1.本发明涉及光学检测领域，具体涉及一种用于自由曲面干涉检测的自适应补偿环形腔装置与方法。
背景技术：
：：2.光学检测是实现光学自由曲面广泛应用的一个重大挑战。根据平面、球面和非球面的测量经验，干涉法已成为高精度自由曲面测量的首选方法。当然，首要解决的问题是在非球面干涉仪中设计出系统固有像差校正的补偿器。对于非球面，在过去的几十年里，人们设计出各种静态补偿器，如offner补偿器，dall补偿器，借助计算机生成计算全息图(computer‑generatedhologram，cgh)等。也研究了具有一定动态范围的补偿器，如部分零位补偿器和可移动折射非球面零位镜。然而，由于自由曲面的旋转非对称(rotationalnon‑symmetric，rns)像差，使得补偿器的设计十分困难。在上述补偿技术中，只有cgh容易适用于rns表面。然而当自由曲面面形误差较大时，静态零位补偿技术(如cgh)的补偿效果就会很差。并且在自由曲面加工阶段，其面形处于持续变化中，难以获得标称面形参数，传统的静态cgh补偿器由于其一对一的特性很难适应该阶段自由曲面的原位检测。因此，若干大动态范围的像差补偿器被陆续提出。近年来，在自由曲面干涉仪中应用了一些自适应光学元件，如空间光调制器(spatiallightmodulator，slm)和dm，它们可以产生各种波前像差。已有实验验证了基于slm和dm干涉仪的自由曲面高精度检测。然而，目前slm的像差校正能力有限。虽然设计了能够检测自由曲面偏离度达150μm的slm干涉仪，但目前还没有相关的实验报道。目前报道的对于非旋转对称偏离的最大测量范围约20μm峰谷(peaktovalley，pv)值。因此，slm在精度和灵活性方面的性能有待进一步提高。作为一种替代方案，dm具有良好的像差校正性能。商用dm也有有限的调制范围，一般取决于像差类型和dm驱动器口径大小，如dm驱动器口径为25mm时最大波前调制达40μmpv。针对天文望远镜等自适应成像系统研发了通用dm，其表面控制精度(相对5％的pv误差)无法满足高精度光学检测的要求。因此，所有基于dm自适应干涉仪都需要进行dm表面面形辅助监测，额外的辅助设备是必要的，如偏振测量系统，波前传感器，干涉仪和ccd图像传感器，即使商业上可以买到具有大动态范围的dm，这些对dm的面形监测也将是一个沉重的负担。大范围的dm能有效补偿自由曲面的固有像差，但其自身的表面面形监测将成为另一个问题。即动态范围和dm面形监测是相互矛盾的。因此，我们重点在不增加dm监测负荷的情况下，增加基于dm自适应干涉仪的动态补偿范围。通过设计双dm级联自适应补偿器，由于双dm是分别监测的，这样在减小dm监测负荷的同时扩大了像差校正范围，从而缓解了这一问题。然而，双dm级联自适应补偿器的成本很高，而且需要解决双dm级联的像差耦合问题，解耦操作需要特别设计。技术实现要素：3.本发明基于现有技术的不足，提出了一种用于自由曲面干涉检测的自适应补偿环形腔装置与方法。4.本发明采用的技术方案是：5.用于自由曲面干涉检测的自适应补偿环形腔装置，其特征在于：包括偏振干涉系统、自适应补偿环形腔系统、部分零位补偿镜和被测自由曲面；6.所述偏振干涉系统包括依次水平设置的激光器、扩束器、第一分束器，所述第一分束器的上侧光路上设置有第一标准平面反射镜，所述第一分束器的下侧光路上设置有第二分束器,所述第二分束器的反向依次水平设置有可旋偏振片(rotatablepolaroid，rp)、成像透镜和ccd图像传感器；7.所述自适应补偿环形腔系统包括水平设置的第一偏振分束器、λ/2波片、可变形反射镜(deformablemirror，dm)，所述第一偏振分束器的下侧光路依次设置有第三分束器、第二偏振分束器，所述可变形反射镜的下侧光路设置有第二标准平面反射镜；8.所述第二偏振分束器的反向依次水平设置所述部分零位补偿镜和被测自由曲面；9.