专利名称：用于非球面子孔径拼接测量的近零位补偿器及面形测量仪和测量方法
技术领域：
本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种用于非球面测量的近零位补偿器及面形测量仪和测量方法。
背景技术：
光学非球面在现代望远镜、光刻物镜等光学系统中得到了广泛应用，随着前述光学系统性能要求的不断提高，大口径和高精度是其中非球面的主要特征。非球面的面形误差常用波面干涉仪进行检测，但是对于大口径非球面，由于偏离理想球面的误差也即非球面度太大，其远远超出了波面干涉仪的垂直测量范围，这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，但是补偿检验要求补偿器补偿后的剩余像差很小，例如达到入/100PV(峰谷值)，因而非球面形状参数稍微发生变化即可能要求重新设计补偿器，即一种补偿器只能适应一种特定的非球面面形。对于望远镜中常用作次镜的凸非球面反射镜，采用补偿法检验时，所设计的补偿器本身通常就包含了非球面，制造成本和工艺复杂性都较高，而且受到补偿器的材料和制造技术等限制，一般不适用于大口径凸非球面反射镜。CN101251435A号中国专利文献中公开了一种“大型光学镜面的子孔径拼接工作站”，其包括干涉仪五维运动调整平台、位于调整平台前方的被测镜两维倾斜调整平台以及装设于相应平台上的激光波面干涉仪等，该子孔径拼接工作站主要用于对大型光学镜面实施子孔径拼接干涉测量。该子孔径拼接工作站主要采用子孔径拼接测量方法，通过依次测量镜面上不同位置但相互有重叠的一系列子孔径，利用子孔径拼接算法获得全口径的面形误差，不需要补偿器等辅助光学元件，能够直接测量非球面度不大的非球面，同时还能增大可测口径范围。然而，该技术方案要求所有子孔径能够覆盖被测镜面，且每个子孔径的非球面度需减小到波面干涉仪的垂直测量范围之内，以便直接用球面干涉仪测量子孔径时可以解析干涉条纹，因此该技术方案一般不适用于非球面度较大的非球面。为了满足该技术方案的检测要求，一些大口径非球面必须划分成上百个子孔径，以减小每个子孔径的非球面度，这带来了测量过程太复杂、易受环境干扰、测量精度较低等问题。Chen和Dai 等在“Calculation of subaperture aspheric departure in lattice design forsubaperture stitching interferometry，，(Optical Engineering,49(2) :023601-1 5,2010)中演示了用一个100mm 口径的球面干涉仪测量一个360mm 口径的凸非球面时，可能需要142个子孔径。为了减小所需子孔径的数目，降低测量复杂性，在子孔径测量时可以引入补偿器，但是与常规的零位补偿器不同，只要求子孔径补偿后的剩余像差减小到波面干涉仪的垂直测量范围之内(例如10XPV)，此时的补偿器称之为近零位补偿器。由于非球面子孔径测量时，涉及不同位置的子孔径，需要补偿的像差也不同，因此一般还要求近零位补偿器的像差补偿能力可调。
CN1587950A号中国专利文献公开了“一种用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法”，该技术方案中提出部分补偿透镜实现非球面面形测量，其仍然采用传统的透镜式补偿器，只适用于回转对称的非球面，不能用于非球面的离轴子孔径；而且补偿器的像差补偿能力不可调，因而适应性不够好。CN1746648A号中国专利文献公开了“一种大口径深型非球面镜检测系统”，该技术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。该技术方案同样只能适用于回转对称凹非球面，不适用于非球面的离轴子孔径。此外，美国QED Technologies 公司在“Subaperture stitching interferometryof high-departure aspheres by incorporating a variable optical null，， (CIRPAnnals-Manufacturing Technology, 59 :547-550,2010)和 US 2009/0251702A1 号美国专利文献中提出了一种应用近零位补偿器实现大非球面度的非球面子孔径拼接测量的方法， 该方法是采用一对Risley棱镜，即一对具有一定楔角的楔形平板，两个平板相向回转时可以改变光程差，主要引入彗差；调整两个平板相对波面干涉仪光轴的整体倾斜，主要引入像散。