一种高精度平面子孔径拼接检测方法
【专利摘要】一种高精度平面子孔径拼接检测方法，包含搭建子孔径拼接检测装置；对待测光学元件的该部分面形进行测量，得到该子孔径面形数据并保存；计算重叠区域局部斜率差：利用重叠区域局部斜率差通过第4项和第6项Zernike像差拟合准参考镜面形；减去所拟合的准参考镜面形，得到去除准参考镜面形的子孔径面形数据；去倾斜和平移得到全口径面形。本发明能够有效去除x方向和y方向两种拼接累积误差，同时保证拼接连续而没有拼接痕迹，提高了平面面形子孔径拼接检测的精度，不需要增加额外的辅助部件或标定流程，具有易实现、精度高、不增加系统成本的优点。
【专利说明】
一种高精度平面子孔径拼接检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及大口径平面光学元件面形检测领域，特别是高精度平面子孔径拼接检 测领域。
【背景技术】
[0002] 子孔径拼接干涉测量技术能够以低成本实现大口径光学元件的测量，同时保留了 小口径测量的高精度。1982年美国Arizona大学光学中心的C.J.Kim首先提出子孔径拼接干 涉测量的概念（l.【C .KimjJ.Wyant. Subaperture test of a large flat or a fast aspheric surface[J] · Opt · Soc .Am.，1981，71:1587】）D1985年T.W. Stuhlinger提出离散相 位法，用在子孔径上分布的大量离散点的光学相位测量值来描述波前，该思想是子孔径测 试发展的一个新的里程碑，是后来子孔径测试方法的雏形（2 . [TilmanW.Stuhlinger·Subapertureopticaltesting:experimentalverif ication[C] .SPIE，1986,656:118~127】）。1997年M. Bray研制的拼接干涉仪成功应用于国家点火装置 (National IgnitionFacility，NIF)和LaserMegaJoule等ICF系统中，并将功率谱密度 (PSD)概念引入到拼接干涉仪特性分析中（3 ·【M.Bray · Stichinginterferometerforlarge planoopticsusingastandardinterferometer[C] .SPIE，1997,3134:39~50】*4. 【Μ·Bray·StitchingInterferometry:SideeffectsandPSD[C]·SPIE，1999，3782:443~ 452】）。2003年后，美国QED公司，英国Zeeko公司相继开发出商用的子孔径拼接工作站，能够 测量平面、球面、非球面面形，测量口径可达到200mm(5 .【MarcTricard，Greg Forbes， PaulMurphu.Subaperturemetrologytechnologiesextendcapabilitiesin opticsmanufacturing·Proc·ofSPIE，5965:OBl~OBlI】和6·【Christopher W·King， MatthewBibby.Developmentofametrologyworkstationforfull-apertureand subaperturestitchingmeasurements[C] .ProcediaCIRP，2014,359~364】）D在国内，子孔 径测试技术的研究开始于上个世纪90年代初，多家科研单位对其做了大量研究和实验，主 要用于大口径平面光学元件的检测。张蓉竹等人对最小二乘法两两拼接进行了研究，并搭 建起子孔径拼接检测系统(7.【张蓉竹，石琪凯，蔡邦维，等.子孔径拼接干涉检测实验研究 [J].光学技术，2004,30(2): 173~175】）。张明意等人，对子孔径拼接过程中的倾斜的影响 进行了研究，并提出了一种消除倾斜的方法(8.【张 明意，李新男.子孔径拼接检验法中倾斜 的影响及消除方法[J].光电工程，2006,33(8):117~122】）。
