CN105571527B - 一种转台摆角精密测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于平面干涉仪的转台摆角精密测量方法，属于光学检测领域，解决了现有技术中测量转台摆角精度严重依赖标准件的质量的技术问题；本发明利用了干涉仪和标准平晶建立标准的平面干涉腔，并测量标准平晶在不同转动角度下的干涉图。利用Zernike多项式提取出标准平晶的倾斜量，统计倾斜量的变化就可以得到转台的转动摆角；该方法简便易行，测量精度高，能够满足精密转台摆角测量要求。

Description

一种转台摆角精密测量方法
技术领域
本发明属于光学检测领域，具体涉及一种转台摆角精密测量方法。
背景技术
精密转台在仪器设备和生产制造中有着广泛的应用，而转台的轴系精度是衡量转台精密程度的关键，也是转台精密度的主要指标之一。理想的转台只有一个绕着z轴转动的自由度，其它沿着x,y,z方向的直线运动和绕x,y轴转动的5个自由度都可称为转台的轴系误差。而在转台的实际应用中，轴系误差也就是其他5个自由度的运动一般转化为z轴方向的轴向跳动、沿z轴垂直方向的径向跳动和转台转动时绕着x，y轴的摆动。轴向跳动和径向跳动通常可以使用标准球放在转台中心，利用色差传感器测量转台旋转时标准球相对于色差传感器的跳动，利用三角函数进行拟合后可以得到转台的轴向和径向跳动。而转台的摆动一般有两种测量方法，一种是利用标准圆柱放在转台中心，测量圆柱上下两个位置随转台转动时的跳动，通过测得的跳动和两个位置之间的长度可以计算出转台的摆动。另外一种方法是使用一块标准平晶，利用平行光管测量反射光在转台转动过程中反射光倾角变化而得到转台摆角。这两种方法严重依赖于标准件的质量，例如圆柱的圆度和标准平晶的面形误差都会直接影响最终摆角的测量结果。而高质量的标准元件制造往往比较困难，需要定期进行严格标定。
发明内容
本发明的目的是提供一种转台摆角精密测量方法，解决现有技术中测量转台转角精度严重依赖标准件的质量的技术问题。
本发明一种转台摆角精密测量方法包括以下步骤：
步骤一：将精密气浮转台固定于干涉仪五维调整台上，将标准平晶放置在精密气浮转台上，参考面位于干涉仪正下方，参考面与标准平晶之间形成平面干涉腔；
步骤二：通过干涉仪五维调整台调节标准平晶的位置，使得参考面与标准平晶的测量面形成零条纹；
步骤三：将精密气浮转台均分成n等份，精密气浮转台每被旋转360°/n的角度，测量一次标准平晶在平面干涉腔的干涉条纹，重复上述操作，共测量n组标准平晶的面形数据，获得标准平晶的面形；
步骤四：基于n组标准平晶的面形数据，利用Zernike多项式拟合测量对应得到n组参考面的面形数据，分别提取n组Zernike多项式的第二，三项系数,其中，Zernike多项式的第二项系数为参考面相对于X轴的倾斜度，第三项系数为参考面相对于Y轴的倾斜度；
步骤五：统计n组Zernike多项式的第二项系数，第二项系数的，最大值减去最小值即为转台相对于X轴的转动摆角误差；统计n组Zernike多项式的第三项系数，第三项系数的最大值减去最小值即为转台相对于Y轴的转动摆角误差。
步骤一所述的参考面为平晶。
本发明的工作原理：精密转台固定于仪干涉仪五维调整台上，标准平晶放置在精密转台上并固定，干涉仪发出的准直光束经过参考面时，一部分被参考面反射回干涉仪，透过参考面的光束继续传播，并由标准平晶反射回去，与参考面反射的光进行干涉形成干涉条纹。在实际测量时，通过干涉仪五维调整台调节标准平晶使得参考。与标准平晶平行形成零条纹，测量此状态下平面干涉腔干涉图，得到标准平晶面形，旋转气浮转台角度为360°/N,再次测量此时标准平晶面形，重复上述步骤，共测量N次；利用Zernike多项式拟合测量得到的平晶面形，提取第二，三项(x，y倾斜项)系数，计算后得到参考面倾斜角度，统计得到的倾斜角度，最大值减去最小值即为转台转动摆角误差。本方法利用干涉仪将角度测量转化为面形测量，通过面形Zernike多项式提取出倾斜角度，其检测精度不受标准件精度影响，检测精度高。
本发明的有益技术效果：本方法利用干涉仪和标准平晶组成的干涉腔首先进行面形测量，利用Zernike多项式对测量得到的面形进行拟合得到倾斜项，统计不同转动角度下的倾斜变化就可以得到转台的摆角误差。其优点在于利用了干涉面形测量精度高的特点，将角度的测量转化为面形测量，然后通过拟合得到平晶的倾斜，不受平晶自身面形的影响，而测量精度由于利用了高精度的干涉仪面形测量而大大提高了检测精度，操作简单，不依赖于标准件精度的测量方法。
附图说明
图1为本发明一种转台摆角精密测量方法的测量原理示意图；
其中，1、干涉仪，2、参考面，3、标准平晶，4、精密气浮转台，5、干涉
仪五维调整台。
具体实施例
下面结合附图对本发明作进一步阐述。
参见附图1，本发明一种转台摆角精密测量方法包括以下步骤：
步骤一：将精密气浮转台4固定于干涉仪五维调整台5上，将标准平晶3放置在精密气浮转台4上，参考面2位于干涉仪1正下方，参考面2与标准平晶3之间形成平面干涉腔；
步骤二：通过干涉仪1干涉仪五维调整台5调节标准平晶3的位置，使得参考面2与标准面形成零条纹；
步骤三：将精密气浮转台4均分成n等份，精密气浮转台4每被旋转360°/n的角度，测量一次标准平晶3在平面干涉腔的干涉条纹，重复上述操作，共测量n组标准平晶3的面形数据，获得标准平晶3的面形；
步骤四：基于n组标准平晶3的面形数据，利用Zernike多项式拟合测量对应得到n组参考面2的面形数据，分别提取n组Zernike多项式的第二，三项系数,其中，Zernike多项式的第二项系数为参考面2相对于X轴的倾斜度，第三项系数为参考面2相对于Y轴的倾斜度；
步骤五：统计n组Zernike多项式的第二项系数，第二项系数的最大值减去最小值即为转台相对于X轴的转动摆角误差；统计n组Zernike多项式的第三项系数，第三项系数的最大值减去最小值即为转台相对于Y轴的转动摆角误差。
步骤一所述的参考面2为平晶。
所述步骤四中Zernike多项式Z(ρ,θ)被化解为径向坐标ρ和角度坐标θ的函数，其形式如下：
其中，n为多项式的“阶”,取值为0,1,2,…；l为与阶数n相关的序号,l的值恒与n同奇偶性,且绝对值小于或等于阶数n，任意一个波前或者表面面形可以用Zernike多项式表示为：
其中，an为对应项的系数。Zernike多项式前9项分别对应光学中的像差如下所示：
Z0：平移；
Z1，Z2：x轴倾斜角度，y轴倾斜角度；
Z3:离焦；
Z4，Z5：像散；
Z7，Z8：慧差；
Z9：球差。
由于Zernike多项式各项的正交特性，因此可以利用Zernike多项式将倾斜项，也就是Zernike多项式第二和第三项通过拟合单独提取出来。

