專利名稱：一種大型光學平面的干涉測量裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光學測試技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種針對大型光學平面的干涉測 量裝置與方法。
技術(shù)背景隨著光學加工和檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，大口徑光學系統(tǒng)在天文、空間光 學和軍事等領(lǐng)域得到了愈來愈廣泛的應用，其中用作光路準直或偏轉(zhuǎn)的平面反射鏡的口徑也越來越大。另一方面，天文望遠鏡中常用的大口徑拋物面主 鏡的無像差點法干涉測量也需要高精度的大型光學平面鏡。在大型光學平面的拋光加工階段，面形誤差主要是利用激光波面干涉儀 進行測量。但是常用的激光波面干涉儀可測量的平面有效口徑不能大于其參 考鏡頭的口徑，導致大型光學平面的干涉測量成為傳統(tǒng)干涉測量的一個難題。市場上激光波面干涉儀產(chǎn)品多是4" (100mm)或6" (150mm) 口徑，測量更大口徑的光學平面必須引入擴束鏡等附加裝置，并且通常不能移相測 量，例如美國Zygo公司生產(chǎn)的32" (800ram) 口徑波面干涉儀。另一種可選 方案是采用Ritchey-Common測量方法，參看Zygo公司波面干涉儀產(chǎn)品說明 書，需要附加一個大型光學球面反射鏡，并且可能引入軸外像差影響測量精 度。上述兩種方法目前普遍使用，但是會極大地增加生產(chǎn)成本，不易在生產(chǎn) 實踐中推廣使用。同時，上述兩種方法測量的橫向分辨率都相對較低，不能 滿足高分辨率測量的要求。劉立人等在中國專利申請?zhí)?99113590.3""鏡片大口徑自動掃描測量 儀"中，提出一種鏡片大口徑自動掃描測量儀，主要用于鏡片或隱形鏡片大 口徑范圍中光學中心位置、球面屈光度、柱面屈光度及軸向、棱鏡度及底軸 等光學性質(zhì)的測量，而不涉及鏡片面形誤差的測量。欒竹等在中國專利申 請?zhí)?03116349. l""大口徑波面干涉測量儀"中利用剪切干涉原理發(fā)明了 一種大口徑、適用于光源相干長度小、波差小于一個波長的波面測量，不涉 及大型光學平面的面形測量方法。美國QED公司在"An automated sub即erture stitching interferometer workstation for spherical and aspherical surfaces", P. E. Murphy， andG.W. Forbes, Proc. SPIE， Vol. 5188， 296-307， 2003和美國專禾U "US 6956657B2"中提出一種非球面鏡面形誤差測量的子孔徑拼接方法，將被測 非球面鏡劃分為若干更小口徑的子孔徑，子孔徑的測量范圍可以覆蓋全口 徑，并且各子孔徑間稍有重疊；通過6軸運動平臺調(diào)整被測非球面鏡或干涉 儀，對子孔徑進行干涉測量，然后采用拼接算法得到全口徑的檢測結(jié)果，算 法主要補償了干涉儀成像畸變誤差、參考波面誤差以及子孔徑之間的傾斜、 離焦誤差。算法不需迭代，由硬件精度保證可靠性。這種方法主要用于200mm 口徑以下的平面鏡、球面鏡和適度非球面鏡，對于大型光學平面，只需要兩 軸直線運動調(diào)整，并且運動調(diào)整平臺的行程增大，而精度要求不變，必須采 用新的光路和結(jié)構(gòu)設(shè)計。Zygo公司Evans等在美國專利"US 7221461B2"中提出一種適用于大型環(huán)形光學平面的干涉測量方法和裝置，采用三個位移傳感器測量被測平面相 對波面干涉儀的運動誤差，采用波面干涉儀測量被測平面上子孔徑的面形， 然后從中分離出運動誤差，拼接得到被測平面上全口徑的面形。它不要求子 孔徑之間有重疊區(qū)，拼接算法簡單。