CN101240999A - 一种大型光学平面的干涉测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型光学平面的干涉测量装置与方法，装置包括干涉仪两轴直线运动调整平台、位于调整平台前方的被测平面镜两维倾斜调整平台、装设于干涉仪两轴直线运动调整平台上的激光波面干涉仪、以及与激光波面干涉仪连接的内装测量数据处理算法程序的主控计算机。利用该装置通过主控计算机按照测量数据处理算法可将得到的多幅部分区域的误差面形图拼接成全口径上包含中高频段的误差面形图，包括初始位姿确定方法、重叠区域数据提取算法以及区域数据拼接算法。本发明是一种低成本、高精度、高效率的大型光学平面的干涉测量装置与方法。

Description

一种大型光学平面的干涉测量装置与方法

技术领域

本发明属光学测试技术领域，主要涉及一种针对大型光学平面的干涉测量装置与方法。

背景技术

随着光学加工和检测技术的不断发展，大口径光学系统在天文、空间光学和军事等领域得到了愈来愈广泛的应用，其中用作光路准直或偏转的平面反射镜的口径也越来越大。另一方面，天文望远镜中常用的大口径抛物面主镜的无像差点法干涉测量也需要高精度的大型光学平面镜。

在大型光学平面的抛光加工阶段，面形误差主要是利用激光波面干涉仪进行测量。但是常用的激光波面干涉仪可测量的平面有效口径不能大于其参考镜头的口径，导致大型光学平面的干涉测量成为传统干涉测量的一个难题。市场上激光波面干涉仪产品多是4”(100mm)或6”(150mm)口径，测量更大口径的光学平面必须引入扩束镜等附加装置，并且通常不能移相测量，例如美国Zygo公司生产的32”(800mm)口径波面干涉仪。另一种可选方案是采用Ritchey-Common测量方法，参看Zygo公司波面干涉仪产品说明书，需要附加一个大型光学球面反射镜，并且可能引入轴外像差影响测量精度。上述两种方法目前普遍使用，但是会极大地增加生产成本，不易在生产实践中推广使用。同时，上述两种方法测量的横向分辨率都相对较低，不能满足高分辨率测量的要求。

刘立人等在中国专利申请号“99113590.3”“镜片大口径自动扫描测量仪”中，提出一种镜片大口径自动扫描测量仪，主要用于镜片或隐形镜片大口径范围中光学中心位置、球面屈光度、柱面屈光度及轴向、棱镜度及底轴等光学性质的测量，而不涉及镜片面形误差的测量。栾竹等在中国专利申请号“03116349.1”“大口径波面干涉测量仪”中利用剪切干涉原理发明了一种大口径、适用于光源相干长度小、波差小于一个波长的波面测量，不涉及大型光学平面的面形测量方法。

美国QED公司在“An automated subaperture stitching interferometerworkstation for spherical and aspherical surfaces”，P.E.Murphy，andG.W.Forbes，Proc.SPIE，Vol.5188，296-307，2003和美国专利“US6956657B2”中提出一种非球面镜面形误差测量的子孔径拼接方法，将被测非球面镜划分为若干更小口径的子孔径，子孔径的测量范围可以覆盖全口径，并且各子孔径间稍有重叠；通过6轴运动平台调整被测非球面镜或干涉仪，对子孔径进行干涉测量，然后采用拼接算法得到全口径的检测结果，算法主要补偿了干涉仪成像畸变误差、参考波面误差以及子孔径之间的倾斜、离焦误差。算法不需迭代，由硬件精度保证可靠性。这种方法主要用于200mm口径以下的平面镜、球面镜和适度非球面镜，对于大型光学平面，只需要两轴直线运动调整，并且运动调整平台的行程增大，而精度要求不变，必须采用新的光路和结构设计。

