基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置

1.基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置，其特征在于：包含有哈特曼-夏克波前传感器(8)、x-z二维电控平移台(9)、步进电机控制器(10)、计算机(11)、待测镜面(12)及数据采集卡(13)；哈特曼-夏克波前传感器(8)对待测镜面(12)的某个区域进行检测，并且在哈特曼-夏克波前传感器(8)形成光斑点阵，由数据采集卡(13)采集上述光斑数据并传输到计算机(11)中存储；计算机(11)向步进电机控制器(10)发出指令，控制二维电控平移台(9)沿x轴与z轴移动对待测镜面(12)进行扫描检测，利用数据采集卡(13)依次采得各帧子波面处的光斑数据，然后利用质心算法、拼接方法及复原算法得到待测波面；所述的哈特曼-夏克波前传感器(8)由点光源(1)、准直透镜(2)、反射镜(3)、CCD(4)及缩/扩束系统(7)组成；
所述的拼接方法采用全局优化拼接方法处理重叠区域中的采样数据，得到各个子波面斜率图相对于基准子波面斜率图的拼接参数，恢复出全孔径波面斜率图；
所述全局化优化拼接方法为：首先，对于现有的干涉仪测量有：
2 2
φ(x，y)＝φ′(x-x0，y-y0)+ax+by+c(x+y)+d (1)
其中：a、b、c和d分别为两个子波面测量过程中的x轴和y轴的相对倾斜、离焦和平移误差系数；(x0，y0)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；但在实际工程中，考虑到短距离的光传输，当菲涅尔数Nf＞1000时，因衍射而产生的波前变化的误差将在1％以下，即波前畸变忽略不计，而实际测量中二维电控平移台的平移误差是毫米量级的，因此忽略离焦项，(1)简化为：
φ(x，y)＝φ′(x-x0，y-y0)+ax+by+d (4)
分别对x、y求导得：
哈特曼-夏克波前传感器检测消除了平移误差系数d的影响，仅仅考虑相对倾斜系数a、b，从而降低了拼接参数求解复杂度；其中x方向斜率为：
2
δx＝∑{Gx(xi，yi)-[Gx′(xi-x0，yi-y0)+a]} →min (6)将公式(6)对a求导并令其值为零，求得拼接参数a；Y方向的斜率图类似；
当拼接区域大于两个时，假设共有M个子波面拼接，先选定其中任意的某个子波面作为基准，选择中心区域的子波面m作为参考标准；假设拼接参数分别为(ai，bi，ci，di)(0≤i≤M-1，i≠m)，那么在x方向的斜率，各个子波面斜率图与基准子波面斜率图的关系为：
Gm(x，y)＝Gi(x-x0，y-y0)+ai(0≤i≤M-1，i≠m) (7)利用最小二乘法：
令： (0≤i≤M-1，i≠m) (9)
若令： Qij＝nij Ri＝ai (10)
其中Δ(x，y)＝Gi(x-xi，y-yi)-Gj(x-xj，y-yj)为第i，j帧子波面重叠区域内各个采样点处测量值之差，nij为采样点个数；则有：
其中 利用式(11)得到各个子波面相对于基准子波面的拼接参数。
2.根据权利要求1所述的基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置，其特征在于：点光源(1)发出的光经过准直透镜(2)形成平行光束，该平行光束经过反射镜(3)转折后再经过缩/扩束系统(7)照射到待测镜面(12)，待测镜面(12)反射的光线经缩/扩束系统(7)，再经反射镜(3)的透射在CCD(4)上形成光斑点阵。
3.根据权利要求2所述的基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置，其特征在于：所述的缩/扩束系统(7)由微透镜阵列(5)与过渡成像光组(6)组成。
4.根据权利要求1所述的基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置，其特征在于：将待测元件所述的待测镜面(12)固定在二维电控平移台(9)上，并随二维电控平移台(9)同步移动；而保持哈特曼-夏克波前传感器(8)固定来进行检测。
5.根据权利要求1所述的基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置，其特征在于：哈特曼-夏克波前传感器(8)口径的大小和形状能够改变。

