉测量光路中离轴抛物面反射镜的母镜中心点O建立坐标系OXYZ，设干涉仪局部坐标系O...

【技术特征摘要】
1.一种离轴抛物面反射镜干涉测量面形的投影畸变修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)标定：利用三坐标测量机和记号笔在离轴抛物面反射镜待测面的中心位置作标记点称为中心标记点；在有效口径边缘位置处作均布的四个标记点，称为边缘标记点；
步骤2)搭建自准直干涉检测光路：
①初调：在激光平面干涉仪的出光位置安装光阑，调整离轴抛物面反射镜和标准平面反射镜的位置，使所述的激光平面干涉仪的出射光束经所述的光阑中心通光孔对准所述的离轴抛物面反射镜的中心标记点反射后，经所述的标准平面反射镜返回，经所述的离轴抛物面反射镜反射后通过所述的光阑的中心通光孔，即所述的激光平面干涉仪的光轴与所述的离轴抛物面反射镜中心光线初步重合；
②精调：将所述的光阑换成球面标准镜头，调整所述的离轴抛物面反射镜和标准平面反射镜，使所述的激光平面干涉仪测得的面形误差最小；
③调整所述的激光平面干涉仪位置，根据该激光平面干涉仪测量获得的实时干涉条纹图，观察条纹图上的离轴抛物面反射镜的中心标记点，使所述的离轴抛物面反射镜的中心标记点位于所述的激光平面干涉仪的中心，即投影畸变最小，完成测量光路调整；
步骤3)投影畸变修正：
步骤3.1)建立坐标系：以干涉测量光路中离轴抛物面反射镜的母镜中心点O建立坐标系OXYZ，设干涉仪局部坐标系OcXcYcZc的原点Oc，即激光平面干涉仪的中心点，位于母镜坐标系下的(xc0，yc0，zc0)处，而离轴抛物面反射镜局部坐标系O’X’Y’Z’的原点O’，即离轴抛物面反射镜的中心点，位于母镜上一点(x0，y0，z0)处，令标准球面镜头及干涉仪的光学系统的组合焦距fs的初始值为标准球面镜头焦距；
步骤3.2)CCD坐标变换：根据激光平面干涉仪测得的干涉仪局部坐标系OcXcYcZc下的面形数据点Wc(xc，yc，zc)变换得到离轴抛物面反射镜母镜坐标系OXYZ下面形数据点为Wi(xi，yi，zi)，公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晨，邵建达，魏朝阳，吴令奇，顾昊金，
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