Zygo公司Evans等在美国专利“US 7221461B2”中提出一种适用于大型环形光学平面的干涉测量方法和装置，采用三个位移传感器测量被测平面相对波面干涉仪的运动误差，采用波面干涉仪测量被测平面上子孔径的面形，然后从中分离出运动误差，拼接得到被测平面上全口径的面形。它不要求子孔径之间有重叠区，拼接算法简单。

李圣怡等在中国专利申请号“200710034359.0”“大口径大相对孔径非球面镜中高频误差检测装置与方法”中提出了一种非球面镜中高频误差检测装置与方法，采用五轴运动调整平台实现被测非球面镜上部分区域的干涉测量，采用区域数据拼接算法，补偿测量过程中的六自由度位姿误差、最佳拟合球半径误差以及干涉仪成像的横向比例误差。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的技术问题，提出一种低成本、高精度、高效率的大型光学平面的干涉测量装置与方法。

为了实现上述目的，本发明提出的大型光学平面的干涉测量装置，包括干涉仪两轴直线运动调整平台、位于调整平台前方的被测平面镜两维倾斜调整平台、装设于干涉仪两轴直线运动调整平台上的激光波面干涉仪、以及与激光波面干涉仪连接的内装测量数据处理算法程序的主控计算机。所述干涉仪两轴直线运动调整平台用于调整波面干涉仪在YZ平面内的位置，实现被测平面镜上多个部分区域的干涉零位测量，主控计算机根据测量数据处理算法将测量得到的多幅部分区域的误差面形图拼接成全口径上包含中高频段的误差面形图，包括初始位姿确定方法，重叠区域数据提取算法以及区域数据拼接算法。

所述干涉仪两轴直线运动调整平台包括水平方向Y轴运动组件和叠加在Y轴组件上的竖直方向Z轴运动组件，Y轴组件由交流伺服电机及其编码器、弹性联轴器、滚珠丝杠和滚动导轨副以及Z轴组件安装板组成；Z轴组件由交流伺服电机及其编码器、弹性联轴器、滚珠丝杠和滚动导轨副以及干涉仪安装板组成；Y轴组件和Z轴组件运动精度达到亚毫米级，它们均可采用现有技术。

所述被测平面镜两维倾斜调整平台包括被测平面镜安装平台和装设于其上的YZ平面内的两维倾斜调整机构，被测平面镜安装平台由支座、悬挂钢带以及吊环螺钉组成，悬挂钢带通过吊环螺钉固定在支座上；两维倾斜调整机构包括呈直角三角形分布的三个调整螺纹副。

本发明的大型光学平面的干涉测量装置，与李圣怡等在中国专利申请号“200710034359.0”中测量大口径非球面镜的五轴运动平台不同，其主要特点是测量过程中只需要两轴直线运动调整。

本发明的大型光学平面的干涉测量装置，与QED公司测量200mm口径以下平面镜的六轴运动平台不同，其主要特点是测量过程中只需要两轴直线运动调整，容易实现，并且运动精度要求不高，因而成本低。为了保证测量结果的可靠性，与之配套的测量数据处理算法必须迭代优化，并且收敛范围要大。

采用所述本发明装置的大型光学平面的干涉测量方法如下：

第一步：通过干涉仪两轴直线运动调整平台调整激光波面干涉仪在YZ平面内的位置，使得干涉仪发出的测试激光束照射在被测平面镜上；

第二步：通过被测平面镜两维倾斜调整平台调整被测平面镜在YZ平面内的两维倾斜，用激光波面干涉仪测量被测平面镜上被照射的部分区域的面形，数据存盘，记录干涉仪两轴直线运动调整平台的位移量；

第三步：按照被测平面镜部分区域划分方案，重复第二步直到所有部分区域测量完毕，将干涉仪两轴直线运动调整平台的位移量记录和激光波面干涉仪的测量数据输入到主控计算机用测量数据处理算法进行处理，将测量得到的多幅部分区域的误差面形图拼接成全口径上包含中高频段的误差面形图。

