[发明专利]一种复杂曲面面形误差评价方法

说明书

技术领域

本发明属于光学系统检测评价的技术领域，具体涉及一种复杂曲面面形误差评价方法。

背景技术

非球面、自由曲面在光学系统中的应用越来越广泛，加工精度要求也越来越高，目前的高分辨率对地观测系统的表面面形要求已经达到了RMS为λ/60甚至更高。非球面、自由曲面将逐渐代替球面在光学系统中的地位。

但是，非球面、自由曲面在光学加工中会残留制造误差，这些误差既是偏离理想非球面的部分。传统的误差表征方法包括误差峰谷值(PV)、均方根值(RMS)还有波纹度等等指标，但是这些指标或多或少引自传统机械制造平整度的概念，并不与光学系统成像质量要求强相关(如图1(a)和(b)所示)。这一问题导致的后果是光学制造按照某些传统指标进行生产，得到的光学元件并不一定是最好的成像元件，有时为了提高成像系统性能，不得不从严要求制造指标，造成过度加工，造成成本浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种复杂曲面面形误差评价方法，能够从成像质量的角度出发有效指导光学加工生产。

实现本发明的技术方案如下：

一种复杂曲面面形误差评价方法，具体包括以下步骤：

步骤一、对复杂曲面进行干涉检测获得面形数据；

步骤二、矫正面形数据的投影畸变，使面形数据各个方向的空间分辨率一致；

步骤三、对矫正后的面形数据采用zernike多项式拟合，获得低频误差；根据zernike多项式系数Z_i，计算低频误差评价指标E_L；其中，C_i表示各系数的权重；

步骤四、将面形数据去除低频误差，再通过高通滤波滤除高频误差，剩下中频误差；

步骤五、对中频误差采用Slope RMS指标进行评价；

步骤六、利用BRDF散射模型计算高频误差的散射率，即得到高频误差的评价指标；

步骤七、若以上三种评价指标中任意一项超过预设的标准，则复杂曲面的面形误差不合格。

进一步地，所述低频误差的空间长度长于1/12有效口径。

进一步地，所述中频误差的空间长度为1/12～1/128有效口径。

进一步地，所述高频误差的空间长度小于1/128有效口径。

有益效果：

本发明给出了低频、中频、高频误差的定量划分标准，并给出了对应的光学检测方法，本发明能够有效建立光学制造质量与系统成像水平的直接联系，基于本发明提出的允差评价指标能够更加直接高效地开展高精度光学制造。本发明物理概念明确，数据处理和数学运算简单，实验操作简单易行，无需额外的检测成本，测试时间短。

附图说明

图1(a)低频误差对光学系统成像质量影响的示意图。

图1(b)中频误差对光学系统成像质量影响的示意图。

图2为表面矢高分布特性统计示意图。

图3为表面特征分析示意图。

图4为出瞳和像面坐标关系图。

图5为相关长度比和波前偏差均方对散射比的影响曲线。

图6为小像差近似条件下，相关长度比和波前偏差均方对散射比的影响曲线。

图7为基于归一化出瞳口径的光学表面全频段误差划分方法。

图8为低频误差评价流程示意图。

图9为中高频误差评价流程示意图。

图10为两套系统主镜的中频误差指标要求示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种复杂曲面面形误差评价方法，具体包括以下步骤：

步骤一、对复杂曲面进行干涉检测获得面形数据；

步骤二、矫正面形数据的投影畸变，使面形数据各个方向的空间分辨率一致；

步骤三、对矫正后的面形数据采用zernike多项式拟合，获得低频误差；根据zernike多项式系数Z_i，计算低频误差评价指标E_L；其中，C_i表示各系数的权重；

基于对光学表面全频段误差的特性分析，我们建立了以Zernike多项式前37表示低频误差，所述低频误差的空间长度长于1/12有效口径。低频误差评价流程如图8所示。

步骤四、将面形数据去除低频误差，再通过高通滤波滤除高频误差，剩下中频误差；

通过空间滤波获得空间长度为1/12～1/128有效口径的中频误差，所述高频误差的空间长度小于1/128有效口径。