CN107990839A - 长条状光学元件面形的快速拼接检测装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种长条状光学元件面形的快速拼接检测装置和检测方法，该装置包括水平调节机构、垂直调节机构、气浮平台、二维精密调整台、大口径光学元件、伺服电机、数控直线导轨、运动电控箱、小口径数字化激光干涉仪和电子计算机；本发明用小口径干涉仪对大口径光学元件面形进行快速、精确测量，降低了测量难度和成本，提高了自动化的测量程度，大大提高了面形检测效率。

Description

长条状光学元件面形的快速拼接检测装置和测量方法

技术领域

本发明涉及光学元件表面面形检测，特别是一种长条状光学元件面形的快速拼接检测装置和测量方法。

背景技术

光学干涉测量技术是许多光学仪器和测量技术的基础，光学加工和检测技术的不断发展使得大口径光学系统在天文、空间光学和军事等领域得到了愈来愈广泛的应用。目前各种领域的光学元件都朝着大尺寸、大径厚比两个极端方向发展，甚至达到米量级，其面形加工精度越来越高。在当前发展态势下，快速、准确、数字化的检测技术是实现光学元件高精度、批量化生产的关键问题。针对大口径光学元件的全口径面形测量问题，人们普遍采用大口径激光干涉仪进行测量，但是大口径激光干涉仪造价太高，机体笨重，系统误差较大、恒温时间过长，社会普及率过低，极大的降低了光学元件的生产和检测效率。另外，如果不采用大口径干涉仪，在目前的光学玻璃加工车间，主要采用的是样板法来判断表面光学质量，该方法通过把标准的样板与待测玻璃接触，观测两者所形成的干涉条纹光圈数来判断包边玻璃的面形情况，这种方法不但精度低，而且不能定量的给出面形偏差数据，并且很容易对所测的玻璃表面造成划痕，最终会影响玻璃表面的光学质量，所以需要新的方法来定量的测试包边玻璃面形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长条状光学元件面形的快速拼接检测装置和测量方法。它克服了大口径光学元件侧面具有端面角度而难以测量、干涉仪口径远小于侧面长度的缺点，提高了整体集成化和自动化程度，使检测过程可控、量化和可重复。该方法适用于小口径干涉仪对大口径光学元件面形的快速、精确测量，降低了测量难度和成本，提高了自动化的测量程度，大大提高了面形检测效率。

本发明的技术方案如下：

一种长条状光学元件面形的快速拼接检测装置，其特点在于该装置包括：水平调节机构、垂直调节机构、气浮平台、二维精密调整台、大口径光学元件、伺服电机、数控直线导轨、运动电控箱、小口径数字化激光干涉仪和电子计算机；

在所述的气浮平台上设置所述的二维精密调整台和所述的数控直线导轨，将所述的大口径光学元件放置在所述的二维精密调整台上，所述的水平调节机构和垂直调节机构控制所述的二维精密调整台，以精细调整所述的大口径光学元件的俯仰参数和高低位置；

所述的数控直线导轨上设有电控移动平台，该电控移动平台在所述的伺服电机驱动下沿所述的数控直线导轨做直线运动；

所述的小口径数字化激光干涉仪固定在所述的电控移动平台上，在所述的伺服电机带动下所述的小口径数字化激光干涉仪沿所述的数控直线导轨直线运动；

所述的伺服电机与运动电控箱连接并受其控制；所述的运动电控箱的控制端和小口径数字化激光干涉仪的输出端分别与所述的电子计算机连接并受其控制；

所述的面形拼接软件安装在所述的电子计算机上。

利用上述长条状光学元件面形快速拼接检测装置进行长条状光学元件面形快速拼接的检测方法，包括如下步骤：

1)首先将大口径光学元件放置在所述的二维精密调整台上，调节所述的水平调节机构和垂直调节机构，使所述的大口径光学元件的待测表面与所述的数控直线导轨平行，并使待测平面的中心高度与所述的小口径数字化激光干涉仪的中心孔径高度一致；

2)利用电子计算机通过所述的运动电控箱、驱动所述的伺服电机带动所述的小口径数字化激光干涉仪，处于所述的数控直线导轨的一端，并位于所述的大口径光学元件待测平面的初始位置；

