CN105627946B

CN105627946B - 非球面空间位置的快速调整方法

Info

Publication number: CN105627946B
Application number: CN201510962301.7A
Authority: CN
Inventors: 刘钰; 苗亮; 张文龙; 马冬梅; 金春水
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2018-09-21
Anticipated expiration: 2035-12-21
Also published as: CN105627946A

Abstract

非球面空间位置的快速调整装置及调整方法，属于超高精度非球面面形检测领域。该装置包括干涉仪、安装在干涉仪下端的补偿器、调整机构、安装在调整机构上的检测支撑平台、安装在检测支撑平台上的被测非球面；所述调整机构用于调整被测非球面的倾斜、偏心和离焦。本发明通过建立调整机构中X、Y、Tilt X、Tilt Y等自由度和面形检测结果中Zernike项中的倾斜以及慧差之间的调整关系的矩阵方程，通过解矩阵方程得出调整台X、Y、Tilt X、Tilt Y等自由度所需的调整量，这样只需进行一次调整即可将被测非球面调整到位，节省大量的非球面调整时间。本发明结构简单、装调方便、成本低，调整方法快速、简单、调整精度高。

Description

非球面空间位置的快速调整方法

技术领域

本发明属于超高精度非球面面形检测技术领域，具体涉及一种非球面空间位置的快速调整装置及调整方法。

背景技术

目前，非球面光学元件在光学系统中得到了广泛应用，非球面光学元件的制造对现代光学加工和检测技术提出了挑战。这是因为光学制造的精度和效率在很大程度上依赖于检测技术，所以高精度检测对于非球面光学元件尤其是大型非球面光学元件的制造有着非常重要的意义。

非球面光学元件相对于补偿器光轴的X、Y方向的偏心，X、Y方向的倾斜与检测结果的zernike系数中的倾斜和慧差相关。因此，可以通过调整非球面光学元件X、Y方向的偏心，X、Y方向的倾斜以及距离补偿器的距离从而将非球面光学元件检测结果的zernike系数中的倾斜、慧差和离焦项系数调整到0，就可以将非球面光学元件调整到理论检测位置，即非球面光学元件被测面的光轴与补偿器系统的光轴穿轴。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种非球面空间位置的快速调整装置及调整方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的非球面空间位置的快速调整装置，包括：干涉仪、安装在干涉仪下端的补偿器、调整机构、安装在调整机构上的检测支撑平台、安装在检测支撑平台上的被测非球面；所述调整机构用于调整被测非球面的倾斜、偏心和离焦。

进一步的，所述干涉仪发出的光经补偿器后形成理想的球面波入射到被测非球面的表面，被测非球面将该理想的球面波反射回干涉仪中，并在干涉仪的 CCD上形成干涉条纹。

进一步的，所述被测非球面为旋转对称非球面，其表达式为：

式(1)中：r²＝x²+y²，c＝1/R₀，x为被测非球面口径在x方向的分量， y为被测非球面口径在x方向的分量，R₀为被测非球面的顶点曲率半径，a₄～a_n为非球面高阶系数，k为二次曲面常数。

进一步的，所述调整机构为电动或手动的五自由度调整机构。

本发明还提供了一种非球面空间位置的快速调整方法，包括以下步骤：

步骤一、通过调整机构将被测非球面调整到理论检测位置，此理论检测位置作为被测非球面检测的初始位置，利用干涉仪及补偿器检测被测非球面，得到被测非球面面形检测结果，记录检测结果的zernike系数中的离焦z4，倾斜z2、 z3，慧差系数z7、z8；

步骤二、利用调整机构调整被测非球面在X方向平移Δx微米，测量被测非球面面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2x′、z3x′，慧差系数z7x′、z8x′；

步骤三、利用调整机构调整被测非球面在Y方向平移Δy微米，测量被测非球面面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2y′、z3y′，慧差系数z7y′、z8y′；

步骤四、利用调整机构调整被测非球面在Tilt X自由度旋转Δu微弧度，测量被测非球面面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2u′、z3u′，慧差系数z7u′、z8u′；

步骤五、利用调整机构调整被测非球面在Tilt Y自由度旋转Δv微弧度，测量被测非球面面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2v′、z3v′，慧差系数z7v′、z8v′；

