CN105675263B - 平面子孔径拼接系统中定位误差的标定装置及其标定和补偿方法 - Google Patents
平面子孔径拼接系统中定位误差的标定装置及其标定和补偿方法 Download PDFInfo
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Abstract
平面子孔径拼接系统中定位误差的标定装置，借助于表面上制作有标记点的光学标准镜，放置于拼接平移台上，拼接位移台控制系统控制拼接平移台(3)带动光学标准镜在平面上进行二维运动，由干涉仪对子孔径数据进行采集并传送至数据处理单元。提取子孔径数据中重叠区域的标记点的位置坐标，利用这些重叠区域标记点的位置坐标将所有子孔径数据统一到同一坐标中，可以有效的对子孔径数据的定位误差进行补偿，提高了子孔径拼接的计算精度。本发明不需要高精度的拼接位移台，对拼接位移台的定位误差也不需要增加昂贵的激光干涉仪测量组件，在提高子孔径拼接测量精度的同时，可以有效的降低子孔径拼接测量装置的成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测领域，具体涉及到一种平面子孔径拼接测量系统中定位误差的标定和补偿方法，可以提高子孔径拼接测量精度。
背景技术
随着科学技术的不断发展，大口径光学系统在天文望远镜系统、光刻机系统、惯性约束聚变等领域得到了越来越来广泛的应用，大口径光学元件的制造需要与之相应的检测方法和仪器。
为了检测大口径光学元件和光学系统波前，传统的光学检测方法需要一块与被测元件尺寸相同或者更大的标准面形，而大口径高精度的标准表面的制作具有成本高、加工难度大。在这种背景下，产生了拼接测量方法，即采取“以小拼大”的思想，采用小口径的检测设备对大口径光学元件或光学系统部分口径即子孔径区域进行检测，最后将所有子孔径数据按照一定的拼接算法进行拼接，完成对大口径光学元件或光学系统的测量。这种拼接测量方法即保留了小口径干涉仪的高精度、高分辨率的特点，又不需要大口径的标准表面，降低了成本。
子孔径拼接测量的基本方法是从相邻子孔径间的重叠区域中提取相邻子孔径的参考面之间的相对平移、旋转和离焦量，并依次把这些子孔径的参考面统一到某一个指定的参考面，然后恢复全孔径面形或者波面。
从子孔径的拼接算法看，相邻子孔径之间重叠区域的高精度对准是实现高精度拼接的前提。在子孔径拼接干涉仪装置中，子孔径拼接干涉仪通常使用位移台控制待测镜移动。主要有三个因素会影响相邻子孔径在重叠区域的对准精度：1)拼接位移台在移动过程中存在定位误差，导致不同子孔径在重叠区域存在x和y方向的平移误差；2)拼接位移台在运动方向上存在的俯仰角度误差，导致不同子孔径在重叠区域存在旋转误差；3)由于装调误差的存在，拼接位移台运动方向与干涉仪的坐标系存在一定夹角，导致不同子孔径的重叠区域存在x和y方向的平移误差。定位误差可以通过优化硬件来实现，如中国专利201210304174.8“一种带有运动坐标反馈的子孔径拼接面形检测装置”中，通过给拼接位移台控制系统中增加激光距离干涉仪组件，对拼接位移台的定位误差和拼接位移台运动方向与两个拼接方向上的装调误差进行高精度标定。但是，这种方法需要耗费较高的硬件成本，且激光距离干涉仪的存在，容易导致系统结构复杂。
在本发明中，利用一块表面上制作有高精度定位标记的光学标准镜，对相邻子孔径之间定位误差进行标定，将相邻子孔径的坐标统一到同一坐标系中，提高了子孔径数据在重叠区域的对准精度，最终可以提高子孔径拼接测量精度。这种方法利用图像处理的方法，对拼接位移台本身的定位误差以及由装调误差导致的定位误差进行标定和补偿计算，系统本身不需要增加硬件，降低了成本，且系统简单。
发明内容
