CN102519389A - 光学元件旋转定位夹具及旋转定位方法 - Google Patents

Abstract

一种用于绝对检验中光学元件旋转定位夹具及旋转定位方法，所述的光学元件旋转定位夹具由旋转定位标记板、旋转台、二维偏心调节台组成。本发明具有结构简单，成本低的特点，解决了目前绝对检验方法对高精度旋转台的依赖问题。

Description

光学元件旋转定位夹具及旋转定位方法

技术领域

本发明涉及光学元件检测，一种用于绝对检验中承载测试光学元件的光学元件旋转定位夹具及旋转定位方法。

背景技术

以大型空间望远镜、激光惯性约束核聚变装置、极大规模集成电路制造系统为代表的现代光学系统对光学元件的质量有着极高的要求。光学元件的质量往往决定了整个光学系统的性能，因此光学元件检测技术是构建现代光学系统的基础。绝对检验消除了参考面面形误差和干涉仪系统误差的影响，得到被测面面形的绝对值，可以用于标准面形的定标，基本满足了现代光学制造的高精度面形检测需求。

在绝对检验过程中，需要对被测光学元件进行旋转，如标准的三平面互检每测一条直线上的面形数据就需要进行一次旋转(见在先技术：G.Schulz etc.，Establishingan optical flatness standard，Applied Optics，1976，10(4))，奇偶函数法需要进行45°、90°、180°旋转(见在先技术：Chiayu Ai etc.，Absolute testing of flats by using even andodd functions，Applied Optics，1993，32(25))，旋转对称法(见在先技术：Klaus R.Freischlad，Absolute interferometric testing based on reconstruction of rotational shear，Applied Optics，2001，40(10))和镜面对称法(见在先技术：Ulf Griesmann，Three-flattest solutions based on simple mirror symmetry，Applied Optics，2006，45(10))则需要进行多次旋转。因此，旋转台是绝对检验被测光学元件夹具的必要组成部分。

旋转台的旋转偏心误差是影响绝对检验精度的重要因素(见在先技术：徐洋等平面面形绝对检验技术测量误差分析，中国激光，2011，38(10))。采用旋转偏心小的高精密旋转台能够实现高的绝对检验精度，但是也提高了系统成本。高精度旋转台一般重量和体积都偏大，致使绝对检验夹具机械结构复杂化。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题，提供一种光学元件旋转定位夹具及旋转定位方法，以消除绝对检验过程中被测光学元件的旋转偏心误差，提高检测精度。该夹具具有结构简单，成本低的优点，解决了目前绝对检验方法对高精度旋转台的依赖问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于绝对检验的光学元件旋转定位夹具，其特点在于由旋转定位标记板、旋转台和二维偏心调节台组成，所述的二维偏心调节台具有一个供所述的旋转台安装的凹形圆盘和在该凹形圆盘的两个相互垂直的方向设有两个调节旋钮，所述的旋转台具有供被测光学元件安装的筒形槽口，该筒形槽口的边口具有内螺纹，所述的旋转定位标记板通过其外螺纹旋入所述的旋转台筒形槽口的内螺纹，所述旋转台的旋转轴通过所述旋转定位标记板的中心。

所述旋转台与所述二维偏心调节台具有相对旋转的自由度，但在与旋转轴垂直的平面内无相对二维运动。

所述的旋转定位标记板由通光区和标记区两部分组成；所述的通光区是指光能无干扰地通过的区域；所述的标记区具有至少3个旋转定位标记。

所述的旋转定位标记是圆形、三角形，或矩形的透光或不透光特征标记；圆形特征标记的圆心位置，三角形特征标记的顶点位置，矩形特征标记的中心位置等特征点位置称为旋转定位标记的位置；所有旋转定位标记的位置都在以旋转定位标记板的中心为圆心的圆上。

所述的旋转台外周与所述的二维偏心调节台的相邻位置具有旋转刻度，用来确定旋转角度。

利用所述旋转定位夹具对被测光学元件进行旋转定位的方法，其特征在于包括下列步骤：

①安装被测光学元件：

将被测光学元件安装在所述旋转台的筒形槽内，使被测光学元件的被测面朝外，并与所述的旋转台的旋转轴垂直，然后将所述的旋转定位标记板的外螺纹旋入旋转台筒形槽口的内螺纹并压在所述的被测光学元件上锁定；

