一种基于旋转平移绝对检测的干涉仪出射波前检测方法

摘要

一种基于旋转平移绝对检测的干涉仪出射波前检测方法属于光学检测领域，包括如下步骤：定义坐标系；在猫眼位置放置反射镜；使干涉仪图像充满CCD；确定猫眼位置的中心处；面形测量软件测量猫眼位置数据W0、W1和W2；调整反射镜绕着XY轴的倾斜或者角反射镜在XY方向的平移，得倾斜量tx1和ty1或者平移量trx1和try1，W0＝Wg-Wg’；W1＝Wg-Wg’(dx,0)，dx≈tx1×F#×PD，dx＝2×trx1/PR，W2＝Wg-Wg’(0,dy)，dy≈ty1×F#×PD，dy＝2×try1/PR；利用W0，W1，W2和dx，dy，通过旋转平移剪切绝对检测技术用计算机编制软件计算出透射波前Wg。

说明书

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种基于旋转平移绝对检测的干涉仪出射波前检测方法。

背景技术

菲索干涉仪是目前高精度面形检测和高精度波像差检测等光学检测领域主要应用的工具之一，菲索干涉仪检测之所以能够实现高精度，主要是因为其共光路的特点，即参考光路和被测光路在干涉仪内部是共光路的，能够消除大部分系统误差。然而完全的共光路是一种理想情况，任何干涉仪系统都会有一定的波前误差，而导致回程误差(retrace error)，所以认识以及测量干涉仪、特别是安装球面标准镜情况下的透射波前对于高精度检测是非常重要的，同时通过测量还可以在一定程度下进行回程误差的补偿，从而提高测量精度。

一般系统的出射波前测量一般需要把该系统置于干涉仪光路中进行测量，利用光束经过改系统波前的改变来进行测量。因为无法在分系统级别直接测量干涉仪出射波前，只能通过干涉仪测量数据来进行计算得到。而利用哈特曼波前传感器进行干涉仪波前测量需要搭建另外的光路进行缩束，并且搭建的光路需要进行标定，操作复杂。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于旋转平移绝对检测的干涉仪出射波前检测方法，该方法解决干涉仪出射波前测量复杂，测量精度影响因素较多的问题，使测量方法操作简单，检测精度较高。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于旋转平移绝对检测的干涉仪出射波前检测方法，该方便包括如下步骤：

步骤一：定义光轴方向为Z轴，垂直光轴方向为XY平面，在球面干涉仪的波前焦点位置放置平面反射镜垂直于Z轴形成猫眼位置；或者在平面干涉仪，被测面位置放置角反射镜垂直于Z轴形成猫眼位置测量；

步骤二：待干涉仪的各部分工作环境稳定之后，通过观察干涉条纹调整平面反射镜绕着X、Y的倾斜或者角反射镜在X，Y方向的平移使得干涉图尽量充满整个CCD；对于球面干涉仪测量猫眼位置的Power项，调整平面反射镜的Z向位置使得Power项小于2个条纹；

步骤三：猫眼的测量值为干涉仪透射波前与之旋转180度的差值，而旋转中心记为猫眼数据的中心；通过寻找圆形干涉图中心的方法来确定旋转中心；或者通过尖状物分别在X方向和Y方向遮挡干涉图，然后通过尖状物的成像位置来确定旋转中心；

步骤四：利用干涉仪的面形测量软件测量猫眼位置数据W₀；不考虑参考面面形误差的前提下，W₀为干涉仪透射波前W_g和W_g旋转180度W_g’间的差值；W₀＝W_g-W_g’＝2×(W_g-W_s)，其中W_s为旋转180度不变项，包括旋转对称项和角频为2θ的项，旋转中心为(c_x,c_y)；

步骤五：调整平面反射镜绕着Y轴的倾斜或者角反射镜在X方向的平移，假设测得反射镜的倾斜量为t_x1或者角反射镜的平移量为t_rx1，然后再次测量猫眼位置数据W₁；W₁＝W_g-W_g’(dx,0)，其中(dx,0)表示数据在CCD上平移dx个像素，而dx≈t_x1×F_#×PD，或者dx＝2×t_rx1/PR，其中F_#为球面标准镜的F数，PD为标准镜全口径占CCD的像素数，PR为平面干涉仪的每个像素代表的实际长度；

步骤六：调整平面反射镜绕着X轴的倾斜或者角反射镜在Y方向的平移，假设测的反射镜的倾斜量为t_y1或者角反射镜的平移量为t_ry1，然后再次测量猫眼位置数据W₂；W₂＝W_g-W_g’(0,dy)，而dy≈t_y1×F_#×PD，或者dy＝2×t_ry1/PR；