Claims (2)

1.一种转台摆角精密测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将精密气浮转台(4)固定于干涉仪五维调整台(5)上，将标准平晶(3)放置在精密气浮转台(4)上，参考面(2)位于干涉仪(1)正下方，参考面(2)与标准平晶(3)之间形成平面干涉腔；
步骤二：通过干涉仪五维调整台(5)调节标准平晶(3)的位置，使得参考面(2)与标准平晶(3)的测量面形成零条纹；
步骤三：将精密气浮转台(4)均分成n等份，精密气浮转台(4)每被旋转360°/n的角度，测量一次标准平晶(3)在平面干涉腔的干涉条纹，重复上述操作，共测量n组标准平晶(3)的面形数据，获得标准平晶(3)的面形；
步骤四：基于n组标准平晶(3)的面形数据，利用Zernike多项式拟合测量对应得到n组参考面(2)的面形数据，分别提取n组Zernike多项式的第二，三项系数,其中，Zernike多项式的第二项系数为参考面(2)相对于X轴的倾斜度，第三项系数为参考面(2)相对于Y轴的倾斜度；
步骤五：统计n组Zernike多项式的第二项系数，第二项系数的最大值减去最小值即为转台相对于X轴的转动摆角误差；统计n组Zernike多项式的第三项系数，第三项系数的最大值减去最小值即为转台相对于Y轴的转动摆角误差。
2.根据权利要求1所述的一种转台摆角精密测量方法，其特征在于，参考面(2)为平晶。
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