3)按照所述的小口径数字化激光干涉仪操作规程，打开各部分控制开关，使所述的小口径数字化激光干涉仪进入正常工作状态；

4)依次打开电子计算机和面形拼接检测软件；在软件中根据待测大口径光学元件的长度和口径设置小口径数字化激光干涉仪技术参数，包括：

全口径面形：指待测大口径光学元件的整体面形精度，即PV；

子孔径面形：指利用小口径数字化激光干涉仪每次测量的面形值，即为一个子孔径面形值，即pv；

拼接重叠率：指相邻两个子孔径的拼接重叠区域占子孔径的百分比，一般选择30％和50％，可根据具体情况进行调节；

拼接次数：根据子孔径大小和拼接重叠率以及待测大口径光学元件的口径进行计算所得；

测量速度：指小口径数字化激光干涉仪在每个子孔径之间测量的移动速度和每个子孔径面形的测量时间；

拼接子孔径数：指根据拼接次数计算出的全部测量完成大口径光学元件面形所需的子孔径数量，记为N；

软件参数设置完成后，将所述的小口径数字化干涉仪对准大口径光学元件(5) 待测平面的第一个子孔径位置，令n＝1，点击开始测量；

5)调节所述的水平调节机构和垂直调节机构，直到电子计算机的显示器上出现清晰的明暗干涉条纹，并把干涉条纹调整到最少；待干涉条纹稳定后，读取软件上数字化面形精度值并保存，得到第1个子孔径面形，即pv1；

6)第一个子孔径测量完成后，电子计算机控制小口径数字化激光干涉仪沿着数控直线导轨按照程序设定值平移至下一个子孔径位置，即n＝2，按照步骤5) 继续测量，得到第二个子孔径面形pv2；

7)令n＝n+1，当n<N，按步骤5)测量，得到第n子孔径面形pvn；当n>N 时，进入下一步；

8)将上述子孔径面形pv1、pv2、…、pvn、…、pvN按现有面形全口径拼接算法 (参考文献见：Masashi Otsubo,Katsuyuki Okada,Jumpel Tsujiuchi,FE.OpticalEngineering,33(2),608-613(February 1994).)进行拼接处理，得到大口径光学元件全口径面形波面参数PV、RMS值，即得到大口径光学元件的全口径面形数据，包括下列子步骤：

a)在软件中选取参与拼接的所有子孔径面形数据，并选定基准子孔径；

b)将参与拼接的所有子孔径面形数据统一到全口径坐标系中；

c)采用最小二乘方法求出各个重叠区域的相对倾斜参数；

d)计算各个重叠区域需要消除的倾斜量；

e)构建权重矩阵进行全口径波面的融合拼接；

f)最后得到大口径光学元件全口径面形波面数据并做消除倾斜处理；

g)最终通过计算得到大口径光学元件全口径面形波面参数PV、RMS值，得到大口径光学元件的全口径面形数据。

本发明的优点是：

1)本发明依靠水平/垂直调节结构调节精密调整台的俯仰和摇摆，可以精密调节长条状光学元件测量面与动态干涉仪主镜的水平平行度与垂直端面角度。

2)本发明涉及的大口径光学元件面形精度测量无需选用大口径的干涉仪来实现全口径的测量，采用小口径干涉仪拼接技术即可实现定量和无损检测，大大降低了成本，也无需额外的辅助元件，降低了人工误差。

3)本发明克服了大口径光学元件侧面具有端面角度而难以测量、干涉仪口径远小于侧面长度的缺点，提高了整体集成化和自动化程度，使检测过程可控、量化和可重复。该方法适用于小口径干涉仪对大口径光学元件面形的快速、精确测量，降低了测量难度和成本，提高了自动化的测量程度，大大提高了面形检测效率。

附图说明

图1为本发明长条状光学元件面形的快速拼接检测装置的结构示意图；

图2为子孔径拼接原理示意图；

图3为现有面形全口径拼接算法流程图；

图4为采用大口径干涉仪全口径直接测量的工件面形结果；

图5为采用7次拼接技术测量的图4同一工件的面形结果。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图1，图1是本发明长条状光学元件面形的快速拼接检测装置，由图可见，本发明长条状光学元件面形的快速拼接检测装置，包括：水平调节机构1、垂直调节机构2、气浮平台3、二维精密调整台4、大口径光学元件5、伺服电机 6、数控直线导轨7、运动电控箱8、小口径数字化激光干涉仪9和电子计算机 10；

在所述的气浮平台3上设置所述的二维精密调整台4和所述的数控直线导轨 7，所述的大口径光学元件5放置在所述的二维精密调整台4上，所述的水平调节机构1和垂直调节机构2控制所述的二维精密调整台4，以精细调整所述的大口径光学元件5的俯仰参数和高低位置；