基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及光学检测领域，特别是涉及一种大口径光学系统或元件的拼接检测系统。\n背景技术\n[0002] 大口径光学元件正越来越多的应用于天文观测、空间光学、遥感观测、激光核聚变系统等领域，其加工和检测技术是当今国内外研究的难点和热点。在采用常规的测量方式时，随着口径的增大，在考虑成本的前提下提高测量精度是非常困难的。而采用小口径仪器去测量大口径光学元件能更好的解决提高测量精度与降低设备成本之间的矛盾，为光学元件的检测提供一种新方法。\n[0003] 目前已出现了“子孔径拼接干涉仪”的检测方案。王孝坤，王丽辉，郑立功等在“子孔径拼接技术在大口径高陡度非球面检测中的应用”(强激光与粒子束，2007.7.Vol.19：\n1144-1148)中，张蓉竹，石琪凯，许乔等在“子孔径拼接干涉检测实验研究”(光学技术，\n2004.3(30))均实现了干涉仪拼接检测，但仅仅是三帧拼接，未扩展到更大的需多帧拼接的待测光学表面。\n[0004] 如图3所示，图中w1，w2分别表示在大口径待测面上进行的两次检测区域，它们之间有一定面积的重叠(图中阴影部分)，每一个区域对应的相位分布分别用φ(x，y)和φ′(x-x0，y-y0)表示，(x0，y0)为两个测量区域坐标系的相对移动量。理论上两次测量在重叠区域内的数据信息应该是相同的，然而在实际检测过程中，由于平移台的移动误差必然使得前后两次测量到的相位分布不在同一个面上，这就导致重叠区域两侧检测结果不一致。因此要对重叠区域的斜率测量数据进行最小二乘拟合得到两个子波面的拼接参数，把两个子波面斜率图统一到一个坐标系里。如果以w1区域的相位分布φ(x，y)为基准，则对于现有的干涉仪检测有：\n[0005] φ(x，y)＝φ′(x-x0，y-y0)+ax+by+c(x2+y2)+d (1)\n[0006] 其中a、b、c和d分别为两个子波面测量过程中的x轴和y轴的相对倾斜、离焦和平移误差。由最小二乘法有：\n[0007] δ ＝ ∑ {φ(xi，yi)-[φ ′ (xi-x0，yi-y0)+ax+by+c(xi2+yi2)+d]}2 → min (2)\n[0008] 令： 可得：\n[0009] \n[0010] 其中Δ(x，y)＝φ(xi，yi)-φ′(xi-x0，yi-y0)为两个相交子波面各个采样点处测量值之差，n为重叠区域采样点个数。每个子波面都需要计算四个拼接参数(a，b，c，d)。\n同时，干涉仪拼接检测方案还存在实验条件苛刻，对大气湍流、温度、振动、噪声敏感；每次移动后需要重新调整装置，检测速度慢等局限性。\n[0011] T.D.Raymond，D.R.Neal 等 在“High-speed，non-interferometric \nnanotopographic characterization of Si wafer surfaces，”(Proc.SPIE 4809，\n2002.208-216)中采用方形哈特曼-夏克波前传感器对硅片表面形貌进行了拼接检测，但未构建完整的适于任意拼接帧数的通用数学模型，且对于使用圆形口径哈特曼为主的国内外市场缺乏普适性。\n发明内容\n[0012] 本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，设计出一种结构简单调试方便、检测速度快且精度高的拼接检测系统，并采用全局优化拼接方法求得各帧子波面斜率图相对于基准子波面斜率图的绝对拼接参数，大大降低了多帧扫描中误差累积和误差传递的影响，有利于拼接精度的提高。\n[0013] 本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置，其特征在于：包含有哈特曼-夏克波前传感器、x-z二维电控平移台、步进电机控制器、计算机、待测镜面及数据采集卡；哈特曼-夏克波前传感器对待测镜面某个子区域进行检测，并且在哈特曼-夏克波前传感器形成光斑点阵，由数据采集卡采集上述光斑数据并传输到计算机中存储；计算机向步进电机控制器发出指令，控制二维电控平移台沿x轴与z轴移动对待测镜面进行扫描检测，利用数据采集卡依次采得各帧子波面处的光斑数据，然后利用质心算法、拼接方法及复原算法得到待测波面。