李圣怡等在中國專利申請?zhí)?200710034359.0 ""大口徑大相對孔徑非球面鏡中高頻誤差檢測裝置與方法"中提出了一種非球面鏡中高頻誤差 檢測裝置與方法，采用五軸運動調(diào)整平臺實現(xiàn)被測非球面鏡上部分區(qū)域的干 涉測量，采用區(qū)域數(shù)據(jù)拼接算法，補償測量過程中的六自由度位姿誤差、最 佳擬合球半徑誤差以及干涉儀成像的橫向比例誤差。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，提出一種低成本、 高精度、高效率的大型光學平面的干涉測量裝置與方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的大型光學平面的干涉測量裝置，包括 干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺、位于調(diào)整平臺前方的被測平面鏡兩維傾斜調(diào) 整平臺、裝設(shè)于干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺上的激光波面干涉儀、以及與 激光波面干涉儀連接的內(nèi)裝測量數(shù)據(jù)處理算法程序的主控計算機。所述干涉 儀兩軸直線運動調(diào)整平臺用于調(diào)整波面干涉儀在YZ平面內(nèi)的位置，實現(xiàn)被 測平面鏡上多個部分區(qū)域的干涉零位測量，主控計算機根據(jù)測量數(shù)據(jù)處理算 法將測量得到的多幅部分區(qū)域的誤差面形圖拼接成全口徑上包含中高頻段 的誤差面形圖，包括初始位姿確定方法，重疊區(qū)域數(shù)據(jù)提取算法以及區(qū)域數(shù)據(jù)拼接算法。所述干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺包括水平方向Y軸運動組件和疊加在 Y軸組件上的豎直方向Z軸運動組件，Y軸組件由交流伺服電機及其編碼器、 彈性聯(lián)軸器、滾珠絲杠和滾動導軌副以及Z軸組件安裝板組成；Z軸組件由 交流伺服電機及其編碼器、彈性聯(lián)軸器、滾珠絲杠和滾動導軌副以及干涉儀 安裝板組成；Y軸組件和Z軸組件運動精度達到亞毫米級，它們均可采用現(xiàn) 有技術(shù)。所述被測平面鏡兩維傾斜調(diào)整平臺包括被測平面鏡安裝平臺和裝設(shè)于 其上的YZ平面內(nèi)的兩維傾斜調(diào)整機構(gòu)，被測平面鏡安裝平臺由支座、懸掛 鋼帶以及吊環(huán)螺釘組成，懸掛鋼帶通過吊環(huán)螺釘固定在支座上；兩維傾斜調(diào) 整機構(gòu)包括呈直角三角形分布的三個調(diào)整螺紋副。本發(fā)明的大型光學平面的干涉測量裝置，與李圣怡等在中國專利申請?zhí)?"200710034359.0 "中測量大口徑非球面鏡的五軸運動平臺不同，其主要 特點是測量過程中只需要兩軸直線運動調(diào)整。本發(fā)明的大型光學平面的干涉測量裝置，與QED公司測量200mm 口徑 以下平面鏡的六軸運動平臺不同，其主要特點是測量過程中只需要兩軸直線 運動調(diào)整，容易實現(xiàn)，并且運動精度要求不高，因而成本低。為了保證測量 結(jié)果的可靠性，與之配套的測量數(shù)據(jù)處理算法必須迭代優(yōu)化，并且收斂范圍 要大。采用所述本發(fā)明裝置的大型光學平面的干涉測量方法如下第一步通過干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺調(diào)整激光波面干涉儀在YZ 平面內(nèi)的位置，使得干涉儀發(fā)出的測試激光束照射在被測平面鏡上；第二步通過被測平面鏡兩維傾斜調(diào)整平臺調(diào)整被測平面鏡在YZ平面 內(nèi)的兩維傾斜，用激光波面干涉儀測量被測平面鏡上被照射的部分區(qū)域的面 形，數(shù)據(jù)存盤，記錄干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺的位移量；第三步按照被測平面鏡部分區(qū)域劃分方案，重復第二步直到所有部分 區(qū)域測量完畢，將干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺的位移量記錄和激光波面干 涉儀的測量數(shù)據(jù)輸入到主控計算機用測量數(shù)據(jù)處理算法進行處理，將測量得 到的多幅部分區(qū)域的誤差面形圖拼接成全口徑上包含中高頻段的誤差面形 圖。