大尺寸光学元件光强传输方程非干涉在位检测方法研究

In-situ testing is measuring the workpiece at a processing location rather than manufacturing status. It can reduce the impacts of the cutting, cooling and thermal deformation and avoid errors introduced by repeated clamping as well. It is an effective measuring method in working procedure. The project proposes a non-interferometric technique based on the transport of intensity equation to achieve the in-situ testing of large-size optical components in workshop environment. Based on the light diffraction theory, the researchers study the measurement theory of non-interferometric phase retrieval using the transport of intensity equation, construct the measurement model of non-telecentric imaging optical path based on the transport of intensity equation, investigate the separation method of the once-time recorded multiple defocused images and aliasing information, explore high precision phase retrieval algorithm of the non-telecentric imaging optical path based on the transport of intensity equation. Combined with the precision grinding machine, the experimental device will be built in the workshop to carry out the experimental research work. The researchers will actively to explore the basic road to the application in workshop..The innovation points of the project are as follows: propose non-interferometric measurement equation of non-telecentric imaging optical path based on the transport of intensity equation to suppress the influence of environmental disturbance on the spatial scale; propose methods to record multiple defocused images at once-time and separate the aliasing information, and suppress the influence of environmental vibrations on the temporal scale; propose phase retrieval algorithm by few images, which has frequency selectivity, based on the transport of intensity equation to ensure to obtain nearly interferometric measurement precision in workshop environment.

在位检测是工件处于加工位置而非加工状态下进行的测量，可以减少切削、冷却、热变形等因素的影响，同时避免多次重复装夹引入的误差，是有效的工序中检测手段。项目提出车间环境下大尺寸光学元件光强传输方程非干涉在位检测方法，基于光的衍射理论，研究光强传输方程非干涉相位恢复的基本理论，构建非远心成像光路下光强传输方程非干涉方法的测量方程，探讨单时记录多幅离焦图像及混叠信息的分离方法，研究非远心成像光路光强传输方程的高精度相位恢复算法，在车间中与精密磨床结合建立实验装置，开展实验研究工作，积极探索车间应用的基本途径。项目的创新点在于：提出非远心成像光路光强传输方程非干涉测量方程，在空间尺度上抑制环境扰动的影响；提出采用变形衍射光栅单时记录多幅离焦图像和分离信息混叠的方法，在时间尺度上抑制环境振动的影响；提出基于少量幅数并具有频率选择性的光强传输方程相位恢复算法，为车间环境下获得近干涉测量精度提供基本保障。

项目提出光学元件光强传输方程非干涉在位检测方法，在一般的条件下即可实现高精度检测而无需满足干涉条件，大大降低了对于测量环境及测量系统的要求，适合于车间环境下的在位检测。项目基于光的衍射理论，研究光强传输方程非干涉相位恢复的基本理论，围绕着精密光学检测为中心开展核心技术研究工作，主要内容包括：（1）对基于光强传输方程的非干涉测量方法进行了研究，设计了适用于非球面柱面镜的测量光路，实现了精密光学元件的面形检测；同时利用普通有限差分TIE方法和降噪有限差分TIE方法开展了实验数据分析，获得了较好的实验比对结果；结合数字全息技术提出了DH-TIE相位恢复技术，避免了传统TIE方法采集图像过程中对硬件的移动；（2）利用基于残差学习的卷积神经网络（CNN）实现了位相噪声的去除，该方法可以消除包裹相位中信噪比达-4dB的噪声，并且所训练的CNN网络在不调整任何参数的情况下即可得到去噪结果，对比实验也验证了该方法在实测环境中的有效性；（3）研究了基于波长调谐技术的透明平板光学元件的多表面信息分离，实现了以预匹配方法为代表的自由腔长下多表面测量，可在任意测量位置实现被测件各表面形貌的重建；（4）基于贝叶斯原理，对扩展光学元件测量口径的拼接面形重建方法进行了不确定度评估研究，所提出的误差评价分析方法使柱面拼接结果的误差表征更加丰富，增加了误差的可视化能力和数据的对比性。本项目研究工作中的创新点总结如下：（1）建立了光学元件光强传输方程非干涉在位检测方法理论，构建了适用于非球面柱面元件测量系统；（2）结合数字全息技术提出了DH-TIE相位恢复技术，实现了标定板、光学球结构等检测；（3）提出了基于波长调谐技术的透明平板光学元件的多表面信息分离方法；（4）提出了基于贝叶斯理论的拼接测量不确定度评估方法，实现了在得到拼接测量结果的同时可以获知测量不确定度。