②装校旋转定位夹具：

将所述的旋转定位夹具安装在绝对检验干涉测量系统的出瞳前方，调节所述旋转定位夹具使被测光学元件的被测面在绝对检验干涉测量系统中清晰成像；

③确定原始旋转定位标记板的中心：

由干涉测量系统出射的探测光经被测光学元件的被测面反射的反射光与干涉测量系统中的参考光干涉，形成干涉图样，利用干涉测量系统中CCD探测器采集所述的干涉图样，通过干涉测量系统进行图像处理，识别至少3个旋转定位标记的位置坐标(x_i，y_i)，其中i＝1，2，3，...，m，m为旋转定位标记的数量；所述的旋转定位标记的位置都在以旋转定位标记板的中心为圆心的圆上，由所获得的旋转定位标记的位置坐标通过下列最小二乘拟合，得到旋转定位标记板的中心坐标(x_c，y_c)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{c}_i-\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{c}_i\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i}{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i\right)}^2}\\ y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{c}_i-\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{c}_i\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i}{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i\right)}^2}\end{array}\right.$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{a}_i=2(x_{i+1}-x_i)\\ b_i=2(y_{i+1}-y_i)\\ c_i={x_{i+1}}^2+{y_{i+1}}^2-x_i^2-y_i^2\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2},...,m-1)$

④旋转台旋转后，确定旋转定位标记板的中心：

根据采取的绝对检验方法，调节旋转台，使被测光学元件旋转一个角度，上述重复步骤③，计算旋转后的定位标记板的中心坐标(x_rc，y_rc)；

⑤偏心量计算

计算旋转台的旋转定位中心的偏心量x_s，y_s：x_s＝x_c-x_rc，y_s＝y_c-y_rc；

⑥旋转台旋转定位中心的偏心量补偿调节

根据计算得到偏心量x_s，y_s，调节所述的二维偏心调节台的调节旋钮，调节量为x_s，y_s，使所述的旋转台的旋转定位中心的偏心得到补偿。

本发明的技术效果：

经试用表面，本发明可以消除绝对检验过程中被测光学元件的旋转偏心误差，提高检测精度。该夹具具有结构简单，成本低的优点，解决了目前绝对检验方法对高精度旋转台的依赖问题。

附图说明

图1是本发明的旋转定位夹具示意图

图2是安装了光学元件后的旋转定位夹具示意图

图3是绝对检验干涉测量系统中旋转定位夹具装校示意图

图4是本发明的旋转定位夹具所涉及的一种旋转定位标记板示意图

图5是本发明的旋转定位夹具所涉及的一种旋转定位标记板示意图

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。

本发明的绝对检验用光学元件旋转定位夹具结构示意图如图1所示。由图可见，本发明光学元件旋转定位夹具1由旋转定位标记板101、旋转台102、二维偏心调节台103组成。二维偏心调节台103具有一个供旋转台102安装的凹形圆盘和在该凹形圆盘的两个相互垂直的方向设有两个调节旋钮103A、103B；旋转台102具有供被测光学元件2安装的筒形槽口，该筒形槽口的边口具有内螺纹；旋转定位标记板101通过其外螺纹旋入旋转台102筒形槽口的内螺纹，旋转台102的旋转轴通过旋转定位标记板101的中心。

旋转台102是带动安装于其上的旋转定位标记板101和被测光学元件2一起进行任意角度旋转的调节台。旋转台102与二维偏心调节台103具有相对旋转的自由度，但在与旋转轴垂直的平面内无相对二维运动。旋转台外周与二维偏心调节台内侧相邻位置具有旋转刻度，用来确定旋转角度。

二维偏心调节台103是能够在垂直于旋转台旋转轴的平面内进行两个线性自由度调节的调节台。

光学元件的安装结构示意图如图2所示，当被测光学元件2安装在此旋转定位夹具1上时，与旋转台内侧筒形槽口径相适应的被测光学元件2先安装在旋转台102内侧筒形槽内，被测光学元件2的被测面一侧朝外，并与旋转台的旋转轴102A垂直。然后将旋转定位标记板101通过其外螺纹旋入旋转台102内螺纹并压在所述的被测光学元件2上锁定。

