CN103499318B - 一种光学元件自重变形量的测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光学元件自重变形量的测定方法，获取被测光学元件在全重力作用状态下的面形数据，标定干涉仪和标准镜组成的系统的误差；保持干涉仪的参数及位置不变，使被测光学元件没入不同深度的重液，获得被测光学元件的被测面在不同重力作用下的面形数据；对10个面形数据中相同坐标的数据点分别采用最小二乘法拟合，得到并令相应的拟合曲线方程中被测光学元件浸没重液的深度等于被测光学元件漂浮状态时浸入重液的总深度，获取被测光学元件的真实面形在各坐标处的数据值；根据数据值恢复被测光学元件的真实面形信息；由全重力的面形数据与真实面形数据相减，获得被测光学元件由于自重导致的变形量。
Description
技术领域
本发明属于先进光学制造与检测领域，特别是高精度的光学元件检测领域，涉及一种光学元件自重变形量的测定方法。
背景技术
随着现代光学技术的发展，光学元件的面形检测精度要求越来越高。高精度面形干涉检测一直是光学检测测试领域的热点和难点问题。随着检测精度要求的不断提高，除了干涉仪系统自身的精度和稳定性、检测方法和算法的精度以及检测环境的稳定性等方面需要改进外，光学元件不同工况下自重导致的变形量也必须进行准确地标定。光学平面作为光学系统中的重要元件，其检测精度很大程度受到自重变形的影响，而通过对自重变形量的准确测定，可以有效地将其和被测面的真实面形信息分离，从而得到被测面的真实面形值。目前，对光学平面自重变形的研究已在高精度检测领域受到了高度的重视，常用方法有有限元理论计算法和实验测量法。有限元方法(B.G.Seitz，Interferometrictestingofopticalsurfacesatitscurrentlimit，Optik，112，392-398，2001)能方便地对光学平面的自重变形进行仿真计算，但由于其本身是一种数值近似，存在理论误差，而且较难准确地对实际工况条件进行仿真，对其计算结果准确性的评判也没有较好的标准。已有的实验测量方法主要有柔性支撑法(P.S.Fairman，B.K.Ward，etal，300-mm-aperturephase-shiftingFizeauinterferometer，OpticalEngineering，38，1371-1380，1999；B.F.Oreb，D.I.Farrant，etal，Calibrationofa300-mm-aperturephase-shiftingFizeauinterferometer，APPLIEDOPTICS，39，5161-5171，2000.)、反向平均法(E.E.Bloemhof，J.C.Lam，V.A.Feria，Z.Chang，Precisedeterminationofthezero-gravitysurfacefigureofamirrorwithoutgravity-sagmodeling，APPLIEDOPTICS，46(2007)7670-7678.)和旋转支撑法(王平，田伟，等，旋转支撑法去除元件面形测量的夹持误差，光学学报，31(2011)1-9.)。其中柔性支撑法将被测光学元件均匀放置在粘弹性聚合物泡沫上，使被测光学元件受力均匀，近似认为其面形值不受重力的影响。该方法能对被测件无重力状态下的面形值进行较准确地测量，但对支撑所用聚合物泡沫的力学特性有严格要求，支撑材料的选取很困难，实施起来难度很大。反向平均法通过平均反射镜沿重力方向和反重力方向的两次面形检测结果，直接获得所需的无重力状态面形值。由于该方法不依赖于有限元模型，不存在有限元计算精度问题，且无需知道支撑和装卡力矢量的确切值，实施起来较为方便。但该方法对检测设备有特殊要求，在设备不满足要求的情况下无法实施。旋转支撑法是基于传统旋转绝对检测原理发展而来的检测方法，通过旋转被测件的支撑结构来消除被测件的夹持误差和重力变形误差，但该方法只能消除自重变形误差中的非旋转对称项，对旋转对称项无效，故无法准确获得光学元件面形的自重变形量，具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的：为了解决高精度面形检测过程中，被测光学元件真实面形误差和自重变形误差无法准确分离的问题，本发明提出了一种光学元件自重变形量的确定方法。
