CN104930971B - 非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准装置及对准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准装置及对准方法。本发明包括激光器、准直扩束系统、分光板、对准板、成像系统、探测器、参考平面反射镜、遮光板、部分补偿透镜、被测面；被测面可沿与干涉仪光轴平行的直线导轨移动；调整部分补偿透镜的倾斜，使其前后表面反射的光斑同心，且与干涉条纹同心，调整部分补偿透镜的偏心，使光斑和干涉条纹中心与对准板的像中心对准；夹持被测面，沿导轨移动被测面靠近和远离部分补偿透镜，调整被测面的位姿，使由被测面返回的光斑中心始终与对准板的像中心对准。本发明简单、迅速，无需额外设计和加工光机元件，能有效提高对准效率、降低成本，实现部分补偿透镜和被测面的高精度、通用化对准。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准装置及对准方法。
背景技术
在部分补偿法非零位干涉检测系统中，由部分补偿透镜和被测面组成干涉检测路。部分补偿透镜补偿被测面的大部分法线像差，将返回到干涉仪探测器像面处的波前斜率降低到可分辨范围，保证探测器能够采集到清晰的干涉条纹。实际检测时，为提高测量精度、减小系统误差，需要调整部分补偿透镜和被测面均与非零位干涉仪正确对准，即部分补偿透镜和被测面的光轴与干涉仪的光轴重合，尽量减小倾斜或偏心现象。否则，检测结果中将存在像散、慧差、高阶像差等波前误差，而且由部分补偿透镜和被测面对准误差引入的波前误差会相互耦合，严重影响整个系统的检测精度及检测结果正确性。因此，部分补偿透镜和被测面的快速、精确对准，是实现高效、高精度非零位干涉检测的重要基础。
针对部分补偿透镜的对准方法主要有两种。一种如专利非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整装置及方法(中国专利，公开号CN 101592478A，公开日2009.12.02)中所述，设计辅助透镜与部分补偿透镜组成消球差透镜，辅助透镜的最后一面为标准参考面，通过标准参考面的自准直实现部分补偿透镜的对准。然而，这种方法对机械结构的要求高，且需要对每个部分补偿透镜均设计辅助透镜，增加了设计、加工和装调的复杂性，应用成本较高。另外一种方法如专利非球面非零位干涉检测中部分补偿透镜对准装置与方法(中国专利，公布号CN 102591031 A，公布日2012.07.18)中所述，设计对准平板并结合计算机迭代辅助装调，完成部分补偿透镜的精确对准。尽管这种方法更加通用化，但对准过程耗时、繁琐，且对装置所在环境也提出了较高要求，无法对部分补偿透镜进行快速精确对准，影响检测效率。
被测面的对准方法如专利一种光学干涉检测同轴度控制方法(中国专利，公布号CN 102538699 A，公布日2012.07.04)中所述，结合计算机迭代辅助装调，不断旋转被测面，进行数据处理并相应调整被测面的位置，实现被测面与干涉仪的光轴精确对准。这种方法中需要六维调整机构，对机构要求较高，且对准过程耗时、繁琐。另一种方法如专利一种用于光学元件在光轴方向位置对准的装置与方法(中国专利，公布号CN 103335615 A，公布日2013.10.02)中所述，设计计算全息图将入射光汇聚于被测面一点，通过调整“猫眼”条纹来对准被测面。这种方法需要额外设计并首先对准全息图，增加了调整成本和对准过程复杂度，且对于被测面的倾斜及偏心误差不够敏感。
因此，需要简单、高效的对准装置和方法，实现非零位检测中部分补偿透镜和被测面的对准。
发明内容