所述偏振干涉系统的激光器、扩束器、第一分束器与所述自适应补偿环形腔系统的第一偏振分束器、λ/2波片、可变形反射镜在同一水平方向上，所述分束器、rp、成像透镜和ccd图像传感器与所述第三分束器在同一水平方向上，所述第二偏振分束器与所述第二标准平面反射镜在同一水平方向上；10.所述部分零位补偿镜给旋转对称像差补偿，所述可变形反射镜给非旋转对称像差补偿。11.进一步地，所述的用于自由曲面干涉检测的自适应补偿环形腔装置，其特征在于：所述第一分束器、第二分束器的反射/透射比为0.5：0.5，所述第三分束器的反射/透射比为0.3：0.7。12.一种用于自由曲面干涉检测的自适应补偿环形腔装置的方法，其特征在于包括以下步骤：13.(1)激光器出射的细光束被扩束器扩束后，经第一分束器将扩束器传输的准直光束分为两部分，其中一路被第一分束器反射，根据第一分束器的反射/透射比，相应比例的光能被第一分束器反射，相应比例的光能透过第一分束器继续向前传播至自适应补偿环形腔系统；第一分束器的反射光线在被第一标准平面反射镜反射后返回并透过第一分束器，经第二分束器反射后通过rp和成像透镜作为参考光束；14.(2)偏振干涉系统的光束进入自适应环形补偿系统中，p偏振光全部通过第一偏振分束器后穿过λ/2波片，其偏振方向发生90度偏转变为s偏振光到达可变形反射镜，可变形反射镜预先完成位姿标定，经过可变形反射镜反射后到达第二标准平面反射镜，继续被第二标准平面反射镜反射，由于此时光束为s偏振光所以经过第二偏振分束器时所有光束全部被反射；经过第三分束器时一部分s偏振光被第三分束器反射，根据第三分束器的反射/透射比，相应比例的光能被第三分束器反射，该反射光线依次通过偏振干涉系统中的第二分束器、rp和成像透镜，由于这部分s偏振光只经历可变形反射镜的一次反射，所以携带可变形反射镜表面变形的信息成为监测光束，监测光束和参考光束的s偏振光发生干涉，干涉图成像到ccd图像传感器上，相应比例的光能透过第三分束器到达第一偏振分束器，此时仍为s偏振光所以全部被偏振分束器s9反射，并再次穿过λ/2波片后成为p偏振光，经过可变形反射镜和第二标准平面反射镜的两次反射后，将全部透过第二偏振分束器并经过部分零位补偿镜；15.(3)经过自适应补偿环形腔系统和部分零位补偿镜像差校正后的波形与被测自由曲面的表面匹配，该路波束被被测自由曲面反射，经被测自由曲面反射后，由所述自适应补偿环形腔系统反向传输接受另一次像差校正，变成近似的准直光束，准直光束返回干涉偏振系统被第一分束器反射后到达第二分束器继续被第二分束器反射，依次通过rp和成像透镜，返回的p偏振光携带被测自由曲面的面形信息作为检测光束，检测光束和参考光束的p偏振光发生干涉，干涉图成像到ccd图像传感器上。16.(4)通过ccd图像传感器接收的干涉图对自适应补偿环形腔系统进行反馈控制，以产生干涉仪可分辨的稀疏干涉图，用以测量被测自由曲面的面形。17.本发明重复利用两个正回路和两个反向回路的光束反射通过闭环反馈控制可使dm引起的波前像差被四个反射回路放大4倍，增大了检测动态范围，使用可旋偏振片就可以同时实现被测自由曲面面形检测和dm表面面形监测。18.其中，闭环反馈控制指的是：利用随机并行梯度下降(stochasticparallelgradientdescent,spgd)算法对dm形变优化，以稀疏干涉条纹为最终优化目标。总体思想是以微扰方式不断更改驱动器电压，以干涉图中不可分辨的区域像素数为优化目标，经数次迭代使所述检测光束和参考光束的干涉图达到全局可分辨条纹，将全局可分辨条纹直接解调和解包裹并拟合得到zernike系数，利用zernike系数控制dm形变得到全局稀疏条纹。然后以条纹pv值替代优化目标进行spgd优化控制，得到最终自由曲面检测干涉图。19.本发明的有益效果是：20.本发明利用自适应光学元件可变形反射镜(dm)设计出一种环形腔结构进行像差补偿，随着光束在环形腔内的多次循环反射，像差补偿量扩大到单一dm补偿范围的4倍，实现仅使用一个dm达到双dm级联的像差补偿范围，并且无需增加dm监测负载和解耦操作，因此，干涉仪检测的动态范围以低成本的方式增加了一倍；自由曲面面形检测和dm表面监测采用rp进行控制，无需任何辅助设备。