大口径抛物面镜子孔径拼接测量_杨皓聿

第4期
杨皓聿等：大口径抛物面镜子孔径拼接测量
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0引言
随着科学技术的不断发展， 大口径非球面光学 元件广泛的应用于天文光学、空间光学、惯性约束核 聚变等高技术领域。 制造高精度、大口径的非球面需 要与之相应的高精度检测设备和方法。
子 孔 径 拼 接 干 涉 检 测 方 法 [1]主 要 是 通 过 使 用 标 准的小口径干涉仪对大口径光学元件表面进行多次 局部测量， 最后将局部测量结果拼接成整个表面的 测量结果。 它能以较低的成本实现大口径非球面元 件的检测，并且可以提高测量的空间分辨率。 目前用 于大口径非球面面形检测的拼接方法主要有： 圆形 子 孔 径 拼 接 测 量[2-3]和 环 形 子 孔 径 拼 接 测 量 [4]。 但 是 这两种拼接方法都存在困难和不足。 圆形子孔径拼 接检测装置的调整和校准较为复杂和困难， 增加了 子孔径定位的难度。 而环形子孔径拼接只扩展了干 涉仪的纵向动态范围。 其次两种拼接方法的子孔径 名 义 运 动 路 径 计 算[5]都 比 较 复 杂 。
以抛物面顶点为坐标原点建立物空间全局坐标 系 xyz。 在 焦 平 面 内 以 焦 点 为 坐 标 原 点 ，建 立 坐 标 系 o1x1y1， 让 焦 平 面 坐 标 轴 x1 在 物 空 间 全 局 坐 标 系 的 xoz 平 面 内 ，并 与 物 空 间 全 局 坐 标 系 的 x 轴 平 行 。 在 焦平面内放一平面反射镜， 让其圆心在焦平面坐标 系 的 x1 轴 上 。 为 保 证 光 束 能 照 射 到 抛 物 面 上 ， 因 此 平面反射镜不能遮挡住标准镜头的焦点。 所以在测 量 时 ， 平 面 反 射 镜 在 焦 平 面 x1 轴 上 的 起 始 点 必 须 与 焦平面坐标系原点相隔微小间距。 平面反射镜在焦 平 面 内 ，沿 x1 轴 方 向 每 移 动 一 次 ，即 可 获 得 抛 物 面 经 线方向上的一个子孔径。 保持平面反射镜不动，使抛 物面绕光轴旋转一定角度， 可得到抛物面纬线方向 上的一个子孔径。 继续旋转相同角度，直到获得抛物 面纬线上的所有子孔径。 重复以上步骤，就可以完成 覆盖抛物面的所有子孔径测量。
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红外与激光工程
第 43 卷
并 推 导 出 抛 物 面 上 任 意 一 点 在 物 空 间 xoy 平 面 上 的
坐标(x，y)与该点在像面坐标系 x′o′y′下坐标(x′，y′)
的 函 数 关 系 。 如 图 1 所 示 ，假 设 抛 物 面 上 A 点 在 xoy
平 面 的 坐 标 为(x，0)，其 在 标 准 镜 头 面 上 对 应 点 在 xoy
(X-xo1′)2+Y2=ro1′2
(4)
图 2 子孔径名义运动路径计算示意图 Fig.2 Sub-aperture nominal motion path computation schematic
平面反射镜移动距离 d 之后， 生成的子孔径在
收 稿 日 期 ：2013-08-05 ； 修 订 日 期 ：2013-09-03 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 (51075322) ； 陕 西 省 教 育 厅 高 精 度 小 平 面 干 涉 仪 研 制 基 金 (12JS048) 作 者 简 介 ： 杨 皓 聿 (1988-) ， 男 ， 硕 士 生 ， 主 要 从 事 光 学 检 测 方 面 的 研 究 。 Email:yf466835@ 导 师 简 介 ： 田 爱 玲 (1964-) ， 女 ， 博 士 ， 教 授 ， 主 要 从 事 现 代 光 学 制 造 与 检 测 方 面 的 研 究 。 Email:tian21964@
平 面 的 坐 标 为 (H2，0)。 被 测 抛 物 面 的 顶 点 曲 率 半 径 为 R， 标准镜头的焦距为 F， 根据光路图可知点 A、
Za、O1 形 成 的 三 角 形 与 点 H2、O2、O1 形 成 的 三 角 形 为 相似三角形。 所以可得：Βιβλιοθήκη F = -H2(1)
R-Za x
Za 点 是 抛 物 面 A 点 对 应 的 z 值 。 由 抛 物 线 公
文中针对大口径抛物面镜， 提出一种结合了无 像差点检测思想的子孔径拼接测量新方法。 该测量 方法降低了子孔径名义运动路径计算和子孔径对准 的难度。 为了验证该测量方案的可行性， 文中采用 Matlab 进 行 了 子 孔 径 拼 接 检 测 模 拟 。 仿 真 结 果 表 明 ， 采用文中提出的拼接方法能很好的实现大口径抛物 面镜的子孔径拼接干涉检测。
标 x′的函数关系，表示为：
x=(F×P-P×(F2×k2×x′2)1/2)/(k×x′)
(3)
不失一般性，y 与 y′坐标满足同样的函数关系。
经线和纬线方向的子孔径在像面的重叠面积求
解示意图如图 2 所示。 图中 x′o′y′为像面坐标系，子
孔径 1 是平面反射镜在初始位置处生成的子孔径的
像面区域。 由于平面反射镜的初始位置是已知的，因
为 了 提 高 横 向 分 辨 率 ，设 计 CCD 在 光 路 中 的 位 置，让其对应抛物面全口径的一半。 即让被测抛物面 可 成 像 到 CCD 像 面 的 最 大 区 域 在 xoy 平 面 的 投 影 为：直径是抛物面全口径一半大小的圆。 由此可知， 由平面反射镜一维移动获得的抛物面经线方向的子 孔 径 成 像 在 CCD 不 同 位 置 ，称 之 为 基 准 子 孔 径 。 由 于抛物面的旋转对称性， 纬线方向的各个子孔径与 该环基准子孔径的像面位置一致。 1.2 子孔径名义运动路径计算
Sub-aperture stitching interferometry for large parabolic mirror
Yang Haoyu, Tian Ailing, Liu Bingcai