所述的数控直线导轨7上设有电控移动平台，该电控移动平台在所述的伺服电机6驱动下沿所述的数控直线导轨7做直线运动；

所述的小口径数字化激光干涉仪9固定在所述的电控移动平台上，在所述的伺服电机6带动下所述的小口径数字化激光干涉仪9沿所述的数控直线导轨7 直线运动；

所述的伺服电机6与运动电控箱8连接并受其控制；所述的运动电控箱8 的控制端和小口径数字化激光干涉仪9的输出端与所述的电子计算机10连接并受其控制；

所述的面形拼接软件安装在所述的电子计算机10上。

利用上述长条状光学元件面形快速拼接检测装置进行长条状光学元件面形快速拼接的检测方法，包括如下步骤：

1)首先将大口径光学元件5放置在所述的二维精密调整台4上，调节所述的水平调节机构1和垂直调节机构2，使所述的大口径光学元件5的待测表面与所述的数控直线导轨7平行，并使待测平面的中心高度与所述的小口径数字化激光干涉仪9的中心孔径高度一致；

2)利用电子计算机10通过所述的运动电控箱8、驱动所述的伺服电机6带动所述的小口径数字化激光干涉仪9，处于所述的数控直线导轨7的一端，并位于所述的大口径光学元件5待测平面的初始位置；

3)按照所述的小口径数字化激光干涉仪9操作规程，打开各部分控制开关，使所述的小口径数字化激光干涉仪9进入正常工作状态；

4)依次打开电子计算机10和面形拼接检测软件；在软件中根据待测大口径光学元件5的长度和口径设置小口径数字化激光干涉仪9技术参数，包括：

全口径面形：指待测大口径光学元件的整体面形精度，即PV；

子孔径面形：指利用小口径数字化激光干涉仪每次测量的面形值，即为一个子孔径面形值，即pv；

拼接重叠率：指相邻两个子孔径的拼接重叠区域占子孔径的百分比，一般选择30％和50％，可根据具体情况进行调节；

拼接次数：根据子孔径大小和拼接重叠率以及待测大口径光学元件的口径进行计算所得；

测量速度：指小口径数字化激光干涉仪在每个子孔径之间测量的移动速度和每个子孔径面形的测量时间；

拼接子孔径数：指根据拼接次数计算出的全部测量完成大口径光学元件面形所需的子孔径数量，记为N；

软件参数设置完成后，将所述的小口径数字化干涉仪9对准大口径光学元件 5待测平面的第一个子孔径位置，令n＝1，点击开始测量；

5)调节所述的水平调节机构1和垂直调节机构2，直到电子计算机的显示器上出现清晰的明暗干涉条纹，并把干涉条纹调整到最少；待干涉条纹稳定后，读取软件上数字化面形精度值并保存，得到第1个子孔径面形，即pv1；

6)第一个子孔径测量完成后，电子计算机10控制小口径数字化激光干涉仪 9沿着数控直线导轨7按照程序设定值平移至下一个子孔径位置，即n＝2，按照步骤5)继续测量，得到第二个子孔径面形pv2；

7)令n＝n+1，当n<N，按步骤5)测量，得到第n子孔径面形pvn；当n>N 时，进入下一步；

8)将上述子孔径面形pv1、pv2、…、pvn、…、pvN按现有面形全口径拼接算法(参考文献见：Masashi Otsubo,Katsuyuki Okada,Jumpel Tsujiuchi,FE.OpticalEngineering,33(2),608-613(February 1994).)进行拼接处理，得到大口径光学元件的全口径面形波面参数PV、RMS值，即得到大口径光学元件的全口径面形数据，包括下列子步骤：

a)在软件中选取参与拼接的所有子孔径面形数据，并选定基准子孔径；

b)将参与拼接的所有子孔径面形数据统一到全口径坐标系中；

c)采用最小二乘方法求出各个重叠区域的相对倾斜参数；

d)计算各个重叠区域需要消除的倾斜量；

e)构建权重矩阵进行全口径波面的融合拼接；

f)最后得到大口径光学元件全口径面形波面数据并做消除倾斜处理；

g)最终通过计算得到大口径光学元件全口径面形波面参数PV、RMS值，即大口径光学元件的全口径面形数据。

该现有面形全口径拼接算法的拼接原理如图2所示，拼接流程如图3所示，拼接原理按照常规的多孔径拼接方式进行，一般选择第一个子孔径作为基准孔径，再对任一与之相交的子孔径按“两两拼接”原理进行拼接，直到覆盖整个全孔径，再对已经拼接完成的全口径进行消倾斜处理，从而达到全孔径相位数据的拼接。这种多孔径拼接的关键是建立合适的拼接模型测量系统，主要采用误差均化的拼接方法，要求所有拼接区中相位差值的平方和同时达到最小，即将全部重叠区匹配点的方程联立求解使计算误差由所有子孔径共同承担从而减小误差。

