【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学测量，具体涉及一种消除系统误差的掠入射星形拼接检测方法。
技术介绍
1、随着光学精密测量领域和半导体领域的发展，光学检测的对象呈现出多样化。其中，大型元件例如大口径光学平晶、大口径陶瓷静电吸盘等的加工、检测需求日益增长。这类元件具有面积大、表面平面度值变化大，部分非镜面反射的特点。这超出了常规干涉仪直接测量的能力范围，而三坐标机检测法则难以保证测量的精度与效率的同步要求。
2、相比于干涉仪直接测量法，掠入射测量法不仅扩大了干涉仪的检测面积，同时也提高了干涉仪对粗糙表面的测量能力。与目前工业内广泛使用的三坐标机检测法相比，掠入射干涉测量具有非接触、检测耗时短、检测精度高、量程大、稳定性好及检测成本低等优点。
3、现今，使用干涉测量波面拼接结果评价大口径元件面形精度的方法越来越受到关注。但如周游等人在文献《一种修正子孔径拼接中系统误差的方法》(《激光与光电子学进展》2014年05期.周游,王青,刘世杰)中所分析，干涉测量波面拼接法会累积子孔径波面数据中包含的系统误差，尤其是泽尼克多项式中的二次低阶项会呈平方放大规律，形成误差放大效应。这导致了使用波面拼接法检测大口径元件时，难以获得高精度的全口径面形结果。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种能够提升子孔径拼接精度，更准确高效地测量大口径元件面形，并更适用于大口径工业产品检测的消除系统误差的掠入射星形拼接检测方法。
2、实现本专利技术目的的技术解决方案是：一种消除系统误差的
3、步骤一：利用掠入射干涉仪测量被测件，得到其第一子孔径压缩相位数据，再将被测件旋转90°进行测量，得到第二子孔径压缩相位数据。
4、步骤二：对第一子孔径相位数据和第二子孔径相位数据均进行相位解压缩和尺寸解压缩，对应得到第一子孔径解压相位数据和第二子孔径解压相位数据；
5、解压缩计算公式为：
6、
7、其中，j表示子孔径序号，j＝1,2，j＝1时表示第一子孔径，j＝2时表示第二子孔径，w′j为第j子孔径压缩相位数据；wj为第j子孔径解压相位数据；k为掠入射压缩系数；θ为掠入射角度大小；(x0,y0)为压缩相位数据的坐标；(x,y)为解压相位数据的坐标。
8、步骤三：根据第一子孔径解压相位数据和第二子孔径解压相位数据，得到两个子孔径的重叠区域相位数据，利用上述重叠区域相位数据计算检测系统在x方向的像散光圈powerx，以及检测系统在y方向的像散光圈powery：
9、将第j子孔径解压相位数据用多项式表示为：
10、wj(x,y)＝a0+a1x+a2y+a3x2+a4y2
11、将被测件上第一子孔径与第二子孔径重叠区域内接圆上的两条直径表示为lx、ly，令lx平行于“x方向”，ly平行于“y方向”；分别将第一子孔径解压相位数据与第二子孔径解压相位数据中与lx、ly相同区域的相位数据用矩阵形式表示：
12、
13、
14、其中，t表示矩阵转置；l1x(x,y)、l2x(x,y)分别为第一子孔径、第二子孔径内与直径lx相同位置的相位数据；l1y(x,y)、l2y(x,y)分别为第一子孔径、第二子孔径内与直径ly相同位置的相位数据。
15、利用最小二乘法，分别计算出l1x(x,y)、l2x(x,y)和l1y(x,y)、l2y(x,y)对应的相位拟合系数和其中，i表示多项式系数序号，i∈[0,1,2,3,4]；j表示子孔径序号，j＝1,2。
16、在全局坐标系下，对于第一子孔径而言，解压缩的方向为“y方向”，因此拟合系数同时包含了被测件lx直径的翘曲度power(lx)及检测系统像散光圈powerx；拟合系数包含了被测件ly直径的翘曲度power(ly)及部分检测系统像散光圈powery。
17、用矩阵表示为：
18、
19、其中，l为内接圆直径经掠入射压缩后的长度；d为掠入射干涉仪口径。
20、在全局坐标系下，对于第二子孔径而言，由于测量时被测件旋转了90°，解压缩方向为“x方向”，因此拟合系数包含了被测件lx直径的翘曲度power(lx)及部分检测系统像散光圈powery；拟合系数包含了被测件ly直径的翘曲度power(ly)及检测系统像散光圈powerx。
21、用矩阵表示为：
22、