步骤六、利用步骤一至步骤五中得到的数据建立矩阵方程，如式(2)所示： (z2x′-z2)*x/Δx+(z2y′-z2)*y/Δy+(z2u′-z2)*u/Δu+(z2v′-z2)*v/Δv＝z2′-z2 (z3x′-z3)*x/Δx+(z3y′-z3)*y/Δy+(z3u′-z3)*u/Δu+(z3v′-z3)*v/Δv＝z3′-z3 (z7x′-z7)*x/Δx+(z7y′-z7)*y/Δy+(z7u′-z7)*u/Δu+(z7v′-z7)*v/Δv＝z7′-z7 (z8x′-z8)*x/Δx+(z8y′-z8)*y/Δy+(z8u′-z8)*u/Δu+(z8v′-z8)*v/Δv＝z8′-z8

式(2)

式(2)中，z2′、z3′、z7′、z8′分别为被测非球面不在理论检测位置时检测被测非球面面形而得到的倾斜z2′、z3′以及慧差系数z7′、z8′，x、y、u、v分别为将被测非球面重新调回理论检测位置时调整机构在X、Y方向平移、绕X轴旋转以及绕Y轴旋转自由度的调整量；

步骤七、将z2′、z3′、z7′、z8′带入矩阵方程中解出x、y、u、v，即可得到从被测非球面目前的非理论检测位置将其调回理论检测位置所需要的在X、Y 方向平移、绕X轴旋转以及绕Y轴旋转等自由度的调整量。

本发明的有益效果是：目前，由于调整机构一般会存在X、Y、Tilt X、Tilt Y等自由度的耦合，并且调整被测非球面的偏心、倾斜均会引起被测结果中Zernike项中的倾斜以及慧差的变化，安装被测镜后需要重新调整多次调整X、 Y、Tilt X、Tilt Y，这样既浪费时间且调整效果较差。针对这种困难，本发明提出一种非球面空间位置的快速调整装置及调整方法，本发明通过建立调整机构中X、Y、Tilt X、Tilt Y等自由度和面形检测结果中Zernike项中的倾斜以及慧差之间的调整关系的矩阵方程，通过解矩阵方程得出调整台X、Y、TiltX、Tilt Y等自由度所需的调整量，这样只需进行一次调整即可将被测非球面调整到位，节省大量的非球面调整时间。

本发明的非球面空间位置的快速调整装置，具有结构简单、装调方便、成本低等优点。

本发明的非球面空间位置的快速调整方法，用于精确调整被测非球面空间位置，减少非球面调整所需的调整时间，具有快速、简单、调整精度高等优点。

附图说明

图1为本发明的非球面空间位置的快速调整装置的结构示意图。

图2为本发明的非球面空间位置的快速调整方法的流程示意图。

图中：1、干涉仪，2、补偿器，3、被测非球面，4、检测支撑平台，5、调整机构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种非球面空间位置的快速调整装置，主要包括干涉仪1、补偿器2、被测非球面3、检测支撑平台4和调整机构5。

补偿器2安装在干涉仪1下端，被测非球面3安装在检测支撑平台4上，检测支撑平台4安装在调整机构5上，调整机构5用于调整被测非球面3的倾斜、偏心以及离焦。调整机构5为电动或手动的五自由度调整机构。

干涉仪1发出的光经补偿器2后形成理想的球面波入射到被测非球面3的表面，被测非球面3将该理想的球面波反射回干涉仪1中，并在干涉仪1的CCD 上形成干涉条纹。

被测非球面3为旋转对称非球面，其表达式为：

式(1)中：r²＝x²+y²，c＝1/R₀，x为被测非球面3口径在x方向的分量， y为被测非球面3口径在x方向的分量，R₀为被测非球面3的顶点曲率半径，a₄～ a_n为非球面高阶系数，k为二次曲面常数。

如图2所示，本发明的一种非球面空间位置的快速调整方法，具体步骤如下：

步骤一、安装被测非球面3，并通过调整机构5将被测非球面3调整到理论检测位置，并将此理论检测位置作为被测非球面3检测的初始位置，利用干涉仪1及补偿器2系统检测被测非球面3，得到被测非球面3面形检测结果，记录检测结果的zernike系数中的离焦z4，倾斜z2、z3，慧差系数z7、z8。

步骤二、利用调整机构5调整被测非球面3在X方向平移Δx微米，测量被测非球面3面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2x′、z3x′，慧差系数z7x′、z8x′。

步骤三、利用调整机构5调整被测非球面3在Y方向平移Δy微米，测量被测非球面3面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2y′、z3y′，慧差系数z7y′、z8y′。

步骤四、利用调整机构5调整被测非球面3在Tilt X自由度旋转Δu微弧度，测量被测非球面3面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2u′、 z3u′，慧差系数z7u′、z8u′。

