CN107305119A - 一种针对标准长平晶的倾斜测试的标定方法和测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种针对标准长平晶的倾斜测试的标定方法和测试平台，从首先根据长平晶型号确定测量时的倾斜角度，使测量布置方式最优；再根据测试长平晶位置确定反射镜位置，利用激光自动准直系统找到反射镜垂直反射光线的位置；使用干涉仪测量时根据不同型号的长平晶对照标定图像，从而确定该长平晶的面型信息。本发明在标定时无需测量全部面型参数，增加了简易性，且在测量时节省空间，有统一的标准，精度高，易于实现。

Description

一种针对标准长平晶的倾斜测试的标定方法和测试平台

技术领域

本发明属于光学测量领域，涉及一种针对标准长平晶的倾斜测试的标定方法和测试平台。

背景技术

长平晶主要用于测量高光洁表面的平面度误差，因此对其表面面型有严格的要求。当前国际通用的光学元件面型偏差有三个指标：光圈公差和两个局部光圈公差，在国内的生产加工中，原始光圈已被更新为最大光圈和局部光圈，面型偏差主要是用双光束干涉来检验，有早期的相对检验和现在的绝对检验两种。随着数字干涉仪的发展和普及以及国际标准(ISO10110)在国内外的推广，国际上又有了一种新的描述波前面型的方式，并引申出许多新的概念，如PV值，RMS值，PSD值等。

传统的相对检验方法主要有样板法和条纹法。样板法即根据标准样板制造出可以在生产中使用的工作样板，将待测件与样板贴合，然后在灯光下通过观察他们之间的空气间隙形成的干涉条纹，从条纹形状和颜色分析工件面型。但由于属于接触式测量，一般会对待测面表面产生额外损伤。条纹法是通过提取干涉图上的条纹，利用计算机进行后续的数字图像处理，因干涉仪技术和计算机迅速发展使得该方法在平面度计量领域得到了应用，但在长平晶测量领域，由于长平晶长度过长导致传统的测量方法无法满足足够的测试空间，因此常采用拼接图像的方式对该元件面型表面进行测量，既无法方便的得到面型信息，也需要大量的后续工作来对所得数据进行分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对标准长平晶的倾斜测试的标定方法和测试平台，解决了标准长平晶面积过大不方便平行放置在干涉仪镜头前的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台，包括自准直激光器、平面反射镜、圆形底座、转盘、0刻线、待测件卡座和视场光阑，转盘设置在圆形底座上，与其转动连接，转盘直径小于圆形底座直径，两者之间形成环形凹槽，视场光阑固定在转盘的中心，待测长平晶通过待测件卡座固定在转盘上，待测长平晶与视场光阑平行；平面反射镜设置在所述凹槽 (5)中；自准直激光器固定在平面反射镜的顶部，0刻线设置在转盘上，且与视场光阑和待测长平晶垂直。

所述转盘上沿0刻线顺时针依次设有45°刻度线、62°刻度线、72°刻度线和81°刻度线。

还包括一个尺度对准标记点，尺度对准标记点设置在圆形底座顶部边缘。

所述视场光阑采用圆形光阑。

一种采用如权利要求1所述的针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的标定方法，方法步骤如下：

步骤1、确定斐索干涉仪与针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的相对位置：

步骤1-1、将调试反射镜设置在待测件卡座上，保证调试反射镜与视场光阑平行；

步骤1-2、将0刻线与尺度对准标记点对齐；

步骤1-3、打开斐索干涉仪，使得斐索干涉仪发出的光束垂直入射至调试镜中心。

步骤2、确定不同长度的长平晶所对应的倾斜角度：

不同长度的长平晶所对应的倾斜角度如下：长为210mm的长平晶对应倾斜角45°、长为310mm的长平晶对应倾斜角62°；长为475mm的长平晶对应倾斜角72°；长为900mm的长平晶对应倾斜角81°。