[0003]对于平面面形子孔径拼接检测，其拼接精度受干涉仪拼接累积误差影响，并不能 够媲美大口径干涉仪，这也影响了平面子孔径拼接系统的商用化。针对该问题，Bray提出一 种剪切干涉的方法，对参考镜镜面形进行标定（9.【MichaelBray ,MBO-Metrology， Stitching Interferometry:The practical side of things[C]·SPIE，2009，7426: 74 260Q-1 ~74260Q-9】）'Arizona光学中心（10.【Peng Su，JamesH · Burge，Robert E.Parks.Application of maximum likelihood reconstructionof subaperture data for measurement of large flat mirrors[J].APPLIED0PTICS，2010,49(l):21~31】）、 QED公司（11 ·【Donald Golini ,Greg Forbes ,Murphy .Method for self-calibrated subaperture stitching for surface figuremeasurement · 2003 ,US0117632A1】）、Zeeko公司 (12.【Christopher W.King.AnAutomated Metrology Workstation for the Measurement of Large Diameter ConvexSurfaces[C].Optical Fabrication and Testing,2014, 0Th3B. 2】)采用类似旋转平移绝对检验技术的方式在拼接过程中通过Zernike多项式拟合 参考镜面形。但是基于绝对检验技术实际上无法准确标定参考面离焦项（13.【Miao Erhong, Su Dongqi ,PengShi jun.High precise absolute flat Calibration!!J] ·Laser& OptoelectronicsProgress,2014,51(5) :051203】）。Rayleigh(14. 【L·Rayleigh·Interference Bands and their Applications·Nature，1893,48:212~ 214】)提出将液体平面看作理想平面，可以标定完整的平面面形，但是液体平面易受干扰， 我国长春光机所的采用液面法（13.【Miao Erhong，Su Dongqi ,PengShi jun.High precise absolute flat Calibration[J].Laser&OptoeIectronicsProgress,2014,51(5): 051203】)精确检测平面参考面的离焦对实验系统环境提出了很高的要求。上海光机所李永 等人对最小二乘拼接子孔径所产生的拼接累积误差进行了研究，提出一种降低平面子孔径 拼接累积误差的方法(9.【李永，唐锋，卢云君，王向朝，等.一种降低平面子孔径拼接累积误 差的方法[J].中国激光，2015，42(7):0708006.】），但是没有考虑到直流偏差的累积和垂直 于拼接方向的局部斜率差对拼接的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种提高平面面形子孔径拼接检测精度的方法。该方法能够 在拼接过程中计算并去除参考面局部斜率差，不需要增加额外的辅助部件或标定流程，具 有易实现、精度高、不增加系统成本的优点。
[0005] 本发明的技术解决方案如下：
[0006] 一种高精度平面子孔径拼接检测方法，利用由斐索干涉仪、参考镜和供待测平面 光学元件放置的拼接位移台搭建的子孔径拼接检测装置实现高精度平面子孔径拼接检测， 该方法包含如下的步骤：
[0007] ①搭建子孔径拼接检测装置:将所述的参考镜装夹在斐索干涉仪的参考镜调整架 上，调整参考镜，使其与斐索干涉仪的光轴对准;将待测平面光学元件水平装夹在所述的拼 接位移台上，使斐索干涉仪发出的光穿过参考镜，经待测平面光学元件反射后，沿原路返 回；
[0008] ②控制拼接位移台运动至待测光学元件的初始子孔径的位置，利用斐索干涉仪， 对待测光学元件的该部分面形进行测量，得到该子孔径面形数据并保存；
[0009] ③控制拼接位移台运动至待测光学元件的下一子孔径的位置;利用斐索干涉仪， 对待测光学元件的该部分面形进行测量，得到该子孔径面形数据并保存；