所述測量數(shù)據(jù)處理算法為現(xiàn)有算法，包括初始位姿確定方法，重疊區(qū)域數(shù)據(jù)提取算法以及區(qū)域數(shù)據(jù)拼接算法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1、本發(fā)明的大型光學平面的干涉測量裝置與方法通過干涉儀兩軸直線 運動調(diào)整平臺實現(xiàn)多個部分區(qū)域的干涉零位測量，通過測量數(shù)據(jù)處理算法拼 接得到全口徑上的面形誤差，同時提高了橫向分辨率，因而可以獲得大型光 學平面的中高頻誤差； 2、本發(fā)明的干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺結(jié)構(gòu)簡單，直線運動精度在 亞毫米量級即可，從而降低了成本，并且被測平面鏡在測量過程中除二維傾 斜微調(diào)外，不需要任何運動，容易實現(xiàn)大型光學平面的干涉測量；3、本發(fā)明的測量數(shù)據(jù)處理算法自動計算干涉儀相對被測平面鏡的初始 位姿，自動確定任意兩個被測部分區(qū)域之間的重疊數(shù)據(jù)，補償了測量過程中 的六自由度位姿誤差，從而不需要對測量數(shù)據(jù)進行預處理，不需要精確的先 驗知識，就可以高效率地獲得高精度的中高頻誤差檢測結(jié)果。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。


圖1是大型光學平面的干涉測量裝置示意圖；圖2是被測平面鏡及其兩維傾斜調(diào)整平臺A向視圖；圖3是以橢圓形平面鏡為例的全口徑上被測部分區(qū)域劃分示意圖；圖4是位于被測平面鏡中心區(qū)域的測量結(jié)果圖；圖5是位于被測平面鏡邊緣區(qū)域的測量結(jié)果圖；圖6是測量數(shù)據(jù)處理算法流程圖；圖7是全口徑拼接測量結(jié)果圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的大型光學平面的干涉測量裝置有一干涉儀兩軸直 線運動調(diào)整平臺1，位于調(diào)整平臺1前方設(shè)有被測平面鏡兩維傾斜調(diào)整平臺 3、調(diào)整平臺1上裝設(shè)有激光波面干涉儀2，與激光波面干涉儀2連接有內(nèi)裝 測量數(shù)據(jù)處理算法程序的主控計算機5，測量時被測平面鏡4安裝在調(diào)整平 臺3上。其中干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺1包括水平方向Y軸運動組件11和 疊加在Y軸組件上的豎直方向Z軸運動組件12， Y軸組件11由交流伺服電機及其編碼器、彈性聯(lián)軸器、滾珠絲杠和滾動導軌副以及z軸組件安裝板組成，Z軸組件12由交流伺服電機及其編碼器、彈性聯(lián)軸器、滾珠絲杠和滾動 導軌副以及干涉儀安裝板組成,Y軸組件11和Z軸組件12運動精度達到亞毫 米級。如圖2所示，被測平面鏡兩維傾斜調(diào)整平臺3包括被測平面鏡安裝平臺 31和YZ平面內(nèi)的兩維傾斜調(diào)整機構(gòu)32，被測平面鏡安裝平臺31由用槽鋼 焊接制作的支座312和懸掛鋼帶313以及吊環(huán)螺釘311組成，懸掛鋼帶313 通過吊環(huán)螺釘311固定在支座312上，被測平面鏡4由懸掛鋼帶313懸掛固 定在支座312上；兩維傾斜調(diào)整機構(gòu)32包括呈直角三角形分布的三個調(diào)整 螺紋副，調(diào)整螺紋副的螺母固定(例如焊接)在支座312上，調(diào)整螺釘與被 測平面鏡4背面輕微接觸，通過旋進或旋出螺釘實現(xiàn)被測平面鏡4的兩維傾 斜調(diào)整，建議采用細牙螺紋。