步骤3、根据不同长度的长平晶所对应的倾斜角度调整转盘，使得角度刻度线与尺度对准标记点重合；

步骤4、调整平面反射镜的位置：

步骤4-1、将待测长平晶设置在待测件卡座上，保证待测长平晶与视场光阑平行；

步骤4-2、打开平面反射镜顶部的自准直激光器；

步骤4-3、调整平面反射镜位置，使得自准直激光器发出的激光与反射光重合。

步骤5、斐索干涉仪发出的测试光经视场光阑入射至待测长平晶，经待测长平晶反射至平面反射镜，平面反射镜将携带待测长平晶的面型信息的测试光反射至待测长平晶，经待测长平晶反射，通过视场光阑后返回斐索干涉仪；

步骤6、携带待测长平晶的面型信息的测试光与斐索干涉仪内部的参考光发生干涉，得到干涉图像，对比干涉图像与标定图像，确定待测标准长平晶表面的光圈数和pv值。

所述平面反射镜和待测长平晶位于视场光阑两侧。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明提出的长平晶倾斜测量从实际测量中可能出现的问题和倾斜测量图像标定两方面考虑，解决了可能出现的测试过程中空间狭窄无法平行放置长平晶的情况。

(2)本发明的长平晶面型标定方法不需要接触式测量，提高了空间的利用性，更加方便对表面光圈数的确认，提高了测量精度。

(3)为测量大面型待测面提供一种新的思路，可以在不进行算法复原的情况下直观的得到面型的变形情况。

附图说明

图1为本发明的光路示意图。

图2为本发明针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的主视图。

图3为本发明针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的俯视图。

图4为各规格长平晶对应的标定图像，在不同的表面弧度下所产生的图像不同；其中(a)为长210mm倾斜角度45°对应的标定图像，(b)为长310mm倾斜角度62°对应的标定图像，(c)为长475mm倾斜角度72°对应的标定图像，(d)为长900mm倾斜角度81°对应的标定图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明总体思路为：第一，考虑到长平晶的尺寸过大不适合进行普通方式的测量，引入倾斜测量的方法，对各尺寸的长平晶所出现的面型特点进行标定。第 二，考虑到干涉仪口径的限制，不能方便的测量完整表面的面型情况，选择长平晶表面指定直径大小的同心圆进行测量，并由小及大，得到整个长平晶面型的特点和情况。第三，考虑到不同规格的标准长平晶的尺寸不同，设计了可以旋转的载物台，并针对不同的尺寸，标定不同的倾斜角度，以便于规定放置空间来进行准确的测量和调整。第四，考虑到光线会在待测表面进行二次反射，所以会在末端反射镜上设计一个自准直系统，以保证光线垂直入射到反射镜上并沿原路返回，和参考光线进行相干得到准确的干涉图像。

标定方法的具体内容如下：

由于测试环境空间大小的限制，设定其元件摆放宽度约为150mm，则长度为210mm、310mm、475mm、900mm的待测长平晶1需要倾斜的角度计算可得分别为45°、62°、72°、81°，倾斜角度与标准长平晶长度的关系表述为：

w＝L*cosθ (1)

其中，w为设定的元件可以摆放的空间宽度；L为标准长平晶的长度大小；θ为长平晶表面法线与干涉系统主光轴之间的夹角，后文以倾斜角度代替。

根据垂线方向斜入射的干涉结果，结合方程(1)有x方向对称轴上的y方向光程差分布公式：

C1(y)＝2C(y)*cosθ (2)

代入椭圆方程则可得到待测面型的光强分布方程：

其中C1(y)表示倾斜后的y方向光程差分布，C(y)则表示无倾斜时同一表面所经过的光程，a为凹面镜的椭圆抛物面形状参数，N为成像区域大小，pv值为该抛物面的顶点厚度与边缘厚度之差。

此外，干涉图比例因子(Interferogram Scale Factor,ISF)反映了干涉图所代表的被测波前与实际被测物体表面面型信息的关系。斜入射测量装置的干涉 图比例因子为：

ISF(oblique)＝1/(4cos(θ)) (5)

根据上述公式可模拟出理想情况下各种情况下的面型显示情况，光圈的变化情况符合计算公式。

结合图1、图2和图3，一种针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台，包括自准直激光器2、平面反射镜3、圆形底座4、转盘6、0刻线7、待测件卡座13和视场光阑14，转盘6设置在圆形底座4上，与其转动连接，转盘6直径小于圆形底座4直径，两者之间形成环形凹槽5，视场光阑14固定在转盘6的中心，待测长平晶1通过待测件卡座13固定在转盘6上，待测长平晶1与视场光阑14平行；平面反射镜3设置在所述凹槽5中；自准直激光器2固定在平面反射镜3的顶部，0刻线7设置在转盘6上，且与视场光阑14和待测长平晶1垂直。

