一种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法及装置制造方法及图纸

一种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法及装置，其能够解决部分补偿法中可变形镜面形约束的问题，在标定的可变形镜变形范围内，实现对自由曲面面形的高精度检测。方法包括：(1)建立基于可变形镜的自由曲面测量系统的光学模型；(2)基于光线追迹原理，追迹入射光线，求出物体经整个系统后所成的像；(3)建立优化目标为像差、优化变量为可变形镜面形的评价函数，同时约束可变形镜行程范围；(4)根据成像系统成像质量的要求，基于粒子群优化算法求解可变形镜面形。

A design method and device of deformable mirror shape for free-form surface measurement

【技术实现步骤摘要】
一种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法及装置
本专利技术涉及光学自由曲面测量的
，尤其涉及一种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法，以及用于自由曲面测量的可变形镜面形设计装置。
技术介绍
自由曲面因其任意的表面形状，可以在一个表面同时实现多种功能。其在校正像差上具有无可比拟的优势，所以经常用于光学成像光学系统中，尤其是离轴折反式结构的自由曲面光学系统。光学系统中使用自由曲面还可以增加光学设计的自由度，使得光学设计存在更多的可能性。此外，自由曲面可以简化光学系统结构，减少光学元件数目，进而减少系统的质量和体积，有利于提高光学系统的结构紧凑性。进入21世纪，自由曲面广泛地应用于航天、军事、科研和生活等领域中。虽然光学自由曲面已经取得了越来越多的应用,但是无论是制作成本，还是其加工的精度都远不能和传统的非球面相比，其中的主要障碍之一是面形的精密检测。非对称、高自由度自由曲面的高精度测量在现有的技术水平下仍存在很大的难度。目前常用的自由曲面测量的测量方法有干涉测量法、相位偏折测量法、探针法、哈特曼波前探测法以及投影法等。其中干涉法是目前公认的检测光学元件面形最准确、最有效的手段。补偿法是干涉法中的一种常用面形检测方法，即借助补偿器(补偿透镜或者计算全息)作为辅助光学元件用来补偿被测面产生的像差。按照补偿的结果可以分为零补偿法和部分补偿法。CGH(Computer-GeneratedHolograms，计算全息图)是零补偿法中最具代表性的方法，由于需要对每个被测自由曲面专门设计和定做全息图，所以其面形检测精度非常高，可以达到10nm。CGH可以用于小口径、小偏离量自由曲面的检测，但是对于大口径、高陡度和大偏离面的自由曲面，在全息图线纹频率的限制下难以制作出全息图。与零补偿法相比，部分补偿法中的补偿器不要求完全补偿被测面的像差，所以其检测精度低于零补偿法。部分补偿法通用性强，可以实现一定范围的自由曲面检测；同时，由于存在一定的剩余波前，补偿镜的设计、加工和装调难度较低。可变形镜是一种通过磁电驱动实现表面面形自由变化的光学器件，主要应用于自适应光学系统中，承担着改善波前和校正像差的任务。近年来在光束整形、自适应光学天文望远镜、光学谐振腔、以及医学人眼像差的检测与校正等多方面都得到了应用。补偿器的设计和加工是自由曲面检测的一大难点。使用可变形镜作为部分补偿器在降低设计难度的同时，又可以具有较高的检测精度。可变形镜型补偿器可以实现同一补偿器检测多种自由曲面，通用性的检测很大程度上降低了补偿器的设计难度和加工成本。由于可变形镜形变范围有限，目前常用的商用软件如ZEMAX无法有效约束其形变，即采用目前的可变形镜面形优化方法很容易超过其最大形变范围。因此，在完成可变形镜型补偿镜设计的过程中，需要寻找一种可约束可变形镜形变范围的优化方法，从而能够在标定的可变形镜变形范围内，实现对自由曲面面形的高精度检测。
技术实现思路
为克服现有技术的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提供了一种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法，其能够解决部分补偿法中可变形镜面形约束的问题，在标定的可变形镜变形范围内，实现对自由曲面面形的高精度检测。本专利技术的技术方案是：这种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法，其包括以下步骤：(1)建立基于可变形镜的自由曲面测量系统的光学模型；(2)基于光线追迹原理，追迹入射光线，求出物体经整个系统后所成的像；(3)建立优化目标为像差、优化变量为可变形镜面形的评价函数，同时约束可变形镜行程范围；(4)根据成像系统成像质量的要求，基于粒子群优化算法求解可变形镜面形。本专利技术通过建立基于可变形镜的自由曲面测量系统的光学模型，基于光线追迹原理，追迹入射光线，求出物体经整个系统后所成的像，建立优化目标为像差，优化变量为可变形镜面形的评价函数，同时约束可变形镜行程范围，根据成像系统成像质量的要求，基于粒子群优化算法求解可变形镜面形，从而能够解决部分补偿法中可变形镜面形约束的问题，在标定的可变形镜变形范围内，实现对自由曲面面形的高精度检测。还提供了一种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计装置，其包括以下模块：光学模型建立模块，其配置来建立基于可变形镜的自由曲面测量系统的光学模型，基于可变形镜的自由曲面测量系统的光路为：准直激光依次经过第一级补偿器、第二级补偿器、待测自由曲面、第二级补偿器、第一级补偿器、理想透镜后，聚焦在像面处；物像求出模块，其配置来基于光线追迹原理，追迹入射光线，求出物体经整个系统后所成的像；评价函数建立模块，其配置来建立优化目标为像差、优化变量为可变形镜面形的评价函数，同时约束可变形镜行程范围；评价函数求解模块，其配置来根据成像系统成像质量的要求，基于粒子群优化算法求解可变形镜面形。附图说明图1是根据本专利技术的用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法的流程图。图2是基于可变形镜的自由曲面测量系统的光路图。其中，1-CCD探测器，2-成像物镜，3-准直激光束，4-分光棱镜，5-参考镜，6-第一级补偿镜，7-第二级补偿镜可变形镜，8-待测自由曲面。图3是基于光线追迹的曲面迭代求交点示意图，其中直线L为一光线，曲面P为一自由曲面。图4是根据本专利技术的步骤(4)的具体流程图。图5是优化后的像面干涉图。具体实施方式可变形镜表面具有很高的自由度，使其与其他光学透镜组成部分补偿器测量系统，可以实现多种自由曲面的瞬时检测。与传统的部分补偿器相比，可变形镜型的部分补偿器具有结构简单、设计难度低和补偿效果显著等技术优势。本专利技术所述的基于部分补偿法的可变形镜面形设计方法，能够约束可变形镜行程，实现可变形镜部分补偿器的设计，以满足高精度自由曲面面形测量的需要。如图1所示，这种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法，其包括以下步骤：(1)建立基于可变形镜的自由曲面测量系统的光学模型；(2)基于光线追迹原理，追迹入射光线，求出物体经整个系统后所成的像；(3)建立优化目标为像差、优化变量为可变形镜面形的评价函数，同时约束可变形镜行程范围；(4)根据成像系统成像质量的要求，基于粒子群优化算法求解可变形镜面形。本专利技术通过建立基于可变形镜的自由曲面测量系统的光学模型，基于光线追迹原理，追迹入射光线，求出物体经整个系统后所成的像，建立优化目标为像差，优化变量为可变形镜面形的评价函数，同时约束可变形镜行程范围，根据成像系统成像质量的要求，基于粒子群优化算法求解可变形镜面形，从而能够解决部分补偿法中可变形镜面形约束的问题，在标定的可变形镜变形范围内，实现对自由曲面面形的高精度检测。优选地，所述步骤(1)中，如图2所示，系统的光路为：准直激光依次经过第一级补偿器、第二级补偿器、待测自由曲面、第二级补偿器、第一级补偿器、理想透镜后，聚焦在像面处；第一级补偿器和第二级补偿器组成部分补偿器结构，第一级补偿器为单片镜或两片透镜组成的透镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法，其特征在于：其包括以下步骤：/n(1)建立基于可变形镜的自由曲面测量系统的光学模型；/n(2)基于光线追迹原理，追迹入射光线，求出物体经整个系统后所成的像；/n(3)建立优化目标为像差、优化变量为可变形镜面形的评价函数，同时约束可变形镜行程范围；/n(4)根据成像系统成像质量的要求，基于粒子群优化算法求解可变形镜面形。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)建立基于可变形镜的自由曲面测量系统的光学模型；
(2)基于光线追迹原理，追迹入射光线，求出物体经整个系统后所成的像；
(3)建立优化目标为像差、优化变量为可变形镜面形的评价函数，同时约束可变形镜行程范围；
(4)根据成像系统成像质量的要求，基于粒子群优化算法求解可变形镜面形。