懸掛鋼帶以及調(diào)整螺紋副的布局根據(jù)被測平面 鏡的幾何尺寸和材料特性進行設(shè)計，可參考徐榮偉等"大型干涉儀鏡子的支 承設(shè)計與溫度變形分析"，光學學報，25 (6): 809~815。激光波面干涉儀采用菲索(Fizeau)型平面干涉儀，測試光束通過透射 平面鏡組變換為平面波。為了減小環(huán)境振動對檢測的影響，建議將整個測量 裝置放置在氣浮隔振平臺上。本發(fā)明的測量數(shù)據(jù)處理算法將測量得到的多幅部分區(qū)域的誤差面形圖拼 接成全口徑上包含中高頻段的誤差面形圖，包括初始位姿確定方法、重疊區(qū) 域數(shù)據(jù)提取算法以及區(qū)域數(shù)據(jù)拼接算法。初始位姿確定方法根據(jù)測量過程中 干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺的位移量，自動計算干涉儀相對被測平面鏡的 初始位姿；重疊區(qū)域數(shù)據(jù)提取算法根據(jù)數(shù)據(jù)點到理想平面的投影點之間的包 容關(guān)系，自動確定任意兩個被測部分區(qū)域之間的重疊數(shù)據(jù)；區(qū)域數(shù)據(jù)拼接算 法通過迭代優(yōu)化，補償測量過程中的六自由度位姿誤差，使得所有重疊數(shù)據(jù) 之間的不一致性最小，同時所有數(shù)據(jù)點與理想平面最佳匹配。本發(fā)明的工作原理見圖3，以測量一個225mmX161mm橢圓形口徑的平 面鏡為例，首先將平面鏡劃分為11個圓形部分區(qū)域(上中下三排，上、下 排各三個，中間五個)，相鄰部分區(qū)域之間互有重疊，所有區(qū)域可覆蓋被測 平面鏡的全口徑;將被測平面鏡4安裝在兩維傾斜調(diào)整平臺3上(參見圖1); 干涉儀2發(fā)出的平面波測試光束入射到被測平面鏡的部分區(qū)域(例如位于中 心的圓形部分區(qū)域0)上，測試光束反射后返回干涉儀，與干涉儀的參考光束相遇形成干涉，從而實現(xiàn)被測平面鏡部分區(qū)域的零位干涉測量；調(diào)整干涉 儀兩軸直線運動平臺的兩軸位置，完成對被測平面鏡上其他10個部分區(qū)域 的零位干涉測量，例如測量部分區(qū)域3時，需要將Y軸平移40mm，同時微調(diào) 被測平面鏡的兩維傾斜，測量部分區(qū)域7時，需要將Y軸平移60mm， Z軸降 低45mm，同時微調(diào)被測平面鏡的兩維傾斜；將測量過程中兩軸位移量以及干 涉儀的測量數(shù)據(jù)輸入計算機，由測量數(shù)據(jù)處理算法自動計算各部分區(qū)域檢測 過程中干涉儀相對被測平面鏡的初始位姿，自動確定任意兩個被測部分區(qū)域 之間的重疊數(shù)據(jù)，最后通過迭代優(yōu)化，補償檢測過程中的六自由度位姿誤差， 從而實現(xiàn)將多幅部分區(qū)域的誤差面形圖拼接成全口徑上包含中高頻段的誤 差面形圖。本發(fā)明的測量步驟如下(參見圖l):第一步通過干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺1調(diào)整激光波面干涉儀2在 YZ平面內(nèi)的位置，使得干涉儀2發(fā)出的測試激光束照射在被測平面鏡4上；第二步通過被測平面鏡兩維傾斜調(diào)整平臺3調(diào)整被測平面鏡4在YZ 平面內(nèi)的兩維傾斜，用激光波面干涉儀2測量被測平面鏡4上被照射的部分 區(qū)域的面形，圖4是橢圓形平面鏡中心部分區(qū)域0的測量結(jié)果實例，數(shù)據(jù)存 盤，記錄干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺1的位移量；第三步按照被測平面鏡部分區(qū)域劃分方案(如圖3所示，將橢圓形平 面鏡劃分為ll個部分區(qū)域)，重復第二步直到所有部分區(qū)域測量完畢，圖5 是橢圓形平面鏡邊緣部分區(qū)域7的測量結(jié)果實例；將干涉儀兩軸直線運動調(diào) 整平臺1的位移量記錄和激光波面干涉儀2的測量數(shù)據(jù)輸入到主控計算機5 用測量數(shù)據(jù)處理算法進行處理。