为了实现上述的目的，本发明一种光学元件自重变形量的测定方法采用的技术方案包含以下步骤：
步骤1：获取被测光学元件在全重力作用状态下的面形数据，去除面形数据中的平移像差和倾斜像差，通过绝对检测方法标定出干涉仪和标准镜组成的系统的误差；
步骤2：保持干涉检测系统的参数及各部件相对位置不变，使被测光学元件没入一深度的重液，获得被测光学元件在90％重力作用下的面形数据，去除在90％重力作用下的面形数据中的平移像差和倾斜像差；
步骤3：保持干涉检测系统的参数及各部件相对位置不变，使被测光学元件没入不同深度的重液，获得被测光学元件的被测面在不同重力作用下的面形数据，去除在不同重力作用下的面形数据中的平移像差和倾斜像差；
步骤4：由步骤1-步骤3检测过程得到多个面形数据，对多个面形数据中相同坐标的数据点分别采用最小二乘法拟合，得到相应的拟合曲线方程为Wx，y(h)=Gx，y(h)+Tx，y，此处拟合曲线方程的数量与每幅面形数据的数据点数相等，其中Gx，y(h)为被测光学元件浸没重液的深度为h时电荷耦合元件CCD的直角坐标系(x，y)处的自重变形量，Tx,y为被测光学元件在坐标(x，y)处的真实面形误差；
步骤5：令所有拟合曲线方程Wx，y(h)=Gx，y(h)+Tx，y中h＝H，此时Gx，y(H)=0、Wx，y(H)=Tx，y为被测光学元件的真实面形在坐标(x，y)处的数据值；H为被测光学元件漂浮状态时浸入重液的总深度；
步骤6：根据步骤5求得的被测光学元件的面形数据值(x，y，Wx,y(H))恢复被测光学元件的真实面形数据；
步骤7：由步骤1测得的全重力作用状态下的面形数据与步骤6得到的真实面形数据相减，获得被测光学元件由于自重导致的变形量。
本发明与现有技术相比的优势在于：该方法利用大比重的重液产生的浮力部分抵消光学元件的自重变形，通过干涉测量获得被测光学元件在不同受力状态下的面形信息，采用最小二乘法对检测结果进行拟合，构建被测光学元件面形信息与受力状态之间的函数关系，能够同时解算并获得被测件的真实面形值和自重导致的变形值，实现二者的准确分离。该方法既可用于平面光学元件，也可用于球面光学元件自重变形量的测定。由于该方法基于重液浮力原理，采用了重液产生的浮力部分抵消被测件的自重变形，方法简单有效、操作方便。在检测过程中被测光学元件没有任何位置变化，能有效避免工装复现性误差。不存在工装复现性误差，无需特殊检测设备，通用性好；采用最小二乘法对测量数据进行拟合，抗干扰性强，计算精度高，误差小，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明中，对平面光学元件进行检测时的示意图。
图2为本发明中，往溶液盆中加注重液后的检测示意图。
图3为本发明中，对球面光学元件进行检测时的示意图。
图4是本发明实施例的流程图。
各图中，1干涉仪，2标准镜头，3液容盆，4重液，5支撑装置，6被测光学元件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1至图4示出本发明光学元件自重变形量测定方法的示意图和流程图，利用干涉仪1、标准镜头2、溶液盆3、重液4、支撑装置5测定被测光学元件的自重变形量，被测光学元件是平面元件或球面元件。
下面介绍本发明光学元件自重变形量测定方法，测定平面元件为被测平面镜6的自重变形量的实施步骤如下：
步骤1：将被测平面镜6放置于支撑装置5上，被测平面镜6和支撑装置5放置于溶液盆3中，采用标准镜头2对被测平面镜6的面形进行检测，获得被测平面镜6在全重力作用状态下的面形数据为：