\n[0014] 所述的哈特曼-夏克波前传感器由点光源、准直透镜、反射镜、CCD及缩/扩束系统组成；点光源发出的光经过准直透镜形成平行光束，该平行光束经过反射镜转折后再经过扩束系统照射到待测镜面，待测镜面反射的光线经缩束系统，再经反射镜的透射在CCD上形成光斑点阵。\n[0015] 所述的扩/缩束系统由微透镜阵列与过渡成像光组组成。\n[0016] 所述的拼接方法采用的全局优化拼接方法处理重叠区域中的采样数据，得到各个子波面斜率图相对于基准子波面斜率图的拼接参数，恢复出全孔径波面斜率图。\n[0017] 所述的全局化优化拼接方法为：\n[0018] 首先，对现有的干涉仪检测的公式(1)，\n[0019] φ(x，y)＝φ′(x-x0，y-y0)+ax+by+c(x2+y2)+d (1)\n[0020] 其中：a、b、c和d分别为两个子波面测量过程中的x轴和y轴的相对倾斜、离焦和平移误差系数；但在实际工程中，考虑到短距离的光传输，当菲涅尔数Nf＞1000时，因衍射而产生的波前变化的误差将在1％以下，即波前畸变可以忽略不计，而实际测量中二维电动平移台的piston误差是毫米量级的，因此可以忽略离焦项，(1)可简化为：\n[0021] φ(x，y)＝φ′(x-x0，y-y0)+ax+by+d (4)\n[0022] 分别对x、y求导得：\n[0023] \n[0024] 哈特曼-夏克波前传感器检测消除了平移误差系数d的影响，仅仅考虑相对倾斜系数a、b，从而降低了拼接参数求解复杂度，以x方向斜率为例，即有：\n2\n[0025] δx＝∑{Gx(xi，yi)-[Gx′(xi-x0，yi-y0)+a]} →min (6)[0026] 将公式(6)对a求导并令其值为零，可以求得拼接参数a；Y方向的斜率图类似；\n[0027] 当拼接区域大于两个时，假设共有M个子波面拼接，可以先选定其中任意的某个子波面作为基准，一般选择中心区域的子波面m作为参考标准；假设拼接参数分别为(ai，bi，c1i，c2i)(0≤i≤M-1，i≠m)，以x方向斜率为例，则各个子波面斜率图与基准子波面斜率图的关系为：\n[0028] Gm(x，y)＝Gi(x-x0，y-y0)+ai(0≤i≤M-1，i≠m) (7)\n[0029] 利用最小二乘法：\n[0030] \n[0031] 令： (0≤i≤M-1，i≠m) (9)\n[0032] 若令： Qij＝nij Ri＝ai (10)\n[0033] 其中Δ(x，y)＝Gi(x-xi，y-yi)-Gj(x-xj，y-yj)为第i，j帧子波面重叠区域内各个采样点处测量值之差，nij为采样点个数。则有：\n[0034] \n[0035] 其中 利用式(11)可得到各个子波面相对于基准子波面的拼接参\n数。\n[0036] 所述的待测镜面可以固定在二维电控平移台上，并随二维电控平移台同步移动；\n而保持哈特曼-夏克波前传感器固定来进行检测。\n[0037] 所述的哈特曼-夏克波前传感器口径的大小和形状可以改变。\n[0038] 本发明的工作原理：本发明以小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器为核心元件，由于传感器测量的值是各个子波面的斜率值，克服了沿着垂直待测面方向的直线误差(piston error)的影响；同时采用的最小二乘拟合方法降低了每帧座标系之间的倾斜误差(tip/tilt error)的影响。\n[0039] 本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明采用基于H-S波前传感器的拼接检测装置，消除了平移误差(干涉仪拼接检测中主要的误差来源)此项原理误差，且通过理论分析忽略了离焦误差项，从而提高了拼接精度并降低了拼接参数求解计算复杂度。同时，采用圆形小口径的哈特曼-夏克波前传感器，成本低且系统结构简单；由于哈特曼-夏克不需要像干涉仪一样每次移动后重新调整，能在短时间内完成大口径光学元件的扫描，检测效率高；利用二维电控平移台控制，定位精度高且操作简易；所采用的全局优化拼接方法求得的是各帧子波面斜率图相对于基准子波面斜率图的绝对拼接参数，大大降低了多帧扫描中误差累积和误差传递的影响，有利于拼接精度的提高。