实验表明，本发明克服了大口径光学元件侧面具有端面角度而难以测量、干涉仪口径远小于侧面长度的缺点，提高了整体集成化和自动化程度，使检测过程可控、量化和可重复。该方法适用于小口径干涉仪对大口径光学元件面形的快速、精确测量，降低了测量难度和成本，提高了自动化的测量程度，大大提高了面形检测效率。

Claims (2)

1.一种长条状光学元件面形的快速拼接检测装置，其特征在于该装置包括：水平调节机构(1)、垂直调节机构(2)、气浮平台(3)、二维精密调整台(4)、大口径光学元件(5)、伺服电机(6)、数控直线导轨(7)、运动电控箱(8)、小口径数字化激光干涉仪(9)和电子计算机(10)；

在所述的气浮平台(3)上设置所述的二维精密调整台(4)和所述的数控直线导轨(7)，所述的大口径光学元件(5)放置在所述的二维精密调整台(4)上，所述的水平调节机构(1)和垂直调节机构(2)控制所述的二维精密调整台(4)，以精细调整所述的大口径光学元件(5)的俯仰参数和高低位置；

所述的数控直线导轨(7)上设有电控移动平台，该电控移动平台在所述的伺服电机(6)驱动下沿所述的数控直线导轨(7)做直线运动；

所述的小口径数字化激光干涉仪(9)固定在所述的电控移动平台上，在所述的伺服电机(6)带动下所述的小口径数字化激光干涉仪(9)沿所述的数控直线导轨(7)直线运动；

所述的伺服电机(6)与运动电控箱(8)连接并受其控制；所述的运动电控箱(8)的控制端和小口径数字化激光干涉仪(9)的输出端分别与所述的电子计算机(10)连接并受其控制；

所述的面形拼接软件安装在所述的电子计算机(10)上。

2.利用权利要求1所述的长条状光学元件面形快速拼接检测装置进行长条状光学元件面形快速拼接的检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)首先将大口径光学元件(5)放置在所述的二维精密调整台(4)上，调节所述的水平调节机构(1)和垂直调节机构(2)，使所述的大口径光学元件(5)的待测表面与所述的数控直线导轨(7)平行，并使待测平面的中心高度与所述的小口径数字化激光干涉仪(9)的中心孔径高度一致；

2)利用电子计算机(10)通过所述的运动电控箱(8)、驱动所述的伺服电机(6)带动所述的小口径数字化激光干涉仪(9)，处于所述的数控直线导轨(7)的一端，并位于所述的大口径光学元件(5)待测平面的初始位置；

3)按照所述的小口径数字化激光干涉仪(9)操作规程，打开各部分控制开关，使所述的小口径数字化激光干涉仪(9)进入正常工作状态；

4)依次打开电子计算机(10)和面形拼接检测软件；在软件中根据待测大口径光学元件(5)的长度和口径设置小口径数字化激光干涉仪(9)技术参数，包括：

全口径面形：指待测大口径光学元件的整体面形精度，即PV；

子孔径面形：指利用小口径数字化激光干涉仪每次测量的面形值，即为一个子孔径面形值，即pv；

拼接重叠率：指相邻两个子孔径的拼接重叠区域占子孔径的百分比，一般选择30％和50％，可根据具体情况进行调节；

拼接次数：根据子孔径大小和拼接重叠率以及待测大口径光学元件的口径进行计算所得；

测量速度：指小口径数字化激光干涉仪在每个子孔径之间测量的移动速度和每个子孔径面形的测量时间；

拼接子孔径数：指根据拼接次数计算出的全部测量完成大口径光学元件面形所需的子孔径数量，记为N；

软件参数设置完成后，将所述的小口径数字化干涉仪(9)对准大口径光学元件(5)待测平面的第一个子孔径位置，令n＝1，点击开始测量；

5)调节所述的水平调节机构(1)和垂直调节机构(2)，直到电子计算机的显示器上出现清晰的明暗干涉条纹，并把干涉条纹调整到最少；待干涉条纹稳定后，读取软件上数字化面形精度值并保存，得到第1个子孔径面形，即pv1；

6)第一个子孔径测量完成后，电子计算机(10)控制小口径数字化激光干涉仪(9)沿着数控直线导轨(7)按照程序设定值平移至下一个子孔径位置，即n＝2，按照步骤5)继续测量，得到第二个子孔径面形pv2；

7)令n＝n+1，当n<N，按步骤5)测量，得到第n子孔径面形pvn；当n>N时，进入下一步；

8)将上述子孔径面形pv1、pv2、…、pvn、…、pvN按现有面形全口径拼接算法进行拼接处理，得到大口径光学元件的全口径面形参数PV、RMS值，即得到大口径光学元件的全口径面形数据。