[发明专利]一种自由曲面非常规子孔径拼接干涉检测装置与方法

权利要求书

1.一种自由曲面非常规子孔径拼接检测方法，其特征在于具体包括如下步骤：

步骤1、利用光线追迹软件进行非零位干涉检测模块建模；

步骤2、根据被测自由曲面局部返回的干涉图可分辨的区域形状划分非常规子孔径形状；

改变仿真中干涉仪与被测自由曲面之间的相对自由度，即X,Y,Z方向的平移与转动，具体的相对位置配置参数改变如下：X方向距离Lx，Y方向距离Ly，Z方向距离Lz，X方向俯仰角Rx，Y方向俯仰角Ry，Z方向旋转角Rz，实现对全口径各个局部位置的子孔径划分，直到子孔径覆盖全口径位置；

步骤3、根据子孔径数M，对非零位干涉检测模型进行复制，直至有M个模型，每个模型中的系统元件一致，不同的是被测自由曲面与非零位干涉检测模块之间的相对位置参数：Lx，Ly，Lz，Rx，Ry，Rz；

步骤4、根据对应子孔径的划分配置参数Lx，Ly，Lz，Rx，Ry，Rz来配置实际检测装置中各个导轨及俯仰台与旋转台的运动参数，使之与系统模型一致；

步骤5、通过Zernike多项式构建非常规子孔径区域波前表征的正交多项式；具体的：根据子孔径形状，利用圆域Zernike多项式，利用施密特正交化方法，推导非常规子孔径区域的正交多项式；

步骤6、通过步骤4的检测装置得到每个非常规子孔径波前干涉图，再进行干涉图解调得到非常规子孔径波前相位，然后利用步骤5得到的正交多项式进行非常规子孔径实验波前拟合；

步骤7、通过多孔径同步逆向优化重构的算法完成拼接，实现自由曲面全口径面形检测；

所述的根据被测自由曲面局部返回的干涉图可分辨的区域形状划分非常规子孔径形状，具体方法为：取3*3的像素模板，沿干涉图x和y方向平移，计算像素模板中心像素点数值I(i,j)与相邻8个像素点数值I(m,n)的方向导数，最大方向导数为梯度G(i,j)，G(i,j)方向为像素点数值I(i,j)变化率最大之处，表现在干涉图中则为干涉图条纹的法线方向；根据干涉仪的分辨率限定频率上限，梯度G(i,j)小于干涉仪分辨率的区域均为可分辨的子孔径区域；

所述的多孔径同步逆向优化算法为基于系统模型建立优化函数，以实际测得的各个非常规子孔径波前正交系数V_ij作为优化目标，以模型中非常规子孔径波前正交系数V'_ij为因变量，以被测自由曲面全口径面形误差为自变量；以各个子孔径对应的X,Y,Z方向导轨的平移距离和X,Y俯仰台与Z轴旋转台的旋转角度，执行优化函数使得模型中各非常规子孔径波前正交系数V'_ij趋近于实际测量系数V_ij，则认为模型中被测自由曲面全口径面形误差接近真实值，从而得到被测面全口径面形误差。

2.根据权利要求1所述的一种自由曲面非常规子孔径拼接检测方法，其特征在于所述的推导非常规子孔径区域的正交多项式的具体方法为：

设{Z₁,…,Z_n}表示圆域内标准Zernike基函数，{V₁,…,V_n}为非常规子孔径正交多项式基函数，则

其中<·>和||||运算表示内积和模运算，具体定义如下：

其中Ω表示非常规子孔径区域，S表示非常规子孔径区域Ω的面积。

3.根据权利要求2所述的一种自由曲面非常规子孔径拼接检测方法所使用的干涉检测装置，其特征在于包括非零位干涉检测模块和六维自由度控制模块；

所述非零位干涉检测模块，由稳频激光器出射的细光束经准直扩束系统被扩束为宽光束平行光，宽光束平行光向前传播至分光板处被分为两路光：一路向前传播至参考平面镜后原路返回作为参考波，参考平面镜后设置有用于移相的压电陶瓷；另一路向前传播至部分零位镜后由被测自由曲面返回，再次经过部分零位镜后形成检测波；参考波和检测波在分光板处发生干涉，经成像镜成像于探测器处；非零位干涉检测模块的所有元件均固定在安装板上；

所述的六维自由度控制模块，包括X,Y,Z轴导轨、X,Y方向俯仰台以及Z轴旋转台；其中Z轴导轨的滑块与非零位干涉检测模块的安装板固定，同时Z轴导轨垂直安装于Y轴导轨的滑块上，使得安装板所负载的非零位干涉检测模块的元件能够同时实现Z轴和Y轴方向的二维平移；同时，自由曲面由夹持机构固定于XY二维俯仰台上，以实现被测自由曲面的XY二维俯仰旋转，二维俯仰台固定于Z轴旋转台上，可实现自由曲面的绕Z轴旋转，而Z轴旋转台则固定在X轴导轨的滑块上；通过整个六维自由度控制模块，能够实现非零位干涉检测模块和被测面的相对三维平移与三维旋转；

所述的非零位干涉检测模块和六维自由度控制模块固定于大理石平台上。