本发明的目的是提供一种非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准装置及对准方法，实现部分补偿透镜和被测面与干涉仪之间简单快速的精确对准，从而提高非零位检测系统的调整效率和检测精度。
非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准装置，本发明包括激光器、准直扩束系统、分光板、对准板、成像系统、探测器、参考平面反射镜、遮光板、部分补偿透镜、被测面；具体如下：
激光器发出的单模细光束经过准直扩束系统后，入射到镀有半透半反膜的分光板上，一部分光被反射，另一部分光透射；在垂直于反射光的方向放置对准板，对准板的中心与被反射激光光束的光轴重合；在与反射光方向相反、位于分光板另一侧的位置，由成像系统将对准板成像于探测器上，透过分光板的光入射到另一个镀有半透半反膜的分光板上，一路光被反射，由位于参考平面反射镜前面的遮光板吸收和散射；另一路光透过分光板入射到部分补偿透镜，部分补偿透镜的前后表面分别反射一部分入射光，形成干涉条纹；被部分补偿透镜反射的光再次透过靠近部分补偿透镜的分光板后，被靠近激光器的分光板反射，由成像系统将干涉条纹成像于探测器；
在部分补偿透镜对准的基础上，将被测面夹持到可沿直线导轨移动的五维调整架上，导轨与干涉仪的光轴平行，导轨与干涉仪光轴所组成的平面垂直于放置干涉仪的平台；透过部分补偿透镜的光入射到被测面上，经被测面反射后再次透过部分补偿透镜；分别由部分补偿透镜的前后表面和被测面反射的三路光，透过靠近部分补偿透镜的分光板后，被靠近激光器的分光板反射，由靠近激光器的成像系统，将部分补偿透镜前后表面的反射光形成的干涉图和被测面反射的光斑成像于探测器上。
所述的对准板，其十字叉丝的交点对准被反射的激光光束中心，同心圆环以十字叉丝的交点为圆心，若对准板在探测器上成像亮度过大，可在对准板前方添加滤光片减小光强；
所述的部分补偿透镜，为单透镜，前后表面均为标准球面；
所述的被测面，包括光学球面和旋转对称的光学非球面；
一种非零位检测中部分补偿透镜和被测面的对准方法如下：
步骤1、夹持部分补偿透镜
将部分补偿透镜夹持在四维调整架上；
步骤2、部分补偿透镜倾斜对准
调节部分补偿透镜的倾斜位姿，包括左右偏摆和上下俯仰，观察靠近激光器的探测器上所成的像，直至部分补偿透镜前后表面反射形成的两个圆形光斑同心，且圆形光斑重合的部分形成同心的环形干涉条纹；
步骤3、部分补偿透镜偏心对准
调节部分补偿透镜的偏心位姿，包括水平平移和竖直平移，将靠近激光器的探测器上所成的两个同心光斑和环形干涉条纹的中心与对准板所成像的十字叉丝中心对准，对准板上的环形图案用以辅助对准；
步骤4、部分补偿透镜位姿微调
由于调整架的倾斜和偏心调整内部机构可能存在互相影响，因此，重复步骤2和步骤3，直至由部分补偿透镜前后表面返回的光斑同心、环形干涉条纹同心，且光斑和干涉条纹的圆心与对准板所成像的中心对准；
步骤5、夹持被测面
在部分补偿透镜已经对准的基础上，将被测面夹持在可沿直线导轨移动的五维调整架上，其中导轨与干涉仪的光轴平行，且导轨与干涉仪光轴所组成的平面垂直于放置干涉仪的平台；
步骤6、被测面偏心调整
将被测面沿导轨移动至靠近部分补偿透镜的位置，观察靠近激光器的探测器上所成的像，若探测器上由被测面反射的光斑中心没有与对准板所成像的中心对准，设两者之间的水平距离为X、竖直距离为Y，则调整被测面的偏心位姿，包括水平平移和竖直平移，使反射光斑的中心向对准板所成像的中心分别沿水平方向和竖直方向移动X/2和Y/2的距离；
步骤7、被测面倾斜调整
将被测面沿导轨移动至远离部分补偿透镜的位置，观察靠近激光器的探测器上所成的像，若探测器上由被测面反射的光斑的中心没有与对准板所成像的中心对准，设两者之间的水平距离为V、竖直距离为W，则调整被测面的倾斜位姿，包括左右偏摆和上下俯仰，使反射光斑的中心向对准板所成像的中心分别沿水平方向和竖直方向移动V/2和W/2的距离；
