高陡度凸二次非球面的无像差点法子孔径拼接测量方法技术

本发明专利技术公开了一种高陡度凸二次非球面的无像差点法子孔径拼接测量方法，将被测二次非球面划分若干子孔径，使得波面干涉仪发出的测试光束大致照射在其上划分的第一个子孔径区域，在满足无像差点法测试条件下利用波面干涉仪测量子孔径的面形误差并将数据存盘，依此测量第二个子孔径区域直到测量所有子孔径的面形误差，将各子孔径测量数据输入计算机进行处理，通过无像差点法子孔径拼接算法进行全口径面形重构，获得被测二次非球面的面形误差。本发明专利技术无需非球面补偿器，是一种低成本、高精度的高陡度凸二次非球面面形误差测量方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属光学测试
，主要涉及一种高陡度凸二次非球面的无像 差点法子孔径拼接测量方法。
技术介绍
非球面具有校正像差、改善像质、扩大视场、简化系统结构等突出优点， 在现代光学系统中得到了广泛应用。近年来随着光学系统逐渐走向高端应用 以及光学设计软件不断增强，各种新型、异形、复杂形面的光学镜面不断涌 现，其中最具代表性的就是高陡度非球面。保形(conformal)光学表面是一种典型的高陡度非球面，其突出特点 是在设计过程中除满足成像要求外，更侧重于提高非球面的空气动力学性 能，以满足各种战略战术导弹的要求。用它代替传统的半球形表面作为导弹 的导引头，能够显著减小空气阻力，提高导弹的空气动力学性能，从而获得 更高的飞行速度、更远的射程和更灵活的机动性能，最终获得极高的战斗效 能，因此引起了世界各国的重视。1996年，美国国防先进技术研究计划办事 处(DARPA， Defense Advanced Research Projects Agency)率先支持相关 大学和公司研究高陡度保形光学镜面特点、应用场所和可行性。1998年在 DARPA的指导下组成了保形光学研究小组一PCOT (Precision Conformal Optics Technology)。 1999年Raytheon公司研制成功了世界上第一个保形 光学导引头。与传统非球面镜相比，保形光学镜面已经不能使用常规的相对 口径和非球面度来表征，其通常的表征参数为口径和长径比，即纵向高差与 口径的比值，典型的保形光学表面的长径比在1.0以上，半球面的长径比为 0.5。目前考虑到制造和测量的复杂性，导引头上的保形光学表面常采用凸 二次非球面，并且主要是椭球面。二次非球面包括椭球面、双曲面和抛物面。在抛光阶段非球面的面形误差常用波面干涉仪进行检测。对于高陡度二 次非球面，由于非球面度太大，远远超出了波面干涉仪的垂直测量范围，导 致形成的干涉条纹太密而无法解析。采用补偿器可以将干涉仪的测试球面波 前变换成与被测非球面匹配的非球面波前，从而实现干涉检测的目的，但是 对于高陡度二次非球面，其补偿器本身通常也是非球面，同样存在制造、检测和装调问题。Liu禾口 Lawrence等在"Subaperture testing of aspheres with annular Zones " ， Y. M丄iu， G. N丄awrence， and C丄Koliopoulo, Applied Optics, 27 (21) :4504-4513， 1988中提出采用环带子孔径拼接的方法测量大 口径回转对称非球面，无需补偿器而增大了垂直测量范围。侯溪等在中国专 利申请号"200510116819.5""—种大口径深型非球面镜检测系统"的实施 方案中提出利用部分补偿器进行环带子孔径拼接测量，可以解决大口径深型 非球面所需环带子孔径数目多的问题。以上方法只能在一定程度上增大垂直 测量范围，对于高陡度二次非球面，所需环带子孔径非常多而且子孔径太窄， 严重降低子孔径拼接算法的可靠性而不适用。美国QED公司在"An automated sub邻erture stitching interferometer workstation for spherical and aspherical surfaces", P. E. Murphy， and G. W. Forbes, Proc. SPIE， Vol. 5188， 296-307, 2003和美国专利"US 6956657B2"中提出一种非球面镜面形误差检测的子孔径拼接方法，通过6 轴运动平台调整被测非球面或干涉仪，对子孔径进行干涉检测，然后采用拼 接算法得到全口径的检测结果，算法主要补偿了干涉仪成像畸变误差、参考 波面误差以及子孔径之间的倾斜、离焦误差。算法不需迭代，由硬件精度保 证可靠性。李圣怡等在中国专利申请号"200710034359.0 ""大口径大相 对孔径非球面镜中高频误差检测装置与方法"中提出了一种非球面镜中高 频误差检测装置与方法，采用五轴运动调整平台实现被测非球面镜上部分区 域的干涉测量，采用区域数据拼接算法，补偿测量过程中的六自由度位姿误 差、最佳拟合球半径误差以及干涉仪成像的横向比例误差。