W0(x，y)=T(x，y)+G0(x，y)，去除面形数据中的平移像差和倾斜像差，通过绝对检测方法标定出干涉仪1和标准镜头2组成的系统的误差，该系统的随机误差通过精密地控制环境的温度、湿度、气压限制在一范围内，此处不考虑系统的随机误差；其中(x，y)为电荷耦合元件CCD的直角坐标系，T(x，y)为被测平面镜6的真实面形误差、G0(x，y)为被测平面镜6在全重力作用下的变形量；
步骤2：保持干涉检测系统的参数及各部件相对位置不变，往溶液盆3中滴注比重为3.0的重液4，此处重液4的密度应大于被测平面镜6的密度，使被测平面镜6没入重液4的深度为0.1H；此处，H为被测平面镜6漂浮状态时浸入重液4的总深度；此时，获得被测平面镜6在90％重力作用下的面形检测数据W1(x，y)=T(x，y)+G1(x，y)，去除在90％重力作用下的面形数据中的平移像差和倾斜像差，其中G1(x，y)为被测平面镜6在90％重力作用下的变形量；
步骤3：保持干涉检测系统的参数及各部件相对位置不变，不断往溶液盆3中滴注重液4，使被测平面镜6没入重液4的深度分别为0.2H、0.3H、0.4H、...、0.9H，分别获得被测平面镜6的被测面在80％、70％、60％、...、10％重力作用下的面形数据Wi(x，y)=T(x，y)+Gi(x，y)，i=2，3，4，...，9，去除在80％、70％、60％、...、10％重力作用下的面形数据中的平移像差和倾斜像差，其中Gi(x，y)为被测平面镜6在不同大小的重力作用下的变形量；
步骤4：由上述步骤检测过程得到10个面形数据，即(Wi(x，y)，h)，其中，h为液面浸没被测平面镜6的实际深度分别为0H、0.1H、0.2H、0.3H、...、0.9H；对10个面形数据(Wi(x，y)，h)中相同坐标(x，y)的数据点(Wx,y(h)，h)分别采用最小二乘法拟合，得到相应的拟合曲线方程为Wx,y(h)=Gx，y(h)+Tx,y，此处拟合曲线方程的数量与每幅面形数据的数据点数相等，其中Gx，y(h)为被测平面镜6浸没重液4的深度为h时电荷耦合元件CCD的直角坐标(x，y)处的自重变形量，Tx,y为被测平面镜6在坐标(x，y)处的真实面形误差；
步骤5：令所有拟合曲线方程Wx,y(h)=Gx，y(h)+Tx,y中h=H，此时Gx，y(H)=0、Wx，y(H)=Tx，y为被测平面镜6的真实面形在坐标(x，y)处的数据值；
步骤6：根据步骤5求得的被测平面镜6的面形数据值(x，y，Wx,y(H))恢复被测光学元件6的真实面形数据；
步骤7：由步骤1测得的全重力作用状态下的面形数据与步骤6得到的真实面形数据相减，获得被测平面镜6由于自重导致的变形量。
每次往溶液盆3中所加重液4的体积大小可选，但每次加重液4后，液面升高的高度应该小于被测光学元件6总厚度的1／5。
该光学元件自重变形量的测定方法应用于平面光学元件自重变形量的测定，也可应用于球面光学元件自重变形的测定中，如图3所示。
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 (10)
1.一种光学元件自重变形量的测定方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1：获取被测光学元件在全重力作用状态下的面形数据，去除面形数据中的平移像差和倾斜像差，通过绝对检测方法标定出干涉仪和标准镜组成的系统的误差；
步骤2：保持干涉检测系统的参数及各部件相对位置不变，使被测光学元件没入一深度的重液，获得被测光学元件在90％重力作用下的面形数据，去除在90％重力作用下的面形数据中的平移像差和倾斜像差；
步骤3：保持干涉检测系统的参数及各部件相对位置不变，使被测光学元件没入不同深度的重液，获得被测光学元件的被测面在不同重力作用下的面形数据，去除在不同重力作用下的面形数据中的平移像差和倾斜像差；