步骤8、被测面对准
重复步骤6和步骤7，直至沿导轨移动被测面时，靠近激光器的探测器上由被测面返回的光斑中心始终与对准板所成像的中心对准，被测面的对准调整完成；将参考平面反射镜前的黑色遮光板移开，在靠近部分补偿透镜的探测器的像面得到由参考光和检测光形成的干涉条纹，对被测面的位姿进行简单的计算机辅助微调后，即可对被测面进行非零位检测。
本发明与现有技术相比的优势在于：
本发明为非零位检测中部分补偿透镜和被测面的对准提供了一种新的装置和方法，不需要额外设计和加工辅助光学元件或精密机械结构，大大降低了对准成本和对准难度，且对准方法操作简单、快速、步骤少、效率高、易上手，具有很大的工程应用价值，为高效、通用化、高精度非零位检测奠定了基础。
附图说明
图1为非零位检测中部分补偿透镜的对准装置图；
图2为非零位检测中被测面的对准装置图；
图3为非零位检测中部分补偿透镜和被测面的对准流程图；
图4为部分补偿透镜对准过程图，(a)未对准(b)倾斜对准(c)偏心对准(d)对准；
图5为被测面对准过程图，(a)未对准(b)靠近部分补偿透镜调整(c)远离部分补偿透镜调整(d)对准。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明的装置及实施方式。
将部分补偿透镜和被测面与干涉仪对准，即将部分补偿透镜和被测面的光轴与干涉仪的光轴重合，尽量减小光轴的倾斜或偏心误差。本发明提出的对准装置和方法为，在泰曼-格林非零位干涉仪的基础上添加半透半反分光板、对准板、成像系统和探测器，组成专门用于部分补偿透镜和被测面对准的调整路。观察调整路中的探测器所成的像，通过调整部分补偿透镜的位姿，使部分补偿透镜前后表面反射的两个光斑的中心和由反射光斑重合部分形成的干涉条纹的中心均与对准板的中心对准，从而实现部分补偿透镜的对准；通过调整被测面的位姿和被测面相对部分补偿透镜的距离，使由被测面反射的光斑的中心与对准板的中心对准，从而完成对被测面的快速对准。
如图1所示，非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准装置，包括激光器1、准直扩束系统2、分光板3、7、对准板4、成像系统5、探测器6、参考平面反射镜8、遮光板9、部分补偿透镜10、被测面11；具体如下：
激光器1发出的单模细光束经过准直扩束系统2后，入射到镀有半透半反膜的分光板3上，一部分光被反射，另一部分光透射；在垂直于反射光的方向放置带有十字叉丝和同心圆环形状的对准板4，对准板4的中心与被反射激光光束的光轴重合；在与反射光方向相反、位于分光板3另一侧的位置，由成像系统5将对准板4成像于探测器6上，若对准板4的所成像亮度过大，可在对准板4的前方添加滤光片以减小光强；透过分光板3的光入射到另一个镀有半透半反膜的分光板7上，一路光被反射，由位于参考平面反射镜8前面的遮光板9吸收和散射；另一路光透过分光板7入射到部分补偿透镜10，部分补偿透镜10的前后表面分别反射一部分入射光，形成干涉条纹；被部分补偿透镜10反射的光再次透过靠近部分补偿透镜10的分光板7后，被靠近激光器的分光板3反射，由成像系统5将干涉条纹成像于探测器6；
如图2所示，一种非零位检测中被测面的对准装置是：在图1所示的部分补偿透镜对准的基础上，将被测面11夹持到可沿直线导轨14移动的五维调整架上，导轨14与干涉仪的光轴平行，导轨14与干涉仪光轴所组成的平面垂直于放置干涉仪的平台；透过部分补偿透镜10的光入射到被测面11上，经被测面11反射后再次透过部分补偿透镜10；分别由部分补偿透镜10的前后表面和被测面11反射的三路光，透过靠近部分补偿透镜10的分光板7后，被靠近激光器1的分光板3反射，由靠近激光器1的成像系统5，将部分补偿透镜10前后表面的反射光形成的干涉图和被测面11反射的光斑成像于探测器6上。