(Shaanxi Province Thin Film Technology and Optical Inspection Laboratory, Xi′an Technological University, Xi′an 710032, China)
此可得到物方子孔径在全局坐标系 x 轴上的两端点
的坐标，分别记为：(x1，0)，(x2，0)。 再根据推导的物像方 坐 标 函 数 关 系 ， 计 算 其 在 像 面 上 的 坐 标 分 别 (x1′ ，0)， (x2′，0)。 并 根 据 坐 标 值 x1′，x2′得 到 像 面 子 孔 径 1 的 圆 心 坐 标(xo1′，0)及 半 径 ro1′。 因 此 可 得 到 像 面 子 孔 径 1 的方程，表示为：
根据文中分析可知， 子孔径由平面反射镜移动 以及抛物面旋转获得。 所以子孔径名义运动路径计 算， 就是求解平面反射镜每次移动的距离以及抛物 面每次旋转的角度， 它们都与子孔径的重叠面积大 小有直接关系。 据相关参考文献介绍，重叠区域的面 积应该不小于子孔径面积的 1/4,只有这样才能保证 参加计算的采样点个数， 进而保证拼接算法的求解 精度。 由于拼接测量系统中干涉仪不发生移动，因此 各个子孔径的像在同一平面内。 所以可以通过确定 像面子孔径的重叠面积大小来完成子孔径的划分。 为了确定物空间子孔径在像面的大小， 首先在像面 上，以抛物面顶点的像为中心，以像素为单位，建立 像 面 二 维 坐 标 系 x′o′y′并 令 其 为 像 面 全 局 坐 标 系 。
第 43 卷第 4 期 Vol.43 No.4
红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2014 年 4 月 Apr.2014
大口径抛物面镜子孔径拼接测量
杨皓聿，田爱玲，刘丙才
(西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，陕西 西安 710032)
摘 要 ： 针对大口径抛物面面形检测，提出一种基于无像差点的子孔径拼接测量新方法。首先，分析 了该拼接方案特殊的子孔径生成方式及子孔径名义运动路径计算的形式；其次，通过建立统一的像面 坐 标 系 和 全 局 坐 标 系 的 函 数 关 系 ，结 合 坐 标 转 换 求 解 出 各 个 子 孔 径 数 据 对 应 的 全 局 坐 标 ；最 后 ，采 用 目标函数法拼接恢复出全口径面形。对一抛物面镜利用该拼接方案进行了计算机仿真实验，拼接得到 RMS 值的偏差为 0.001 4 λ。实验结果表明，该检测方法可以实现大口径抛物面镜的高精度测量。 关键词： 大口径抛物面； 子孔径拼接； 面形检测； 目标函数法 中 图 分 类 号 ： O484 文 献 标 志 码 ： A 文 章 编 号 ： 1007-2276(2014)04-1296-05
1 子孔径拼接方法分析
1.1 测量原理 子孔径拼接测试系统如图 1 所示。 首先选择干
涉仪标准镜头，使其数值孔径略大于被测件的数值
图 1 子孔径拼接测试系统示意图 Fig.1 Sketch of sub-aperture stitching test system
孔径。 然后让标准镜头的焦点与抛物面的焦点重合。 因此从标准镜头出射的测试光波能覆盖被测抛物面 全口径， 并且测试光波照射到被测抛物面上后会平 行于光轴出射。
式：
x2=2×p×z
(2)
可 得 ：Za=H12/(2×P)。 根 据 光 路 图 可 知 H2=H3，又 因 为 H3 经 会 聚 透 镜 会 聚 到 CCD 像 面 上 ， 这 个 过 程 满 足 成 像 原 理 所 以 H3=-k·x′ ， (k 为 CCD 的 放 大 倍 率)。 由 此 可 推 导 出 物 方 xoy 平 面 的 坐 标 x 与 像 面 坐
Abstract: Based on research of surface measurement method for large -diameter parabolic mirror, a new sub-aperture stitching measurement technology based on aberrationless theory was proposed. Firstly, the special method of sub-apertures′ generation and the calculation form for sub-apertures′ nominal motion path of this stitching program were analyzed. Secondly, a unified function between image plane coordinate system and the global coordinate system was established, together with coordinate transformation, the global coordinate of each sub-aperture data was solved. Finally, the full aperture surface was recovered by the objective function method. The simulation experiment was established for parabolic mirror, the stitching deviation of RMS is 0.001 4 λ. The experimental results show that this measurement method can achieve high precision measurement for large -diameter parabolic mirror. Key words: large parabolic mirror; sub-aperture stitching; surface detection; objective function