\n附图说明\n[0040] 图1为本发明的结构示意图；\n[0041] 图2为各个子波面在哈特曼动态的反应示意图；\n[0042] 图3为拼接检测相邻两帧示意图；\n[0043] 图4为本发明测量方法的流程图；\n[0044] 图中：1、点光源，2、准直透镜，3、反射镜，4、CCD，5、微透镜阵列，6、过渡成像光组，\n7、扩束系统，8、哈特曼-夏克波前传感器，9、X-Z双轴电控平移台待测镜面，10、步进电机控制器，11、计算机，12、待测镜面，13、数据采集卡。\n具体实施方式\n[0045] 下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。\n[0046] 如图1所示，本发明的基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置包含有哈特曼-夏克波前传感器8、x-z二维电控平移台9、步进电机控制器10、计算机11、待测镜面12及数据采集卡13；哈特曼-夏克波前传感器(8)对待测镜面(12)的某个区域进行检测并且在哈特曼-夏克波前传感器8形成光斑点阵，由数据采集卡13采集上述光斑数据并传输到计算机11中存储；计算机11向步进电机控制器10发出指令，控制二维电控平移台9沿x轴与z轴移动对待测镜面12进行扫描检测，利用数据采集卡13依次采得各帧子波面处的光斑数据，然后利用质心算法、拼接方法及复原算法得到待测波面。\n[0047] 所述的哈特曼-夏克波前传感器8由点光源1、准直透镜2、反射镜3、CCD4及缩/扩束系统7组成；在每帧子波面处，点光源1发出的光经过准直透镜2形成平行光束，该平行光束经过反射镜3转折后再经过由过渡成像光组6与微透镜阵列5组成的扩束系统7照射到待测镜面12，待测镜面12反射的光线经缩束系统7，再经反射镜3的透射在CCD4上形成光斑点阵。\n[0048] 如图1所示，设置二维电控平移台9移动的距离和方向(x轴或者z轴)，利用计算机11向步进电机控制器10发出指令，控制二维电控平移台9移动到下一帧处；利用数据采集卡13将此帧处的光斑数据采集到计算机11内并存储；按上述方法完成整个待测面的扫描；采用质心算法计算出质心偏移量；采用全局优化拼接方法进行数据处理，再采用复原算法得到待测波面。\n[0049] 在整个检测过程开始之前，需要用标准平面反射镜进行标定，以标准平面反射镜在各个子孔径内所成光斑质心位置为中心原点。\n[0050] 本发明的基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置，使用过程中需要注意以下几点：\n[0051] (1)待测镜面12装配时需调整其表面与哈特曼-夏克面内置光源出射光线尽可能垂直，以保证各个子波面的光斑质心不会由于偏移量过大超出子孔径范围；\n[0052] (2)哈特曼-夏克波前传感器8的口径的大小可以改变；\n[0053] (3)待测镜面12大小可以改变，只需相应地增加或减少扫描帧数；\n[0054] (4)二维电控平移台9每次移动的距离可根据待测镜面12与哈特曼-夏克波前传感器8的相对大小灵活设置，但必须保证移动距离是传感器子孔径大小的整数倍且相邻两帧之间存在重叠区域；\n[0055] (5)也可以将待测镜面12固定在二维电控平移台上9而保持哈特曼-夏克波前传感器8固定来进行拼接检测；\n[0056] 如图2所示，哈特曼-夏克波前传感器8为微透镜阵列的哈特曼波前传感器，CCD \n4位于微透镜阵列5的焦面上。哈特曼-夏克波前传感器8利用微透镜阵列对入射的信号波前进行子孔径分割，每个子孔径内光信号聚焦在其后的CCD上，利用CCD靶面能量的分布情况进行质心位置计算。\n[0057] 哈特曼-夏克波前传感器8主要是根据下面的公式(12)计算光斑的位置(xi，yi)，探测全孔径的波面误差信息：\n[0058] \n[0059] 式中，m＝1～M，n＝1～N为子孔径映射到CCD光敏靶面上对应的像素区域，M，N为子孔径内在x和y方向上所含的CCD单元数，即子孔径的窗口宽度，Inm是CCD光敏靶面上第(n，m)个像素接收到的信号，xnm，ynm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。