[发明专利]小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统及检测方法

权利要求书

1.小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，包括凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统（A1），凹凸面自由曲面高频段像差检测系统（A2），计算机处理系统（A3）和光路夹持与装调系统（A4）；所述光路夹持与装调系统（A4）用于对凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统（A1），凹凸面自由曲面高频段像差检测系统（A2）进行调整；其特征是：首先对所述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统（A2）进行系统标定，然后再根据装调好的待测凹凸面自由曲面（11）装调凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统（A1）；

所述凹凸面自由曲面中低频段像差检测系统（A1）包括中低频信息采集系统（A11）和光瞳图像监视系统（A12）；

所述中低频信息采集系统（A11）包括激光器（1）、准直扩束系统（2）、分束器（3）、成像镜（9）和第二相机（10）；

所述光瞳图像监视系统（A12）由分光棱镜（4）、可调节孔径光阑（5）、激光振镜（6）、准直缩束光学系统（7）和第一相机（8）构成；

所述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统（A2）包括待测凹凸面自由曲面（11）、发光屏（12）和第三相机（13）；在标定过程中，使第三相机（13）的光轴和待测凹凸面自由曲面（11）的光轴重合，且待测凹凸面自由曲面（11）的光轴与发光屏（12）的屏幕垂直；将第三相机（13）调焦在待测凹凸面自由曲面（11）的表面；

所述激光器（1）出射的光束经准直扩束系统（2）被扩束为平行光束经分束器（3）反射和透射；透射光经所述光瞳图像监视系统（A12），经由光瞳图像监视系统（A12）返回的波前再次进入中低频信息采集系统（A11）经成像镜（9）成像于第二相机（10）处，将所述第二相机（10）采集的在焦以及离焦图像送入计算机处理系统（A3）的TTDPR模块，获得待测凹凸面自由曲面（11）的中低频段像差信息；

经所述中低频信息采集系统（A11）采集的光束经光瞳图像监视系统（A12）的分光棱镜（4）后进入激光振镜（6），经所述激光振镜（6）出射的光束经待测凹凸面自由曲面（11）表面反射后返回到激光振镜（6）上，再经过可调节孔径光阑（5）进入分光棱镜（4）分光，其中一路原路返回，另一路进入准直缩束光学系统（7），成像于第一相机（8）处，通过对光斑图像分析，调整激光振镜（6），使反射光束平行；

所述发光屏（12）出射的光线经待测凹凸面自由曲面（11）反射后由第三相机（13）接收，所述第三相机（13）将获得的图像采用计算机处理系统（A3）的SCOTS模块处理，获得待测凹凸面自由曲面（11）的高频段面形信息；

所述计算机处理系统（A3）对接收的待测凹凸面自由曲面（11）的中低频段像差信息和高频段面形信息进行全频段融合检测，即：通过Zernike多项式拟合方式进行分解，Zernike多项式按阶数从低到高进行排列，采用基于测量误差先验的统计数据融合方法再结合基于测量误差先验的统计数据融合方法，根据中低频段像差测量精度高的TTDPR法与高频段像差测量精度高的SCOTS法对不同阶像差的测量先验精度的方差来设定融合权值，最终获得待测凹凸面自由曲面（11）的全频段面形信息。

2.根据权利要求1所述的小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统，其特征在于：对所述凹凸面自由曲面高频段像差检测系统（A2）的具体标定过程为：

步骤A、在发光屏（12）上生成一组水平和竖直方向的正弦相移条纹图；

步骤B、将发光屏（12）、第三相机（13）和待测凹凸面自由曲面（11）构成的系统进行准直和标定，获得所述发光屏、相机和待测凹凸面自由曲面的空间位置坐标；

将第三相机（13）调焦在待测凹凸面自由曲面（11）的表面，采用计算机辅助优化模块进行标定误差的有效校正；获得标定测量的发光屏（12）、针孔（14）和待测凹凸面自由曲面（11）之间的距离；

步骤C、拍下经过待测凹凸面自由曲面（11）偏折后的发光屏（12）上显示的相移条纹图，移去待测凹凸面自由曲面（11）后再拍一组水平和竖直相移条纹图作为参考；

发光屏（12）逐次显示一组相移条纹图，第三相机（13）同步进行拍摄；移去待测凹凸面自由曲面（11）后再拍一组水平和竖直相移条纹图；拍多组相移条纹图进行平均来消除环境的影响；

步骤D、将拍到的相移条纹图采用计算机处理系统（A3）进行相位展开，计算斜率并恢复波前，根据恢复的待测镜面形信息分析波前像差，获得待测凹凸面自由曲面（11）的高频段面形信息。