步骤五、利用调整机构5调整被测非球面3在Tilt Y自由度旋转Δv微弧度，测量被测非球面3面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2v′、 z3v′，慧差系数z7v′、z8v′。

式(2)

式(2)中，z2′、z3′、z7′、z8′分别为被测非球面3任意不在理论检测位置检测被测非球面3面形而得到的倾斜z2′、z3′以及慧差系数z7′、z8′，x、y、u、 v分别为将被测非球面3重新调回理论检测位置时调整机构5在X、Y方向平移、绕X轴旋转(Tilt X)以及绕Y轴旋转(Tilt Y)等自由度的调整量。

步骤七、将z2′、z3′、z7′、z8′带入矩阵方程中解出x、y、u、v，即可得到从被测非球面3目前的非理论检测位置将其调回理论检测位置所需要的在X、Y 方向平移、绕X轴旋转(Tilt X)以及绕Y轴旋转(Tilt Y)等自由度的调整量。

本发明的非球面空间位置的快速调整方法主要包括建立X、Y、Tilt X以及 Tilt Y自由度与zernike系数之间的矩阵方程，通过求解矩阵方程求出将被测非球面3从目前的位置调回至理论检测位置所需要的X、Y、Tilt X以及Tilt Y等自由度的调整量，从而将被测非球面3复位。

具体实施方式一

本发明的一种非球面空间位置的快速调整方法，具体步骤如下：

步骤一、安装被测非球面3，并通过调整机构5将被测非球面3调整到理论检测位置，并将此理论检测位置作为被测非球面3检测的初始位置，利用干涉仪1及补偿器2系统检测被测非球面3，得到被测非球面3面形检测结果，记录检测结果的zernike系数中的离焦z4＝0.326nm，倾斜z2＝-2.120nm、z3＝5.622nm，慧差系数z7＝1.260nm、z8＝-1.182nm。

步骤二、利用调整机构5调整被测非球面3在X方向平移Δx＝1微米，测量被测非球面3面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2x′＝-68.270nm、z3x′＝42.492nm，慧差系数z7x′＝0.781nm、z8x′＝1.417nm。

步骤三、利用调整机构5调整被测非球面3在Y方向平移Δy＝1微米，测量被测非球面3面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2y′＝33.76nm、z3y′＝71.852nm，慧差系数z7y′＝1.555nm、z8y′＝-0.666nm。

步骤四、利用调整机构5调整被测非球面3在Tilt X自由度旋转Δu＝10微弧度，测量被测非球面3面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2u′＝-2.599nm、z3u＝5.917nm，慧差系数z7u′＝1.297nm、z8u′＝-1.119nm。

步骤五、利用调整机构5调整被测非球面3在Tilt Y自由度旋转Δv＝10微弧度，测量被测非球面3面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2v′＝-1.867nm、z3v′＝3.911nm，慧差系数z7v′＝1.316nm、z8v′＝1.214nm。

步骤六、利用步骤一至步骤五中得到的数据建立矩阵方程，如式(3)所示：

-66.15x+35.88y-7.665u-13.568v＝z2′

36.87x+66.23y-13.304u+7.398v＝z3′

-0.479x+0.295y+0.037u+0.063v＝z7′

0.253x+0.516y+0.056u-0.032v＝z8′ (3)

式(3)中，z2′、z3′、z7′、z8′分别为被测非球面3任意不在理论检测位置检测被测非球面3面形而得到的倾斜z2′、z3′以及慧差系数z7′、z8′，x、y、u、 v分别为将被测非球面3重新调回理论检测位置时调整机构5在X、Y方向平移、绕X轴旋转(Tilt X)以及绕Y轴旋转(Tilt Y)等自由度的调整量。

检测非球面的某一时刻，检测被测非球面3面形得到倾斜z2′＝82.65nm、 z3′＝70.60nm以及慧差系数z7′＝9.65nm、z8′＝13.25nm，为了将被测非球面3重新调整到理论检测位置，解矩阵方程(3)，解出x＝1.4164um、y＝19.5818um、 u＝95.7423urad、v＝-7.6293urad，即得到从被测非球面3目前的位置将其调回初始位置所需要的X、Y方向平移、绕X轴旋转(Tilt X)以及绕Y轴旋转(Tilt Y) 等自由度的调整量。

步骤八、按步骤七中求解结果x＝1.4164um、y＝19.5818um、u＝95.7423urad、 v＝-7.6293urad对调整机构5进行调整，调整完毕后检测被测非球面3面形，得到倾斜z22＝-1.975nm、z33＝＝4.352nm以及慧差系数z77＝1.375nm、 z88＝-0.965nm。