所述转盘6上沿0刻线顺时针依次设有45°刻度线8、62°刻度线10、72°刻度线11和81°刻度线12。

还包括一个尺度对准标记点9，尺度对准标记点9设置在圆形底座4顶部边缘。

所述视场光阑14采用圆形光阑。

在测试平台安装时，由于长平晶1面积相对较大，且无法保证面型的完好，因此须引入相应的调整反射镜对该测试平台进行调试。同时应保证该调整反射镜的直径长度或矩形高度稍大于视场光阑14的通光直径，即可在0刻线7与尺度对准标记点9对齐时调整斐索干涉仪15的出射光位置，保证测试光可以入射到调整反射镜中心，后保持测试平台和斐索干涉仪15的位置及角度不变，从而进行后续的长平晶1倾斜测量。

该针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台中，平面反射镜3放置在圆形底座4上，根据待测长平晶1旋转的角度，平面反射镜3的位置也有相应的变化。具体表现为：通过自准直激光器2使入射到平面反射镜3上的光线能够垂直反射回待测面。因此该平面反射镜3需可以在测试平台上旋转，其可旋转方式有多种，一种是在圆形底座4边缘安装卡座，卡座可以沿圆形底座4边缘滑动，平面反射镜3设置在卡座上；另一种是在圆形底座4与转盘间的凹槽5内安装导轨，在导 轨的作用下使平面反射镜3的位置发生变化。这里选择后者的旋转方法，以便于后续的生产和实验。本发明并不限于上述两种方式，还可以采用其他方式。

结合图4，在同一标准长平晶1的测量过程中，不同的表面光圈数会有不同的干涉图像产生，使用fred仿真软件对长为210mm、310mm、475mm、900mm四种规格的标准长平晶进行干涉测量，分别将各标准长平晶1的待测表面在1光圈、2光圈、3光圈情况下的干涉图像进行标定。

结合图1、图2和图3，一种采用如权利要求1所述的针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的标定方法，包括以下步骤：

步骤1、确定斐索干涉仪15与针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的相对位置：

步骤1-1、将调试反射镜设置在待测件卡座13上，保证调试反射镜与视场光阑14平行。

步骤1-2、将0刻线7与尺度对准标记点9对齐。

步骤1-3、打开斐索干涉仪15，使得斐索干涉仪发出的光束垂直入射至调试镜中心。

步骤2、确定不同长度的长平晶所对应的倾斜角度，不同长度的长平晶所对应的倾斜角度如下：长为210mm的长平晶对应倾斜角45°、长为310mm的长平晶对应倾斜角62°；长为475mm的长平晶对应倾斜角72°；长为900mm的长平晶对应倾斜角81°。倾斜特定角度的目的是从实际测量中可能出现的问题和倾斜测量图像标定两方面考虑，解决了可能出现的测试过程中空间狭窄无法平行放置长平晶的情况。

步骤3、根据不同长度的长平晶所对应的倾斜角度调整转盘6，使得角度刻度线与尺度对准标记点9重合。

步骤4、调整平面反射镜3的位置：

步骤4-1、将待测长平晶1设置在待测件卡座13上，保证待测长平晶1与视场光阑14平行。

步骤4-2、打开平面反射镜3顶部的自准直激光器2。

步骤4-3、调整平面反射镜3位置，使得自准直激光器2发出的激光与反射 光重合。

步骤5、斐索干涉仪15发出的测试光经视场光阑14入射至待测长平晶1，经待测长平晶1反射至平面反射镜3，平面反射镜3将携带待测长平晶1的面型信息的测试光反射至待测长平晶1，经待测长平晶1反射，通过视场光阑14后返回斐索干涉仪15；因为不需要接触式测量，提高了空间的利用性，更加方便对表面光圈数的确认，提高了测量精度。