本发明的主要目的是借助表面上制作有标记点的光学标准镜，对平面子孔径拼接系统中相邻的两个子孔径的定位误差进行标定，以软件方式对位置误差进行补偿计算，以较低成本实现高精度的子孔径拼接测量。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种平面子孔径拼接系统中系统定位误差的标定装置，该装置包含：干涉仪和相应口径大小的标准平面透镜、拼接位移台、数据处理单元、拼接位移台控制系统和光学标准镜。
从所述的干涉仪发出的平行光入射至标准平面透镜上，标准平面透镜对光束一部分进行反射，一部分透射至光学标准镜上，该透射光经过光学标准镜的反射和标准平面透镜的透射后返回至干涉仪内部，与反射光形成干涉。由干涉仪进行数据采集，并传送至数据处理单元，由数据处理单元进行处理。
所述的光学标准镜上制作有用于定位的标记点，用于相邻子孔径之间的坐标统一到同一个坐标系中，完成相邻子孔径之间拼接位移台本身的定位误差和由系统装调误差而导致的相对定位误差的补偿。
所述的拼接位移台具有四个调节自由度，用于调节所述的光学标准镜在二维空间(图示的x和y方向)的位置的调节以及光学标准镜的俯仰和偏摆调节。
所述的拼接位移台控制系统对拼接位移台的四个自由度的调节进行精密控制，实现光学标准镜空间位置的高精度控制以及俯仰和偏摆角度的高精度调整。
所述的光学标准镜上的标记点要和子孔径测量过程中相邻子孔径之间的重叠区域相对应，且相邻子孔径之间的重叠区域内包含的标记数量至少为3个或以上，且这些标记点不能位于同一直线上。
所述的干涉测量系统可以是菲索型干涉仪，也可以是其他基于干涉原理为基础的测量系统。
基于上述的平面子孔径拼接测量系统中定位误差的标定和补偿方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)调整干涉仪的测量系统，使标准平面透镜与干涉仪共轴；
(2)通过拼接位移台控制系统调整拼接位移台，使其在二维空间的运动方向分别与干涉仪坐标系的x/y方向平行；
(3)在光学标准镜上制作多组定位标记，每组定位标记包括至少3个或以上的标记点，且不能同时位于同一直线上，该定位标记的位置与子孔径测量过程中相邻子孔径之间的重叠区域相对应；
(4)将光学标准镜放置在拼接位移台上，利用拼接位移台对光学标准镜进行角度调整，使光学标准镜的表面与标准平面透镜平行，此时干涉仪采集的干涉图中条纹数最少或接近零条纹；
(5)按照子孔径拼接系统的规划路径，从初始拼接位置开始，依次采集相应的子孔径数据，并依次编号为1、2、3……n，将采集的子孔径数据发送至数据处理单元中；
(6)数据处理单元对采集的子孔径数据进行图像处理与识别，获取每组定位标记在相应两个子孔径数据重叠区域中的位置坐标，记为(xij，yij)，i为定位标记所在子孔径的编号，j为该子孔径重叠区域的标记点序号；
(7)取出第一组定位标记；
(8)取出该组定位标记所在的两个相邻子孔径数据i和子孔径数据i+1，并设子孔径数据i为基准子孔径，根据子孔径数据i和子孔径数据i+1中的标记点位置坐标(xi,j，yi,j)和(xi+1,j，yi+1,j)，利用下式进行最小二乘拟合，得到子孔径数据i+1相对于子孔径数据i的位置坐标的平移量(ai，bi)和旋转角θi的大小；
(9)对子孔径数据i+1的所有位置坐标(Xi+1，Yi+1)进行平面位置坐标变换，得到相对于子孔径数据i的坐标值(xi+1'，yi+1')，公式如下：
(10)取出下一组定标标记，重复步骤(8)和步骤(9)。
(11)重复步骤(10)，直至取出最后一组定位标记，完成所有子孔径数据的位置坐标变换，将所有子孔径数据统一到同一个基准坐标系中。
