CN102278940A - 用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪，包括干涉仪本体、干涉仪框架、垂直移动部件、水平移动部件、引导反光镜、参考平晶。干涉仪固定于框架顶部，出射光通过第一反光镜引导传入第二反光镜再次反射，进入水平移动部件，经第三反光镜引导透过参考平晶打向被测表面。参考平晶由二维精密调整架控制，整个移动部件由二维精密定位装置控制作精确运动。整部干涉仪可在大型车间内由航车吊装进行现场实时测量。本发明设计原理科学，结构设计合理，各部件加工方便，整个构件稳定、可靠。只要将本干涉仪整体框架调整好，就可以将干涉仪方便地移动，获得稳定、清晰的干涉图。

Description

用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪

技术领域

本发明属于干涉测量技术领域，特别是一种用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪。

背景技术

随着科技的发展，参考镜面朝着大口径、高精度方向迅速发展，对大口径的镜面检测技术的要求也越来越高。由于大型平面干涉仪的制造周期长、成本高，亦无法移动至大口径镜面装校现场使用，所以利用一般的全口径检验方法已不能满足对大平面镜检测的需求。为了适应大口径镜面面型实时现场测试的需求，利用较小口径干涉仪进行子孔径拼接检测是一个必然的选择。

子孔径拼接利用的是小口径干涉仪，用干涉方法分多次分别检测大口径光学镜面的各个部分（每一部位就是一个子孔径），使这些子孔径完全覆盖整个大光学镜面，且两相邻子孔径之间都有重叠区域。从重叠区域提取出相邻子孔径参考面之间的相对平移和倾斜等信息，并以此将这些子孔径的参考面拼接到同一个参考面上来，从而恢复出全孔径波面的完整面型。

子孔径拼接技术的算法问题已较为成熟，难点在于设计一套简洁、精确、方便的子孔径干涉仪主体移动与控制系统。为满足监视和拼接功能，子孔径拼接干涉仪需要整体的可移动测试与子孔径干涉的稳定性两大要求。前者需要设计一体化、紧凑的整机；后者兼顾干涉腔在两维方向上的精密移动与移动结束后的系统稳定性。系统稳定的目的是保证干涉图的稳定性和测试结果的重复性，其中干涉图的稳定性是测试结果重复性和精度的前提。

在国内，子孔径拼接技术还处于发展阶段，多家单位进行了利用干涉仪的子孔径拼接测试。这些测试子孔径扫描主要采用将被测件进行移动，设计夹装被测件的移动平台，保证平台在大范围移动过程中不偏移、不抖动、不晃动，通过计算机控制步进电机，使被测件在二维调整架上能够沿X、Y方向作精确定位，定位精度为20um，也有三维调整架，可对光学元件的俯仰、左右旋转进行微调，而干涉仪移动相对不方便，且引入误差极大，因此一般不采用。上述方法在实验室的小振动环境下、检测小口径面型的时候比较有效，但是遇到大口径的面型时则无能为力，尤其是本项的目的是对大型激光装置中的光学元件进行现场测试，更是无法使用。南京理工大学在1995年的科研项目“高精度、大孔径移相式数字平面干涉仪”中，在φ250mm口径干涉仪上，曾采用子孔径拼接技术测试了φ500mm光学平面，但该项目干涉仪主机庞大、无法移动，仅能对光学平晶进行测试，无法应用于大型光学组件。

在国外，子孔径拼接技术的原理研究已经相当成熟，但直到目前为止，市场上较成熟子孔径拼接干涉仪只有QED公司的SSI干涉仪，其主要针对于非球面的测量，口径只有200mm，运用光刻机的的高精度底座，能够高精度检测口径200mm以内的平面、球面、适偏离度的非球面，但是，此子孔径拼接干涉仪测量面积小，口径只有200mm，不符合本项目的测量要求，不适合测量不能移动的大型光学组件。

总之，已有的国内外成型的子孔径拼接干涉仪不适宜对大型光学元件进行现场测试。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种灵活、稳定、精确的用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪，包括干涉仪本体、第一水平导轨、第二水平导轨、第一垂直导轨、第二垂直导轨、第一配重块滑轨、第二配重块滑轨、水平移动部件、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、干涉仪框架、水平精密定位装置、垂直移动部件、配重块、垂直精密定位装置；

干涉仪本体固定于干涉仪框架顶部，第一反射镜位于干涉仪本体的出光口，干涉仪框架内部设置第一垂直导轨、第二垂直导轨，垂直移动部件通过滑块在第一垂直导轨、第二垂直导轨上移动，上述垂直移动部件在垂直精密定位装置的带动下移动，该垂直精密定位装置固定在干涉仪框架上，干涉仪框架背部设有配重块，其重量与垂直移动部件相当，该配重块通过干涉仪框架顶部的定滑轮与垂直移动部件相连接，第一配重块导轨和第二配重块导轨分别位于第一垂直导轨和第二垂直导轨两侧，配重块可在配重块导轨上滑动；