步骤七：利用W₀，W₁，W₂三个数据和dx，dy，通过旋转平移剪切绝对检测技术用计算机编制软件计算出透射波前W_g。

本发明的有益效果是：本发明直接利用干涉仪本身的测量功能，利用一块平面反射镜或者角反射镜就能完成干涉仪出射波前的测量，操作简单。

附图说明

图1本发明一种基于旋转平移绝对检测的干涉仪出射波前检测方法球面干涉仪猫眼位置测量示意图。

图2本发明一种基于旋转平移绝对检测的干涉仪出射波前检测方法平面干涉仪类猫眼位置测量示意图

图3本发明平面干涉仪出射波前测量数据组成示意图

图中：1、球面干涉仪，2、平面反射镜，3、计算机，4、平面干涉仪，5、角反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种基于旋转平移绝对检测的干涉仪出射波前检测方法，该方法所应用的装置除了干涉仪本身只需要一小口径反射镜或者与测量波前同口径的角反射镜，该方法包括如下步骤：

步骤一：定义光轴方向为Z轴，垂直光轴方向为XY平面，如图1所示，在球面干涉仪1波前焦点位置放置平面反射镜2垂直于Z轴形成猫眼位置；其中所用球面干涉仪1参数为：球面标准具F数：1.6，干涉仪全口径占探测器像素数：1000或者如图2所示，在平面干涉仪4，被测面位置放置角反射镜5垂直于Z轴形成猫眼位置测量；其中平面干涉仪参数为：口径为100mm，每个像素代表实际长度0.102mm

步骤二：待干涉仪的各部分工作环境稳定之后，通过观察干涉条纹调整平面反射镜绕着X、Y的倾斜或者角反射镜在X，Y方向的平移使得干涉图尽量充满整个CCD；对于球面干涉仪1测量猫眼位置的Power项，调整平面反射镜2的Z向位置使得Power项小于2个条纹；

步骤三：猫眼的测量值为干涉仪透射波前与之旋转180度的差值，而旋转中心记为猫眼数据的中心；通过寻找圆形干涉图中心的方法来确定旋转中心；或者通过尖状物分别在X方向和Y方向遮挡干涉图，然后通过尖状物的成像位置来确定旋转中心；上述两种方法通过多次确定找平均值的方法来获得更准确的中心；确定的中心记为(c_x,c_y)。

步骤四：利用干涉仪的面形测量软件测量猫眼位置数据W₀；不考虑参考面面形误差的前提下，W₀为干涉仪透射波前W_g和W_g旋转180度W_g’间的差值；W₀＝W_g-W_g’＝2×(W_g-W_s)，其中W_s为旋转180度不变项，包括旋转对称项和角频为2θ的项，旋转中心为(c_x,c_y)；

步骤五：如图3所示，调整平面反射镜2绕着Y轴的倾斜或者角反射镜5在X方向的平移，假设测得平面反射镜2的倾斜量为t_x1或者角反射镜5的平移量为t_rx1，然后再次测量猫眼位置数据W₁；W₁＝W_g-W_g’(dx,0)，其中(dx,0)表示数据在CCD上平移dx个像素，而dx≈t_x1×F_#×PD，单位为弧度，或者dx＝2×t_rx1/PR，其中F_#为球面标准镜的F数，PD为标准镜全口径占CCD的像素数，PR为平面干涉仪4的每个像素代表的实际长度；得到反射波前在探测器上移动的像素数dx≈t_x1×1.6×1000或者dx＝2×t_rx1/0.102；

步骤六：调整平面反射镜2绕着X轴的倾斜或者角反射镜5在Y方向的平移，假设测的平面反射镜2的倾斜量为t_y1或者角反射镜5的平移量为t_ry1，然后再次测量猫眼位置数据W₂；W₂＝W_g-W_g’(0,dy)，而dy≈t_y1×F_#×PD，或者dy＝2×t_ry1/PR；得到反射波前在探测器上移动的像素数dy≈t_y1×1.6×1000或者dx＝2×t_ry1/0.102；

步骤七：利用W₀，W₁，W₂三个数据和dx，dy，通过旋转平移剪切绝对检测技术用计算机3编制软件计算出透射波前Wg。

G×X＝W，其中，X为干涉仪出射波前W_g拟合成泽尼克多项式之后的泽尼克系数组成的长度为n的列向量。W为W₀，W₁，W₂中所有m个有效像素的结果值组成的长度为3m的列向量。

G＝[W_z-W_zrot180；

W_z-W_{zrot180_translateX}；

W_z-W_{zrot180_translateY}],为3m×n大小的矩阵；其中，

W_z＝[Z₄(x₁,y₁)Z₅(x₁,y₁)…Z_n(x₁,y₁)；

Z₄(x₂,y₂)Z₅(x₂,y₂)…Z_n(x₂,y₂)；

…

Z₄(x_m,y_m)Z₅(x_m,y_m)…Z_n(x_m,y_m)]，为泽尼克多项式在像素点上的值，为m×n大小的矩阵；W_zrot180为W_z旋转180度之后对应位置的泽尼克多项式的值；W_{zrot180_translateX}为W_z旋转180度然后平移p_x之后对应位置的泽尼克多项式的值；W_{zrot180_translateY}为W_z旋转180度然后平移p_y之后对应位置的泽尼克多项式的值；m为有效像素的个数，n为所取泽尼克多项式的项数。

通过最小二乘解算得到X，即干涉仪出射波前的泽尼克系数。