本发明的主要益处在于，借助表面上制作有标记点的平面标准镜，通过软件方式实现相邻子孔径间定位误差的标定和补偿，提高了子孔径拼接系统的测量精度。该方法可以对拼接位移台本身的定位误差以及由装调误差导致的定位误差进行标定，在一定程度上降低了拼接位移台的硬件指标以及拼接位移台的装调指标，以软件补偿的方式降低了硬件成本。
附图说明
图1所示为平面子孔径拼接系统的系统误差标定装置；
图2为一维平面子孔径拼接的规划路径和光学标准镜上重叠区域的标记点；
图3为一维平面子孔径拼接系统系统误差示意图；
图4为一维平面子孔径拼接测量时存在系统误差时相邻子孔径的位置关系示意图；
其中，1、干涉仪；2、标准平面透镜；3、拼接位移台；4、数据处理单元；5、拼接位移台控制系统；6、光学标准镜；7、标记点；8、子孔径测量数据；9、拼接位移台的装调误差；10、拼接位移台本身的角度误差；
具体实施方式
为了更好的理解本发明实施例的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1所示的是平面子孔径拼接系统中系统误差标定装置。平面子孔径拼接系统，包含拼接位移台3、干涉仪1和相应口径大小的标准平面透镜2。标准平面透镜2固定于干涉仪1的出瞳端，拼接位移台3上放置光学标准镜6。干涉仪1的出瞳方向与光学标准镜6垂直，保证光学标准镜6与标准平面透镜2平行。光学标准镜6表面上制作有标记点。从干涉仪1发出的平行光，垂直入射至标准平面透镜2上，标准平面透镜2对光束一部分进行反射，一部分透射至光学标准镜6上，该透射光经过光学标准镜6的反射和标准平面透镜2的透射后，与标准平面透镜2的反射光形成干涉，由干涉仪1进行数据采集，并将数据传送至数据处理单元4，由数据处理单元4进行处理。通过拼接位移台控制系统5，驱动拼接位移台3按照子孔径拼接规划路径依次移动到特定的子孔径拼接测量位置，干涉仪1依次完成相应的数据采集，并传送至数据处理单元4，直至完成整个光学标准镜6的测量。
在上述系统中，光学标准镜6和标准平面透镜2保持平行。同时，拼接位移台3的运动方向与干涉仪1的坐标系平行，即水平方向与干涉仪1的x方向平行，这一点通过机械装调的方式来实现。
图2所示的分别是一维和二维平面子孔径拼接系统测量的规划路径和光学标准镜上重叠区域的标记点。对于图2(上)的一维子孔径拼接，平面子孔径拼接系统的拼接距离为d，通过拼接位移台控制系统4对拼接位移台3进行控制，使干涉仪按照子孔径规划路径完成所有子孔径数据8的采集。对应相邻的两个子孔径的重叠区域，光学标准镜6上制作有一组特定的标记点7。将采集的所有子孔径数据8传送至数据处理单元4中，由数据处理单元4通过图像处理与识别，提取每个子孔径测量数据中重叠区域标记点7的坐标位置。同样，对于图2(下)的二维子孔径拼接，在对应相邻子孔径的重叠区域，光学标准镜表面上制作有标记点。同样按照子孔径规划路径完成所有子孔径数据8的采集并传送至数据处理单元4中。
为了便于表述清楚，这里以一维平面子孔径拼接系统对拼接测量过程中的定位误差和旋转误差进行标定和补偿的过程进行详细说明，该方法同样可适用于二维平面子孔径拼接系统。
图3所示的是一维平面子孔径拼接系统的系统误差示意图。由于机械装调误差的存在，导致拼接位移台3的运动方向与干涉仪1坐标系存在一定的角度误差。此外，由于拼接位移台3在运动过程中，在运动方向上存在俯仰角度误差，导致相邻子孔径的数据产生相对的旋转。在图3中，9表示由于装调误差所导致的拼接位移台3与干涉仪1坐标系的夹角，10表示由于拼接位移台3本身的俯仰角误差。
图4所示的是一维平面子孔径拼接测量时存在系统误差时相邻子孔径的位置关系示意图。装调误差的存在，使拼接位移台3的运动方向与干涉仪1的坐标系存在夹角，导致相邻的两个子孔径定位发生相对的偏移。而拼接位移台3本身的俯仰角误差的存在，会导致相邻子孔径数据位置产生相对的旋转。