如图3所示，非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准方法的步骤如下：
步骤1、夹持部分补偿透镜
将部分补偿透镜10夹持在四维调整架上；
步骤2、部分补偿透镜倾斜对准
调节部分补偿透镜10的倾斜位姿，包括左右偏摆和上下俯仰，观察探测器6上所成的像，直至部分补偿透镜10前后表面反射形成的两个圆形光斑同心，且圆形光斑重合的部分形成同心的环形干涉条纹；
步骤3、部分补偿透镜偏心对准
调节部分补偿透镜10的偏心位姿，包括水平平移和竖直平移，将探测器6上所成的两个同心光斑和环形干涉条纹的中心与对准板4所成像的十字叉丝中心对准，对准板4上的环形图案用以辅助对准；
步骤4、部分补偿透镜位姿微调
由于调整架的倾斜和偏心调整内部机构可能存在互相影响，因此，重复步骤2和步骤3，直至由部分补偿透镜10前后表面返回的光斑同心、环形干涉条纹同心，且光斑和干涉条纹的圆心与对准板所成像的中心对准；
步骤5、夹持被测面
在部分补偿透镜10已经对准的基础上，将被测面11夹持在可沿直线导轨14移动的五维调整架上，导轨14与干涉仪的光轴平行，且导轨14与干涉仪光轴所组成的平面垂直于放置干涉仪的平台；
步骤6、被测面偏心调整
将被测面11沿导轨14移动至靠近部分补偿透镜10的位置，观察探测器6上所成的像，若探测器6上由被测面11反射的光斑中心没有与对准板4所成像的中心对准，设两者之间的水平距离为X、竖直距离为Y，则调整被测面11的偏心位姿，包括水平平移和竖直平移，使反射光斑的中心向对准板4所成像的中心分别沿水平方向和竖直方向移动X/2和Y/2的距离；
步骤7、被测面倾斜调整
将被测面11沿导轨14移动至远离部分补偿透镜10的位置，观察探测器6上所成的像，若探测器6上由被测面11反射的光斑的中心没有与对准板4所成像的中心对准，设两者之间的水平距离为V、竖直距离为W，则调整被测面11的倾斜位姿，包括左右偏摆和上下俯仰，使反射光斑的中心向对准板4所成像的中心分别沿水平方向和竖直方向移动V/2和W/2的距离；
步骤8、被测面对准
重复步骤6和步骤7，直至沿导轨14移动被测面11时，探测器6上由被测面11返回的光斑中心始终与对准板4所成像的中心对准，被测面11的对准调整完成；将参考平面反射镜8前的黑色遮光板9移开，在探测器13的像面得到由参考光和检测光形成的干涉条纹，对被测面11的位姿进行简单的计算机辅助微调后，即可对被测面11进行非零位检测。
实施例
本发明应用于非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准的实例描述如下。
图1为非零位检测中部分补偿透镜10的对准装置图。按图1搭建实际系统，稳频激光器发出波长632.8nm的单模激光，经准直扩束系统后形成直径25mm的圆形平行宽光束；对准板4的底色为黑色，十字叉丝和同心圆环均为白色，对准板4垂直于分光板3的反射光方向且中心与反射光的光轴对准；探测器6和探测器13为面阵CCD；遮光板4采用黑色吸光材料；分光板3和7靠近激光器1的一面镀有增透膜，另外一面镀有反射膜。图2为非零位检测中被测面11的对准装置图，在图1的基础上，固定直线导轨14，使导轨14与干涉仪的光轴平行，且导轨14与干涉仪光轴所组成的平面垂直于放置干涉仪的光学平台，导轨14上有可沿导轨14移动的、用于夹持被测面11的五维调整架。待对准的部分补偿透镜10和被测面11的参数如表1。
表1部分补偿透镜和被测面参数