23、结合最小二乘法，利用目标收敛计算式对两个子孔径重叠区域相位数据与系统像散光圈进行交替迭代优化，得到powerx和powery。
24、目标收敛计算式为：
25、max|powerx(m+1)-powerx(m)|<ε1
26、max|powery(m+1)-powery(m)|<ε2
27、式中，ε1，ε2均为相邻两次迭代的收敛阈值，m表示迭代次数。
28、步骤四：基于powerx、powery，分别对第j子孔径解压相位数据进行校准，对应得到消除检测系统影响的第j子孔径面形数据
29、
30、步骤五：利用星形拼接法，将两个子孔径面形数据进行拼接，得到一个新的子孔径面形数据：
31、以第j个子孔径所在检测坐标系为基准坐标系，第(j+1)个子孔径面形数据在该坐标系下的相对轴向平移、倾斜表示为：
32、
33、建立最小二乘目标函数s，代入两个子孔径重叠区域相位数据，求解位姿调整系数δa0、δa1、δa2：
34、s＝∑{δwreal(x,y)}2＝∑{δa0+δa1·x+δa2·y}2→min
35、其中，δwreal(x,y)表示第j个子孔径与第(j+1)个子孔径的面形数据之差。
36、利用s分别对δa0、δa1、δa2求偏导，写成矩阵方程形式：
37、
38、求解矩阵方程，得δa0、δa1、δa2唯一解，使用求得的位姿调整系数对第j子孔径面形数据进行修正。
39、并利用加权平均法计算重叠区域相位数据计算公式如下：
40、
41、式中，lj为第j个子孔径重叠区域数据点距离该子孔径圆心的距离，lj+1为第(j+1)个子孔径重叠区域数据点距离该子孔径圆心的距离，r(θ)为子孔径圆心经过重叠区域数据点到子孔径边缘的距离。
42、步骤六：继续多次旋转被测件，直至掠入射干涉仪测量的子孔径区域覆盖整个被测件表面，对得到的子孔径压缩相位数据进行解压缩与扣除系统像散光圈操作，重复步骤五，对上述所有子孔径面形数据进行拼接计算，即实现全口径的掠入射星形拼接检测。
43、本专利技术的有益效果在于：一种消除系统误差的掠入射星形拼接检测方法，相比现有技术，本专利技术具有更广的干涉检测范围，同时解决了掠入射拼接测量受到系统误差影响而导致无法实现高精度测量大口径元件面形等难本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种消除系统误差的掠入射星形拼接方法，其特征在于，包含以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种消除系统误差的掠入射星形拼接方法，其特征在于，步骤一中，掠入射干涉仪直接测得的是经掠入射压缩的相位数据，无法直接用于表示被测件的面形误差。
3.根据权利要求1所述的一种消除系统误差的掠入射星形拼接方法，其特征在于，步骤二中，由于尺寸解压缩只在y方向上解压数据，因此子孔径解压相位数据中所包含的系统误差在x、y两个方向上受到了不同的改变，形成系统像散光圈PowerX和PowerY。
4.根据权利要求1所述的一种消除系统误差的掠入射星形拼接检测方法，其特征在于，步骤三中，目标收敛计算式为：
5.根据权利要求1所述的一种消除系统误差的掠入射星形拼接检测方法，其特征在于，步骤五中，星形拼接法中的任意两个子孔径都含有重叠区域，理论上两次测量相同区域所得到的相位值相等，但由于被测元件的机械运动、旋转调整等过程会导致两次测量结果存在差异。
【技术特征摘要】
1.一种消除系统误差的掠入射星形拼接方法，其特征在于，包含以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种消除系统误差的掠入射星形拼接方法，其特征在于，步骤一中，掠入射干涉仪直接测得的是经掠入射压缩的相位数据，无法直接用于表示被测件的面形误差。
3.根据权利要求1所述的一种消除系统误差的掠入射星形拼接方法，其特征在于，步骤二中，由于尺寸解压缩只在y方向上解压数据，因此子孔径解压相位数据中所包含的系统误差在x、y两个方向上...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱日宏，巫智勋，何勇，陈磊，王青，王雨捷，杨旭，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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