CN102538699B

CN102538699B - 一种光学干涉检测同轴度控制方法

Info

Publication number: CN102538699B
Application number: CN2011103862552A
Authority: CN
Inventors: 宋伟红; 伍凡; 侯溪
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2011-11-27
Filing date: 2011-11-27
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2031-11-27
Also published as: CN102538699A

Abstract

本发明涉及一种光学干涉检测同轴度控制方法，其可以实现干涉仪光轴和被测镜面中心旋转轴的同轴度检测和控制，包括干涉仪(1)、标准镜(2)、被测镜面(3)、六维调整架和计算机(8)。转动六维调整架的转台(5)绕光轴旋转被测镜面(3)，将转动前后的被测镜面(3)面形检测数据导入计算机(8)进行数据分析可获得干涉仪系统的光轴和被测镜面中心旋转轴的同轴度信息，并以此为依据调节六维调整平台来实现干涉仪(1)光轴和被测镜面(3)旋转轴的同轴度对准。本发明可以为高精度干涉检测提供光学同轴度的检测和控制方法，结构简单，能有效提高干涉检测的同轴度，进而提高检测精度。

Description

一种光学干涉检测同轴度控制方法

技术领域

本发明属于光学检测技术与仪器领域，具体涉及的是干涉仪的一种光学同轴度检测和控制方法。

背景技术

随着现代光学加工技术的发展，对光学镜面的高精度检测要求不断提高。干涉仪由于其高精度的检测特性已成为高精度面形检测中的主要手段。事实上，干涉仪单次测量得到的面形误差是被测面相对于参考面的面形误差，且包含有干涉仪的系统误差，是一种相对检测方法。为获得被测面的绝对面形误差信息，需要保持干涉仪和参考面位置不变，多次旋转被测面，从而得到多组系统误差和参考面面形误差不变而被测面面形误差产生相对旋转变化的面形误差分布图，由这些面形误差分布图可剔除系统误差和参考面面形误差，获得被测镜面的绝对面形，提高检测精度。然而，在转动被测镜面的过程中，很难保证其中心旋转轴和干涉仪光轴的同轴度对准。这样，在转动被测镜面后，其中心旋转轴与干涉仪光轴会产生一定量的偏离，即被测镜面中心会产生相对的倾斜和偏移，从而会在检测结果中引入额外的误差，降低检测精度。为提高检测精度，Karl Edmund Elssner等人(Karl Edmund Elssner，R Burow，J Grzanna，et al.“Absolute sphericity measurement，”Appl Opt.28，4649-4661，1989)报道了一种八维调整装置用来实现光轴和镜面中心旋转轴的对准以及利用数据边缘像素点质心法确定数据中心和数据半径的算法，但这种装置结构复杂，且随着被测光学元件数值孔径的增大其调整变得愈加困难，难以实现；在被测镜面表面做特征标记的方法(侯溪，杨鹏，伍凡等，基于多特征匹配和平均法的球面绝对测量方法，CN201110082661.X)通过被测镜面特征标记的匹配可实现光轴和镜面中心轴的对准，但该方法在每次转动被测镜面后均需要调整被测镜面以匹配特征标记，且在被测镜面表面做特征标记的方法会丢失特征标记部分的面形数据。

本发明是由转动被测镜面前后得到的面形数据进行数据处理提取数据特征信息，并根据提取的数据特征信息来调整六维调整架来实现被测镜面中心旋转轴与光轴的同轴度对准，从而保证最终的检测精度，结构简单，易于实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学干涉检测同轴度控制方法，该方法可以实现高精度干涉仪同轴度的检测与控制，实现被测镜面中心旋转轴与光轴的同轴度对准，从而提高在旋转测量过程中的检测精度。

本发明的技术方案是：一种光学干涉检测同轴度的控制方法，包括干涉仪、标准镜、被测镜、六维调整架和计算机，来自干涉仪内部的光束经过标准镜后沿法向入射到被测镜面上，被测镜面安装在六维调整架的镜面装卡装置上，被测镜和标准镜处于共焦的位置。

检测和控制干涉仪光轴和被测镜中心旋转轴的同轴度方法步骤如下：

1)安装被测镜面3，通过调节六维调整架自带的镜面装卡装置4实现被测镜面中心和六维调整架转台5中心的对准。调节六维调整架，直到被测镜面3的曲率中心和标准镜2的曲率中心重合，二者处于共焦位置，检测被测镜面3，获得面形数据图W1；

2)将检测得到的面形数据图W1导入计算机8进行数据处理，得到数据图的有效数据点数P1，数据图中心点坐标(X1，Y1)，数据半径R1；

3)转动六维调整架转台5以旋转被测镜3面任意角度，检测得到面形数据图W2，将获得的面形数据图W2导入计算机8进行数据处理，同样可获得据图W2的有效数据点数P2，数据图中心点坐标(X2，Y2)，数据半径R2；