通过这两个调整自由度，产生大小可调的像差，实现不同非球面上不同位置子孔径的部分像差补偿，从而可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。以上方法的缺点是需要两个调整自由度，对回转和倾斜调整的精度要求很高，对准比较困难；并且由于需要调整补偿器的整体倾斜(可能达到40°倾斜)，要求波面干涉仪与被测镜面之间预留足够多的空间，这不利于测试光路安排。Acosta和 Bard 在“Variable aberration generators using rotate Zernikeplates，，(J. Opt. Soc. Am. A, 22 (9) : 1993-1996，2005)中指出，一对回转的 Zernike 相位板可以产生大小变化的纯Zernike模式，可应用于视觉像差计的校准。该理论构想并没有应用于光学面形测量，原因是光学面形的补偿检验要求完全补偿非球面的像差，因此不同非球面需要专门设计不同形状的补偿器或不同相位函数的计算机生成全息图(CGH)。其次，因为只需要产生单一的固定的像差，用于光学补偿检验的CGH通常只需采用一片，不需要成对使用，后者由于衍射效率问题会降低干涉条纹的对比度，衍射干扰级次增多，这些技术问题都需要采用其他技术予以克服。此外，将一对回转的相位板用于光学面形测量，相位函数的设计与传统补偿检验的CGH相位函数设计的方法不同，传统设计方法是根据单一的固定的被测非球面，计算非球面波前传播到相位板的光学波前形状，以及从相位板出射并最终到达理想像点位置的光学波前的形状，两者之差确定了相位函数；而采用一对相位板时，因为没有完全补偿非球面的像差，相位函数并非完全由入射与出射的光学波前形状所确定，还要能够补偿不同非球面上不同离轴位置的子孔径的大部分像差，此时相位函数需要采用新的设计方法来确定。

发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单紧凑、实用性和可操作性都大大提高的用于非球面子孔径拼接测量的近零位补偿器，还提供一种结构简化、空间紧凑、低成本、高精度、适应性强的用于非球面子孔径拼接测量的面形测量仪，还提供一种该面形测量仪进行非球面子孔径拼接测量的方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种用于非球面(特别是凸非球面)子孔径拼接测量的近零位补偿器，所述近零位补偿器主要由一对相向回转的计算机生成全息(CGH)相位板组成，所述相位板的相位函数由以下Zernike多项式的25(45°方向的像散与离焦)和Z7 (彗差与Y-倾斜)两项组成
aZ5 =ap2 sin (20);
bZ 7 = b\3 p - 2 Jp sin O其中，p为归一化孔径坐标的极半径，0为归一化孔径坐标的方位角，a为Z5多项式系数，b为Z7多项式系数；两个所述相位板的Z5多项式系数互为相反数，两个所述相位板的Z7多项式系数互为相反数，所述a和b的取值大小由离轴子孔径(离轴子孔径是沿X方向离轴的)的像差(像差可用Zemax软件计算)确定；所述相位板安装在一对相向回转的中空精密转台上(转台的中空孔径不小于相位板的有效口径)，且所述相位板的光轴与所述中空精密转台的回转轴线重合。上述技术方案中，通过计算被测非球面镜上不同离轴距离的各离轴子孔径的像差，获得其中对应Zernike多项式的Z4 (0度方向的像散与离焦)和Z6 (彗差与X-倾斜)的两项系数，取其一半，分别用Xi和Yi表示，i = 1,2,…，n为离轴子孔径的序号，则求解非线性方程组
「X,. = 2xn sin(2yv)。 . Wb, =2少0 sm(yj得到的Xtl和即为相位板的相位函数中对应多项式Z5和Z7的系数，Y i是测量第i个子孔径时对应的相位板绕光轴顺时针方向的回转角度；另一个相位板则取相反数，即对应多项式Z5和Z7的系数分别为-Xtl和-y(l，回转角度为绕光轴逆时针方向回转Yi。实际测量时的回转角度大小还应在上述计算值Yi的基础上，根据准确的光学设计模型进行微调，进一步减小子孔径的剩余像差。当近零位补偿器用于另一个面形的被测非球面镜时，相位板的相位函数保持不变，通过合理布局子孔径的位置，并调整两个相位板的相向回转角度，同样能够补偿各个离轴子孔径的大部分像差，实现近零位子孔径测量。