附图说明21.图1为用于自由曲面干涉检测的自适应补偿环形腔装置示意图。22.图2为自适应补偿环形腔系统的偏振光路示意图。23.图3为可旋偏振片(rp)的偏振方向示意图。24.图4为偏振干涉系统中探测器接收到的干涉图，其中(a)和(b)为提前存储的系统误差，(c)和(d)为检测自由曲面的初始干涉图。25.图5中(a)、(b)分别为最终自由曲面检测干涉图、dm面形表征干涉图。26.图6为最终自由曲面面形误差检测结果。27.图1中标号：偏振干涉系统l1、自适应补偿环形腔系统l2、部分零位补偿镜l3和被测自由曲面l4、激光器s1、扩束器s2、第一分束器s3、第一标准平面反射镜s4、第二分束器s5、rps6、成像透镜s7、ccd图像传感器s8、第一偏振分束器s9、λ/2波片s10、可变形反射镜s11、第三分束器s12、第二标准平面反射镜s13、第二偏振分束器s14。具体实施方式28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。29.如图1、2所示，用于自由曲面干涉检测的自适应补偿环形腔装置，包括偏振干涉系统l1、自适应补偿环形腔系统l2、部分零位补偿镜l3和被测自由曲面l4；30.偏振干涉系统l1包括依次水平设置的激光器s1、扩束器s2、第一分束器s3，第一分束器s3的上侧光路上设置有第一标准平面反射镜s4，第一分束器s3的下侧光路上设置有第二分束器s5,第二分束器s5的反向依次水平设置有rps6、成像透镜s7和ccd图像传感器s8；31.自适应补偿环形腔系统l2包括水平设置的第一偏振分束器s9、λ/2波片s10、可变形反射镜s11，第一偏振分束器s9的下侧光路依次设置有第三分束器s12、第二偏振分束器s14，可变形反射镜s11的下侧光路设置有第二标准平面反射镜s13；32.第二偏振分束器s14的反向依次水平设置部分零位补偿镜l3和被测自由曲面l4；33.偏振干涉系统l1的激光器s1、扩束器s2、第一分束器s3与自适应补偿环形腔系统l2的第一偏振分束器s9、λ/2波片s10、可变形反射镜s11在同一水平方向上，分束器s5、rps6、成像透镜s7和ccd图像传感器s8与第三分束器s12在同一水平方向上，第二偏振分束器s14与第二标准平面反射镜s13在同一水平方向上；34.部分零位补偿镜l3给旋转对称像差补偿，可变形反射镜s11给非旋转对称像差补偿。35.进一步地，第一分束器s3、第二分束器s5的反射/透射比为0.5：0.5，第三分束器s12的反射/透射比为0.3：0.7。36.一种用于自由曲面干涉检测的自适应补偿环形腔装置的方法，包括以下步骤：37.(1)激光器s1出射的细光束被扩束器s2扩束后，经第一分束器s3将扩束器s2传输的准直光束分为两部分，其中一路被第一分束器s3反射，根据第一分束器s3的反射/透射比为0.5：0.5，50％的光能被第一分束器s3反射，50％的光能透过第一分束器s3继续向前传播至自适应补偿环形腔系统l2；第一分束器s3的反射光线在被第一标准平面反射镜s4反射后返回并透过第一分束器s3，经第二分束器s5反射后通过rps6和成像透镜s7作为参考光束，第二分束器s5的反射/透射比为0.5：0.5；38.(2)偏振干涉系统l1的光束进入自适应环形补偿系统l2中，p偏振光全部通过第一偏振分束器s9后穿过λ/2波片s10，其偏振方向发生90度偏转变为s偏振光到达可变形反射镜s11，可变形反射镜s11预先完成位姿标定，经过可变形反射镜s11反射后到达第二标准平面反射镜s13，继续被第二标准平面反射镜s13反射，由于此时光束为s偏振光所以经过第二偏振分束器s14时所有光束全部被反射；经过第三分束器s12时一部分s偏振光被第三分束器s12反射，根据第三分束器s12的反射/透射比为0.3：0.7，30％的光能被第三分束器s12反射，该反射光线依次通过偏振干涉系统l1中的第二分束器s5、rps6和成像透镜s7，由于这部分s偏振光只经历可变形反射镜s11的一次反射，所以携带可变形反射镜s11表面变形的信息成为监测光束，监测光束和参考光束的s偏振光发生干涉，干涉图成像到ccd图像传感器s8上，70％的光能透过第三分束器s12到达第一偏振分束器s9，此时仍为s偏振光所以全部被偏振分束器s9反射，并再次穿过λ/2波片s10后成为p偏振光，经过可变形反射镜s11和第二标准平面反射镜s13的两次反射后，将全部透过第二偏振分束器s14并经过部分零位补偿镜l3；39.