将部分补偿透镜10夹持在四维调整架上放到光路中，此时部分补偿透镜处于未对准的状态，探测器6上所成的图像如图4(a)所示，两个圆形亮斑分别由部分补偿透镜10前后表面的反射光形成。通过四维调整架调整部分补偿透镜10的倾斜位姿，包括左右偏摆和上下俯仰，光斑重合的部分形成干涉条纹，将由部分补偿透镜10前后表面返回的两个光斑调节整至同心，且环形干涉条纹也同心，如图4(b)所示，此时部分补偿透镜10的倾斜位姿调整完成。通过四维调整架调整部分补偿透镜10的偏心位姿，包括水平平移和竖直平移，将同心光斑和干涉条纹的中心与对准板4所成像的中心对准，如图4(c)所示，此时完成部分补偿透镜10的偏心位姿调整。根据部分补偿透镜10的前后表面反射光斑和所形成的干涉图与对准板4所成像的对准情况，微调部分补偿透镜10的倾斜和偏心，直至光斑和干涉条纹的中心与对准板4所成像的中心对准，如图4(d)所示，完成对部分补偿透镜10的对准。
将被测面11夹持在可沿直线导轨14移动的五维调整架上，通过五维调整架把被测面11移动至导轨14靠近部分补偿透镜10的位置。此时被测面11处于未对准的状态，探测器6上所成的图像如图5(a)，由被测面11反射的亮光斑的中心，与对准板4所成像的中心之间水平距离为X、竖直距离为Y。通过五维调整架调整被测面11的偏心位姿，包括水平平移和竖直平移，使由被测面11反射的亮光斑中心，向对准板4所成像的中心分别沿水平方向和竖直方向移动X/2和Y/2的距离，如图5(b)。将被测面11沿导轨移动至远离部分补偿透镜10的位置，若由被测面11反射的亮光斑的中心没有与对准板4所成像的中心重合，设两者之间的水平距离为V、竖直距离为W，则调整被测面11的倾斜位姿，包括左右偏摆和上下俯仰，使由被测面11反射的亮光斑的中心，向对准板4所成像的中心分别沿水平方向和竖直方向移动V/2和W/2的距离，如图5(c)。重复将被测面11沿导轨移动至靠近和远离部分补偿透镜10的位置，并调整被测面11的偏心和倾斜位姿。当沿导轨14移动被测面11时，由被测面11反射的亮光斑的中心始终与对准板4所成像的中心对准，被测面11的对准调整完成，如图5(d)。
将参考反射镜8前的黑色遮光板9移开，在探测器13的像面可得到由参考光和检测光形成的干涉条纹，对被测面11的位姿进行简单的计算机辅助微调后，即可开始对被测面11进行非零位检测。
Claims (4)
1.非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准装置，其特征在于包括激光器(1)、准直扩束系统(2)、分光板(3、7)、对准板(4)、成像系统(5)、探测器(6)、参考平面反射镜(8)、遮光板(9)、部分补偿透镜(10)、被测面(11)；具体的：
激光器(1)发出的单模细光束经过准直扩束系统(2)后，入射到镀有半透半反膜的分光板(3)上，一部分光被反射，另一部分光透射；在垂直于反射光的方向放置对准板(4)，对准板(4)的中心与被反射激光光束的光轴重合；在与反射光方向相反、位于分光板(3)另一侧的位置，由成像系统(5)将对准板(4)成像于探测器(6)上，透过分光板(3)的光入射到另一个镀有半透半反膜的分光板(7)上，一路光被反射，由位于参考平面反射镜(8)前面的遮光板(9)吸收和散射；另一路光透过分光板(7)入射到部分补偿透镜(10)，部分补偿透镜(10)的前后表面分别反射一部分入射光，形成干涉条纹；被部分补偿透镜(10)反射的光再次透过靠近部分补偿透镜(10)的分光板(7)后，被靠近激光器的分光板(3)反射，由成像系统(5)将干涉条纹成像于探测器(6)；