步骤6、携带待测长平晶1的面型信息的测试光与斐索干涉仪15内部的参考光发生干涉，得到干涉图像，对比干涉图像与标定图像，确定待测标准长平晶1表面的光圈数和pv值。通过这一步骤可以在不进行算法复原的情况下直观的得到面型的变形情况。

Claims (9)

1.一种针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台，其特征在于：包括自准直激光器（2）、平面反射镜（3）、圆形底座（4）、转盘（6）、0刻线（7）、待测件卡座（13）和视场光阑（14），转盘（6）设置在圆形底座（4）上，与其转动连接，转盘（6）直径小于圆形底座（4）直径，两者之间形成环形凹槽（5），视场光阑（14）固定在转盘（6）的中心，待测长平晶（1）通过待测件卡座（13）固定在转盘（6）上，待测长平晶（1）与视场光阑（14）平行；平面反射镜（3）设置在所述凹槽（5）中；自准直激光器（2）固定在平面反射镜（3）的顶部，0刻线（7）设置在转盘（6）上，且与视场光阑（14）和待测长平晶（1）垂直。

2.根据权利要求1所述的针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台，其特征在于：所述转盘（6）上沿0刻线顺时针依次设有45°刻度线8、62°刻度线10、72°刻度线11和81°刻度线12。

3.根据权利要求1所述的针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台，其特征在于：还包括一个尺度对准标记点（9），尺度对准标记点（9）设置在圆形底座（4）顶部边缘。

4.根据权利要求1所述的针对标准长平晶面型倾斜测量的测试光路，其特征在于：所述视场光阑（14）采用圆形光阑。

5.一种采用如权利要求1所述的针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的标定方法，其特征在于，方法步骤如下：

步骤1、确定斐索干涉仪（15）与针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的相对位置；

步骤2、确定不同长度的长平晶所对应的倾斜角度；

步骤3、根据不同长度的长平晶所对应的倾斜角度调整转盘（6），使得角度刻度线与尺度对准标记点（9）重合；

步骤4、调整平面反射镜（3）的位置；

步骤5、斐索干涉仪（15）发出的测试光经视场光阑（14）入射至待测长平晶（1），经待测长平晶（1）反射至平面反射镜（3），平面反射镜（3）将携带待测长平晶（1）的面型信息的测试光反射至待测长平晶（1），经待测长平晶（1）反射，通过视场光阑（14）后返回斐索干涉仪（15）；

步骤6、携带待测长平晶（1）的面型信息的测试光与斐索干涉仪（15）内部的参考光发生干涉，得到干涉图像，对比干涉图像与标定图像，确定待测标准长平晶（1）表面的光圈数和pv值。

6.根据权利要求5所述的采用如权利要求1中的针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的标定方法，其特征在于，步骤1中，确定斐索干涉仪15与针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的相对位置的方法如下：

步骤1-1、将调试反射镜设置在待测件卡座（13）上，保证调试反射镜与视场光阑（14）平行；

步骤1-2、将0刻线（7）与尺度对准标记点（9）对齐；

步骤1-3、打开斐索干涉仪（15），使得斐索干涉仪发出的光束垂直入射至调试镜中心。

7.根据权利要求5所述的采用如权利要求1中的针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的标定方法，其特征在于，步骤2中，不同长度的长平晶所对应的倾斜角度如下：长为210mm的长平晶对应倾斜角45°、长为310mm的长平晶对应倾斜角62°；长为475mm的长平晶对应倾斜角72°；长为900mm的长平晶对应倾斜角81°。

8.根据权利要求5所述的采用如权利要求1中的针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的标定方法，其特征在于，步骤4中，调整平面反射镜（3）位置的方法如下：

步骤4-1、将待测长平晶（1）设置在待测件卡座（13）上，保证待测长平晶（1）与视场光阑（14）平行；

步骤4-2、打开平面反射镜（3）顶部的自准直激光器（2）；

步骤4-3、调整平面反射镜（3）位置，使得自准直激光器（2）发出的激光与反射光重合。

9.根据权利要求8所述的采用如权利要求1中的针对标准长平晶的倾斜测试的测试平台的标定方法，其特征在于，所述平面反射镜（3）和待测长平晶（1）位于视场光阑（14）两侧。