在平面子孔径拼接系统中，拼接位移台3本身的定位误差、拼接位移台3的装调的误差以及拼接位移台3的俯仰角度误差的存在，使实际测量的子孔径位置产生定位误差，降低了相邻子孔径之间重叠区域的对准精度，因而最终也降低了拼接系统的测量精度。
平面子孔径拼接系统中系统误差的标定和补偿过程，具体包含以下步骤：
(1)调整干涉仪的测量系统，使标准平面透镜2与干涉仪1共轴；
(2)通过拼接位移台控制系统5调整拼接位移台3，使其在二维空间的运动方向分别与干涉仪坐标系的x/y方向平行；
(3)在光学标准镜6上制作多组定位标记，每组定位标记包括至少3个或以上的标记点，且不能同时位于同一直线上，该定位标记的位置与子孔径测量过程中相邻子孔径之间的重叠区域相对应；
(4)将光学标准镜6放置在拼接位移台3上，利用拼接位移台3对光学标准镜6进行角度调整，使光学标准镜6的表面与标准平面透镜2平行，此时干涉仪采集的干涉图中条纹数最少或接近零条纹；
(5)按照子孔径拼接系统的规划路径，从初始拼接位置开始，依次采集相应的子孔径数据，并依次编号为1、2、3……n，将采集的子孔径数据发送至数据处理单元4中；
(6)数据处理单元4对采集的子孔径数据进行图像处理与识别，获取每组定位标记在相应两个子孔径数据重叠区域中的位置坐标，记为(xij，yij)，i为定位标记所在子孔径的编号，j为该子孔径重叠区域的标记点序号；
(7)取出第一组定位标记；
(8)取出该组定位标记所在的两个相邻子孔径数据i和子孔径数据i+1，并设子孔径数据i为基准子孔径，根据子孔径数据i和子孔径数据i+1中的标记点位置坐标(xi,j，yi,j)和(xi+1,j，yi+1,j)，利用下式进行最小二乘拟合，得到子孔径数据i+1相对于子孔径数据i的位置坐标的平移量(ai，bi)和旋转角θi的大小；
(9)对子孔径数据i+1的所有位置坐标(Xi+1，Yi+1)进行平面位置坐标变换，得到相对于子孔径数据i的坐标值(xi+1'，yi+1')，公式如下：
(10)取出下一组定标标记，重复步骤(8)和步骤(9)，直至取出最后一组定位标记，完成所有子孔径数据的位置坐标变换，将所有子孔径数据统一到同一个基准坐标系中。
本发明提供了一种子孔径拼接系统的定位误差的标定和补偿方法。采用表面上制作有标记点的光学标准镜6，标记点位置对应子孔径的重叠区域。对光学标准镜6按照特定的子孔径规划路径进行子孔径拼接数据8的测量。由数据处理单元4对子孔径拼接数据8进行图像处理和识别，获取标记点在各个子孔径中的位置坐标。然后利用(1)和(2)式将所有子孔径数据统一到同一个坐标系中。该方法可以有效的对由拼接位移台3的装调误差所导致的定位误差和拼接位移台3本身的定位误差进行补偿，同时，还可以对由于拼接位移台3的角度误差所导致的子孔径数据之间的相对旋转进行补偿，提高了子孔径数据在重叠区域的对准精度，最终可以提高子孔径拼接系统的测量精度。该方法可以降低拼接系统的硬件要求，具有结构简单的特点，并实现以较低的硬件成本完成子孔径拼接数据的高精度对准。
Claims (5)
1.一种平面子孔径拼接系统中定位误差的标定装置，其特征在于，包括：干涉仪(1)和相应口径大小的标准平面透镜(2)、光学标准镜(6)和供光学标准镜(6)放置的拼接位移台(3)、与该拼接位移台(3)相连的拼接位移台控制系统(5)、分别与所述的干涉仪(1)和拼接位移台控制系统(5)相连的数据处理单元(4)；