在部分补偿透镜对准的基础上，将被测面(11)夹持到可沿直线导轨(14)移动的五维调整架上，导轨(14)与干涉仪的光轴平行，导轨(14)与干涉仪光轴所组成的平面垂直于放置干涉仪的平台；透过部分补偿透镜(10)的光入射到被测面(11)上，经被测面(11)反射后再次透过部分补偿透镜(10)；分别由部分补偿透镜(10)的前后表面和被测面(11)反射的三路光，透过靠近部分补偿透镜(10)的分光板(7)后，被靠近激光器(1)的分光板(3)反射，由靠近激光器(1)的成像系统(5)，将部分补偿透镜(10)前后表面的反射光形成的干涉图和被测面(11)反射的光斑成像于探测器(6)上。
2.如权利要求1所述的非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准装置，其特征在于所述的对准板，其十字叉丝的交点对准被反射的激光光束中心，同心圆环以十字叉丝的交点为圆心，若对准板在探测器上成像亮度过大，则在对准板前方添加滤光片减小光强。
3.如权利要求1所述的非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准装置，其特征在于所述的部分补偿透镜，为单透镜，前后表面均为标准球面；所述的被测面，包括光学球面和旋转对称的光学非球面。
4.如权利要求1所述的非零位检测中部分补偿透镜和被测面对准装置，其特征在于该装置中的对准方法包括如下步骤：
步骤1、夹持部分补偿透镜
将部分补偿透镜(10)夹持在四维调整架上；
步骤2、部分补偿透镜倾斜对准
调节部分补偿透镜(10)的倾斜位姿，包括左右偏摆和上下俯仰，观察探测器(6)上所成的像，直至部分补偿透镜(10)前后表面反射形成的两个圆形光斑同心，且圆形光斑重合的部分形成同心的环形干涉条纹；
步骤3、部分补偿透镜偏心对准
调节部分补偿透镜(10)的偏心位姿，包括水平平移和竖直平移，将探测器(6)上所成的两个同心光斑和环形干涉条纹的中心与对准板(4)所成像的十字叉丝中心对准，对准板(4)上的环形图案用以辅助对准；
步骤4、部分补偿透镜位姿微调
由于调整架的倾斜和偏心调整内部机构可能存在互相影响，因此，重复步骤2和步骤3，直至由部分补偿透镜(10)前后表面返回的光斑同心、环形干涉条纹同心，且光斑和干涉条纹的圆心与对准板所成像的中心对准；
步骤5、夹持被测面
在部分补偿透镜(10)已经对准的基础上，将被测面(11)夹持在可沿直线导轨(14)移动的五维调整架上，导轨(14)与干涉仪的光轴平行，且导轨(14)与干涉仪光轴所组成的平面垂直于放置干涉仪的平台；
步骤6、被测面偏心调整
将被测面(11)沿导轨(14)移动至靠近部分补偿透镜(10)的位置，观察探测器(6)上所成的像，若探测器(6)上由被测面(11)反射的光斑中心没有与对准板(4)所成像的中心对准，设两者之间的水平距离为X、竖直距离为Y，则调整被测面(11)的偏心位姿，包括水平平移和竖直平移，使反射光斑的中心向对准板(4)所成像的中心分别沿水平方向和竖直方向移动X/2和Y/2的距离；
步骤7、被测面倾斜调整
将被测面(11)沿导轨(14)移动至远离部分补偿透镜(10)的位置，观察探测器(6)上所成的像，若探测器(6)上由被测面(11)反射的光斑的中心没有与对准板(4)所成像的中心对准，设两者之间的水平距离为V、竖直距离为W，则调整被测面(11)的倾斜位姿，包括左右偏摆和上下俯仰，使反射光斑的中心向对准板(4)所成像的中心分别沿水平方向和竖直方向移动V/2和W/2的距离；
步骤8、被测面对准
重复步骤6和步骤7，直至沿导轨(14)移动被测面(11)时，探测器(6)上由被测面(11)返回的光斑中心始终与对准板(4)所成像的中心对准，被测面(11)的对准调整完成；将参考平面反射镜(8)前的黑色遮光板(9)移开，在探测器(13)的像面得到由参考光和检测光形成的干涉条纹，对被测面(11)的位姿进行简单的计算机辅助微调后，即可对被测面(11)进行非零位检测。
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