本發(fā)明的測量數(shù)據(jù)處理算法流程如圖6所示第一步輸入數(shù)據(jù)，確定初始位姿等參數(shù)。見圖l,在被測平面鏡4的 中心處建立模型坐標系{CM}，與被測平面鏡4固連且X軸垂直于被測平面； 在波面干涉儀2的光軸與被測平面鏡4的交點處建立測量坐標系{C,}，與干 涉儀固連。通常測量被測平面鏡4的中心部分區(qū)域時，兩個坐標系是重合的。 假設(shè)測量過程中干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺1的Y軸組件11和Z軸組件 12的位移量分別為 >;和z，則模型坐標系{CM}相對測量坐標系{C,}的初始位 姿變換為<formula>formula see original document page 9</formula>第二步重疊區(qū)域數(shù)據(jù)提取。假設(shè)第f個部分區(qū)域上干涉儀2的測量數(shù) 據(jù)為(w,尸(^，v力,7'=1,…，鳳，其中^,.為象素坐標(W/，,.,V力)上的相位差，M 為第/個部分區(qū)域上的采樣點數(shù)。利用第一步確定的位姿{g,}，將測量數(shù)據(jù)點變換到模型坐標系{CM}下的 坐標可以用下式表示在模型坐標系{CM}下將第A個部分區(qū)域與第/個部分區(qū)域中所有測量數(shù)據(jù)點均投影到理想平面(0YZ坐標面)上，產(chǎn)生相應投影點集{:^}和{~，,}。 利用投影點集在0YZ平面上的投影之間的相互包容關(guān)系，提取重疊區(qū)域數(shù)據(jù) (可參考李圣怡等中國專利申請?zhí)?200710034359. 0 "和Chen等"Iterative Algorithm for Subaperture Stitching Interferometry for General Surfaces ，， J.OSA.A.22(9): 1929—1936， 2005)。提取了重疊區(qū)域數(shù)據(jù)后，計算其對應的測量數(shù)據(jù)點到理想平面上的距離 之偏差的均方根值 ，同時計算所有測量數(shù)據(jù)點到理想平面上的距離的均方 根值。其中a和&是關(guān)于位姿&)的非線性函數(shù)。第三步計算目標函數(shù)值。目標函數(shù)為雙目標的線性組合其中/A和/Z2為正的權(quán)系數(shù)，滿足/^+//2=1。第四步判斷是否收斂。收斂條件是目標函數(shù)值F<ei或相鄰兩次迭代 的目標函數(shù)值之差I(lǐng)F。一F^h^， ^和S2是預先給定的常數(shù)。如果滿足收斂條件，則算法結(jié)束，圖7是拼接得到的橢圓形平面鏡全口徑上面形分布的實例； 否則繼續(xù)下一步。第五步區(qū)域數(shù)據(jù)拼接，計算新的位姿參數(shù)。對目標函數(shù)進行線性化處理，將其表示為關(guān)于位姿參數(shù)的線性函數(shù)，從而目標函數(shù)最小化問題化為線 性最小二乘問題，求解線性方程組獲得新的位姿參數(shù)。算法跳轉(zhuǎn)到第二步(可參考Chen等 "Iterative Algorithm for Subaperture Stitching Interferometry for General Surfaces" J.OSA.A.22(9): 1929—1936， 2005)。
權(quán)利要求