(3)经过自适应补偿环形腔系统l2和部分零位补偿镜l3像差校正后的波形与被测自由曲面l4的表面匹配，该路波束被被测自由曲面l4反射，经被测自由曲面l4反射后，由自适应补偿环形腔系统l2反向传输接受另一次像差校正，变成近似的准直光束，准直光束返回干涉偏振系统l1被第一分束器s3反射后到达第二分束器s5继续被第二分束器s5反射，依次通过rps6和成像透镜s7，返回的p偏振光携带被测自由曲面l4的面形信息作为检测光束，检测光束和参考光束的p偏振光发生干涉，干涉图成像到ccd图像传感器s8上；检测中需提前进行系统校准，以测试一个标准平面镜(其pv值为1/80λ)，并将产生的两个干涉图如图4(a)和(b)所示存储以备后续去除。然后用被测自由曲面l4代替标准平面镜，得到的检测和监测干涉图如图4(c)和(d)所示。40.(4)通过ccd图像传感器s8接收的干涉图对自适应补偿环形腔系统l2进行反馈控制，以产生干涉仪可分辨的稀疏干涉图，用以测量被测自由曲面l4的面形。41.本发明重复利用两个正回路和两个反向回路的光束反射通过闭环反馈控制可使dm引起的波前像差被四个反射回路放大4倍，增大了检测动态范围。使用rps6就可以同时实现被测自由曲面面形l4检测和可变形反射镜s11表面面形监测。42.实现自适应补偿环形腔l2的闭环反馈控制，方法为利用spgd算法对可变形反射镜s11形变优化，以稀疏干涉条纹为最终优化目标。总体思想是以微扰方式不断更改驱动器电压，以干涉图中不可分辨的区域像素数为优化目标,经数次迭代使所述检测光束和参考光束的检测干涉图达到全局可分辨条纹，将全局可分辨条纹直接解调和解包裹并拟合得到zernike系数，利用zernike系数控制可变形反射镜s11形变得到全局稀疏条纹。然后以条纹pv值替代优化目标进行spgd优化控制，得到最终自由曲面检测干涉图。使用可旋偏振片就可以同时实现被测自由曲面面形检测和dm表面面形监测，方法在于预先校准rps6的旋转角度，如图3所示，rps6通过旋转偏振方向得到所述参考光束的不同偏振光，rps6的y和x偏振方向分别得到所述参考光束的p偏振光和s偏振光，这两个方向分别称为rpy和rpx。参考光束的p偏振光与检测光束发生干涉参考光束的s偏振光与监测光束发生干涉，在此干涉图基础上减去所存储的误差，得到被测自由曲面l4的表面面形检测干涉图和可变形反射镜s11面形表征监测干涉图如图4(c)和(d)所示。43.将图5所示的被测自由曲面l4检测干涉图、dms11面形表征监测干涉图一起带入系统光线追迹模型中(利用zemax软件建立)，将被测自由曲面表面矢高设为变量进行逆向光线追迹，以上述两个干涉图作为优化目标，即可得到最终被测自由曲面l4面形。44.实施例45.本发明应用于自由曲面干涉检测的自适应补偿环形腔装置及方法的实例描述如下。46.被测自由曲面l4为平面基底的未知自由曲面，口径24mm，其不规则面形偏差由机械挤压得到。47.图1为自由曲面干涉检测的自适应补偿环形腔装置图，激光波长为λ＝632.8nm，激光器s1出射的细光束被扩束器s2(thorbs公司25倍扩束器)扩束为20mm，经第一分束器s3将扩束器s2传输的20mm准直光束分为两部分，其中一路被第一分束器s3反射，为了保证最终检测系统中探测器接收的干涉图对比度，该分束器的反射/透射比为0.5：0.5，50％光能被第一分束器s3反射，反射光线在被第一标准平面反射镜s4反射后返回并透过第一分束器s3，经第二分束器s5反射后通过rps6和成像透镜s7作为参考光束，50％光能透过第一分束器s3继续向前传播至自适应补偿环形腔系统l2。