所述的干涉仪(1)发出的平行光，垂直入射至标准平面透镜(2)，一部分光束经所述的标准平面透镜(2)反射后沿原路返回，另一部分光束经所述的标准平面透镜(2)透射后入射至所述的光学标准镜(6)上，经该光学标准镜(6)反射后沿原路返回，再次经所述的标准平面透镜(2)透射，与标准平面透镜(2)的反射光形成干涉，由干涉仪(1)进行数据采集，并将数据传送至数据处理单元(4)进行处理；
在所述的光学标准镜(6)上设有用于定位的定位标记，用于相邻子孔径之间的对准，完成相邻子孔径之间拼接位移台(3)本身的定位误差和由系统装调误差而导致的相对定位误差的补偿。
2.根据权利要求1所述的一种平面子孔径拼接系统中定位误差的标定装置，其特征在于，所述的光学标准镜(6)上的定位标记要和子孔径测量过程中相邻子孔径之间的重叠区域相对应，且相邻子孔径之间的重叠区域内包含的标记点数量至少三个，且这些标记点不位于同一直线上。
3.根据权利要求1所述的一种平面子孔径拼接系统中定位误差的标定装置，其特征在于，所述的拼接位移台(3)用于调节所述的光学标准镜(6)在二维空间的位置的调节以及光学标准镜的俯仰和偏摆调节。
4.根据权利要求1所述的一种平面子孔径拼接系统中定位误差的标定装置，其特征在于，所述的拼接位移台控制系统(5)对拼接位移台(3)的四个自由度的调节进行精密控制，实现光学标准镜(6)空间位置的高精度控制以及俯仰和偏摆角度的高精度调整。
5.一种利用权利要求1所述的平面子孔径拼接系统中定位误差的标定装置进行标定和补偿方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1，调整干涉仪的测量系统，使标准平面透镜(2)与干涉仪(1)共轴；
步骤2，通过拼接位移台控制系统(5)调整拼接位移台(3)，使其在二维空间的运动方向分别与干涉仪坐标系的x与y方向平行；
步骤3，在光学标准镜(6)上制作多组定位标记，每组定位标记包括至少3个标记点，且不位于同一直线上，该定位标记的位置与子孔径测量过程中相邻子孔径之间的重叠区域相对应；
步骤4，将光学标准镜(6)放置在拼接位移台(3)上，利用拼接位移台(3)对光学标准镜(6)进行角度调整，使光学标准镜(6)的表面与标准平面透镜(2)平行，此时干涉仪采集的干涉图中条纹数最少或接近零条纹；
步骤5，按照子孔径拼接系统的规划路径，从初始拼接位置开始，依次采集相应的子孔径数据，并依次编号为1、2、3……n，将采集的子孔径数据发送至数据处理单元(4)中；
步骤6，数据处理单元(4)对采集的子孔径数据进行图像处理与识别，获取每组定位标记在相应两个子孔径数据重叠区域中的位置坐标，记为(xij，yij)，i为定位标记所在子孔径的编号，j为该子孔径重叠区域的标记点序号；
步骤7，取出第一组定位标记；
步骤8，取出该组定位标记所在的两个相邻子孔径数据i和子孔径数据i+1，并设子孔径数据i为基准子孔径，根据子孔径数据i和子孔径数据i+1中的标记点位置坐标(xi,j，yi,j)和(xi+1,j，yi+1,j)，利用下式进行最小二乘拟合，得到子孔径数据i+1相对于子孔径数据i的位置坐标的平移量(ai，bi)和旋转角θi的大小；
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步骤9，对子孔径数据i+1的所有位置坐标(Xi+1，Yi+1)进行平面位置坐标变换，得到相对于子孔径数据i的坐标值(xi+1'，yi+1')，公式如下：
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步骤10，取出下一组定标标记，重复步骤(8)和步骤(9)，直至取出最后一组定位标记，完成所有子孔径数据的位置坐标变换，将所有子孔径数据统一到同一个基准坐标系中。
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