[0010] ④重复进行上述步骤③，完成全部子孔径面形数据1的测量，i = 1，2，3，…，为子 孔径的个数，即实现待测平面光学元件的子孔径测量；
[0011] ⑤计算重叠区域局部斜率差：
[0012] 从相邻子孔径重叠区域中取出一部分作差，利用最小二乘法计算这部分差值图的 斜率，然后取平均，得到重叠区域的局部斜率差；
[0013]⑥利用重叠区域局部斜率差通过第4项和第6项Zernike像差拟合准参考镜面形， 计算公式如下：
[0014] c4 = kx/tilt_x, c6 = ky/tilt_y
[0015]其中，c4是第4项Zernike像差的系数，c6是第6项Zernike像差的系数，kx是所测相 邻子孔径X方向局部斜率差的平均值，ky是所测相邻子孔径y方向局部斜率差的平均值， tilt_x是第4项Zernike系数为1时该像差拼接重叠区域的X方向局部斜率差，til t_y是第6 项Zernike系数为1时该像差拼接重叠区域的y方向局部斜率差;所述的准参考镜面形是为 了消除拼接累积误差而合成的在每个子孔径测量结果中减去的假设的参考镜面形；
[0016] ⑦从每一个子孔径面形数据1中减去所拟合的准参考镜面形，得到去除准参考镜 面形的子孔径面形数据1' ；
[0017] ⑧将去除准参考镜面形的子孔径面形数据W1 '依次按照最小二乘法两两拼接得到 全口径面形W，去倾斜和平移得到全口径面形W'。
[0018] 与现有技术相比，本发明显著优点为：
[0019] 1、能够有效去除X方向和y方向两种拼接累积误差，同时保证拼接连续而没有拼接 痕迹，提高了平面面形子孔径拼接检测的精度；
[0020] 2、所提出的方法仅通过对拼接数据的数据处理即可实现，不需要增加额外的辅助 部件或标定流程，具有易实现、精度高、不增加系统成本的优点。
【附图说明】
[0021 ]图1为本发明子孔径拼接测量装置示意图；
[0022] 图2为本发明X方向拼接累积误差产生原因分析示意图；
[0023] 图3为本发明y方向拼接累积误差产生原因分析示意图；
[0024] 图4为所测子孔径面形数据直接拼接结果；
[0025] 图5为去除准参考镜面形的子孔径面形数据的拼接结果。
【具体实施方式】
[0026] 为了更好的理解本发明实施例的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实施例 对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0027] 本发明的工作原理如下：
[0028] ①如图2所示，重叠区域的X方向斜率差是产生X方向累积误差的原因；
[0029] ②如图3所示，重叠区域的y方向斜率差是产生y方向累积误差的原因；
[0030] ③如果在拼接过程中减去重叠区域的X方向和y方向斜率差，将产生明显的拼接痕 迹；
[0031] ④第4项、第5项和第6项等二阶Zernike像差的直接拼接结果没有拼接痕迹，而高 阶像差的直接拼接结果有明显拼接痕迹；
[0032I⑤因此利用重叠区域局部斜率差通过第4项和第6项Zernike像差拟合准参考镜面 形；
[0033]⑥从每一个子孔径面形数据1中减去所拟合的准参考镜面形，消除拼接重叠区域 局部斜率差，从而消除拼接累积误差；
[0034]利用Zygo公司4英寸DynaFiz干涉仪1，参考镜2,拼接位移台4组建平面子孔径拼接 干涉测量装置，对待测光学元件3，即450_ X 60mm长条镜的面形进行8个子孔径拼接干涉检 测，拼接距离为700pixels。
[0035]①参考镜2装夹在DynaFiz干涉仪1的参考镜调整架上;长条镜水平装夹在拼接位 移台4上；调整参考镜2，使其与DynaFiz干涉仪1的光轴对准;DynaFiz干涉仪1发出的光穿过 参考镜2，经长条镜反射后，光沿原路返回；
[0036]②控制拼接位移台4运动至长条镜的初始子孔径的位置，利用DynaFiz干涉仪1，对 长条镜(3)的该部分面形进行测量，得到子孔径面形数据并保存；
[0037]③控制拼接位移台4运动至长条镜的下一子孔径的位置;利用DynaFiz干涉仪1，对 长条镜的该部分面形进行测量，得到该子孔径面形数据并保存；
[0038] ④重复进行上述步骤③，完成全部子孔径1的测量，1 = 1，2,3，一，为子孔径的个 数，即实现长条镜的子孔径测量；
