高空間分辨率子孔徑拼接方法技術

高空間分辨率子孔徑拼接方法，涉及超高空間分辨率子孔徑拼接方法，解決現有技術存在的問題，將干涉儀與高精度六維運動臺固定，利用補償鏡頭將干涉儀發出的平面波變為待測表面對應的波形；驅動Stewart平臺帶動小孔徑角的鏡頭圍繞待測表面的零像差點進行轉動，獲得待測表面的子孔徑位置以及波像差數據；對子孔徑位置及波前數據進行分析，實現待測表面的子孔徑拼接；通過獲得的子孔徑的波前擬合待測表面整體波前的Zernike系數，實現去除子孔徑的低階像差；利用周期圖法從子孔徑得到整體待測表面的功率譜，并利用功率譜得到鏡面的斜率均方根。本發明專利技術突破現有CCD成像單元的限制，得到大口徑光學表面的超高分辨率面形檢測結果。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種基于小孔徑角干涉儀、高精度六維運動平臺的超高空間分辨率子孔徑拼接方法。
技術介紹
隨著科學技術的不斷發展，大口徑光學系統在天文光學、空間光學、地基空間目標探測與識別等高
得到了越來越廣泛的應用，其表面面形的檢測與評價直接影響著其制造精度與成像質量。但是對于大口徑的光學元件，原來的整鏡檢測技術已經不能適應需要。子孔徑拼接技術是一種以低成本、高分辨率檢測大口徑光學元件的有效手段。當被測平面光學元件尺寸超過干涉儀口徑，或者檢測非球面所產生的干涉條紋密度大于CCD空間分辨率，利用小口徑干涉儀每次僅檢測整個光學元件的一部分區域(子孔徑)，待完成全孔徑測量后，再使用適當的算法“拼接”就可得到全孔徑面形信息。拼接技術可以分為相關拼接與非相關拼接。相關拼接技術的基本思想是在拼接區提取相關信息并將多次測量結果拼接起來，得到被測物體的全部信息，進而得到面形評價指標。這種方法雖然降低了對于測量儀器的要求，但是不僅增加了解算成本而且拼接誤差與拼接順序以及重疊區域大小都有復雜的關系，這給實際的工程應用帶來很大的不便；非相關拼接是利用面形數據的統計特性，忽略一些非相關的因素，直接得到面形評價指標的方法，其算法時空效率高，同時由于非相關拼接多在頻域完成，由系統的定位誤差帶來的低頻擾動也很好去除。時域分析已廣泛應用于各種中小口徑的反射鏡面形分析之中，其主要特點為需要全部的時域信息，同時信息元素之間的相對位置關系也要求較為嚴格，同時只能在一個尺度上給出評價；但是對于大口徑的反射鏡，這種評價方法就具有一定的局限性，首先，因為大口徑反射鏡在制造時多使用小尺寸磨削工具，會產生子孔徑尺度或中空間頻率(mid-spatialfrequencies)上的不規則性，尤其是對于非球面和自由面加工，局部磨削的光滑性依賴于工具造成的影響分布的均勻性，以及保壓時間的控制程度。其次，大口徑反射鏡一般采用多點支撐，支撐點數越多，越容易產生中空間頻率誤差。中空間頻率產生了不規則性（波紋），它們比光學元件的口徑小幾倍，但是又大于精密的表面結構，即鏡面的表面粗糙度，這種中頻誤差是傳統基于時域的評價方法難以反映的。
技術實現思路
為了解決現有技術中存在的問題，本專利技術提供一種高空間分辨率子孔徑拼接方法，滿足超高精度的大口徑面型檢測。高空間分辨率子孔徑拼接方法，該方法由以下步驟實現：步驟一、將干涉儀與高精度六維運動臺固定，利用補償鏡頭將干涉儀發出的平面波變為待測表面對應的波形；步驟二、驅動Stewart平臺帶動小孔徑角的鏡頭圍繞待測表面的零像差點進行轉動，獲得待測表面的子孔徑位置以及波像差數據；步驟三、對步驟二獲得的子孔徑位置及波前數據進行分析，實現待測表面的子孔徑拼接；通過獲得的子孔徑的波前擬合待測表面整體波前的Zernike系數，實現去除子孔徑的低階像差；利用周期圖法從子孔徑得到整體待測表面的功率譜，并利用功率譜得到鏡面的斜率均方根；具體過程為：利用二維功率譜及功率譜頻域平均半徑，將二維功率譜坍陷為一維形式：ρ‾i=1NiΣNi-1Niρl]]>PSD1D=1NΣNi-1NiPSD2D(ρl)]]>式中，ρl為功率譜計算半徑；根據標準正弦多項式Φ=Asin(2πfx)，式中，A為一階諧波系數，Φ為子孔徑的波前，根據獲得將f作為系統的截止頻率。本專利技術的有益效果：本專利技術利用小口徑干涉儀每次僅檢測整個光學元件的一部分區域(子孔徑)，待完成全孔徑測量后，再使用適當的算法得到全孔徑面形信息。具體來說，利用Stewart平臺的高精度運動、定位能力以及小孔徑干涉儀超高的空間條紋分辨能力，可以突破現有CCD成像單元的限制，得到大口徑光學表面的超高分辨率面形檢測結果。采用Matlab軟件分析，不僅可以提供時域的信息還可以在頻域對于面形進行指導。具體實施方式具體實施方式一、高空間分辨率子孔徑拼接方法，該方法中涉及的裝置包括高分辨率干涉儀、高精度六維運動臺（Stewart平臺）和補償鏡頭；所述高分辨率干涉儀與高精度六維運動臺固定，利用補償鏡頭可以將干涉儀發出的平面波變為待測表面所對應的波形。在實際測量時，首先使用大孔徑角鏡頭進行系統對準，利用Stewart平臺的高精度定位能力找到待測表面的零像差點；即，由于stewart平臺內部具有坐標系，通過任意兩條待測表面的零像差點所在軸線，可以在Stewart坐標系中由直線相交點得到零像差位置，進行坐標變換，使用小孔徑角的鏡頭，驅動Stewart平臺帶動小孔徑角的鏡頭圍繞待測表面的零像差點進行轉動，實現子孔徑測量；得到子孔徑位置以及波像差數據之后，利用Matlab軟件分析。具體分為二個過程：一、去除低階像差；在進行子孔徑測量的時候，假設子孔徑所得到的波前為整體波前Zernike多項式的一部分，即通過子孔徑可以擬合得到整體波前Zernike系數，故Φ所對應的數據僅包括子孔徑測量位置?？紤]法方程的求解問題，在此僅考慮Zernike多項式中的離焦與兩個方向的像散（Z4、Z5、Z6）。對于原始波前信息進行擬合的法方程如（1）式所示，其中省略了內積符號：Z42Z4Z5Z4Z6Z4Z5Z52Z5Z6Z4Z6Z5Z6Z62a4a5a6=φZ4φZ5φZ6---(1)]]>子孔徑技術在采集數據時，就是將整個鏡面的數據（隨機序列）分成幾個部分，各部分之間有所重疊，而加窗的處理方法也對應著子孔徑拼接時的“子孔徑函數”（MASK）；將子孔徑拼接與修正周期圖法結合在一起，可以得到整鏡功率譜的漸進無偏估計。二、利用周期圖法從子孔徑得到整體待測表面的功率譜，并利用功率譜得到鏡面的斜率均方根；故利用（1）式去除鏡面的低階起伏之后，通過計算環形區域上的二維功率譜以及平均半徑，并將二維功率譜坍陷為一維形式：ρ‾i=1NiΣNi-1Niρl]]>PSD1D=1NΣNi-1NiPSD2D(ρl)]]>其中，ρl為功率譜計算半徑。對于系統波前誤差W(x,y)，一般采用一定數量的基底多項式進行擬合。標準正弦多項式是在系統諧波分析中較為常見的基底，由于RMS完全不含頻域特征，對于總能量一定的波前，并不能全面的反應內部的動態特性，故需要引入SlopeRMS來解決這個問題。根據slopeRMS的定義slopeRMS＝<▽本文檔來自技高網...