如图2所示，p偏振光全部通过第一偏振分束器s9后穿过λ/2波片s10，其偏振方向发生90度偏转变为s偏振光到达可变形反射镜s11，可变形反射镜s11预先完成位姿标定，经过可可变形反射镜s11反射后到达第二标准平面反射镜s13，继续被第二标准平面反射镜s13反射，由于此时光束为s偏振光所以经过第二偏振分束器s14时所有光束全部被反射。经过第三分束器s12时一部分s偏振光被第三分束器s12反射，该第三分束器s12的反射/透射比为0.3：0.7，30％光能被第三分束器s12反射，该反射光线依次通过偏振干涉系统l1中的第二分束器s5、rps6和成像透镜s7，由于这部分s偏振光只经历可变形反射镜s11的一次反射，所以携带可变形反射镜s11表面变形的信息成为监测光束，监测光束和参考光束的s偏振光发生干涉，干涉图成像到ccd图像传感器s8上。70％光能透过第三分束器s12到达第一偏振分束器s9，此时仍为s偏振光所以全部被第一偏振分束器s9反射，并再次穿过λ/2波片s10后成为p偏振光，经过可变形反射镜s11和第二标准平面反射镜s13的两次反射后，将全部透过第二偏振分束器s14并经过部分零位补偿镜l3。经过自适应补偿环形腔系统l2和部分零位补偿镜l3像差校正后的波形与被测自由曲面l4的表面匹配，该路波束被被测自由曲面l4反射。经被测自由曲面l4反射后，由所述自适应补偿环形腔系统l2反向传输接受另一次像差校正，变成近似的准直光束，准直光束返回干涉偏振系统l1被第一分束器s3反射后到达第二分束器s5继续被第二分束器s5反射，依次通过rps6和成像透镜s7，返回的p偏振光携带被测自由曲面l4的面形信息作为检测光束，检测光束和参考光束的p偏振光发生干涉，干涉图成像到ccd图像传感器s8上。48.可变形反射镜(dm)s11为法国alpao公司生产的dm97，dm97为电磁场驱动式连续面形可变薄膜，包含97个驱动器，口径25mm，具有高稳定性选项，可以在数小时内提供小于10nm均方根(rootmeansquare，rms)的开环稳定性。dm表面rms值在30s的不确定性将小于5nm(0.0075λ，λ＝632.8nm),可见整体测量精度依然很高，dm97的最大像差补偿量为40μm。49.首先进行系统校准，以测试一个标准平面反射镜(其pv值为1/80λ)，并将产生的两个干涉图如图4(a)和(b)所示存储以备后续去除。然后用被测自由曲面l4代替标准平面镜，预先校准rps6的旋转角度，如图3所示，rps6通过旋转偏振方向得到所述参考光束的不同偏振光，rps6的y和x偏振方向分别得到所述参考光束的p偏振光和s偏振光，这两个方向分别称为rpy和rpx。如图3所示。参考光束的p偏振光与检测光束发生干涉参考光束的s偏振光与监测光束发生干涉。在此干涉图基础上减去所存储的误差，得到被测自由曲面l4的表面面形检测干涉图和可变形反射镜s11面形表征监测干涉图如图4(c)和(d)所示。图4(c)中未解析的条纹意味着含局部大偏离度的自由曲面无法被干涉仪中检测。通过随即并行梯度下降spgd算法提取图4(c)中未解析的条纹以驱动可变形反射镜s11，直到条纹的最终均方根值小于2λ。采用逆向迭代优化重构方法，通过光线追迹提取对应的dm表面面形。然后将dm表面面形在光线追迹模型(利用zemax软件建立)中建模。最终的干涉图描述自由曲面和dm面形信息，如图5(a)和(b)所示，采用基于系统的光线追迹和逆向迭代优化重构方法提取被测曲面的最终图形。被测自由曲面的最终图形图如图6所示，pv值为62.87λ(39.78μm),rms值为7.744λ(4.90μm)。50.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
：的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3 当前第1页1 2 3