垂直移动部件内部设置第二反射镜、水平移动部件、第一水平导轨和第二水平导轨，水平移动部件通过滑块在两个水平导轨上移动，所述水平移动部件在水平精密定位装置的带动下移动，该水平精密定位装置固定在垂直移动部件上；水平移动部件内部设置第三反射镜和参考平晶，参考平晶由二维架定板和二维架动板固定在水平移动部件上，二维架动板在二维精密调整架的带动下对参考平晶进行调整；

干涉仪本体的出射光通过第一反射镜传入垂直移动部件中的第二反射镜，通过第二反射镜再次反射，进入水平移动部件，经水平移动部件中第三反射镜引导透过参考平晶射向被测表面，由参考平晶与被测表面构成菲索干涉腔，进行测量。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）具有独立、刚性的二维调整架结构，不受干涉仪限制，立式、卧式均可使用，在使用子孔径拼接法测量大型光学元件时，方便地平移参考镜，保证工作灵活性、稳定性和精确性，具体的就是采用参考平晶前置技术，以大型二维移动架保障整个干涉腔的稳定性，具有极强的抗振能力并且操作方便，适应现场在线检测要求；2）采取参考镜前置技术，引导反射镜和参考平晶置于一个两维导轨上，由二维精密定位装置线控方式来移动，导轨上的滑块移动由二维精密定位装置控制，这样就可以对子孔径位置减小精确定位，三块反射镜将干涉仪出射的平行光导入到位于二维精密调整架的参考平晶处，并与前方的被测平面进行干涉，使得子孔径拼接干涉仪变得简单易操作，且精度也得到了保证，其中二维精密调整架的精度优于10um；3）本发明针对大型光学被测件有很好的适用性，干涉仪本体不动，采用了参考平晶的前置技术，参考平晶在一个二维移动架上进行扫描测试，两者通过引导光路相连接，可以简单、方便、灵活地使用子孔径拼接技术对大型光学元件进行测量，解决了在生产现场大口径的光学元件干涉测试问题，为子孔径拼接干涉仪提供一种方便快捷且实用性很高的方法；5）采用波长调谐技术，目前小口径干涉仪通常采用压电陶瓷堆（PZT）构成的相移机构，该机构的相移精度和重复性依赖于精密的机械结构，这种结构不适应于经常移动、具有冲击的环境中，本系统采用波长调谐激光器，去除了附加在参考平晶前的压电陶瓷运动组件，取消了机械相移机构，系统的稳定性可以进一步获得提高。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪整体设计示意图。

图2是本发明的用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪二维精密调整架反射镜及参考平晶分布图。

图3是本发明的用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪反光镜组件示意图。

图4是本发明的用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪垂直移动部件组件示意图。

图5是本发明的用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪锁紧组件示意图。

具体实施方式

本发明的用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪，采用子孔径拼接技术，将参考平晶前置到二维调整架上，方便地平移参考镜，是一种灵活、稳定、精确地进行子孔径拼接测量的干涉仪。本发明主要应用于现场的大型光学元件的高精度测试。

结合图1，本发明的一种用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪，包括干涉仪本体1、第一水平导轨4、第二水平导轨3、第一垂直导轨5、第二垂直导轨14、第一配重块滑轨6、第二配重块滑轨15、水平移动部件16、第一反射镜8、第二反射镜11、第三反射镜20、干涉仪框架9、水平精密定位装置10、垂直移动部件12、配重块13、垂直精密定位装置24、参考平晶26；

干涉仪本体1固定于干涉仪框架9顶部，第一反射镜8位于干涉仪本体1的出光口，干涉仪框架9内部设置第一垂直导轨5、第二垂直导轨14，垂直移动部件12通过滑块在第一垂直导轨5、第二垂直导轨14上移动，上述垂直移动部件12在垂直精密定位装置24的带动下移动，该垂直精密定位装置24固定在干涉仪框架9上，干涉仪框架9背部设有配重块13，其重量与垂直移动部件12相当，该配重块13通过干涉仪框架9顶部的定滑轮与垂直移动部件12相连接，第一配重块导轨6和第二配重块导轨15分别位于第一垂直导轨5和第二垂直导轨14两侧，配重块13可在配重块导轨上滑动；