【技術保護點】
高空間分辨率子孔徑拼接方法，其特征是，該方法由以下步驟實現：步驟一、將干涉儀與高精度六維運動臺固定，利用補償鏡頭將干涉儀發出的平面波變為待測表面對應的波形；步驟二、驅動Stewart平臺帶動小孔徑角的鏡頭圍繞待測表面的零像差點進行轉動，獲得待測表面的子孔徑位置以及波像差數據；步驟三、對步驟二獲得的子孔徑位置及波前數據進行分析，通過獲得的子孔徑的波前擬合待測表面整體波前的Zernike系數，去除子孔徑的低階像差；利用周期圖法從子孔徑得到整體待測表面的功率譜，并利用功率譜得到鏡面的斜率均方根；實現待測表面的子孔徑拼接；具體過程為：利用二維功率譜及功率譜頻域平均半徑，將二維功率譜坍陷為一維形式：ρ‾i=1NiΣNi-1Niρl]]>PSD1D=1NΣNi-1NiPSD2D(ρl)]]>式中，ρl為功率譜計算半徑；根據標準正弦多項式Φ=Asin(2πfx)，式中，A為一階諧波系數，Φ為子孔徑的波前，根據獲得將f作為系統的截止頻率。

【技術特征摘要】
1.高空間分辨率子孔徑拼接方法，其特征是，該方法由以下步驟實現：
步驟一、將干涉儀與高精度六維運動臺固定，利用補償鏡頭將干涉儀發
出的平面波變為待測表面對應的波形；
步驟二、驅動Stewart平臺帶動小孔徑角的鏡頭圍繞待測表面的零像差
點進行轉動，獲得待測表面的子孔徑位置以及波像差數據；
步驟三、對步驟二獲得的子孔徑位置及波前數據進行分析，通過獲得的
子孔徑的波前擬合待測表面整體波前的Zernike系數，去除子孔徑的低階像差；
利用周期圖法從子孔徑得到整體待測表面...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊飛，安其昌，趙宏超，蘇燕芹，郭鵬，
申請(專利權)人：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，
類型：發明
國別省市：吉林;22