图3是绝对检验干涉测量系统中旋转定位夹具装校示意图，将旋转定位夹具1安装在绝对检验干涉测量系统出瞳301前方，调节旋转定位夹具1在绝对检验干涉测量系统光轴方向位置，使旋转定位夹具中的被测光学元件2被测面在对检验干涉测量系统3中成清晰像，即使夹具中被测光学元件的被测面位于干涉测量系统的成像面3B上。

旋转定位夹具所涉及的一种旋转定位标记板结构示意图如图4所示。此旋转定位标记板101是由通光区101-TR和标记区101-MR两部分组成的平板。通光区101-TR是指光能无干扰地通过的区域，标记区101-MR是指带有3个旋转定位标记101-M的区域。旋转定位标记101-M是圆形透光特征标记101-M001、101-M002、101-M003；圆形特征标记的圆心位置称为旋转定位标记的位置；所有旋转定位标记的位置都在以旋转定位标记板的中心为圆心的圆101-C上。旋转定位标记在绝对检验干涉测量系统的测量孔径内。

旋转定位夹具所涉及的另一种旋转定位标记板结构示意图如图5所示。旋转定位标记101-M是三角形不透光特征标记101-M001、101-M002、101-M003；三角形特征标记的顶点位置称为旋转定位标记的位置；所有旋转定位标记的位置都在以旋转定位标记板的中心为圆心的圆101-C上。

绝对检验用光学元件旋转定位夹具的旋转定位方法，包括下列步骤：

①安装被测光学元件

将被测光学元件2先安装在旋转台102内侧筒形槽内，被测光学元件的被测面朝外，并与旋转台的旋转轴102A垂直，然后将旋转定位标记板101的外螺纹旋入旋转台102筒形槽口部内螺纹并压在所述的被测光学元件2上锁定；

②装校旋转定位夹具

将所述的旋转定位夹具安装1在绝对检验干涉测量系统出瞳301前方，调节所述旋转定位夹具1在绝对检验干涉测量系统光轴3A方向位置，使所述夹具中的被测光学元件的被测面在对检验干涉测量系统3中成清晰像，即使夹具中被测光学元件的被测面位于干涉测量系统的成像面3B上；

③确定原始旋转定位标记板的中心：

由干涉测量系统3出射的探测光经被测光学元件的被测面反射的反射光与干涉测量系统中的参考光干涉，形成干涉图样；利用干涉测量系统中CCD探测器采集所述的干涉图样，通过干涉测量系统进行图像处理，识别至少3个旋转定位标记101-M的位置坐标(x_i，y_i)，其中i＝1，2，3，...，m，m为旋转定位标记的数量；所述的旋转定位标记101-M的位置都在以旋转定位标记板101中心为圆心的圆上，由所获得的旋转定位标记的位置坐标通过下列最小二乘拟合，得到旋转定位标记板的中心坐标(x_c，y_c)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{c}_i-\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{c}_i\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i}{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i\right)}^2}\\ y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{c}_i-\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{c}_i\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i}{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i\right)}^2}\end{array}\right.$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{a}_i=2(x_{i+1}-x_i)\\ b_i=2(y_{i+1}-y_i)\\ c_i={x_{i+1}}^2+{y_{i+1}}^2-x_i^2-y_i^2\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2},...,m-1)$

④旋转台旋转后，确定旋转定位标记板的中心：

根据采取的绝对检验方法，调节旋转台102，使被测光学元件旋转一个角度，重复步骤③，计算得到旋转后的定位标记板101的中心坐标(x_rc，y_rc)；

⑤偏心量计算

计算旋转台的旋转定位中心的偏心量x_s，y_s：x_s＝x_c-x_rc，y_s＝y_c-y_rc；

⑥旋转台旋转定位中心的偏心量补偿调节

根据计算得到偏心量x_s，y_s，调节所述的二维偏心调节台的调节旋钮103A、103B，调节量为x_s，y_s，使所述的旋转台的旋转定位中心的偏心得到补偿。

Claims (6)