从调整后的倾斜2＝-1.975nm、z33＝＝4.352nm以及慧差系数z77＝1.375nm、 z88＝-0.965nm与理论位置倾斜z2＝-2.120nm、z3＝5.622nm，慧差系数z7＝1.260nm、 z8＝-1.182nm对比，可以看出经过一次调整，基本可以将被测非球面3调整到理论检测位置。

Claims

1.非球面空间位置的快速调整装置的调整方法，其特征在于，所采用的非球面空间位置的快速调整装置，包括：干涉仪(1)、安装在干涉仪(1)下端的补偿器(2)、调整机构(5)、安装在调整机构(5)上的检测支撑平台(4)、安装在检测支撑平台(4)上的被测非球面(3)；所述调整机构(5)用于调整被测非球面(3)的倾斜、偏心和离焦；

该调整方法包括以下步骤：

步骤一、通过调整机构(5)将被测非球面(3)调整到理论检测位置，此理论检测位置作为被测非球面(3)检测的初始位置，利用干涉仪(1)及补偿器(2)检测被测非球面(3)，得到被测非球面(3)面形检测结果，记录检测结果的zernike系数中的离焦z4，倾斜z2、z3，慧差系数z7、z8；

步骤二、利用调整机构(5)调整被测非球面(3)在X方向平移Δx微米，测量被测非球面(3)面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2x′、z3x′，慧差系数z7x′、z8x′；

步骤三、利用调整机构(5)调整被测非球面(3)在Y方向平移Δy微米，测量被测非球面(3)面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2y′、z3y′，慧差系数z7y′、z8y′；

步骤四、利用调整机构(5)调整被测非球面(3)在Tilt X自由度旋转Δu微弧度，测量被测非球面(3)面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2u′、z3u′，慧差系数z7u′、z8u′；

步骤五、利用调整机构(5)调整被测非球面(3)在TiltY自由度旋转Δv微弧度，测量被测非球面(3)面形，得到此时的检测结果的zernike系数中的倾斜z2v′、z3v′，慧差系数z7v′、z8v′；

步骤六、利用步骤一至步骤五中得到的数据建立矩阵方程，如式(2)所示：

(z2x′-z2)*x/Δx+(z2y′-z2)*y/Δy+(z2u′-z2)*u/Δu+(z2v′-z2)*v/Δv＝z2′-z2

(z3x′-z3)*x/Δx+(z3y′-z3)*y/Δy+(z3u′-z3)*u/Δu+(z3v′-z3)*v/Δv＝z3′-z3

(z7x′-z7)*x/Δx+(z7y′-z7)*y/Δy+(z7u′-z7)*u/Δu+(z7v′-z7)*v/Δv＝z7′-z7

(z8x′-z8)*x/Δx+(z8y′-z8)*y/Δy+(z8u′-z8)*u/Δu+(z8v′-z8)*v/Δv＝z8′-z8

式(2)

式(2)中，z2′、z3′、z7′、z8′分别为被测非球面(3)不在理论检测位置时检测被测非球面(3)面形而得到的倾斜z2′、z3′以及慧差系数z7′、z8′，x、y、u、v分别为将被测非球面(3)重新调回理论检测位置时调整机构(5)在X、Y方向平移、绕X轴旋转以及绕Y轴旋转自由度的调整量；

步骤七、将z2′、z3′、z7′、z8′带入矩阵方程中解出x、y、u、v，即可得到从被测非球面(3)目前的非理论检测位置将其调回理论检测位置所需要的在X、Y方向平移、绕X轴旋转以及绕Y轴旋转等自由度的调整量。

2.根据权利要求1所述的非球面空间位置的快速调整装置的调整方法，其特征在于，所述干涉仪(1)发出的光经补偿器(2)后形成理想的球面波入射到被测非球面(3)的表面，被测非球面(3)将该理想的球面波反射回干涉仪(1)中，并在干涉仪(1)的CCD上形成干涉条纹。

3.根据权利要求1所述的非球面空间位置的快速调整装置的调整方法，其特征在于，所述被测非球面(3)为旋转对称非球面，其表达式为：

式(1)中：r²＝x²+y²，c＝1/R₀，x为被测非球面(3)口径在x方向的分量，y为被测非球面(3)口径在x方向的分量，R₀为被测非球面(3)的顶点曲率半径，a₄～a_n为非球面高阶系数，k为二次曲面常数。

4.根据权利要求1所述的非球面空间位置的快速调整装置的调整方法，其特征在于，所述调整机构(5)为电动或手动的五自由度调整机构。