作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用于非球面子孔径拼接测量的面形测量仪，所述面形测量仪包括波面干涉仪、干涉仪位姿调整组件、待测镜面安装座、待测镜面位姿调整组件、上述的近零位补偿器以及补偿器位姿调整组件，所述波面干涉仪安装在所述干涉仪位姿调整组件上，所述待测镜面安装座装设在所述待测镜面位姿调整组件上，所述近零位补偿器置于所述波面干涉仪和待测镜面安装座之间且装设在所述补偿器位姿调整组件上，所述中空精密转台的回转轴线与所述波面干涉仪的光轴重合。上述的用于非球面子孔径拼接测量的面形测量仪，优选的，所述干涉仪位姿调整组件主要由空间正交方向上的三轴平移运动平台和装设于该三轴平移运动平台上的偏摆转台组成。该三轴平移运动平台上一般有三轴平移量的数字显示，可采用电动控制方式，可用步进电机或伺服电机驱动。所述偏摆转台上一般有偏摆角度的数字显示，也可采用电动控制方式，用步进电机或伺服电机驱动。上述的用于非球面子孔径拼接测量的面形测量仪，优选的，所述近零位补偿器下方设有补偿器位姿调整组件，所述近零位补偿器装设在该补偿器位姿调整组件上，所述补偿器位姿调整组件主要由一沿着所述波面干涉仪光轴方向运动的平移台构成，所述补偿器位姿调整组件安装在所述偏摆转台上。所述平移台一般有平移量的数字显示，采用电动控制方式，可用步进电机或伺服电机驱动。上述的用于非球面子孔径拼接测量的面形测量仪，优选的，所述待测镜面位姿调整组件主要由一精密回转转台构成，所述精密回转转台的回转轴线与安装在待测镜面安装座上的被测非球面镜的光轴重合。所述精密回转转台一般有回转角度的数字显示，采用电动控制方式，可用伺服电机驱动。作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用上述的面形测量仪对非球面子孔径进行拼接测量的方法，包括以下步骤(I)安装被测非球面镜将一被测非球 面镜划分成若干相互有重叠的子孔径，与此同时，将该被测非球面镜装设在所述待测镜面安装座上；(2)单个子孔径测量通过调整所述干涉仪位姿调整组件、补偿器位姿调整组件以及待测镜面位姿调整组件，使所述波面干涉仪发出的测试光束经过所述近零位补偿器后，对准到被测非球面镜上的某一子孔径区域，此时通过相向回转所述中空精密转台调整所述相位板的相向回转角度，使所述近零位补偿器产生相应大小的彗差和像散，以补偿被测的该子孔径的大部分像差，使得该子孔径的剩余像差减小到所述波面干涉仪的垂直测量范围之内(例如峰谷值IOX，A为波面干涉仪光源的波长)；记录该子孔径测量时各位姿调整组件的运动轴的参数，并与该子孔径的测量数据一同保存；(3)多个子孔径测量按照上述步骤(2)的操作方法，对所述被测非球面镜上其余不同位置处的各个子孔径分别进行测量；(4)拼接处理根据上述步骤⑵和步骤(3)中保存的各子孔径对应的运动轴的参数和测量数据，采用常规的子孔径拼接数据处理方法进行数据处理，最后得到所述被测非球面镜的面形误差。上述方法的步骤(2)和步骤(3)中，在调整所述相位板的相向回转角度时，控制两个相位板的回转角度大小相等且方向相反。上述的方法中，所述子孔径拼接数据处理方法优选包括以下步骤结合光学追迹与刚体位姿变换，建立所述各子孔径测量数据与重叠区域偏差平方和的数学关系，通过迭代优化，确定最优的6自由度位姿参数以及离焦系数，使得各所述子孔径的重叠区域偏差平方和最小，进而获得被测非球面镜的面形误差。上述的方法中，所述单个子孔径测量可以是包括被测非球面镜上中心子孔径的测量或单个离轴子孔径的测量。上述的方法中，所述多个子孔径测量时，优选按照各子孔径距离被测非球面镜光轴的距离由近及远、逐个逐圈进行测量。本发明的上述技术方案主要是以下技术思路的扩展基于Zernike多项式的回转特性，通过在一对相向回转的相位板上叠加由Zernike多项式的Z5(45度方向的像散与离焦)和乙(彗差与Y-倾斜)两项组成的多项式相位函数，产生大小可调的彗差和像散，以补偿不同形状的非球面上不同离轴位置的子孔径的大部分像差；再通过多轴位姿调整组件，将波面干涉仪发出的测试光束经过相位板补偿后对准被测子孔径，实现近零位子孔径拼接测量；通过迭代优化确定被测镜面或近零位补偿器的6自由度位姿参数以及离焦系数，使得重叠区域的偏差平方和最小，获得被测非球面的面形误差的最佳估计。与现有技术相比，本发明的优点在于I.