4)将两次得到的数据图有效数据点数、数据边缘分布图、中心点坐标和数据半径分别相减，如果其差值满足一定的阈值条件(阈值根据检测精度要求大小可调)，则说明干涉仪光轴和被测镜面中心旋转轴已较好对准；

5)否则，调节六维调整架以调整被测镜面3，重复以上调整步骤，直至实现同轴度的对准。

所述的数据处理的方法和步骤如下：

1)将面形数据矩阵图W1二值化，即将其中有效像素点的值置为1，无效像素点的值置为0，得到处理后的数据矩阵图W；

2)计算数据矩阵图W的梯度图，对梯度图取阈值即可得到数据边缘分布图E，也可直接对W进行梯度算子的卷积计算得到数据边缘分布图E；

3)然后对得到的数据边缘分布图进行哈夫变换，得到累加器图像，根据累加器图中的最大值可确定中心点坐标(X，Y)和数据半径R。

所述的调节六维调整架以调整被测镜面的步骤如下：

1)初始位置时，任意调节六维调整架以调整被测镜面3，检测被测镜面3，得到面形数据图；

2)将检测得到的面形数据图导入计算机进行36项的泽尼克条纹多项式拟合，得到一组拟合系数(z1，z2，z3，......，z36)；

3)调节六维调整架的二维倾斜调节架6以调整被测镜面3的倾斜，直至检测数据拟合得到的36项泽尼克条纹多项式拟合系数z2(x轴方向倾斜量)和z3(y轴方向倾斜量)的绝对值同时小于一定阈值(阈值根据检测精度要求大小可调)；

4)然后再调节六维调整架的三维平移平台7，直至检测数据拟合得到的36项泽尼克条纹多项式拟合系数z4(z轴方向离焦量)的绝对值小于一定阈值(阈值根据检测精度要求大小可调)。

本发明与现有技术相比的优势在于：

1)本发明通过分析处理被测镜面转动前后的数据提取出数据特征信息，将被测镜面中心旋转轴与光轴的同轴度定量化，为同轴度的控制提供依据；

2)本发明可实现同轴度的实时检测和对准，可有效提高被测镜面的面形检测精度。

附图说明

图1是本发明中被测镜面为凹面镜时的检测示意图；

图2是本发明中被测镜面为凸面镜时的检测示意图；

图3是实施例检测面形示意图；

图4是将检测数据二值化后的数据图；

图5是将二值化后的数据进行边缘检测得到的数据边缘分布图；

图6是本发明同轴度检测与控制流程图。

图1中：1为干涉仪，2为标准镜，3为被测镜面，4为六维调整架自带的镜面装卡装置，5、6、7分别为六维调整架的转台、二维倾斜调整架和三维平移平台，8为计算机数据处理系统。

具体实施方式

具体实施方式结合图1-图5来说明。

图1是本发明中被测镜面为凹面镜时的检测示意图，来自干涉仪1内部的光束经过标准镜2后沿法向入射到被测镜面3上，被测镜面3安装在六维调整架自带的镜面装卡装置4上，调节六维调整架使被测镜面3和标准镜2的曲率中心重合，此时干涉条纹变为零条纹，检测被测镜面3，将检测得到的面形数据导入计算机8进行数据处理，提取数据特征信息以调整六维调整架，实现光轴和镜面中心旋转轴的对准。结合实施例，其调整步骤如下：

1)安装被测镜面3，通过调节六维调整架自带的镜面装卡装置4实现被测镜面中心和六维调整架转台5中心的对准。调节六维调整架，直到被测镜面3的曲率中心和标准镜2的曲率中心重合，二者处于共焦位置，检测被测镜面3，获得面形数据图W1(如图3所示)；

2)将检测得到的面形数据图W1导入计算机8进行数据处理，将面形数据矩阵图W1二值化，即将其中有效像素点的值置为1，无效像素点的值置为0，得到处理后的数据矩阵图W(如图4所示)；

3)计算数据矩阵图W的梯度图，对梯度图取阈值即可得到数据边缘分布图E(如图5所示)，也可直接对W进行梯度算子的卷积计算得到数据边缘分布图E；

4)然后对得到的数据边缘分布图进行哈夫变换，得到累加器图像，根据累加器图中的最大值可确定中心点坐标(X，Y)和数据半径R。得到数据图的有效数据点数P1，数据边缘分布图E1，数据图中心点坐标(X1，Y1)，数据半径R1；

5)转动六维调整架转台5以旋转被测镜面3任意角度，检测得到面形数据图W2，将获得的面形数据图W2导入计算机8进行数据处理，同样可获得据图W2的有效数据点数P2，数据边缘分布图E2，数据图中心点坐标(X2，Y2)，数据半径R2；

