[发明专利]一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪

摘要

本发明提供了一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪，由哈特曼波前传感器、相位差波前传感器、波前复原控制器和波前拟合器组成；波前复原控制器通过波前拟合器将哈特曼波前传感器和相位差波前传感器结合起来；首先波前复原控制器通过哈特曼波前传感器的检测结果控制波前拟合器大动态范围的迭代拟合被测波前，得到一个小量的拟合残差；然后波前复原控制器利用相位差波前传感器精确检测拟合残差并控制波前拟合器精确拟合被测波前；最后波前复原控制器对波前拟合器的补偿面型进行取反处理，从而得到被测波前；本发明的优点是在实现大动态范围波前检测的同时满足高精度检测的需求，实用性较佳。

主权项

1.一种基于联合探测和相位拟合的波前检测仪，其特征在于：包括哈特曼波前传感器(4)、相位差波前传感器(5)、波前复原控制器(6)和波前拟合器(2)；通过第一光路将哈特曼波前传感器(4)、波前复原控制器(6)和波前拟合器(2)依次连接，形成第一检测链路；通过第二光路将相位差波前传感器(5)、波前复原控制器(6)和波前拟合器(2)依次连接，形成第二检测链路；该波前检测仪分为三步工作：第一步：利用哈特曼波前传感器(4)具备大动态范围检测波前的特性，对被测波前(1)进行波前检测，波前复原控制器(6)根据哈特曼波前传感器(4)对被测波前(1)检测的结果控制波前拟合器(2)进行空间迭代拟合处理，以使得波前拟合器(2)处理得到的第一拟合残差(3)等于第一稳定值的第一稳定拟合面(8)；第二步：利用相位差波前传感器(5)具有高精度检测小波前误差的特性，对被测波前(1)和第一稳定拟合面(8)叠加后的第一拟合残差(3)进行波前检测；波前复原控制器(6)根据相位差波前传感器(5)对第一拟合残差(3)检测的结果控制波前拟合器(2)进行空间迭代拟合处理，以使得波前拟合器(2)处理得到的第二拟合残差(7)等于第二稳定值的第二稳定拟合面(9)；第三步：波前复原控制器(6)对第二稳定拟合面(9)进行取反处理，从而实现大动态范围内高精度检测被测波前(1)；只采用单套仪器就可以实现对从主镜细磨到抛光再到精度提升的整个过程进行全面检测，满足大口径主镜加工的需求，点源激光器出射光经透镜准直后形成平行光，平行光经起偏器后形成线偏振光入射到被侧面上，被侧面的反射波前经波前拟合器反射后分别进入哈特曼波前传感器和相位差波前传感器中，其中，通过两套共轭面匹配单元使得被测面、波前拟合器、哈特曼波前传感器和相位差波前传感器处的波前均处与共轭位置；哈特曼波前传感器的测量范围根据系统的需求设计，但是哈特曼波前传感器的测量误差会随着波前测量范围的增大而增大，因此哈特曼波前传感器作为保证系统动态范围的第一级使用；而相位差波前传感器虽然受限于动态范围，但由于其采集的数据中所包含的较多信息量，具有较高的探测灵敏度和精度，其测量精度可以达到λ/100以上；该波前检测仪工作分为标定阶段和测量阶段，其中，标定阶段主要是标定系统参数和系统像差；而测量阶段是在标定的基础上完成被测件面型的测量；标定阶段分为两步：第一步标定系统参数：通过绝对球面波标定的方法，对哈特曼传感器的物理参数进行标校，其基本原理是通过点光源产生理想的球面波，并且通过哈特曼传感器对该点光源产生的球面波进行测量，而后移动点光源的位置，产生多组不同曲率半径的球面波并被哈特曼传感器测量，通过对比多次的测量结果，获得哈特曼传感器的物理参数；第二步标定系统像差：在被测件处安放一高精度平面镜，面型精度优于λ/50，此时进入哈特曼波前传感器和相位差传感器的波前即为系统固有像差，波前控制器首先读取哈特曼波前传感器探测得到的波前误差数据，通过控制运算后，加载到波前拟合器上形成共轭像差从而校正系统像差，此时，哈特曼波前传感器处测量得到的系统像差残差会逐步减小，当残差降低到哈特曼波前传感器的测量精度附近时，波前控制器开始读取相位差波前传感器输出的波前误差数据，进一步控制波前拟合器校正系统像差直到相位差波前传感器的精度极限，记下此时波前控制器控制参数就可以反算出系统像差采用绝对标校的方法可以进一步提高系统固有像差的测量精度；测量阶段：测量阶段与标定阶段相类似，只是需要将高精度平面镜替换为被测件，被测件的面型误差会直接导入系统中，系统同样分别采用哈特曼波前传感器和相位差波前传感器输出的波前信号控制波前拟合器直到精度极限，通过对波前控制器控制参数就可以反算出测量像差根据波前相位叠加的原理，可以得到被测件的面型为