本发明的近零位补偿器通过调整一对相向回转的Zernike相位板的回转角度，产生大小可调的彗差和像散，实现不同形状非球面在不同位置的子孔径的大部分像差的补偿。本发明的近零位补偿器与现有技术中所采用的一对Risley棱镜存在本质区别，由于本发明的近零位补偿器只需要调整回转角度，不仅制作成本低廉，且机械精度更容易保证，而且整个结构更加简单紧凑，完全可适用于波面干涉仪与被测镜面之间间隙较短的情况，实用性和可操作性都大大提高。2.本发明的近零位补偿器的Zernike相位板可采用CGH实现，CGH的图案除了用作像差补偿的部分外，还可以很方便地在同一个基板上制作对准图案，用于对准相位板与波面干涉仪的初始位置以及两个相位板之间的初始位置，从而简化了子孔径测量的校准与对准过程，提高了测量精度。
3.本发明的面形测量仪上由于装设有本发明的近零位补偿器，其结构更加简化，空间更为紧凑，近零位补偿器所需的操作及安装空间减小，运动系统也得到进一步简化，制造成本也相应降低；由于近零位补偿器不涉及补偿器的整体倾斜调整，因而避免了圆形孔径畸变为椭圆形的问题。4.本发明用于非球面的近零位子孔径拼接测量方法中，一共需要8轴数控，比现有技术中的传统方案减少了 3轴；本发明的测量方法结合光学追迹与刚体位姿变换，通过迭代优化的子孔径拼接算法，能够在更大范围内补偿被测非球面或近零位补偿器的6自由度位姿误差的影响，因而降低了对各个数控轴的运动精度要求。


图I为本发明实施例I中的近零位补偿器的立体图。图2为本发明实施例I中近零位补偿器的一对回转相位板的结构示意图。图3为本发明实施例I中的面形测量仪的立体图。图4为本发明实施例I中凸非球面上子孔径划分示意图。图5为本发明实施例I中计算凸非球面上某子孔径的像差的Zemax模型。图6为本发明实施例2中利用光学追迹确定子孔径的物像坐标对应关系的原理图。图7为本发明实施例I中设计的Zernike第一相位板的相位函数。图8为本发明实施例I中设计的Zernike第二相位板的相位函数。图9为本发明实施例I中凸非球面上从中心往外第一圈子孔径的初始像差图。图10为本发明实施例I中凸非球面上从中心往外第二圈的子孔径的初始像差图。图11为本发明实施例I中凸非球面上从中心往外第三圈的子孔径的初始像差图。图12为本发明实施例I中凸非球面上从中心往外第一圈子孔径补偿后的剩余像差。图13为本发明实施例I中凸非球面上从中心往外第二圈子孔径补偿后的剩余像差。图14为本发明实施例I中凸非球面上从中心往外第三圈子孔径补偿后的剩余像差。图例说明I.近零位补偿器；11.相位板；111.第一相位板；1111.第一相位板中心区域；1112.第一相位板边缘区域；112.第二相位板；1121.第二相位板中心区域；1122.第二相位板边缘区域；12.补偿器位姿调整组件；13.中空精密转台；131.第一中空精密转台；132.第二中空精密转台；21.波面干涉仪；211.光轴；212.波面干涉仪镜头；22.干涉仪位姿调整组件；221. Z轴组件；222. X轴组件；223. Y轴组件；224.偏摆转台；3.被测非球面镜；31.待测镜面安装座；32.待测镜面位姿调整组件；321.回转轴线；33.被测非球面镜光轴；34.名义模型。
具体实施例方式以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。实施例I :如图I和图2所示，一种本发明的用于非球面子孔径拼接测量的近零位补偿器1，该近零位补偿器I主要由一对相向回转的计算机生成全息(CGH)相位板11(包括第一相位板111和第二相位板112)组成，相位板11的相位函数由以下Zernike多项式的&(45°方向的像散与离焦)和Z7 (彗差与Y-倾斜)两项组成]
权利要求
1.一种用于非球面子孔径拼接测量的近零位补偿器，其特征在于，所述近零位补偿器主要由一对相向回转的计算机生成全息相位板组成，所述相位板的相位函数由以下Zernike多项式的Z5和Z7两项组成aZ 5 = ap2 sin (20)7 = 6 (3p2 - l)p sin O 其中，p为归一化孔径坐标的极半径，0为归一化孔径坐标的方位角，a为Z5多项式系数，b为Z7多项式系数；两个所述相位板的Z5多项式系数互为相反数，两个所述相位板的Z7多项式系数互为相反数，所述a和b的取值大小由离轴子孔径的像差确定；所述相位板安装在一对相向回转的中空精密转台上，且所述相位板的光轴与所述中空精密转台的回转轴线重合。