\n[0060] 再根据下面的公式(13)计算入射波前的波前斜率gxi，gyi：\n[0061] \n[0062] 式中，(x0，y0)为标准平面波标定哈特曼传感器获得的光斑中心基准位置；哈特曼传感器探测波前畸变时，如图2所示(图中实线所示为畸变波前实际聚焦的位置，虚线所示为标准平面波前的光线聚焦情况)，光斑中心偏移到(xi，yi)，完成哈特曼传感器对信号的检测。\n[0063] 如图4所示，本发明基于小口径圆形哈特曼-夏克波前传感器的拼接检测装置，其测量步骤如下：\n[0064] 第一，开机，开启系统各光源及哈特曼-夏克波前传感器8，确认各硬件正常工作；\n[0065] 第二，启动电控平移台控制软件，移动哈特曼-夏克波前传感器8至第一帧子波面位置；\n[0066] 第二，用标准平面反射镜对哈特曼-夏克波前传感器8进行现场定标；\n[0067] 第三，采集此帧子波面的光斑点阵图并存储；\n[0068] 第四，根据哈特曼-夏克波前传感器8的与待测镜面12的相对大小设置二维电控平移台9移动的方向和距离，确保每次移动距离是哈特曼-夏克波前传感器8子孔径大小的整数倍且相邻两帧之间存在一定的重叠区域。然后控制哈特曼-夏克波前传感器8移动至下一帧位置；\n[0069] 第五，重复步骤三、步骤四直至扫描完成，要求扫描总区域能覆盖待测大口径光学元件。\n[0070] 第六，通过质心算法计算出子波面斜率矩阵，然后利用全局优化拼接方法拼接出全孔径波面斜率矩阵；\n[0071] 所述的全局化优化拼接方法为：\n[0072] 首先，对于现有的干涉仪测量有：\n[0073] φ(x，y)＝φ′(x-x0，y-y0)+ax+by+c(x2+y2)+d (1)\n[0074] 其中：a、b、c和d分别为两个子波面测量过程中的x轴和y轴的相对倾斜、离焦和平移误差系数；但在实际工程中，考虑到短距离的光传输，当菲涅尔数Nf＞1000时，因衍射而产生的波前变化的误差将在1％以下，即波前畸变可以忽略不计，而实际测量中二维电动平移台的piston误差是毫米量级的，因此可以忽略离焦项，(1)可简化为：\n[0075] φ(x，y)＝φ′(x-x0，y-y0)+ax+by+d (4)\n[0076] 分别对x、y求导得：\n[0077] \n[0078] 哈特曼-夏克波前传感器检测消除了平移误差系数d的影响，仅仅考虑相对倾斜系数a、b，从而降低了拼接参数求解复杂度，以x方向斜率为例，即有：\n[0079] δx＝∑{Gx(xi，yi)-[Gx′(xi-x0，yi-y0)+a]}2→min (6)[0080] 将公式(6)对a求导并令其值为零，可以求得拼接参数a；Y方向的斜率图类似；\n[0081] 当拼接区域大于两个时，假设共有M个子波面拼接，可以先选定其中任意的某个子波面作为基准，一般选择中心区域的子波面m作为参考标准；假设拼接参数分别为(ai，bi，c1i，c2i)(0≤i≤M-1，i≠m)，以x方向斜率为例，则各个子波面斜率图与基准子波面斜率图的关系为：\n[0082] Gm(x，y)＝Gi(x-x0，y-y0)+ai(0≤i≤M-1，i≠m) (7)[0083] 利用最小二乘法：\n[0084] \n[0085] 令： (0≤i≤M-1，i≠m) (9)\n[0086] 若令： Qij＝nij Ri＝ai (10)\n[0087] 其中Δ(x，y)＝Gi(x-xi，y-yi)-Gj(x-xj，y-yj)为第i，j帧子波面重叠区域内各个采样点处测量值之差，nij为采样点个数。则有：\n[0088] \n[0089] 其中 利用式(11)可得到各个子波面相对于基准子波面的拼接参\n数。\n[0090] 第七，利用模式法复原出待测大口径波面。\n[0091] 由以上可知本发明的拼接检测装置采用了哈特曼-夏克波前传感器，消除了平移误差此项原理误差并且通过理论分析忽略了离焦误差项，克服了现有干涉仪拼接检测所存在的缺点，提高了拼接精度；并且本发明所采用的全局优化拼接方法求得的是各帧子波面斜率图相对于基准子波面斜率图的绝对拼接参数，大大降低了多帧扫描中误差累积和误差传递的影响，有利于拼接精度的提高。\n[0092] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，而且在实施例中未作详细描述的内容，均为本领域所熟知的现有技术，