结合图2和图4，垂直移动部件12内部设置第二反射镜11、水平移动部件16、第一水平导轨4和第二水平导轨3，水平移动部件16通过滑块在两个水平导轨上移动，所述水平移动部件16在水平精密定位装置10的带动下移动，该水平精密定位装置10固定在垂直移动部件12上；结合图2，水平移动部件16内部设置第三反射镜20和参考平晶26，参考平晶26由二维架定板18和二维架动板19固定在水平移动部件上，二维架动板19在二维精密调整架17的带动下对参考平晶26进行调整；参考平晶26由二维架顶板18和二维架动板19固定在水平移动部件上，通过二维精密调整架21调整，在水平精密定位装置10和垂直精密定位装置17的控制下，可以对被测表面的各个部分进行子孔径扫描测量。

干涉仪本体1的出射光通过第一反射镜8传入垂直移动部件12中的第二反射镜11，通过第二反射镜再次反射，进入水平移动部件16，经水平移动部件16中第三反射镜20引导透过参考平晶26射向被测表面，由参考平晶26与被测表面构成菲索干涉腔，进行测量。

本发明的用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪还包括垂直锁紧部件23和水平锁紧部件25，所述垂直锁紧部件23位于垂直移动部件12底部，将垂直移动部件12锁紧在第一垂直导轨5上，水平锁紧部件25位于水平移动部件16上，将水平移动部件16锁紧在垂直移动部件12内。干涉仪框架9的底部四角分别设置减震底脚 7，利用航车移动干涉仪时，底角内部橡胶底脚伸出，移动完毕时，橡胶底脚收缩进底脚内，刚性底脚与平台相接触，干涉仪振动频率与平台相一致，从而提高了抗震效果，并且避免了在移动干涉仪时对干涉仪冲击过大从而破坏内部架构。干涉仪框架9的顶部四角分别设置吊环螺钉2，方便在大型光学车间内利用航车移动干涉仪。

    在进行测量时，出射光通过固定在干涉仪框架9顶部的第一反射镜8引导传入第二反射镜11再次反射，进入垂直移动部件12，经水平移动部件16中第三反射镜20引导透过参考平晶26打向被测表面，参考平晶26亦由二维精密调整架17控制。垂直移动部件12固定于第一垂直导轨5和第二垂直导轨14上，由垂直精密定位装置24控制，在配重块13的协作下上下精确运动，水平移动部件16在垂直移动部件12内由水平精密定位装置10控制，作水平精确运动。整部干涉仪顶部四角有吊环螺钉2，底部四角有减震底脚7，可在大型车间内由航车吊装进行现场实时测量。

结合图3，第一反射镜8置于第一反射镜组件中，该组件由两面设置通光孔的立方体构成，位于干涉仪框架9顶部，干涉仪本体1右部，其中一通光孔与干涉仪本体1出光孔由密封圈紧密结合，另一通光孔与第二反射镜11的上通光孔同轴，反光镜置于镜架21内，由镜片压板22固定，镜面与干涉仪框架2顶部平面呈45°角。

具体而言，结合图4，第一垂直导轨5和第二垂直导轨14分别位于干涉仪框架9内部左侧和右侧，固定于框架上，与第一垂直导轨5配合的滑块有两块，每块滑块开有螺纹孔，与垂直移动部件12固定，与第二垂直导轨14配合的滑块也开有螺纹孔，与垂直移动部件12固定。第二垂直导轨14由垂直精密定位装置24控制。垂直移动部件12底部和内侧分别有第一水平导轨4、第二水平导轨3，第一水平导轨4配合滑块与水平移动部件16固定，第二水平导轨3为精密线性模组，配合滑块与水平移动部件16固定，并且在右端有水平精密定位装置10。垂直移动部件12右端有第二反射镜11，镜面与水平面呈135°角，将从第一反射镜8导入的光引导至水平移动部件16，第二反射镜11外侧有外盖遮挡。

结合图5，在垂直移动部件12底部，第一垂直导轨5处，装有垂直锁紧部件23，该锁紧部件由两个夹块、芯轴和螺钉构成，通过旋转螺钉，使两夹块夹住第一垂直导轨5，达到垂直固定垂直移动部件12的目的。在水平移动部件16的左上角装有水平锁紧螺杆25，通过旋转水平锁紧螺杆25，使水平移动部件16在垂直移动部件12内固定。

该干涉仪采用波长调谐相移干涉技术，去除了附加在参考平晶前的压电陶瓷运动组件，使得抗振性能得到进一步的提高。

为减小振动对干涉图的影响，采用参考平晶前置的专利抗振技术。第三反射镜20和参考平晶26置于一个两维导轨上，由垂直精密定位装置24和水平精密定位装置10线控方式来移动，可以对子孔径位置精确定位。第三反射镜20将干涉仪出射的平行光导入到位于二维移动架的参考平晶26处，并与前方的被测平面进行干涉。