1、一種大型光學平面的干涉測量裝置，其特征在于它包括干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺、位于調(diào)整平臺前方的被測平面鏡兩維傾斜調(diào)整平臺、裝設(shè)于干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺上的激光波面干涉儀、以及與激光波面干涉儀連接的內(nèi)裝測量數(shù)據(jù)處理算法程序的主控計算機。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型光學平面的干涉測量裝置，其特征在于 所述干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺包括水平方向Y軸運動組件和疊加在Y軸 組件上的豎直方向Z軸運動組件；Y軸組件由交流伺服電機及其編碼器、彈 性聯(lián)軸器、滾珠絲杠和滾動導軌副以及Z軸組件安裝板組成；Z軸組件由交 流伺服電機及其編碼器、彈性聯(lián)軸器、滾珠絲杠和滾動導軌副以及干涉儀安 裝板組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型光學平面的干涉測量裝置，其特征在于 所述被測平面鏡兩維傾斜調(diào)整平臺包括被測平面鏡安裝平臺和裝設(shè)于其上 的YZ平面內(nèi)的兩維傾斜調(diào)整機構(gòu)，被測平面鏡安裝平臺由支座、懸掛鋼帶 以及吊環(huán)螺釘組成，懸掛鋼帶通過吊環(huán)螺釘固定在支座上；兩維傾斜調(diào)整機構(gòu)包括呈直角三角形分布的三個調(diào)整螺紋副。
4、 一種采用權(quán)利要求1所述裝置的大型光學平面的干涉測量方法如下 第一步通過干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺調(diào)整激光波面干涉儀在YZ平面內(nèi)的位置，使得干涉儀發(fā)出的測試激光束照射在被測平面鏡上；第二步通過被測平面鏡兩維傾斜調(diào)整平臺調(diào)整被測平面鏡在YZ平面內(nèi)的兩維傾斜，用激光波面干涉儀測量被測平面鏡上被照射的部分區(qū)域的面形，數(shù)據(jù)存盤，記錄干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺的位移量；第三步按照被測平面鏡部分區(qū)域劃分方案，重復第二步直到所有部分 區(qū)域測量完畢，將干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺的位移量記錄和激光波面干 涉儀的測量數(shù)據(jù)輸入到主控計算機用測量數(shù)據(jù)處理算法進行處理，將測量得 到的多幅部分區(qū)域的誤差面形圖拼接成全口徑上包含中高頻段的誤差面形 圖。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大型光學平面的干涉測量方法，其特征在于:所述測量數(shù)據(jù)處理算法包括初始位姿確定方法，重疊區(qū)域數(shù)據(jù)提取算法以及 區(qū)域數(shù)據(jù)拼接算法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大型光學平面的干涉測量裝置與方法，裝置包括干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺、位于調(diào)整平臺前方的被測平面鏡兩維傾斜調(diào)整平臺、裝設(shè)于干涉儀兩軸直線運動調(diào)整平臺上的激光波面干涉儀、以及與激光波面干涉儀連接的內(nèi)裝測量數(shù)據(jù)處理算法程序的主控計算機。利用該裝置通過主控計算機按照測量數(shù)據(jù)處理算法可將得到的多幅部分區(qū)域的誤差面形圖拼接成全口徑上包含中高頻段的誤差面形圖，包括初始位姿確定方法、重疊區(qū)域數(shù)據(jù)提取算法以及區(qū)域數(shù)據(jù)拼接算法。本發(fā)明是一種低成本、高精度、高效率的大型光學平面的干涉測量裝置與方法。
文檔編號G01M11/00GK101240999SQ200810030818
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
發(fā)明者丁凌艷, 劉曉東, 尹自強, 戴一帆, 李圣怡, 鄭子文, 陳善勇 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學