2.一种用于非球面子孔径拼接测量的面形测量仪，其特征在于所述面形测量仪包括波面干涉仪、干涉仪位姿调整组件、待测镜面安装座、待测镜面位姿调整组件、权利要求I所述的近零位补偿器以及补偿器位姿调整组件，所述波面干涉仪安装在所述干涉仪位姿调整组件上，所述待测镜面安装座装设在所述待测镜面位姿调整组件上，所述近零位补偿器置于所述波面干涉仪和待测镜面安装座之间且装设在所述补偿器位姿调整组件上，所述中空精密转台的回转轴线与所述波面干涉仪的光轴重合。
3.根据权利要求2所述的用于非球面子孔径拼接测量的面形测量仪，其特征在于所述干涉仪位姿调整组件主要由空间正交方向上的三轴平移运动平台和装设于该三轴平移运动平台上的偏摆转台组成。
4.根据权利要求3所述的用于非球面子孔径拼接测量的面形测量仪，其特征在于所述补偿器位姿调整组件主要由一沿着所述波面干涉仪光轴方向运动的平移台构成，所述补偿器位姿调整组件安装在所述偏摆转台上。
5.根据权利要求2或3或4所述的用于非球面子孔径拼接测量的面形测量仪，其特征在于所述待测镜面位姿调整组件主要由一精密回转转台构成，所述精密回转转台的回转轴线与安装在待测镜面安装座上的被测非球面镜的光轴重合。
6.一种用权利要求4或5所述的面形测量仪对非球面子孔径进行拼接测量的方法，包括以下步骤 (1)安装被测非球面镜将一被测非球面镜划分成若干相互有重叠的子孔径，与此同时，将该被测非球面镜装设在所述待测镜面安装座上； (2)单个子孔径测量通过调整所述干涉仪位姿调整组件、补偿器位姿调整组件以及待测镜面位姿调整组件，使所述波面干涉仪发出的测试光束经过所述近零位补偿器后，对准到被测非球面镜上的某一子孔径区域，此时通过相向回转所述中空精密转台调整所述相位板的相向回转角度，使所述近零位补偿器产生相应大小的彗差和像散，以补偿被测的该子孔径的大部分像差，使得该子孔径的剩余像差减小到所述波面干涉仪的垂直测量范围之内；记录该子孔径测量时各位姿调整组件的运动轴的参数，并与该子孔径的测量数据一同保存； (3)多个子孔径测量按照上述步骤(2)的操作方法，对所述被测非球面镜上其余不同位置处的各个子孔径分别进行测量；(4)拼接处理根据上述步骤(2)和步骤(3)中保存的各子孔径对应的运动轴的参数和测量数据，采用常规的子孔径拼接数据处理方法进行数据处理，最后得到所述被测非球面镜的面形误差。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤(2)和步骤(3)中，在调整所述相位板的相向回转角度时，控制两个相位板的回转角度大小相等且方向相反。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述子孔径拼接数据处理方法包括以下步骤结合光学追迹与刚体位姿变换，建立所述各子孔径测量数据与重叠区域偏差平方和的数学关系，通过迭代优化，确定最优的6自由度位姿参数以及离焦系数，使得各所述子孔径的重叠区域偏差平方和最小，进而获得被测非球面镜的面形误差。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述单个子孔径测量包括被测非球面镜上中心子孔径的测量或单个离轴子孔径的测量。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述多个子孔径测量时，按照各子孔径距离被测非球面镜光轴的距离由近及远、逐个逐圈进行测量。
全文摘要
本发明提供一种用于非球面子孔径拼接测量的近零位补偿器，其主要由一对相向回转的CGH相位板组成，相位函数由Zernike多项式的Z5和Z7两项组成，两个多项式系数均互为相反数，且取值大小由离轴子孔径的像差确定；相位板安装在一对中空精密转台上，且其光轴与转台回转轴线重合。本发明还提供一种面形测量仪，包括波面干涉仪、待测镜面安装座、前述近零位补偿器以及各个位姿调整组件，近零位补偿器的光轴与波面干涉仪的光轴重合。本发明的非球面子孔径进行拼接测量的方法包括以下步骤先安装被测非球面镜，再利用面形测量仪进行各个子孔径的测量，最后进行拼接处理。本发明具有结构简化、空间紧凑、低成本、高精度、适应性强等优点。
文档编号G01B11/24GK102661719SQ20121011094
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者彭小强, 彭扬林, 戴一帆, 李圣怡, 谢超, 陈善勇 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学