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专利名称：一种用于环形子孔径边界拼接的搜索方法
技术领域：
本发明提出一种用于环形子孔径边界拼接的搜索方法，采用逐次计算子孔径内外边界及干涉仪移动距离的步骤，用多个环形子孔径拼接得到全口径非球面面形。该方法主要应用于小口径干涉仪测量大口径非球面面形系统中。
背景技术：
非球面检测技术历经多年的发展，出现了许多检测手段，如补偿法、全息法、剪切干涉法、无像差点检测法、子孔径拼接法。综合考虑通用性、加工成本、加工周期、加工工艺等因素，子孔径拼接技术是一种无需辅助元件即可高精度测量旋转对称大口径非球面镜的有效手段。根据被测元件的面形，子孔径形状分为圆形子孔径、环形子孔径和矩形子孔径。圆形子孔径应用范围广，适用于大部分平面、球面及面形变化不大的非球面；环形子孔径应用于非球面检测，主要检测偏离度较大的深型非球面；矩形子孔径主要用于矩形光学元件 的检测，但要有矩形标准镜的配合。考虑到圆形子孔径拼接中，干涉仪相对于被测非球面除了具有沿光轴方向的平动外，还有左右和俯仰转动，而环形子孔径只有一维沿光轴方向的移动，对扫描移动导轨要求较低，所以利用小口径干涉仪测量大口径非球面面形系统时，采用环形子孔径拼接法是一种理想的方法。环形子孔径拼接干涉测量法的原理是通过沿光轴方向移动干涉仪，改变干涉仪与非球面之间的距离，使环带区域内的被测非球面表面与参考球面波前之间的偏离量减小到干涉仪的测量范围内，从而得到该环带区域的面形信息。对于米量级的被测非球面主镜数据拼接，可采用不需要相邻子孔径存在重叠区域的测量方法，这对子孔径边界条件和干涉仪移动距离提出了较高的精度要求；对于口径不大的被测非球面，可采用相位测量的拼接算法要保证与前一个子孔径的测量数据间有适当的重叠区域，利用重叠区域的相关性来求解相对调整误差，将所有的子孔径测量数据都校正到同样的参考标准来得到全孔径面形信息。为得到环带检测结果，保证拼接精度，通常测量时每次轴向移动干涉仪，在计算机上观察干涉条纹，干涉条纹的清晰度和重叠区域的大小需要多次反复移动干涉仪进行调整。当待测非球面面形误差不同时，不同重叠率对拟合误差的影响程度也不同，提高定位和移动精度是减小误差的主要手段。为了兼顾精度和效率，需要由被测非球面的口径确定拼接方法，根据抛物面镜口径、相对孔径和CCD采样分辨率，确定各个子孔径出现干涉的内外边界。利用无重叠区域时前一个子孔径的外边界与后一个子孔径的内边界重合，有重叠区域时预先设定相邻子孔径重叠系数比，对干涉仪移动距离做出定位，简化实验过程。

发明内容
为了克服环形子孔径边界定位的不确定性及子孔径相位信息难于提取的问题，本发明提出了一种用于环形子孔径边界拼接的搜索方法，该方法建立了环形子孔径规划模型，给出了模型的具体求解方法，为实际检测提供了理论依据。该方法的技术方案是首先根据被测抛物面镜的口径、相对孔径和干涉仪CCD采样分辨率公式确定干涉图的第一个子孔径外边界坐标，然后将第一个子孔径外边界坐标作为第二个子孔径的内边界坐标，并由零级条纹干涉相切关系，求出第二个子孔径的外边界，即构成了环形干涉孔径。再用前述方法依次类推，得到下一个临界点坐标，每个环形子孔径无重叠区域，恰好在每个边界达到干涉极限位置，此时根据的每个临界点坐标即可确定干涉仪移动的极限距离。以此逐步向外推，直到覆盖被测非球面的边缘，即可完成子孔径的最小数目划分。当采用相位测量方法时，需要考虑重叠区域，根据设定的重叠系数可得到存在重叠区域的子孔径边界坐标和相邻最小数目划分子孔径临界点坐标的关系，结合被测抛物面镜的口径、相对孔径和干涉仪的分辨能力，可求出第二个子孔径的边界坐标和干涉仪移动距离，逐步向外推，依次求出下一个子孔径边界坐标和干涉仪移动距离，直到子孔径覆盖被测非球面边缘，即可完成子孔径的划分。有益效果该方法的有益效果是采用不同拼接方法划分各个子孔径，通过对理想非球面面 形进行分析，建立了环形子孔径规划模型，给出了模型的具体求解方法，对干涉仪的移动距离有了更为精细的控制。相比于在实验中先通过干涉图形判读，再调整干涉仪的方法，原理更为简单且实现容易。该方法提出的规划模型符合环形子孔径检测技术的物理模型，使得检测过程能够可控、量化和可重复，也为后续实验数据的处理提供了便利。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图I是环形子孔径拼接检测非球面设备示意2是测试的平面数学模型图3是移动后的波面关系图4是相邻子孔径重叠区域示意5是相邻环形子孔径临界边界模型