所述测量数据处理算法为现有算法，包括初始位姿确定方法，重叠区域数据提取算法以及区域数据拼接算法。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的大型光学平面的干涉测量装置与方法通过干涉仪两轴直线运动调整平台实现多个部分区域的干涉零位测量，通过测量数据处理算法拼接得到全口径上的面形误差，同时提高了横向分辨率，因而可以获得大型光学平面的中高频误差；

2、本发明的干涉仪两轴直线运动调整平台结构简单，直线运动精度在亚毫米量级即可，从而降低了成本，并且被测平面镜在测量过程中除二维倾斜微调外，不需要任何运动，容易实现大型光学平面的干涉测量；

3、本发明的测量数据处理算法自动计算干涉仪相对被测平面镜的初始位姿，自动确定任意两个被测部分区域之间的重叠数据，补偿了测量过程中的六自由度位姿误差，从而不需要对测量数据进行预处理，不需要精确的先验知识，就可以高效率地获得高精度的中高频误差检测结果。

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是大型光学平面的干涉测量装置示意图；

图2是被测平面镜及其两维倾斜调整平台A向视图；

图3是以椭圆形平面镜为例的全口径上被测部分区域划分示意图；

图4是位于被测平面镜中心区域的测量结果图；

图5是位于被测平面镜边缘区域的测量结果图；

图6是测量数据处理算法流程图；

图7是全口径拼接测量结果图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的大型光学平面的干涉测量装置有一干涉仪两轴直线运动调整平台1，位于调整平台1前方设有被测平面镜两维倾斜调整平台3、调整平台1上装设有激光波面干涉仪2，与激光波面干涉仪2连接有内装测量数据处理算法程序的主控计算机5，测量时被测平面镜4安装在调整平台3上。

其中干涉仪两轴直线运动调整平台1包括水平方向Y轴运动组件11和叠加在Y轴组件上的竖直方向Z轴运动组件12，Y轴组件11由交流伺服电机及其编码器、弹性联轴器、滚珠丝杠和滚动导轨副以及Z轴组件安装板组成，Z轴组件12由交流伺服电机及其编码器、弹性联轴器、滚珠丝杠和滚动导轨副以及干涉仪安装板组成，Y轴组件11和Z轴组件12运动精度达到亚毫米级。

如图2所示，被测平面镜两维倾斜调整平台3包括被测平面镜安装平台31和YZ平面内的两维倾斜调整机构32，被测平面镜安装平台31由用槽钢焊接制作的支座312和悬挂钢带313以及吊环螺钉311组成，悬挂钢带313通过吊环螺钉311固定在支座312上，被测平面镜4由悬挂钢带313悬挂固定在支座312上；两维倾斜调整机构32包括呈直角三角形分布的三个调整螺纹副，调整螺纹副的螺母固定(例如焊接)在支座312上，调整螺钉与被测平面镜4背面轻微接触，通过旋进或旋出螺钉实现被测平面镜4的两维倾斜调整，建议采用细牙螺纹。悬挂钢带以及调整螺纹副的布局根据被测平面镜的几何尺寸和材料特性进行设计，可参考徐荣伟等“大型干涉仪镜子的支承设计与温度变形分析”，光学学报，25(6)：809～815。

激光波面干涉仪采用菲索(Fizeau)型平面干涉仪，测试光束通过透射平面镜组变换为平面波。为了减小环境振动对检测的影响，建议将整个测量装置放置在气浮隔振平台上。

本发明的测量数据处理算法将测量得到的多幅部分区域的误差面形图拼接成全口径上包含中高频段的误差面形图，包括初始位姿确定方法、重叠区域数据提取算法以及区域数据拼接算法。初始位姿确定方法根据测量过程中干涉仪两轴直线运动调整平台的位移量，自动计算干涉仪相对被测平面镜的初始位姿；重叠区域数据提取算法根据数据点到理想平面的投影点之间的包容关系，自动确定任意两个被测部分区域之间的重叠数据；区域数据拼接算法通过迭代优化，补偿测量过程中的六自由度位姿误差，使得所有重叠数据之间的不一致性最小，同时所有数据点与理想平面最佳匹配。

