[发明专利]一种局部大面形误差智能补偿干涉检测系统和方法

说明书

一种局部大面形误差智能补偿干涉检测系统和方法，包括波面干涉仪、标准镜头、静态补偿器、自适应光学元件和待测面，波面干涉仪装配有标准镜头；标准镜头以及待测面之间依次设置有静态补偿器和自适应光学元件，波面干涉仪连接远场光强数据读取装置，远场光强数据读取装置读取波面干涉仪获取的远场光强图像并输入到控制器；控制器根据远场光强图像预测并输出面形大误差模式像差拟合系数的推测值；自适应光学元件像差控制模块根据待测面的面形大误差模式像差拟合系数的推测值，生成自适应光学元件的驱动信号，驱动自适应光学元件产生补偿像差，实现待测面面形大误差的智能补偿检测。本发明提高了复杂光学面形加工效率。

技术领域

本发明属于光学面形检测技术领域，特别涉及一种局部大面形误差智能补偿干涉检测系统和方法。

背景技术

光学零件加工一般经历铣磨、研磨、抛光几个阶段，其中研磨阶段是决定整个加工能否高效收敛到高精度的关键。但是研磨加工的确定性远不如抛光加工，特别是复杂光学面形的局部曲率变化使得研磨盘与被加工面很难贴合，容易出现局部误差很大的情形，例如常见的塌边或翘边，以及局部凹坑或突起，对应的误差梯度太大，导致干涉条纹太密甚至不可见，远远超出了探测器的奈奎斯特采样频率，干涉仪无法解析。

也就是说，在研磨加工后期，经常会遇到边缘或局部误差无法解析，甚至无法判断面形误差是高点还是低点的问题，使得无法顺利衔接到后续抛光阶段。要解决这一问题，除了购买红外激光干涉仪等昂贵的专用设备外，目前车间常用的解决办法还是依靠坐标测量来辅助判断，但坐标测量的分辨率和精度都达不到要求，效果很差。或者按照误差高点或低点进行试加工，然后根据加工效果判断，这种“盲抛”方式风险很大，容易造成误加工，导致局部误差变大，加工过程无法继续收敛，需要返工进入光顺工序。

现代光学系统对光学元件的需求迫切要求提高制造效率，以美国国家“点火”装置（National Ignition Facility，NIF）为例，其对光学元件的需求多达上万块，如果NIF装置以3年的建设周期估算，要加工上万块光学元件，每天需要加工10块左右，目前加工能力已经严重滞后。如果针对加工过程中的局部大误差，依然采用传统的“盲抛”方式试加工，将严重影响光学系统的建设进度。因此，局部大误差无法解析问题已经成为制约光学元件和光学系统制造进度的技术瓶颈，提高光学元件和光学系统的制造效率迫切需要实现对加工过程中局部大误差的检测。

干涉仪动态范围有限的原因之一是CCD不能解析过密的条纹，理论上每条干涉条纹（非封闭条纹，如直条纹）至少需要2个以上像素，然而由于噪声等因素，通常需要5~8个像素。基于这个要求，为提高干涉仪动态范围，增大光源波长是另外一种有效手段。因为当被测面形误差一定时，干涉测量的条纹数目与光源的波长成反比，因此长波光源的波面干涉条纹不会太密，可以实现更大面形误差的检测，例如双波长干涉仪或红外干涉仪。但是增大光源波长是以损失灵敏度和精度为代价的。而且波长改变会导致折射率变化，需要更换新的标准镜头、补偿器等光学组件，大大增加了检测时间和成本。美国亚利桑那大学提出了欠采样干涉测量方法，该方法不要求每个条纹周期至少有2个像素，动态测量范围增大到将近100λ，但要求被测面满足二阶导连续等先验性假设，也不适合于局部大误差的测量。

采用特定补偿元件，动态补偿局部大误差区域的像差，使条纹变稀疏是一种很好的思路。但是采用静态补偿器无法实现这个功能，因为此类补偿器都是用来补偿被测面已知的理论本征像差，而局部大误差本质上是一种未知的自由曲面形式的像差，并且随着加工过程不断变化。基于这一点考虑，有人提出在非球面或自由曲面的零位补偿检测光路中插入变形镜作为动态补偿元件，变形镜变形实现加工过程中未知自由曲面形式的大误差补偿，并利用偏折测量技术监控变形镜的面形。但是偏折测量系统本身的校准也很困难，整个干涉测量系统的精度受限于偏折测量系统的精度，并且受驱动器数目限制，变形镜产生像差的模式有限，只适用于低阶的像差形式。