1.一种用于绝对检验的光学元件旋转定位夹具，其特征在于由旋转定位标记板(101)、旋转台(102)和二维偏心调节台(103)组成，所述的二维偏心调节台(103)具有一个供所述的旋转台(102)安装的凹形圆盘和在该凹形圆盘的两个相互垂直的方向设有两个调节旋钮(103A、103B)，所述的旋转台(102)具有供被测光学元件(2)安装的筒形槽口，该筒形槽口的边口具有内螺纹，所述的旋转定位标记板(101)通过其外螺纹旋入所述的旋转台(102)筒形槽口的内螺纹，所述旋转台(102)的旋转轴通过所述旋转定位标记板(101)的中心。

2.根据权利要求1所述的光学元件旋转定位夹具，其特征在于所述旋转台(102)与所述二维偏心调节台(103)具有相对旋转的自由度，但在与旋转轴垂直的平面内无相对二维运动。

3.根据权利要求1所述的光学元件旋转定位夹具，其特征在于所述的旋转定位标记板(101)由通光区(101-TR)和标记区(101-MR)两部分组成；所述的通光区是指光能无干扰地通过的区域；所述的标记区(101-MR)具有至少3个旋转定位标记。

4.根据权利要求3所述的光学元件旋转定位夹具，其特征在于，所述的旋转定位标记是圆形、三角形，或矩形的透光或不透光特征标记；圆形特征标记的圆心位置，三角形特征标记的顶点位置，矩形特征标记的中心位置等特征点位置称为旋转定位标记的位置；所有旋转定位标记的位置都在以旋转定位标记板的中心为圆心的圆上。

5.根据权利要求1或2所述的光学元件旋转定位夹具，其特征在于所述的旋转台(102)外周与所述的二维偏心调节台(103)的相邻位置具有旋转刻度，用来确定旋转角度。

6.利用所述旋转定位夹具对被测光学元件进行旋转定位的方法，其特征在于包括下列步骤：

①安装被测光学元件：

将被测光学元件(2)安装在所述旋转台(102)的筒形槽内，使被测光学元件的被测面朝外，并与所述的旋转台的旋转轴垂直，然后将所述的旋转定位标记板(101)的外螺纹旋入旋转台(102)筒形槽口的内螺纹并压在所述的被测光学元件(2)上锁定；

②装校旋转定位夹具：

将所述的旋转定位夹具(1)安装在绝对检验干涉测量系统(3)的出瞳前方，调节所述旋转定位夹具(1)使被测光学元件(2)的被测面在绝对检验干涉测量系统中清晰成像；

③确定原始旋转定位标记板的中心：

由干涉测量系统(3)出射的探测光经被测光学元件(2)的被测面反射的反射光与干涉测量系统中的参考光干涉，形成干涉图样，利用干涉测量系统中CCD探测器采集所述的干涉图样，通过干涉测量系统进行图像处理，识别至少3个旋转定位标记的位置坐标(x_i，y_i)，其中i＝1，2，3，...，m，m为旋转定位标记的数量；所述的旋转定位标记的位置都在以旋转定位标记板的中心为圆心的圆上，由所获得的旋转定位标记的位置坐标通过下列最小二乘拟合，得到旋转定位标记板的中心坐标(x_c，y_c)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{c}_i-\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{c}_i\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i}{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i\right)}^2}\\ y_c=\frac{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{c}_i-\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{c}_i\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i}{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^2\·\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{b}_i\right)}^2}\end{array}\right.$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{a}_i=2(x_{i+1}-x_i)\\ b_i=2(y_{i+1}-y_i)\\ c_i={x_{i+1}}^2+{y_{i+1}}^2-x_i^2-y_i^2\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2},...,m-1)$

④旋转台旋转后，确定旋转定位标记板的中心：

根据采取的绝对检验方法，调节旋转台，使被测光学元件旋转一个角度，上述重复步骤③，计算旋转后的定位标记板的中心坐标(x_rc，y_rc)；

⑤偏心量计算

计算旋转台的旋转定位中心的偏心量x_s，y_s：x_s＝x_c-x_rc，y_s＝y_c-y_rc；

⑥旋转台旋转定位中心的偏心量补偿调节

根据计算得到偏心量x_s，y_s，调节所述的二维偏心调节台的调节旋钮，调节量分别为x_s，y_s，使所述的旋转台的旋转定位中心的偏心得到补偿。

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