本发明的工作原理：见图3，以测量一个225mm×161mm椭圆形口径的平面镜为例，首先将平面镜划分为11个圆形部分区域(上中下三排，上、下排各三个，中间五个)，相邻部分区域之间互有重叠，所有区域可覆盖被测平面镜的全口径；将被测平面镜4安装在两维倾斜调整平台3上(参见图1)；干涉仪2发出的平面波测试光束入射到被测平面镜的部分区域(例如位于中心的圆形部分区域0)上，测试光束反射后返回干涉仪，与干涉仪的参考光束相遇形成干涉，从而实现被测平面镜部分区域的零位干涉测量；调整干涉仪两轴直线运动平台的两轴位置，完成对被测平面镜上其他10个部分区域的零位干涉测量，例如测量部分区域3时，需要将Y轴平移40mm，同时微调被测平面镜的两维倾斜，测量部分区域7时，需要将Y轴平移60mm，Z轴降低45mm，同时微调被测平面镜的两维倾斜；将测量过程中两轴位移量以及干涉仪的测量数据输入计算机，由测量数据处理算法自动计算各部分区域检测过程中干涉仪相对被测平面镜的初始位姿，自动确定任意两个被测部分区域之间的重叠数据，最后通过迭代优化，补偿检测过程中的六自由度位姿误差，从而实现将多幅部分区域的误差面形图拼接成全口径上包含中高频段的误差面形图。

本发明的测量步骤如下(参见图1)：

第一步：通过干涉仪两轴直线运动调整平台1调整激光波面干涉仪2在YZ平面内的位置，使得干涉仪2发出的测试激光束照射在被测平面镜4上；

第二步：通过被测平面镜两维倾斜调整平台3调整被测平面镜4在YZ平面内的两维倾斜，用激光波面干涉仪2测量被测平面镜4上被照射的部分区域的面形，图4是椭圆形平面镜中心部分区域0的测量结果实例，数据存盘，记录干涉仪两轴直线运动调整平台1的位移量；

第三步：按照被测平面镜部分区域划分方案(如图3所示，将椭圆形平面镜划分为11个部分区域)，重复第二步直到所有部分区域测量完毕，图5是椭圆形平面镜边缘部分区域7的测量结果实例；将干涉仪两轴直线运动调整平台1的位移量记录和激光波面干涉仪2的测量数据输入到主控计算机5用测量数据处理算法进行处理。

本发明的测量数据处理算法流程如图6所示：

第一步：输入数据，确定初始位姿等参数。见图1，在被测平面镜4的中心处建立模型坐标系{C_M}，与被测平面镜4固连且X轴垂直于被测平面；在波面干涉仪2的光轴与被测平面镜4的交点处建立测量坐标系{C_i}，与干涉仪固连。通常测量被测平面镜4的中心部分区域时，两个坐标系是重合的。假设测量过程中干涉仪两轴直线运动调整平台1的Y轴组件11和Z轴组件12的位移量分别为y和z，则模型坐标系{C_M}相对测量坐标系{C_i}的初始位姿变换为

$g_i=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& -y\\ 0& 0& 1& -z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

第二步：重叠区域数据提取。假设第i个部分区域上干涉仪2的测量数据为{w_j，i＝(u_j，i，v_j，i，_j，i)}，j＝1，...，N_i，其中_j，i为象素坐标(u_j，i，v_j，i)上的相位差，N_i为第i个部分区域上的采样点数。

利用第一步确定的位姿{g_i}，将测量数据点变换到模型坐标系{C_M}下的坐标可以用下式表示

在模型坐标系{C_M}下将第k个部分区域与第i个部分区域中所有测量数据点均投影到理想平面(OYZ坐标面)上，产生相应投影点集{x_j，k}和{x_j，i}。利用投影点集在OYZ平面上的投影之间的相互包容关系，提取重叠区域数据(可参考李圣怡等中国专利申请号“200710034359.0”和Chen等“IterativeAlgorithm for Subaperture Stitching Interferometry for General Surfaces”J.OSA.A.22(9)：1929-1936，2005)。