6)将两次得到的数据图有效数据点数、数据边缘分布图、中心点坐标和数据半径分别相减，如果其差值满足一定的阈值条件(阈值可调)，则说明干涉仪光轴和被测镜面中心旋转轴已较好对准；

7)否则，将检测得到的面形数据图导入计算机8进行36项的泽尼克条纹多项式拟合，得到一组拟合系数(z1，z2，z3，......，z36)，调节六维调整架的二维倾斜调整架6以调整镜面倾斜，直到检测数据拟合得到的36项泽尼克条纹多项式拟合系数z2(x轴方向倾斜量)和z3(y轴方向倾斜量)的绝对值同时小于一定阈值(阈值根据检测精度要求大小可调)，然后再调节六维调整架的三维平移平台7，直到检测数据拟合得到的36项泽尼克条纹多项式拟合系数z4(z轴方向离焦量)的绝对值小于一定阈值(阈值根据检测精度要求大小可调)，重复以上调整步骤，直至实现同轴度的较好对准。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims

1.一种光学干涉检测同轴度控制方法，包括干涉仪（1）、标准镜（2）、被测镜面（3）、六维调整架自带的镜面装卡装置（4）、六维调整架转台（5）、二维倾斜调节架（6）和三维平移平台（7），以及计算机（8），来自干涉仪（1）内部的光束经过标准镜（2）后沿法向入射到被测镜面（3）上，被测镜面（3）固定在六维调整架自带的镜面装卡装置（4）上；被测镜面（3）和标准镜（2）处于共焦的位置；其特征在于：干涉仪光轴和被测镜面中心旋转轴的同轴度检测与控制方法步骤如下：

1.1）安装被测镜面（3），通过调节六维调整架自带的镜面装卡装置（4）实现被测镜面中心和六维调整架转台（5）中心的对准；调节六维调整架，直到被测镜面（3）的曲率中心和标准镜（2）的曲率中心重合，二者处于共焦位置，检测被测镜面（3），获得面形数据图W1；

1.2）将检测得到的面形数据图W1导入计算机（8）进行数据处理，得到数据图的有效数据点数P1，数据图中心点坐标1（X1，Y1），数据半径R1；

1.3）转动六维调整架转台（5）以旋转被测镜面（3）任意角度，检测得到面形数据图W2，将获得的面形数据图W2导入计算机（8）进行数据处理，同样可获得据图W2的有效数据点数P2，数据图中心点坐标2（X2，Y2），数据半径R2；

1.4）将两次得到的数据图有效数据点数、数据边缘分布图、中心点坐标和数据半径分别相减，如果其差值满足一定的阈值条件，则说明干涉仪光轴和被测镜面中心旋转轴已对准；

1.5）否则，调节六维调整架以调整被测镜面（3），重复以上调整步骤1.2-1.4，直至实现同轴度的对准。

2.根据权利要求1所述的一种光学干涉检测同轴度控制方法，其特征在于步骤1.2所述的数据处理的步骤如下：

1.2.1）将面形数据矩阵图W1二值化，即将其中有效像素点的值置为1，无效像素点的值置为0，得到处理后的数据矩阵图W；

1.2.2）计算数据矩阵图W的梯度图，对梯度图取阈值，即可得到数据边缘分布图E，或者直接对W进行梯度算子的卷积计算得到数据边缘分布图E；

1.2.3）然后对得到的数据边缘分布图进行哈夫变换，得到累加器图像，根据累加器图中的最大值可确定中心点坐标（X，Y）和数据半径R。

3.根据权利要求1所述的一种光学干涉检测同轴度控制方法，其特征在于所描述步骤1.5中的调节六维调整架以调整被测镜面（3）的步骤如下：

1.5.1）初始位置时，任意调节六维调整架以调整被测镜面（3），检测被测镜面（3），得到面形数据图；

1.5.2）将检测得到的面形数据图导入计算机进行36项的泽尼克条纹多项式拟合，得到一组拟合系数z1,z2,z3,……，z36；

1.5.3）调节六维调整架的二维倾斜调节架（6）以调整被测镜面（3）的倾斜，直至检测数据拟合得到的36项泽尼克条纹多项式拟合系数中的z2和z3的绝对值同时小于一定阈值，其中所述z2是x轴方向倾斜量，所述z3是y轴方向倾斜量；

1.5.4）项式拟合系数z4的绝对值小于一定阈值，所述z4是z轴方向离焦量。

4.根据权利要求1所述的一种光学干涉检测同轴度控制方法，其特征在于：所述的六维调整架包括六维调整架自带的镜面装卡装置（4）、六维调整架转台（5）、二维倾斜调节架（6）和三维平移平台（7），能通过电控或手动控制；二维倾斜调整架（6）分别控制绕x轴和y轴方向的俯仰和偏摆，三维平移平台（7）可控制x轴、y轴和z轴方向的平移，其调整精度在微米级；旋六维调整架转台（5）控制镜面绕z轴的旋转。