[0039] ⑤计算参考面重叠区域的局部斜率差：从相邻子孔径重叠区域中取出一部分作 差，利用最小二乘法计算这部分差值图的斜率，然后取平均，得到重叠区域的局部斜率差；
[0040] ⑥利用局部斜率差通过第4项和第6项Zernike像差拟合准参考镜面形，计算公式 如下：
[0041 ] c4 = -kx/0.007 8,c6 = -ky/0.0039
[0042]其中，c4是第4项Zernike像差的系数，c6是第6项Zernike像差的系数，kx是所测相 邻子孔径X方向局部斜率差的平均值，ky是所测相邻子孔径y方向局部斜率差的平均值，-0.0078是拼接距离为700pixels且第4项Zernike系数为1时该像差拼接重叠区域的X方向局 部斜率差，-0.0039是拼接距离为700pi Xels且第6项Zernike系数为1时该像差拼接重叠区 域的y方向局部斜率差；
[0043] ⑦从每一个子孔径面形数据1中减去所拟合的准参考镜面形，得到去除准参考镜 面形的子孔径面形数据1' ；
[0044] ⑧将子孔径面形数据W1 '依次按照最小二乘法两两拼接得到全口径面形W，去倾斜 和平移得到全口径面形W'。
[0045] 直接拼接结果和采用本发明的拼接结果如图4、图5和下表1所示：
[0047] 注:Zygo公司24英寸大口径干涉仪测量结果PV = O. 1663λ，RMS = 0.0 335λ
[0048] 表1
[0049] 实验结果表明，与大口径测量结果相比，采用本发明方法后，拼接测量误差从λ/ 7PV减小至λ/lOOPV，有效消除了 X方向和y方向拼接累积误差，提高了检测精度，且没有拼接 痕迹。
【主权项】
1. 一种高精度平面子孔径拼接检测方法，利用由斐索干涉仪（I)、参考镜(2)和供待测 平面光学元件(3)放置的拼接位移台（4)搭建的子孔径拼接检测装置实现高精度平面子孔 径拼接检测，其特征在于，该方法包含如下的步骤： ① 搭建子孔径拼接检测装置:将所述的参考镜(2)装夹在斐索干涉仪（1)的参考镜调整 架上，调整参考镜(2)，使其与斐索干涉仪（1)的光轴对准;将待测平面光学元件(3)水平装 夹在所述的拼接位移台（4)上，使斐索干涉仪（1)发出的光穿过参考镜(2)，经待测平面光学 元件(3)反射后，沿原路返回； ② 控制拼接位移台（4)运动至待测光学元件(3)的初始子孔径的位置，利用斐索干涉仪 (1)，对待测光学元件(3)的该部分面形进行测量，得到该子孔径面形数据并保存； ③ 控制拼接位移台（4)运动至待测光学元件(3)的下一子孔径的位置;利用斐索干涉仪 (1)，对待测光学元件(3)的该部分面形进行测量，得到该子孔径面形数据并保存； ④ 重复进行上述步骤③，完成全部子孔径面形数据1的测量，i = 1，2，3，…，为子孔径的 个数，即实现待测平面光学元件(3)的子孔径测量； ⑤ 计算重叠区域局部斜率差： 从相邻子孔径重叠区域中取出一部分作差，利用最小二乘法计算这部分差值图的斜 率，然后取平均，得到重叠区域的局部斜率差； ⑥ 利用重叠区域局部斜率差通过第4项和第6项Zernike像差拟合准参考镜面形，计算 公式如下： c4 = kx/tilt_x ,c6 = ky/tilt_y 其中，c4是第4项Zernike像差的系数，c6是第6项Zernike像差的系数，kx是所测相邻子 孔径X方向局部斜率差的平均值，ky是所测相邻子孔径y方向局部斜率差的平均值，tilt_x 是第4项Zernike系数为1时该像差拼接重叠区域的X方向局部斜率差，tilt_y是第6项 Zernike系数为1时该像差拼接重叠区域的y方向局部斜率差； ⑦ 从每一个子孔径面形数据^中减去所拟合的准参考镜面形，得到去除准参考镜面形 的子孔径面形数据W1 ' ； ⑧ 将去除准参考镜面形的子孔径面形数据W1'依次按照最小二乘法两两拼接得到全口 径面形W，去倾斜和平移得到全口径面形W'。
【文档编号】G01B11/24GK105890541SQ201610223513
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】朱鹏辉, 唐锋, 卢云君, 王向朝, 方伟, 李 杰, 彭尝哲
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所