[发明专利]反衍混合自适应补偿干涉检测方法、装置和计算机设备

说明书

本发明属于光学面形检测技术领域，具体地提供一种反衍混合自适应补偿干涉检测方法、装置和计算机设备，通过搭建反衍混合自适应补偿干涉检测装置，先将反衍混合自适应补偿干涉检测装置中的空间光调制器的位置留空，仅保留变形镜，使用像差控制器驱动变形镜产生低阶像差补偿，将幅值占比大的低阶像差补偿掉；然后变形镜保持当前状态固定不动，在分光镜和变形镜之间插入空间光调制器，利用像差控制器驱动空间光调制器产生高阶像差补偿，将幅值占较小的高阶像差补偿掉，通过级联自适应光学元件的方法克服单一自适应光学元件性能短板，提升自适应补偿干涉检测方法性能，具有更灵活适应研磨、抛光过渡阶段粗抛大面形干涉检测的优点。

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，特别涉及一种反衍混合自适应补偿干涉检测方法、装置和计算机设备。

背景技术

超精密光学面形的面形误差（加工表面的实际形状与理论形状的偏差）可达纳米级，为满足这一要求，需要采用确定性加工方式。通过检测加工前的面形误差分布，指导抛光工具实现对误差高点的定量修除，从而提高面形精度。作为超精密光学面形制造的前提，面形检测技术能否保障光学面形的高效率制造，支撑我国在ICF、空间望远镜等大科学装置建设领域抢占未来科技竞争制高点面临新的挑战。

超精密光学制造主要包括铣磨成型、研磨及抛光三个阶段。各个制造阶段都必须要有相应动态范围（即仪器量程）和精度的检测技术。在铣磨及研磨阶段，面形误差较大，一般在数十微米量级，在坐标测量的量程和精度内。在抛光后期即精抛阶段，面形收敛到2~3μm，一般采用波面干涉测量。干涉检测以波面作为样板，要求波面形状与被测面的设计形状完全一致。入射波面经被测面垂直反射后，携带其面形误差，原路返回并与标准参考波面在干涉仪电荷耦合元件（charge-coupled device，CCD）像面处发生干涉，干涉图就包含了被测面的面形误差。然而，粗抛光阶段的面形误差在10μm数量级，并且常会伴随塌边或翘边的问题，局部区域面形误差梯度很大，超出了传统波面干涉仪的动态范围。另外，面形误差较大导致条纹过密，检测结果不完整，无法用于指导加工。而坐标测量的采样密度较低，无法检测面形误差的中高频成分，并且精度远低于干涉测量方法。因此，面形很难收敛到2~3μm进入波面干涉仪的动态范围内。

针对这个问题，自适应补偿干涉检测方法应运而生。自适应补偿干涉检测方法将自适应光学技术引入到干涉检测领域，使用优化算法控制空间光调制器产生可变的波前对未知局部面形大误差进行迭代补偿。利用干涉条纹可解析程度等补偿效果作为实时反馈，确保迭代过程收敛，最终实现面形大误差的检测，即干涉图可以完全解析。

自适应补偿干涉检测系统的核心元件是自适应光学补偿元件。兼具高分辨率、大冲程和高光能利用率的自适应光学元件是适应高空间频率、大幅值复杂面形大误差的基础。变形镜和空间光调制器是目前最成熟的商用自适应光学元件。采用变形镜作为自适应补偿元件，变形镜是反射元件，反射率在90%以上，能够满足干涉检测对光能利用率的要求。然而，对于商用变形镜而言，高分辨率和大冲程是一对矛盾体。常用变形镜的驱动器在10×10以下，其机械位移的光场调制原理使其可以具备100微米左右的冲程；但不能产生高空间频率的像差形状（高阶像差），因此变形镜的分辨率远远不能满足典型面形大误差对像差补偿阶次的要求。而高分辨率变形镜的冲程极小，一般在5微米以下，不能适应粗抛阶段大面形误差对像差补偿幅值的要求。并且即使是目前最高商用分辨率之一的变形镜（美国BMC，64×64分辨率），其性能也远远不能满足粗抛阶段面形大误差对于高级彗差、高级像散等复杂高阶像差的补偿要求。

而采用空间光调制器作为自适应补偿元件，空间光调制器可以简单的理解为液晶阵列，由于采用集成电路的加工工艺，其分辨率可以做到3840×2160（德国Holoeye, GAEA-2-VIS），能够满足大面形误差对高阶像差的补偿需求。然而，空间光调制器受限于其电控应力双折射的光场调制原理，即使按每波长仅需8列像素的要求将代表初级球差的条纹图案加载到空间光调制器上，也仅仅能产生约15微米左右的初级球差，无法满足典型面形大误差对像差补偿幅值的要求。此外，空间光调制器工作在衍射模式下，其光能衍射效率一般在34%左右，光能利用率较低。