步骤4：由步骤1-步骤3检测过程得到多个面形数据，对多个面形数据中相同坐标的数据点分别采用最小二乘法拟合，得到相应的拟合曲线方程为Wx，y(h)＝Gx，y(h)+Tx，y，此处拟合曲线方程的数量与每幅面形数据的数据点数相等，其中Gx，y(h)为被测光学元件浸没重液的深度为h时电荷耦合元件CCD的直角坐标系(x，y)处的自重变形量，Tx，y为被测光学元件在坐标(x，y)处的真实面形误差；
步骤5：令所有拟合曲线方程Wx，y(h)＝Gx，y(h)+Tx，y中h＝H，此时Gx，y(H)＝0、Wx，y(H)＝Tx，y为被测光学元件的真实面形在坐标(x，y)处的数据值；H为被测光学元件漂浮状态时浸入重液的总深度；
步骤6：根据步骤5求得的被测光学元件的面形数据值(x，y，Wx，y(H))恢复被测光学元件的真实面形数据；
步骤7：由步骤1测得的全重力作用状态下的面形数据与步骤6得到的真实面形数据相减，获得被测光学元件由于自重导致的变形量。
2.根据权利要求1所述光学元件自重变形量的测定方法，其特征在于，获得被测光学元件在全重力作用状态下的面形数据的步骤：将被测光学元件放置于支撑装置上，被测光学元件和支撑装置放置于溶液盆中，采用标准镜头对被测光学元件的面形进行检测，获得被测光学元件在全重力作用状态下的面形数据W0(x，y)＝T(x，y)+G0(x，y)，G0(x，y)为被测光学元件在全重力作用下的变形量。
3.根据权利要求1所述光学元件自重变形量的测定方法，其特征在于，通过精密地控制环境的温度、湿度、气压，将系统的随机误差限制在一范围内。
4.根据权利要求2所述光学元件自重变形量的测定方法，其特征在于，步骤2所述被测光学元件没入一深度的重液的步骤如下：往溶液盆中滴注重液，此处重液的密度应大于被测光学元件的密度，使被测光学元件没入重液的深度为0.1乘以被测光学元件漂浮状态时浸入重液的总深度H。
5.根据权利要求4所述光学元件自重变形量的测定方法，其特征在于，步骤2所述被测光学元件在90％重力作用下的面形数据表示如下：W1(x，y)＝T(x，y)+G1(x，y)，其中G1(x，y)为被测光学元件在90％重力作用下的变形量。
6.根据权利要求2所述光学元件自重变形量的测定方法，其特征在于，步骤3所述不同深度的重液深度是不断往溶液盆中滴注重液，使被测光学元件没入重液的深度分别为0.2H、0.3H、0.4H、...0.9H，分别获得被测光学元件的被测面在80％、70％、60％、...10％重力作用下的面形数据Wi(x，y)表示如下：Wi(x，y)＝T(x，y)+Gi(x，y)，i＝2，3，4，...，9，其中Gi(x，y)为被测光学元件在不同大小的重力作用下的变形量。
7.根据权利要求4所述光学元件自重变形量的测定方法，其特征在于，步骤4所述的多个面形数据表示为(Wi(x，y)，h)，其中，h为液面浸没被测光学元件的实际深度，实际深度为10个分别表示为0H、0.1H、0.2H、0.3H、...0.9H，则多个面形数据为10个面形数据，对10个面形数据(Wi(x，y)，h)中相同坐标(x，y)的数据点(Wx，y(h)，h)分别采用最小二乘法拟合，得到相应的拟合曲线方程为Wx，y(h)＝Gx，y(h)+Tx，y，其中Gx，y(h)为被测光学元件浸没重液的深度为h时坐标(x，y)处的自重变形量，Tx，y为被测光学元件在坐标(x，y)处的真实面形误差。
8.根据权利要求1所述的光学元件自重变形量的测定方法，其特征在于，所述的重液的比重大小可选，但要大于被测光学元件的比重。
9.根据权利要求2所述的光学元件自重变形量的测定方法，其特征在于，每次往溶液盆中所加重液的体积大小可选，但每次加重液后，液面升高的高度应该小于被测光学元件总厚度的1/5。
10.一种使用权利要求1所述的光学元件自重变形量的测定方法，应用于平面光学元件自重变形量的测定，也可应用于球面光学元件自重变形量的测定。
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Granted publication date: 20151202 Termination date: 20211021 |