以上两种方法要 求被测子孔径的面形可近似为球面，即子孔径的非球面度比较小，可用球面 波干涉仪直接测量，主要用于低陡度非球面。对于高陡度二次非球面，因为 沿着母线方向曲率剧烈变化，导致干涉条纹太密不能解析。例如椭球面口径 75,，长径比1.2，波面干涉仪可直接测量的中心子孔径的半径小于10mm，而离轴子孔径大小更是剧减。苏显渝等在中国专利申请号"200710048201. 9"" —种大口径非球面镜 全场检测方法"中提出移动干涉仪沿非球面对称轴进行连续扫描获取全场随 时间变化的三维干涉条纹，进行数据处理重构出被测非球面面形的全场信 息，无需非球面补偿器，无需进行子孔径拼接，但是测量分辨率不高，测量精度受扫描运动精度限制，并且对于高陡度凸二次非球面很难实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提出一种低成本、 高精度的。本专利技术提出的 包括以下步骤第一步根据被测二次非球面的几何参数将其划分若干子孔径，将波面 干涉仪、被测二次非球面和球面或平面反射镜安装在相应平台上，使得波面 干涉仪发出的测试光束大致照射在被测二次非球面上划分的第一个子孔径 区域；第二步通过调整波面干涉仪或被测二次非球面的位置和姿态，以及球 面或平面反射镜的位置和姿态，使得满足无像差点法测试条件，即波面干涉 仪发出的球面波测试光束的汇聚点与球面反射镜的曲率中心位于被测二次 非球面的一对无像差点上，对于被测二次非球面是抛物面情形，波面干涉仪 发出的球面波测试光束的汇聚点与抛物面的焦点重合，而反射镜为平面且垂 直于抛物面的对称轴；第三步利用波面干涉仪测量子孔径的面形误差并将数据存盘；第四步通过调整波面干涉仪或被测二次非球面的位置和姿态，以及球 面或平面反射镜的位置和姿态，使得波面干涉仪发出的测试光束照射在被测 二次非球面上划分的第二个子孔径区域且满足无像差点法测试条件，利用波 面干涉仪测量子孔径的面形误差并将数据存盘；第五步重复第四步直到实现被测非球面上划分的所有子孔径的面形误 差测量，将各子孔径测量数据输入计算机进行处理，通过无像差点法子孔径 拼接算法进行全口径面形重构，获得被测二次非球面的面形误差。若干子孔径由被测二次非球面上不同部分区域构成，子孔径之间相互有 重叠，并且子孔径集合覆盖被测二次非球面的全口径。无像差点法子孔径拼接算法，包括初始位姿确定方法，重叠子孔径数据 提取算法以及子孔径测量参数优化算法。初始位姿确定方法根据测量过程中 波面干涉仪或被测二次非球面的位置和姿态调整运动量，自动计算波面干涉 仪相对被测二次非球面的初始位姿；重叠子孔径数据提取算法根据数据点到 名义二次非球面的投影点之间的包容关系，自动确定任意两个被测子孔径之间的重叠数据；子孔径测量参数优化算法通过迭代优化，补偿测量过程中的 六自由度位姿误差、最佳拟合二次非球面参数误差，使得所有重叠数据之间 的不一致性最小，同时所有数据点与名义二次非球面最本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高陡度凸二次非球面的无像差点法子孔径拼接测量方法，其特征在于采用以下步骤：第一步：根据被测二次非球面的几何参数将其划分若干子孔径，将波面干涉仪、被测二次非球面和球面或平面反射镜安装在相应平台上，使得波面干涉仪发出的测试光束大致照射在被测二次非球面上划分的第一个子孔径区域；第二步：通过调整波面干涉仪或被测二次非球面的位置和姿态，以及球面或平面反射镜的位置和姿态，使得满足无像差点法测试条件，即波面干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚点与球面反射镜的曲率中心位于被测二次非球面的一对无像差点上，对于被测二次非球面是抛物面情形，波面干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚点与抛物面的焦点重合，而反射镜为平面且垂直于抛物面的对称轴；第三步：利用波面干涉仪测量子孔径的面形误差并将数据存盘；第四步：通过调整波面干涉仪或被测二次非球面的位置和姿态，以及球面或平面反射镜的位置和姿态，使得波面干涉仪发出的测试光束照射在被测二次非球面上划分的第二个子孔径区域且满足无像差点法测试条件，利用波面干涉仪测量子孔径的面形误差并将数据存盘；第五步：重复第四步直到实现被测非球面上划分的所有子孔径的面形误差测量，将各子孔径测量数据输入计算机进行处理，通过无像差点法子孔径拼接算法进行全口径面形重构，获得被测二次非球面的面形误差。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈善勇，戴一帆，李圣怡，郑子文，丁凌艳，王建敏，王贵林，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]