提取了重叠区域数据后，计算其对应的测量数据点到理想平面上的距离之偏差的均方根值σ_o，同时计算所有测量数据点到理想平面上的距离的均方根值σ，其中σ和σ_o是关于位姿{g_i}的非线性函数。

第三步：计算目标函数值。目标函数为双目标的线性组合

$F={\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\σ}}^2+{\mathrm{\μ}}_2{\mathrm{\σ}}_o^2$

其中μ₁和μ₂为正的权系数，满足μ₁+μ₂＝1。

第四步：判断是否收敛。收敛条件是目标函数值F＜ε₁或相邻两次迭代的目标函数值之差|F_n-F_n-1|＜ε₂，ε₁和ε₂是预先给定的常数。如果满足收敛条件，则算法结束，图7是拼接得到的椭圆形平面镜全口径上面形分布的实例；否则继续下一步。

第五步：区域数据拼接，计算新的位姿参数。对目标函数进行线性化处理，将其表示为关于位姿参数的线性函数，从而目标函数最小化问题化为线性最小二乘问题，求解线性方程组获得新的位姿参数。算法跳转到第二步(可参考Chen等“Iterative Algorithm for Subaperture Stitching Interferometry forGeneral Surfaces”J.OSA.A.22(9)：1929-1936，2005)。

Claims (5)

1、一种大型光学平面的干涉测量装置，其特征在于：它包括干涉仪两轴直线运动调整平台、位于调整平台前方的被测平面镜两维倾斜调整平台、装设于干涉仪两轴直线运动调整平台上的激光波面干涉仪、以及与激光波面干涉仪连接的内装测量数据处理算法程序的主控计算机。

2、根据权利要求1所述的大型光学平面的干涉测量装置，其特征在于：所述干涉仪两轴直线运动调整平台包括水平方向Y轴运动组件和叠加在Y轴组件上的竖直方向Z轴运动组件；Y轴组件由交流伺服电机及其编码器、弹性联轴器、滚珠丝杠和滚动导轨副以及Z轴组件安装板组成；Z轴组件由交流伺服电机及其编码器、弹性联轴器、滚珠丝杠和滚动导轨副以及干涉仪安装板组成。

3、根据权利要求1所述的大型光学平面的干涉测量装置，其特征在于：所述被测平面镜两维倾斜调整平台包括被测平面镜安装平台和装设于其上的YZ平面内的两维倾斜调整机构，被测平面镜安装平台由支座、悬挂钢带以及吊环螺钉组成，悬挂钢带通过吊环螺钉固定在支座上；两维倾斜调整机构包括呈直角三角形分布的三个调整螺纹副。

4、一种采用权利要求1所述装置的大型光学平面的干涉测量方法如下：

第一步：通过干涉仪两轴直线运动调整平台调整激光波面干涉仪在YZ平面内的位置，使得干涉仪发出的测试激光束照射在被测平面镜上；

第二步：通过被测平面镜两维倾斜调整平台调整被测平面镜在YZ平面内的两维倾斜，用激光波面干涉仪测量被测平面镜上被照射的部分区域的面形，数据存盘，记录干涉仪两轴直线运动调整平台的位移量；

第三步：按照被测平面镜部分区域划分方案，重复第二步直到所有部分区域测量完毕，将干涉仪两轴直线运动调整平台的位移量记录和激光波面干涉仪的测量数据输入到主控计算机用测量数据处理算法进行处理，将测量得到的多幅部分区域的误差面形图拼接成全口径上包含中高频段的误差面形图。

5、根据权利要求4所述的大型光学平面的干涉测量方法，其特征在于：所述测量数据处理算法包括初始位姿确定方法，重叠区域数据提取算法以及区域数据拼接算法。

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