2.根据权利要求1所述的用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，系统的光路为：准直激光依次经过第一级补偿器、第二级补偿器、待测自由曲面、第二级补偿器、第一级补偿器、理想透镜后，聚焦在像面处；第一级补偿器和第二级补偿器组成部分补偿器结构，第一级补偿器为单片镜或两片透镜组成的透镜组，用来补偿被测面产生的低阶像差，第二级补偿器为可变形镜，用来补偿被测面产生的高阶像差；首先利用塞德尔像差公式和PW法求解第一级补偿器的初始结构，第二级补偿器作为平面反射元件添加到光路中，利用光学设计软件对第一级补偿器进行优化，得到一个相对最佳结果，于是建立起基于可变形镜的部分补偿镜测量系统的光学模型。


3.根据权利要求2所述的用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在Matlab中建立所述光学模型。


4.根据权利要求3所述的用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法，其特征在于：所述步骤(2)包括以下分步骤：
(2.1)求直线L与平面P的交点E1,过E1作与光轴平行的直线交曲面S于F1；
(2.2)根据公式(1)求过点F1的子曲面的切平面P1:



其中，为自曲面在点F1处法向量的分量，为点F1的坐标；求直线L与切平面P1的交点E2,过E2作与光轴平行的直线交子曲面S于F2；如此迭代一直求到En、Fn；
(2.3)若|Fn-Fn-1|<ε，ε为极小值，则以Fn近似代替光线与自由曲面的交点，若|Fn-Fn-1|>ε,则继续迭代求En+1、Fn+1,直到满足|Fn-Fn-1|<ε；
(2.4)通过步骤(2.1)-(2.3)对若干根入射光线进行追迹，求出物体经整个系统后所成的像。


5.根据权利要求4所述的用于自由曲面测量的可变形镜面形设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中用公式(2)表征可变形镜面形：



其中，c为曲面顶点曲率半径，k为二次曲面系数，N是Zernike多项式的项数，Ai为Zernike多项式的系数，r为归一化半径，Zi(ρ,θ)为Zernike多项式，ρ和θ分别为极坐标下的半径和角度。


6.根据权利要求5所述的用于自由曲面测量的可变形镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝群，胡摇，周颋，宁妍，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11