本发明的干涉仪设计原理科学，结构设计合理，各部件加工方便，整个构件稳定、可靠。只要将本干涉仪光路对准，通过航车在车间移动到不同的平台上，就可以获得稳定、清晰的干涉图。微动电机控制参考镜夹持器夹持参考平晶，可以保证的夹持稳定、可靠。本干涉仪采用波长调谐技术，去除了附加在参考平晶前的压电陶瓷运动组件，使得抗振性能得到进一步的提高。

该干涉仪主要用于大型（400mm×400mm）光学镜面面型的测量与局部装校应力变形的监测工作。

主要技术指标：大型光学加工场地使用，工作波长632.8nm，子孔径测量精度32nm，最大测试口径400mm×400mm，拼接测试精度126nm，相移方式波长调谐，子孔径定位精度优于20um。

本发明设计原理科学，结构设计合理，各部件加工方便，整个构件稳定、可靠。独立、刚性的二维调整架结构，不受干涉仪限制；极强的抗振能力和方便的操作，适应现场在线检测要求。本发明从分析子孔径拼接技术出发，结合大型光学被测件，采取参考镜前置技术、精密的二维定位装置、波长调谐方法等方法，使得子孔径拼接干涉仪变得简单易操作，且精度也得到了保证，其中二维调整架的精度优于20um。以此解决了在生产现场大口径的光学元件干涉测试问题，为子孔径拼接干涉仪提供一种方便快捷且实用性很高的方法。

Claims (4)

1.一种用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪，其特征在于，包括干涉仪本体[1]、第一水平导轨[4]、第二水平导轨[3]、第一垂直导轨[5]、第二垂直导轨[14]、第一配重块滑轨[6]、第二配重块滑轨[15]、水平移动部件[16]、第一反射镜[8]、第二反射镜[11]、第三反射镜[20]、干涉仪框架[9]、水平精密定位装置[10]、垂直移动部件[12]、配重块[13]、垂直精密定位装置[24]、参考平晶[26]；

干涉仪本体[1]固定于干涉仪框架[9]顶部，第一反射镜[8]位于干涉仪本体[1]的出光口，干涉仪框架[9]内部设置第一垂直导轨[5]、第二垂直导轨[14]，垂直移动部件[12]通过滑块在第一垂直导轨[5]、第二垂直导轨[14]上移动，上述垂直移动部件[12]在垂直精密定位装置[24]的带动下移动，该垂直精密定位装置[24]固定在干涉仪框架[9]上，干涉仪框架[9]背部设有配重块[13]，其重量与垂直移动部件[12]相当，该配重块[13]通过干涉仪框架[9]顶部的定滑轮与垂直移动部件[12]相连接，第一配重块导轨[6]和第二配重块导轨[15]分别位于第一垂直导轨[5]和第二垂直导轨[14]两侧，配重块[13]可在配重块导轨上滑动；

垂直移动部件[12]内部设置第二反射镜[11]、水平移动部件[16]、第一水平导轨[4]和第二水平导轨[3]，水平移动部件[16]通过滑块在两个水平导轨上移动，所述水平移动部件[16]在水平精密定位装置[10]的带动下移动，该水平精密定位装置[10]固定在垂直移动部件[12]上；水平移动部件[16]内部设置第三反射镜[20]和参考平晶[26]，参考平晶[26]由二维架定板[18]和二维架动板[19]固定在水平移动部件上，二维架动板[19]在二维精密调整架[17]的带动下对参考平晶[26]进行调整；

干涉仪本体[1]的出射光通过第一反射镜[8]传入垂直移动部件[12]中的第二反射镜[11]，通过第二反射镜再次反射，进入水平移动部件[16]，经水平移动部件[16]中第三反射镜[20]引导透过参考平晶[26]射向被测表面，由参考平晶[26]与被测表面构成菲索干涉腔，进行测量。

2.根据权利要求1所述的用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪，其特征在于，还包括垂直锁紧部件[23]和水平锁紧部件[25]，所述垂直锁紧部件[23]位于垂直移动部件[12]底部，将垂直移动部件[12]锁紧在第一垂直导轨[5]上，水平锁紧部件[25]位于水平移动部件[16]上，将水平移动部件[16]锁紧在垂直移动部件[12]内。

3.根据权利要求1或2所述的用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪，其特征在于，干涉仪框架[9]的底部四角分别设置减震底脚[7]。

4.根据权利要求1或2所述的用于子孔径拼接的参考平晶前置干涉仪，其特征在于，干涉仪框架[9]的顶部四角分别设置吊环螺钉[2]。

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