具体实施例方式第一步，如图I所示环形子孔径拼接检测非球面设备示意图。根据被测抛物面镜的口径、相对孔径和干涉仪的分辨能力，设定循环终止条件和临界点满足的最大偏离度d，无重叠区域时前一个子孔径的外边界和后一个子孔径的内边界重合，有重叠区域时根据设定的重叠系数比确定相邻环形子孔径边界的比例关系。设最多可清晰分辨N条条纹，干涉波长为入，Rtl为非球面顶点曲率半径，P1点为干涉边界的临界点坐标用(Xl，Y1)表示。如图2所示测试平面的数学模型。计算公式如下^d = yj(R0-x )2+y2 -R^d = Nx~^-U2HjvxI
、少=2 R0X第二步，如图3所示移动后的波面关系，由零级条纹干涉相切关系,设切点坐标为(xA, yA)求解初始临界AP1，再与第一步用到的方程联立，求出临界点P2的坐标值，和干涉仪移动的距离I1，其中X2和I1是未知数。
权利要求
1.一种用于环形子孔径边界拼接的搜索方法，该方法应用于小口径干涉仪测量大口径非球面面形的系统中，其特征在于非球面与干涉仪发出的参考球面波的切点两边有内外两个非球面度相同的点，利用非球面口径、相对孔径和CCD采样分辨率，确定各个子孔径出现干涉的内外边界。
2.根据权利要求I所述的一种用于环形子孔径边界拼接的搜索方法，其特征在于对于米量级的被测抛物面主镜数据拼接，相邻子孔径无需存在重叠区域，容易取得刚好完全覆盖整个镜面的环形子孔径数据，前一个子孔径发生干涉的外边界与后一个子孔径发生干涉的内边界重合，计算出第一个干涉极限的外边界临界点坐标，再将第一个子孔径外边界坐标作为第二个子孔径内边界坐标，并由零级条纹干涉相切关系，可求出第二个子孔径外边界坐标，逐步向外推，直到子孔径覆盖被测非球面边缘，即可完成子孔径的划分。
3.根据权利要求I所述的一种用于环形子孔径边界拼接的搜索方法，其特征在于基于相位测量的拼接算法要保证与前一个子孔径的测量数据间有适当的重叠区域，利用重叠区域的相关性来求解非球面抛物面镜的相对调整误差，最小数目子孔径划分是由相邻子孔径无重叠区域时得到的，根据设定的重叠系数比可得到存在重叠区域的子孔径边界坐标和相邻最小数目划分子孔径临界点坐标的关系，计算出重叠区域干涉极限的内边界坐标，并由零级条纹干涉相切关系，可求出重叠区域干涉极限的外边界坐标，逐步向外推，直到子孔径覆盖被测非球面边缘，即可完成子孔径的划分。
4.根据权利要求2所述的一种用于环形子孔径边界拼接的搜索方法，其特征在于根据被测抛物面镜的口径、相对孔径可得到非球面顶点曲率半径和非球面子午面方程，结合最大偏离非球面度方程，可以解得第一个干涉临界点坐标，又非球面与参考球面波切点两侧有两个相同的最大偏离非球面度，且由零级条纹相切关系，联立方程组可求出第二个干涉临界点坐标和干涉仪移动距离，将前面得到的临界点坐标和干涉仪移动距离作为已知量，根据前述原理迭代计算可以依次得到其余子孔径临界点坐标和干涉仪移动距离。
5.根据权利要求3所述的一种用于环形子孔径边界拼接的搜索方法，其特征在于相邻子孔径存在重叠区域，需要先计算无重叠区域的最小数目划分的子孔径临界点坐标，然后根据预先设定的重叠系数，得到存在重叠区域的子孔径边界坐标和相邻最小数目划分子孔径临界点坐标的关系，进而确定第一个子孔径的边界坐标，又非球面与参考球面波切点两侧有两个相同的最大偏离非球面度，且由零级条纹相切关系，联立方程组可求出第二个子孔径的边界坐标和干涉仪移动距离，将前面得到的子孔径边界坐标、最小数目划分的子孔径临界点坐标和干涉仪移动距离作为已知量，根据前述原理迭代计算可以依次得到其余有重叠区域子孔径边界坐标和干涉仪移动距离。
全文摘要
本发明提出一种用于环形子孔径边界拼接的搜索方法，在对拼接实验中干涉仪移动距离和子孔径内外边界进行定位，该方法主要应用于小口径干涉仪测量大口径非球面面形的系统中。该方法通过被测抛物面镜口径、相对孔径、干涉仪CCD采样分辨率确定清晰干涉条纹的子孔径边界条件，干涉仪轴向移动距离，并通过循环计算得到下一个边界，直到达到中止条件即临界点坐标超过非球面口径。该方法建立了子孔径划分模型，给出了模型的具体求解方法，使得检测过程能够可控、量化和可重复，也为后续实验数据的处理提供了便利。
文档编号G01B11/24GK102735187SQ20121023629
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者惠梅, 段磊, 赵跃进, 龚诚 申请人:北京理工大学